Zařízení na čištění bioplynu na ÚČOV Praha. Návrh a provozní zkušenosti.

Úvod

Zařízení na čištění bioplynu (dále též Jednotka čištění) na Ústřední čistírně odpadních vod Praze (dále jen ÚČOV Praha) bylo navrženo, postaveno a uvedeno do provozu v letech 2006 - 2008. Nahradilo původní zařízení, které nevyhovovalo jak výkonově, produkce bioplynu vzrostla ze 2 000 na 4 000 Nm³/h, tak procesně, přítomnost siloxanů v bioplynu způsobovala problémy na provozních souborech zpracovávající bioplyn zejména pak na plynových motorech. Na základě návrhu procesní technologie Ústavu pro výzkum a využití paliv a.s. Praha - Běchovice společnost ZVU Engineering a.s. vypracovala projekt Zařízení na čištění bioplynu, dodala hlavní technologické aparáty a podílela se na uvedení zařízení do provozu. Problematika návrhu zařízení a získané provozní poznatky jsou předmětem této přednášky.

Návrh a projekt zařízení

Technologický proces

Na Obr. 1 je znázorněno základní technologické schéma. Technologický proces čištění bioplynu představuje několik na sebe navazujících operací. Hlavní operace zajišťují snížení relativní vlhkosti bioplynu a snížení obsahu siloxanů respektive organického křemíku v bioplynu. Vedlejšími operacemi je transport a špičkový ohřev bioplynu.

Bioplyn vstupuje do Jednotky čištění o teplotě cca 55 °C a tlaku 7 kPa (g) nasycen vodou (o relativní vlhkosti 100 %). Upravený bioplyn je spalován v plynových motorech kogenerační jednotky. Pro takové využití se běžně snižuje relativní vlhkost na cca 80 % [1]. Snížení relativní vlhkosti se provádí kondenzačním způsobem tj. ochlazením bioplynu a po oddělení kondenzátu (především vody) odpovídajícím ohřevem. Vzhledem k tomu, že za kondenzační část jednotky je zařazena adsorpce siloxanů na aktivním uhlí, je nezbytné relativní vlhkost snížit až na 45 %, aby nedocházelo k zanášení adsorbentu vodou, a tím ke snížení jeho adsorpční kapacity pro siloxany [2]. Jak lze nahlédnout v uvedeném schématu, je ochlazení bioplynu a oddělení kondenzátu prováděno ve dvou stupních. Prvním stupněm je vodní chladič bioplynu, druhým stupněm chladič bioplynu s chladící směsí voda-glykol, která se ochlazuje kompresorovou chladící jednotkou. Kondenzát se z bioplynu odděluje ve výstupní komoře chladičů a pomocí odvodňovače je periodicky odpouštěn do kanalizace. Projektová hodnota teploty bioplynu za chladiči bioplynu je 8 °C. Ohřev bioplynu se provádí topnou vodou v ohřívači bioplynu. Projektová hodnota teploty bioplynu za ohřívačem bioplynu je 35 °C. Tyto parametry zajišťují s dostatečnou rezervou požadované snížení relativní vlhkosti bioplynu.

Pro překonání tlakových ztrát zařízení a propojovacího potrubí, respektive transport bioplynu na místo spotřeby, je za chlazení bioplynu zařazen ventilátor se zálohou 100 %.

Požadované snížení obsahu siloxanů dle projektu představuje snížení obsahu organického křemíku z 30 mg/Nm³ na 1 mg/Nm³. Vstupní hodnota obsahu organického křemíku byla určena na základě měření provedeného v roce 2006 VŠCHT Praha [3], které určilo jakožto významné sloučeniny křemíku obsažené v bioplynu oktamethylcyklotetrasiloxan (3 mg/Nm³) a dekamethylcyklopentasiloxan (73 mg/Nm³), což je v přepočtu na organický křemík celkem 29 mg/Nm³. Výstupní hodnota obsahu organického křemíku je požadavkem investora. K významnému poklesu siloxanů v bioplynu dochází již v kondenzační části zařízení v řádu desítek procent v závislosti na teplotě kondenzace [4]. Kondenzát z bioplynu obsahuje kromě vody minoritní podíl organické frakce bohaté právě na siloxany. (Tato organická frakce se vyděluje v odvodňovačích kondenzátu jako vrstva nažloutlé barvy na vodní hladině.) Požadované výstupní hodnoty obsahu siloxanů v bioplynu je však dosaženo až adsorpcí na aktivním uhlí. Pro její spolehlivé zajištění je adsorpce provozována se třemi aparáty, dva sériově zapojené jsou vždy v provozu (předadsorbér a adsorbér), třetí aparát je po výměně adsorbentu v záloze, viz schéma. Po tzv. průrazu siloxanů předadsorbérem (překročení hodnoty 1 mg/Nm³) je změněno zapojení adsorbérů: předadsorbér je odstaven do režimu výměny adsorbentu a zálohy, adsorbér je zapojen jako předadsorbér, aparát ze zálohy s čerstvým adsorbentem je zapojen jako adsorbér.

