Úprava bioplynu na kvalitu zemního plynu

Úvod

Tlak na využívání vedlejší i hlavní zemědělské produkce pro výrobu bioplynu v České republice daný vnějšími i vnitřními podmínkami se stále výrazněji se projevuje. Ve většině bioplynových stanic, které využívají bioplyn v kogeneračních jednotkách, dochází ke ztrátám až dvou třetin energie obsažené v bioplynu, vznikajících tím, že odpadní teplo z kogeneračních jednotek není značnou část roku využito.

Úpravy bioplynu, odstraňující zejména oxid uhličitý, umožňují jeho uplatnění jako pohonné látky vozidel a jako topného plynu v síti zemního plynu. Pro zvýšení obsahu metanu přes 95 % se používají různé způsoby tlakových vodních vypírek, membránové filtry, metody adsorpce a absorpce, vymrazování a další. Ve Švédsku a Švýcarsku je v provozu několik desítek bioplynových stanic u čistíren odpadních vod s přiřazeným zařízením pro zušlechťování bioplynu tím, že je z něho odstraňován balastní oxid uhličitý a další nežádoucí příměsi. Odseparovaný plyn s obsahem metanu vyšším než 95 % je komprimován a v Evropě využíván k pohonu více než 10 000 nákladních automobilů a autobusů spolu s fosilním zemním plynem, nebo je vháněn do sítě zemního plynu. Ekonomicky vycházejí výhodně úpravy surového bioplynu na kvalitu zemního plynu u ČOV a skládek KO již dnes, vzhledem k současným cenám motorové nafty a zemního plynu, nehledě na využívání různých dotací a osvobození od DPH. U zemědělských bioplynových stanic uplatnění a vyhodnocení těchto metod probíhá v Rakousku a Německu.

Výchozí podklady

Návrh laboratorního zařízení a laboratorní zkoušky, vlastní metoda

Smyslem celého projektu je praktické ověření oddělení CO₂ od CH₄ na laboratorním zařízení metodou vysokého tlaku při stlačování směsi obou plynů a ověřit tak teoretický předpoklad separace těchto plynů tímto způsobem. Tato metoda by pak následně byla velice vhodná k použití u separace bioplynu zvláště tam, kde by separovaný CH₄ byl využíván jako alternativní palivomotorových vozidel, či jako rovnocenná náhrada za zemní plyn v celé škále jeho nynějšího využívání. Zvláště při použití jako alternativního paliva pro motorová vozidla – kdy je plnící tlak do nádrží vozidel 200 bar/15°C, by tato metoda separace CO₂ z biometanu mohla být začleněna přímo do vlastní technologie plnící stanice, čímž by vznikly značné investiční úspory. Investiční úspory by vznikly i při použití této metody proti stávajícím metodám separace CO₂ a to kaskádovému propírání BIOPLYNU v separačních věžích (např. švédský či holandský systém). Se separací je počítáno i v tomto systému, ale s menšími separačními reaktory. Levnější by měly být i použité kompresory, využívané v systémech CNG. Je zde předpoklad možné úspory investičních nákladů 40-60 %.

Metodika laboratorního ověření separace metanu a oxidu uhličitého vysokým tlakem

Cílem bylo sestavit laboratorní zařízení na separaci složek bioplynu CH₄ aCO₂ vysokým tlakem a odzkoušet jeho funkci.

Zadání, zkonstruování a ověření zařízení proběhlo ve spoluprácí s firmou EKOSS - CNGS - ČR, spol. s r.o. Brno

Laboratorní aparatura a způsob zkoušek

Pro zmíněné účely byla instalována na pracovišti EKOSSCNGS- ČR, spol. s r.o v Boskovicích aparatura pro vysokotlakou separaci CO₂ sestávající z těchto komponentů :

1. VTLkompresor Burckhardt C5N21F s parametry: vstupní tlak 1 bar výstupní tlak 350 bar instalovaný příkon: 22 kW Celkový výkon: 47 m³. hod-1 doplněný o separační členy na každém stupni komprese
2. Směšovací vstupní tank o celkovém mísícím objemu 2 x 92 l –DALMINE se samostatnými regulačními vstupy pro CH₄ a CO₂
3. Přídavný separátor (mezichladič) typ ALFA LAVAL v.č. 10828805
4. VTLzásobník pro CH₄ o objemu 2 x 70 l – FABER
5. VTLpotrubí DN10, 16, 20 - PARKER ERMETO
6. VTLventily kuželové – EMER ventilykulové – PARKER
7. VTL fitinky se zářeznými ocelovými kroužky DN 10,16,20–PARKER ERMETO. Principielní funkce zařízení měla být ověřena namícháním technických plynů a jejich oddělením v laboratorních podmínkách.

Šlo o namíchání směsi zemního plynu a technického CO₂ v přibližném složení:

• zemní plyn max. 65% do min. 53% (45%)
• CO₂ min. 35% do max. 47% (55%)

Z těchto směsí odstranit přimíchaný CO₂ tak, že v nich zůstane max. 2,5 % CO₂. Odstraněný CO₂ zachytit a vrátit do původního obalu – tlakových lahví, případně vypustit do ovzduší.

Výsledky a diskuse

Postup provedení zkoušek:

Do směšovacího tanku byl přes regulaci průběžně vpuštěn CH₄ a CO₂ v poměru 65 : 35 (teoretický průměr složení bioplynu) a regulován na výstupu na 1 bar pro vstup do VTL kompresoru. Stlačený produkt (CH₄) byl z kompresoru napojen na VTL zásobník CH₄. CO₂ bylo mechanicky odpouštěno hl. separátorem na kompresoru. Odběr pro chemický rozbor byl proveden z VTL zásobníku přepuštěním do tl. lahve o vodním objemu 11,8 l při tlaku 35 bar ( zhruba 4 m³ separovaného CH₄).

Zkouška č. 1

• Bylo využito pouze separátorů instalovaných přímo na VTL kompresoru – chlazení mezistupňů – vzduchem.
• Hmotnostní kontrola při 120 bar v tanku CH₄
• Tabulkově CH₄ : 16,8 m³ x 0,676 kg.m^-3 = 11,356 kg
• Skutečnost: 13,2 kg
• Teplota okolního vzduchu: 20,5 °C
• Závěr: separace neproběhla optimálně z těchto důvodů: nedostatečnému chlazení v oblasti 50 bar (dáno konstrukcí kompresoru) separace tudíž probíhá až v koncovém stupni je zde zde velmi malý separátor pro CO₂
• Opatření: Dodatečná montáž přídavného mezichladiče s odvodem CO₂ přes separátor 2.stupně kompresoru.

Zkouška č. 2

• Hmotnostní kontrola při tlaku 170 bar v tanku CH₄
• Tabulkově CH₄: 23,8 m³ x 0,676 kg.m^-3 = 16,088 kg
• Skutečnost: 16,2 kg
• Teplota okolního vzduchu: 18,3 °C
• Teplota mezichladiče: 6,7°C
• CH4 se jeví jako separovaný od CO₂ – odběr plynu pro rozbory na VÚZT v.v.i v Praze.
• Složení vzorku separovaného metanu ze směsi CO₂ aCH₄ během laboratorní zkoušky
• Dodáno 6.11.2008 EKOSS - CNGS - ČR, spol. s r.o. Brno
• Změřeno 7. 11. 2008 v bioplynové laboratoři VÚZT, v.v.i. přístrojem AIR LF Vyhodnocení laboratorních zkoušek Praktické pokusy v laboratorních podmínkách potvrdily v plném rozsahu teorii o možnosti použití separace CO₂ od CH₄ (v návaznosti na využití pro separaci složek bioplynu) metodou VTL stlačování.
• Rozbory separovaného CH₄ viz Tab. 1.
• Doporučení: Tuto metodu doporučujeme aplikovat ve vybraném zařízení bioplynové stanice formou tzv. poloprovozu.

Důvodem je:

1. technické dořešení modelové aparatury (zde doporučujeme instalaci navrhovaného průmyslového vzoru což je v laboratorních podmínkách nemožné)
2. dořešení plné automatizace poloprovozu při nepřetržitém provozu bioplynové sta nice
3. propojení na stávající systém bioplynové stanice – modulové řešení

Součástí poloprovozu by mělo být také:

• výdejní zařízení pro plnění motorových vozidel
• soustava VTL zásobníků CH₄ pro 2.stupňové plnění motorových vozidel.

Dle výsledků rozborů finálního BIO – CH₄ - případné doinstalování přídavného VTL separátoru CO₂ na výstupu z VTL zásobníkù CH₄.

Závěr

Laboratorní odzkoušení metody separace složek bioplynu vysokým tlakem proběhlo sice úspěšně, ale separace CO₂ od CH₄ je pouze jednou z fází úpravy bioplynu na kvalitu nezbytnou pro jeho využití pro zážehové motory ve smyslu požadavků ČSN 65 6514. Tuto fázi musí předcházet snížení obsahu vodních par (na max. 32 mg.m^-3 bioplynu) a množství sloučenin síry (na max. 10 mg.m^-3 bioplynu). Metodika projektu předpokládala řešit v rámci projektu pouze separaci CO₂ z bioplynu s tím, že stávající metody snižování koncentrace vodních par a H₂S budou pro potřebu projektu postačující. Tato hypotéza se ukázala jako nereálná. Proto bude nezbytné se v rámci prací na projektu zabývat i řešením snižování obsahu vodních par a množství sloučenin síry v bioplynu. V rámci průzkumů na vybraných BPS a následně u výrobců a dodavatelů odsiřovacích a odvlhčovacích zařízení bylo zjištěno, že účinnost stávajících zařízení je pro řešení dané problematiky nedostatečná, neboť neumožňuje dosažení požadovaných normových parametrů bioplynu jako paliva pro pohon motorových vozidel, zařízení na odstraňování dalších příměsí (O₂,N₂, popř. NH₃) nejsou v ČR současné době vyráběny.

Tyto výsledky byly získány s přispěním grantového projektu NAZV Ministerstva zemědělství ČR QH81195“ Nové technologické systémy pro hospodárné využití bioplynu ”

Literatura

KÁRA, J. – MOUDRÝ, I. – KOUĎA, J.: Nové technologické systémy pro hospodárné využití bioplynu, výzkumná zpráva č.: Z 2510, VÚZT, v.v.i. Praha, 2008, 53 s vč. příloh

Evropský zemědělský fond pro rozvoj venkova: Evropa investuje do venkovských oblastí

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky