Introducere

Biogazul generat din procesele de digestie anaerobă este un combustibil regenerabil curat și ecologic. Dar este important să curățați sau să actualizați biogazul înainte de a-l utiliza pentru a-i crește valoarea de încălzire și pentru a-l utiliza în unele aparate pe gaz, cum ar fi motoarele și cazanele.

Utilizarea biogazului

În timp ce majoritatea fermelor mari își folosesc biogazul pentru căldură și energie, merită să luați în considerare toate opțiunile înainte de a decide ce cale să luați, inclusiv vânzarea directă a biogazului către un cumpărător din afara fermei.

Biogazul de gunoi de grajd animal conține 55-65% metan (CH4), 30-45% dioxid de carbon (CO2), urme de hidrogen sulfurat (H2S) și hidrogen (H2) și fracții de vapori de apă. Pentru digestia anaerobă a namolului sau a proceselor de depozitare a deșeurilor, urme de siloxani pot fi găsite și în biogaz. Acești siloxani provin în principal din compuși care conțin siliciu, folosiți pe scară largă în diverse materiale industriale sau adăugați frecvent la produse de consum, cum ar fi detergenți și produse de îngrijire personală. Acest articol nu va aborda curățarea biogazului siloxanilor.

Biogazul este cu aproximativ 20% mai ușor decât aerul și are o temperatură de aprindere cuprinsă între 650 și 750 grade C. (1.200-1.380 grade F.). Este un gaz inodor și incolor care arde cu o flacără albastră limpede similară cu cea a gazului natural. Cu toate acestea, biogazul are o putere calorică de 20-26 MJ/m3 (537-700 Btu/ft3) comparativ cu valoarea calorică comercială a gazelor naturale de 39 MJ/m3 (1.028 Btu/ft3).

Biogazul poate fi utilizat în multe tipuri de echipamente, inclusiv:

  • Motor cu combustie internă (cu piston) - Generarea de energie electrică, puterea arborelui
  • Motor cu turbină pe gaz (mare) - Generarea de energie electrică, puterea arborelui
  • Motor de microturbină (mic) - Generarea de energie electrică
  • Motor termic Stirling - Generarea de energie electrică
  • Sisteme de cazane (abur)
  • Sisteme de apă caldă
  • Incalzitoare de proces (Cuptoare)
  • Incalzitoare de spatiu sau aer
  • Răcitor de răcire cu gaz - Refrigerare
  • Răcitor de absorbție - refrigerare
  • Puterea și puterea combinate (CHP) - Scară mare și mică - Puterea electrică și căldura
  • Celule de combustibil - energie electrică, o anumită căldură

Există o varietate de utilizări finale pentru biogaz. Cu excepția celor mai simple utilizări termice, cum ar fi evazarea mirosurilor sau unele tipuri de încălzire, biogazul trebuie curățat sau procesat înainte de utilizare. Cu o curățare sau o actualizare adecvată, biogazul poate fi utilizat în toate aplicațiile care au fost dezvoltate pentru gaze naturale.

Cele trei utilizări finale de bază pentru biogaz sunt:

  • producerea de căldură și abur
  • generarea de energie electrică
  • combustibilul vehiculului

Producția de căldură sau abur

Cea mai simplă utilizare a biogazului este pentru energie termică (termică). În zonele în care combustibilii sunt puțini, sistemele mici de biogaz pot furniza energie termică pentru gătitul de bază și încălzirea apei. Sistemele de iluminat cu gaz pot utiliza, de asemenea, biogaz pentru iluminare.

Arzătoarele convenționale cu gaz sunt ușor de reglat pentru biogaz prin simpla modificare a raportului aer-gaz. Cererea de calitate a biogazului în arzătoarele pe gaz este scăzută, necesitând doar o presiune a gazului de la 8 la 25 mbar și menținând nivelurile de H2S sub 100 ppm pentru a atinge un punct de rouă de 150 grade C.

Generarea de energie electrică sau căldură și energie combinate (CHP)

Sistemele combinate de căldură și energie utilizează atât capacitatea producătoare de energie a unui combustibil, cât și inevitabila căldură reziduală. Unele sisteme de cogenerare produc în primul rând căldură, iar puterea electrică este secundară (ciclu de fund). Alte sisteme de cogenerare produc în primul rând energie electrică și căldura uzată este utilizată pentru încălzirea apei de proces (ciclul de topping). În ambele cazuri, eficiența generală (combinată) a puterii și căldurii produse și utilizate oferă o eficiență mult mai mare decât utilizarea combustibilului (biogaz) pentru a produce numai energie sau căldură.

În afară de investițiile inițiale mari, turbinele cu gaz (microturbine, 25-100 kW; turbine mari,> 100 kW) cu eficiență comparabilă cu motoarele cu aprindere prin scânteie și cu întreținere redusă pot fi utilizate atât pentru producerea de energie termică, cât și de energie. Cu toate acestea, motoarele cu ardere internă sunt utilizate cel mai mult în aplicații de cogenerare. Utilizarea biogazului în aceste sisteme necesită îndepărtarea atât a H2S (sub 100 ppm), cât și a vaporilor de apă.

Celulele de combustibil sunt considerate centralele electrice la scară mică ale viitorului pentru producerea de energie electrică și căldură cu eficiență care depășește 60% și emisii reduse. Una dintre cele mai mari unități de digestie/pilă de combustibil este situată în statul Washington. Celula de combustibil, situată la stația de tratare South din Renton, WA, poate consuma aproximativ 154.000 ft 3 de biogaz pe zi pentru a produce până la 1 megawatt (1.000.000 watt) de electricitate. Acest lucru este suficient pentru a alimenta 1.000 de gospodării, dar este folosit în schimb pentru funcționarea centralei.

Combustibilul vehiculului

Vehiculele pe benzină pot utiliza biogazul ca combustibil, cu condiția ca biogazul să fie actualizat la calitatea gazului natural în vehiculele care au fost adaptate la utilizarea gazului natural. Majoritatea vehiculelor din această categorie au fost retro-echipate cu un rezervor de gaz și un sistem de alimentare cu gaz, pe lângă sistemul normal de alimentare cu benzină. Cu toate acestea, vehiculele dedicate (care utilizează numai biogaz) sunt mai eficiente decât aceste retro-ajustări.

Curățarea sau actualizarea biogazului

Curățarea biogazului este importantă din două motive: (1) pentru a crește valoarea de încălzire a biogazului și (2) pentru a îndeplini cerințele pentru unele aparate pe gaz (motoare, cazane, pile de combustibil, vehicule etc.). Scopurile dorite de curățare sau modernizare a biogazului sunt rezumate în Figura 1. „Tratamentul complet” implică faptul că biogazul este curățat de CO2, vapori de apă și alte gaze urme, în timp ce „reformarea” este conversia metanului în hidrogen.

biogazului

Eliminarea CO2

Pentru multe dintre aplicațiile mai simple de biogaz, cum ar fi încălzitoarele sau motoarele cu ardere internă sau sistemele de generare, eliminarea dioxidului de carbon (CO2) din biogaz nu este necesară, iar CO2 trece pur și simplu prin arzător sau motor. Pentru aplicații mai exigente de biogaz/motor, cum ar fi vehiculele care necesită combustibili cu densitate mai mare de energie, CO2 este eliminat în mod obișnuit. Îndepărtarea CO2 mărește valoarea de încălzire și duce la o calitate a gazului consecventă similară gazului natural. Dioxidul de carbon poate fi eliminat din biogaz economic prin absorbție sau adsorbție. Membranele și separările criogenice sunt alte procese posibile.

Spălarea contra-curent sub presiune a CO2 și H2S din biogaz poate fi realizată în apă. Pentru îndepărtarea CO2 în special; pH-ul, presiunea și temperaturile sunt critice. Presiunile ridicate, temperatura scăzută și pH-ul ridicat măresc curățarea CO2 din biogaz. Utilizarea soluțiilor de Ca (OH) 2 poate elimina complet atât CO2, cât și H2S. Atât CO2, cât și H2S sunt mai solubili în unii solvenți organici, cum ar fi polietilenglicol și alcanol amine care nu dizolvă metanul. Acești solvenți organici pot fi folosiți astfel pentru a curăța aceste gaze din biogaz chiar și la presiuni scăzute. Sistemele care utilizează acest tip de solvenți organici pot elimina CO2 până la 0,5% din biogaz.

Cu toate acestea, utilizarea solvenților organici este mult mai scumpă decât sistemele de apă. Adsorbția CO2 pe solide, cum ar fi cărbunele activ sau sitele moleculare, este posibilă, deși necesită temperaturi și presiuni ridicate. Este posibil ca aceste procese să nu fie rentabile din cauza temperaturii ridicate și a scăderilor de presiune asociate. Separarea criogenică este posibilă deoarece la 1 atm, metanul are un punct de fierbere de -106 o C, în timp ce CO2 are un punct de fierbere de -78 o C. Condensarea fracționată și distilarea la temperaturi scăzute pot astfel separa metanul pur sub formă lichidă, care este convenabil pentru transport. Se poate obține până la 97% metan pur, dar procesul necesită investiții inițiale și operaționale ridicate. Membranele sau sitele moleculare depind de diferențele de permeabilitate ale componentelor individuale ale gazului printr-o membrană subțire. Separările de membrană câștigă rapid în popularitate. Alte conversii chimice sunt viabile din punct de vedere tehnic, dar economia lor este slabă pentru curățarea practică a biogazului.

Îndepărtarea vaporilor de apă

Chiar de la digestor, biogazul va fi în general saturat cu abur. Pe lângă reducerea valorii energetice a biogazului, apa poate reacționa cu H2S pentru a crea hidrogen ionic și/sau acid sulfuric, care este coroziv pentru metale. Refrigerarea sau proiectarea sensibilă a conductelor pot condensa și elimina apa. Biogazul este comprimat în mod normal înainte de răcire pentru a atinge puncte de rouă ridicate. Mecanismele alternative de eliminare a vaporilor de apă includ adsorbția pe: (1) silicagel și Al2O3 la puncte de rouă scăzute, (2) glicol și săruri higroscopice la temperaturi ridicate și 3) site moleculare.

Îndepărtarea sulfurii de hidrogen

Sulfura de hidrogen din biogaz trebuie îndepărtată pentru toate aplicațiile cu excepția celor mai simple arzătoare. Sulfura de hidrogen în combinație cu vaporii de apă din biogazul brut poate forma acid sulfuric (H2SO4), care este foarte coroziv pentru motoare și componente. La concentrații peste 100 de părți pe milion în volum (ppmv), H2S este, de asemenea, foarte toxic. Cărbunele activ poate fi utilizat pentru îndepărtarea atât a H2S, cât și a CO2. Carbonul activ convertește catalitic H2S în sulf elementar. Sulfura de hidrogen poate fi, de asemenea, eliminată din biogaz în soluții de NaOH, apă sau sare de fier. Un proces simplu și ieftin este dozarea unui flux de biogaz cu O2, care oxidează H2S în sulf elementar. Dozarea de oxigen poate reduce H2S la niveluri sub 50ppm din biogaz [Atenție: DOZAREA ÎN MOD ÎNTREPRINDEREA UNUI FLUOR DE BIOGAZ CU O2 POATE CREA UN PERICOL DE EXPLOZIE]. Oxidul de fier îndepărtează H2S ca sulfură de fier. Această metodă poate fi sensibilă la conținutul ridicat de vapori de apă din biogaz. În plus față de curățarea biogazului H2S după ce a fost produs, metodele disponibile de reducere a conținutului de H2S din biogazul produs includ: co-digestii, digestie multifazică, reactor de tamponare a pH-ului și îndepărtarea sulfului de pe substraturile de alimentare.

Concluzii

Biogazul produs din deșeurile animale poate fi o resursă energetică valoroasă. Prin arderea deșeurilor de metan (biogaz), este eliminat un puternic gaz cu efect de seră care altfel ar fi eliberat. Dacă este utilizat în arzătoare simple pentru gătit sau iluminat, este posibil ca gazul să nu fie necesar să fie tratat înainte de utilizare. Cu toate acestea, pentru utilizările care necesită utilizarea gazului în motoarele cu ardere internă, cazanele sau pilele de combustibil, biogazul va trebui probabil să fie pretratat pentru a elimina contaminanții corozivi sau periculoși. Principalul contaminant al biogazului este hidrogenul sulfurat. Această substanță chimică va reacționa și cu apa pentru a forma acizi corozivi care pot ataca metalele și materialele plastice. Hidrogenul sulfurat este, de asemenea, toxic și cantitățile suficiente prezintă, de asemenea, un posibil pericol pentru sănătate dacă nu sunt tratate.

Resurse aditionale

Referințe

  • Appels, L., J. Baeyens, J. Degre`ve, R. Dewil. 2008. Principiile și potențialul digestiei anaerobe a nămolului activat de deșeuri. Progress in Energy and Combustion Science, 34: 755–781.
  • Drewitz, M., P. Goodrich. 2005. Produsele lactate din Minnesota rulează celule de combustibil cu hidrogen pe biogaz. http://www.jgpress.com/archives/_free/000455.html
  • EMG International, Inc. 2007. Tehnologii de curățare a biogazului. Prezentare la NYS ERDA Innovations in Agriculture.http: //www.nyserda.org/InnovationsInAgriculture/Presentations/Session2_April17/Manaf_Farhan.pdf
  • FAO. 1997. O abordare sistemică a tehnologiei biogazului, http://www.fao.org/sd/Egdirect/Egre0022.htm
  • Glub, J.C., L.F. Diaz. 1991. Procesul de purificare a biogazului. Producția de biogaz și combustibili alcoolici, vol. II. Presa JP.
  • Hagen, M., E. Polman. 2001. Adăugarea gazului din biomasă la rețeaua de gaze. Raport final transmis Agenției Daneze a Gazului, pp. 26-47.
  • Harasmowicz, M., P. Orluk, G. zakrzewska-Trznadel, A.G. Chemielewski. 2007. Aplicarea membranelor de poliimidă pentru purificarea și îmbogățirea biogazului. Journal of Hazardous Materials 144: 698-702.
  • Kapdi, S.S., V.K. Vijay, S.K. Rajesh, R. Prasad. 2005. Spălarea, compresia și stocarea biogazului: perspectivă și prospect în context indian. Energie regenerabilă 30: 1195-1202.
  • Kayhanian, D.J. Dealuri. 1988. Purificarea cu membrană a gazului digestor anaerob. Deșeuri biologice 23: 1-15.
  • Lastella, G., C. Testa, G. Cornacchia, M. Notornicola, F. Voltasio, V.K. Sharma. 2002. Digestia anaerobă a deșeurilor organice semisolide: producerea biogazului și purificarea acestuia. Conversia energiei. Gestionați, 43: 63-75.
  • Leposky, G. 2005. Combustibilul folosește biogaz din canalizare pentru a genera electricitate. http://www.distributedenergy.com/november-december-2005/fuel-cell-biogas.aspx
  • Lee, K., W.K. Theo. 1993. Utilizarea unui permeator cu etapă internă în îmbogățirea metanului din biogaz. J. Membr Sci 1993; 78: 181-90.
  • Martin, J. H. 2008. O metodă pentru a evalua îndepărtarea sulfurii de hidrogen din biogaz. Teză MS: Inginerie biologică și agricolă, Universitatea de Stat din Carolina de Nord, Raleigh, Carolina de Nord.
  • Pandey, D.R., C. Fabian. 1989. Studii de fezabilitate privind utilizarea sitelor moleculare cu acumulare naturală pentru îmbogățirea metanului din biogaz. Separarea și purificarea gazelor, 3: 143-147.
  • Sarkar, S.C., A. Bose. 1997. Rolul peletelor de cărbune activ în eliminarea dioxidului de carbon. Managementul conversiilor energetice 38: S105-S110.
  • Stern, S.A., B. Krishnakumar, S.G. Charati, W.S. Amato, A.A. Friedmann, D.J. Fuess. 1998. Performanța unei instalații pilot de membrană la scară de bancă pentru modernizarea biogazului într-o stație de epurare a apelor uzate. J. Membr Sci, 151: 63-74.
  • Walls, J.L., C. Ross, M.S. Smith, S.R. Harper. 1989. Utilizarea biogazului. Biomasa 20: 277-290.
  • Wellinger, A., A. Lindberg. 2005. Actualizarea și utilizarea biogazului. Sarcina 24: Energia din conversia biologică a deșeurilor organice. Bioenergia IEA. http://www.biogasmax.eu/media/biogas_upgrading_and_utilisation__018031200_1011_24042007.pdf
  • Înțelept, D.L. 1981. Analiza sistemelor de purificare a gazelor combustibile. Producerea gazelor combustibile din biomas, vol. 2. Boca Raton, FL. Presa CRC.

Colaboratori

  • R. Scott Frazier, inginer de extindere a energiei regenerabile, Universitatea de Stat din Oklahoma, [email protected]
  • Pius Ndegwa, Universitatea de Stat din Washington

Peer Reviewers

  • Jerry Martin II, inginer de mediu, USDA - ARS
  • Daniel Ciolkosz, Extension Associate, Penn State