Za adsorpci siloxanů je zařazen tzv. špičkový ohřívač bioplynu (napájený opět topnou vodou), který zajišťuje minimální garantovanou teplotu bioplynu na výstupu z Jednotky čištění (např. při velmi nízké venkovní teplotě).

Zadávací parametry projektu

Tabulka 1: Shrnutí projektových hodnot Jednotky čištění převzaté z projektové dokumentace [5]

Parametry bioplynu na vstupu do Jednotky čištění:
Množství	2 000 - 4 000 Nm3/h
Teplota	55 °C
Tlak	7 kPa(g)
Relativní vlhkost	100 %
Složení:
Metan	61,6-65% obj.
Oxid uhličitý	34,9-37,4% obj.
Dusík	0,09-0,34% obj.
Kyslík	0,02-0,09% obj.
Organický křemík	30 mg/Nm3
Parametry bioplynu za prvním stupněm chlazení (vodním chladičem):
Teplota	30 °C
Parametry bioplynu za druhým stupněm chlazení (chladičem voda-glykol):
Teplota	8 °C
Parametry bioplynu za ohřívačem bioplynu:
Teplota	35 °C
Relativní vlhkost	25 %
Parametry bioplynu na výstupu z Jednotky čištění:
Obsah organického křemíku	1 mg/Nm3
Teplota	25 - 35 °C
Tlak	9 kPa(g)

Popis zařízení a hlavních aparátů

Jednotka čištění je umístěna uvnitř objektu po původním zařízení, adsorbéry a kompresorová chladící jednotka jsou situovány v těsné blízkosti objektu.

Chladiče bioplynu

Horizontální trubkové výměníky tepla: Trubkový prostor: bioplyn Mezitrubkový prostor: chladící médium (chladící voda respektive chladící směs voda-glykol) Sklon chladiče ve směru toku bioplynu: 5°.

Kompresorová chladící jednotka

• Uzavřený chladící okruh, chladivo R-407C Výrobce a typ zařízení: Donaldson, Ultracool Midi UC 1350

Ventilátory

• Výrobce a typ: ARET BW s.r.o. Prachatice, VRVP 800-A-P90°

Ohřívače bioplynu

• Vertikální trubkové výměníky tepla
• Trubkový prostor: bioplyn
• Mezitrubkový prostor: topná voda (chladící voda plynových motorů)

Adsorbéry

Pro zajištění co nejsnadnějšího plnění a vyprazdňování adsorbérů aktivním uhlím (sorbentem) je navrženo horizontálně protékané provedení adsorbérů s vertikálně situovanou slojí sorbentu, přičemž aparát má v příčném řezu tvar kosočtverce. Sloj sorbentu je vymezena svislými rošty s výztužnými žebry, tahokovem a síťovinou. Plnění adsorbéru je uvažováno horním násypným hrdlem. Vyprazdňování adsorbéru je řešeno samospádem (gravitací) výpustí umístěnou v dolní části aparátu. Plnění a vyprazdňování aktivního uhlí z a do adsorbéru je zajištěno dopravníky.

Řízení procesu

Tabulka č. 2: Řízení procesu

Regulovaná veličina	Akční veličina/orgán
Teplota bioplynu za vodním chladičem	Množství chladící vody
Tlak bioplynu na výstupu z Jednotky čištění	Otáčky elektromotoru ventilátoru
Teplota bioplynu za ohřívačem	Množství topné vody
Teplota bioplynu za špičkovým ohřívačem	Množství topné vody
Hladina v odvodňovačích (2-polohová regulace)	Vypouštěcí ventil z odvodňovače
Přepínání adsorbérů	Klapky na potrubí bioplynu

Provoz zařízení

Po uvedení zařízení do provozu a úspěšném překonání některých počátečních potíží zařízení pracuje spolehlivě.

Přetrvávajícím provozním problémem je postupná "ztráta" chladícího výkonu vodního chladiče. Jako chladící voda je využívána voda z ÚČOV, tedy levná a dostupná, bohužel mechanické nečistoty způsobují rychlé zanášení teplosměnné plochy chladiče na straně chladící vody. Důsledkem je postupné zvyšování teploty bioplynu za prvním i druhým chladícím stupněm. Samozřejmě po vyčištění chladiče je opět dosahován projektový chladící výkon a teplota za prvním i druhým chladícím stupněm. Trvalé nápravy lze dosáhnout zajištěním vyšší kvality chladící vody, přičemž by bylo vhodné současně nahradit stávající systém průtočného chlazení systémem cirkulačního chlazení s chladící věží [6].

Dodržení projektové hodnoty teploty za druhým chladícím stupněm je důležité i pro navazující adsorpci. V chladičích bioplynu dochází k parciální kondenzaci nejen vody ale i siloxanů a dalších organických látek. Jak potvrdila měření provedená v průběhu ověřovacího provozu v druhé polovině roku 2008 [7], [8] a [9] jedná se především o vyšší uhlovodíky metanové řady a alkylbenzeny, které se rovněž tak jako siloxany adsorbují na aktivním uhlí. Množství organického kondenzátu je nepatrné při srovnání s množstvím zkondenzované vody, ale podíl kondenzátu těchto látek ku jejich obsahu v surovém bioplynu je významný. Čím je vyšší teplota za druhým chladícím stupněm, tím větší podíl siloxanů a dalších organických látek zůstává v bioplynu a vstupuje do adsorpce [10]. To znamená, že konečným důsledkem kvality chladící vody je větší zatížení adsorpce a kratší doba životnosti náplně adsorbérů.

Na tomto místě se nabízí otázka dosažení co nejnižší teploty bioplynu za druhým chladícím stupněm. Není to samozřejmě nová myšlenka, viz např. [4]. Snížení teploty znamená vyšší provozní náklady (chladící výkon na nižší teplotní úrovni), které musí být kompenzovány nižšími provozními náklady adsorpce. Takový výsledek lze stěží předpokládat pro teploty nižší než 5 °C. Návrh takovéto úpravy procesu lze provést pouze na základě chemické analýzy surového bioplynu zahrnující kromě organických sloučenin křemíku (siloxany), těkavé organické látky (Volatile Organic Compounds - VOC's), organické a anorganické sloučeniny síry (a samozřejmě hlavní plyny). V neposlední řadě půjde také o zachování dosavadních investic.

Závěr

Zařízení na čištění bioplynu na ÚČOV Praha dodané ZVU Engineering a.s. dosahuje požadovaných parametrů a pracuje spolehlivě v trvalém provozu.

ZVU Engineering a.s. je díky svým bohatým zkušenostem v oblasti koksárenských a plynárenských technologií nyní rozšířeným o zkušenosti z návrhu a ověřovacího provozu Jednotky čištění bioplynu schopna zajistit kompletní dodávku zařízení na úpravu bioplynu zahrnující návrh procesu, základní a prováděcí projekt, konstrukční dokumentaci a uvedení do provozu.

Literatura

• [1] Sušení a ochlazování bioplynu na BPS Hurbanovo. Nabídka výroby a dodávky zařízení. ZVU Engineering a.s. Hradec Králové 2009.
• [2] Tower, P.M., Wetzel, J.V.: Reducing Biogas Power Generation Costs by Removal of Siloxanes. NZWWA 46th Annual Conference, Auckland, New Zealand, October 4, 2004.
• [3] Vodrážka, S.: Stanovení obsahu organicky vázaného křemíku v bioplynu z ČOV firmy PVK, a.s. Datum vystavení protokolu: 24. 8. 2006, VŠCHT Praha.
• [4] Tower, P.: Siloxanes and Other Harmful Contaminants: Their Importance in Total LFG Quality Management. SWANA 27th Landfill Gas Symposium March, 2004, s. 1-7.
• [5] Čištění bioplynu na ÚČOV Praha. Dokumentace skutečného provedení - Technická zpráva. SP-EG-571-TO rev2. ZVU Engineering a.s. Hradec Králové 2007.
• [6] Technická specifikace. Změna chladícího média pro výměník E01. ÚČOV Praha -čištění bioplynu. ZVU Engineering a.s. Hradec Králové 2009.
• [7] Čištění bioplynu na ÚČOV Praha. Průběžná zpráva. VŠCHT Praha 2008.
• [8] Protokol o zkoušce č.1290/08. Výsledky analýzy vzorků aktivního uhlí. EMPLA Hradec Králové 2008.
• [9] Protokol o zkoušce č.1020/08. Výsledky analýzy vzorku kapaliny. EMPLA Hradec Králové 2008.
• [10] Čištění bioplynu na ÚČOV Praha. Posouzení adsorpce. Průběžná zpráva. ZVU Engineering a.s. Hradec Králové 2008.

Článek vyšel ve sborníku ODPADOVÉ FÓRUM 2010 (21. - 23. dubna 2010, Kouty nad Desnou).

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu