ES2299289A1 - "procedimiento y aparato de purificacion y concentracion de biogas para su aplicacion como gas energetico". - Google Patents
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Abstract
Procedimiento y aparato de purificación y
concentración de biogas para su aplicación como gas energético.
La presente invención se refiere al proceso e
instalación de purificación y concentración de biogás procedente de
fermentación anaeróbica caracterizado porque se obtiene un gas
natural con un mínimo del 85% v/v de concentración en metano
(CH_{4}) para su aplicación como gas energético. Según la
invención, el biogás adquiere mayor riqueza en metano a medida que
avanza por las distintas fases del proceso. Inicialmente la presión
del biogás se eleva hasta 400 mbars, el gas es filtrado mediante de
carbón activo para eliminar partículas que puedan dificultar
elementos mecánicos.
Posteriormente mediante absorción química
utilizando monoetanolamina a contracorriente, el CO_{2} es
eliminado y el biogás es sometido a un proceso de secado hasta ser
comprimido a 250 bars. En la fase de secado se utiliza un secante
para filtrar partículas específicas del biogás como siloxanos. El
absorbente es regenerado mediante un proceso de stripping mediante
la aportación de calor del propio biogás.
Description
Procedimiento y aparato de purificación y
concentración de biogas para su aplicación como gas energético.
Esta invención concierne en general al campo de
procesos y aparatos para la separación de un compuesto gaseoso de
una mezcla de compuestos gaseosos. El proceso se basa en el empleo
de catalizadores bioquímicos en la transformación acelerada química
de compuestos específicos gaseosos que se encuentran en una mezcla
de gases. Más concretamente, la invención concierne a la
purificación de gases enérgicos como el biogas y el gas
natural.
Existen reservas sustanciales de concentración
baja en gas metano, es decir, entre 40 y el 80% (la v/v). Las
impurezas podrían ser extraídas del gas para obtener gas natural
con una concentración superior del 95% en metano. Este gas natural
puede ser usado como una fuente de energía térmica, eléctrica, o
puede ser usado en la composición de productos químicos más
complejos, etc. Sin embargo, la extracción de estas impurezas del
gas mediante técnicas convencionales no es provechosa ni eficiente.
Por otro lado, la mezcla gaseosa contiene gases de efecto
invernadero, los cuales, si fueran liberados a la atmósfera
contribuirían al calentamiento global de la tierra.
Se han desarrollado varias tecnologías para la
separación de CO_{2} y metano. La tecnología convencional en la
industria del gas natural emplea una amina en la solución que tiene
la característica de absorber el CO_{2} (U.S. Pat. No. 6,156,096;
CA1078300; CA2200130; CA950364; EP180670; GB848528; JP
08-252430). Generalmente, se utiliza una columna
empacada o la columna de aspersión para aumentar el contacto entre
las fases líquidas y gaseosas. Este método
físico-químico es generalmente adecuado para
volúmenes grandes de gas y menos eficiente en presencia de oxígeno.
El oxígeno está presente en concentraciones variables en biogases y
gases producidos durante la extracción de carbón.
También se utiliza como adsorbente un derivado
de glicol que trabaja a presiones altas (hasta 300 psi), sin
embargo, tiende a elevar costes de operación. La recuperación de
los hidrocarburos que componen dicho gas se obtiene procedimientos
criogénicos de destilación que presentan la desventaja de consumir
mucha energía.
Otros procesos de separación de gases son:
utilización de membranas porosas poliméricas y absorción de
oscilación a presión (PSA), absorbe selectivamente ciertos gases
sobre una matriz sólida.
La invención se refiere al desarrollo y
optimización de un proceso de purificación y enriquecimiento en
metano de biogás, especialmente concebido para el biogás procedente
de residuo orgánico y su uso posterior en motores de combustión de
automoción. Las operaciones unitarias que se han diseñado
posibilitan el enriquecimiento del biogás en metano por encima del
85% y aseguran la eliminación de compuestos que afectan el
funcionamiento de los motores. Se ha considerado especialmente la
eficiencia energética que asegure la rentabilización económica del
proceso.
El proceso de tratamiento de biogás se puede
separar en dos fases claramente diferenciadas:
- a)
- Concentración y enriquecimiento del biogás: consiste en la eliminación de azufre (H_{2}S) y otros compuestos minoritarios como pueden ser siloxanos. Posteriormente se realiza la deshumidificación del biogás, la absorción de CO_{2} y un posterior secado.
- b)
- Regeneración de la monoetanolamina (MEA): La eliminación del dióxido de carbono se realiza mediante una reacción química con MEA. Una vez realizada la reacción se obtiene una corriente de MEA usada que, para la rentabilidad del proceso, debe ser regenerada.
El biogás está compuesto por metano (CH_{4}),
dióxido de carbono (CO_{2}), nitrógeno (N_{2}), oxígeno
(O_{2}), ácido sulfhídrico (H_{2}S), siloxanos y trazas de otros
elementos. La presencia de ácido sulfhídrico en el biogás presenta
graves inconvenientes para su posterior uso en motores de
combustión.
En éste sentido, la invención que se presenta
pretende describir un proceso y un aparato para eliminar el
CO_{2}, el H_{2}S y los siloxanos contenidos en el biogás para
su posterior uso en motores de combustión.
La presente Patente de Invención, según se
expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere al
procedimiento y aparato de purificación y concentración de biogás
para su aplicación como gas combustible. El aparato y el
procedimiento de purificación y concentración del biogás está
compuesto básicamente de las siguientes operaciones (figura 1):
- -
- Entrada de biogás (1)
- -
- Soplante (2)
- -
- Torre de enfriamiento (3)
- -
- Filtro carbón activo (4)
- -
- Torre absorción (5)
- -
- Torre de enfriamiento (6)
- -
- Torre de silicagel (7)
- -
- Compresor (8)
- -
- Eliminación de H_{2}S (9)
- -
- Obtención MEA contaminada (10)
- -
- Eliminación siloxanos (11)
- -
- Torre de destilación (12)
- -
- Obtención de MEA y CO_{2} (13)
- -
- Intercambiador (14)
- -
- Eliminación de CO_{2} a la atmósfera (15)
- -
- Obtención MEA regenerada (16)
- -
- Intercambiador (17)
A continuación, se detallan de forma más extensa
dichas operaciones características de la presente patente de
invención:
A partir de la fuente de obtención de biogás, se
introduce el biogás (1) en una soplante (2) con la finalidad de
aumentar la presión del biogás (1) desde 150 mbar a 400 mbar. Este
incremento de presión mejora el funcionamiento del proceso, a pesar
de que la temperatura se eleva.
Debido a que la corriente de entrada de biogás
se encuentra saturada en agua, se introduce un intercambiador (3)
para la reducción de la humedad relativa del biogás, con la
finalidad de evitar condensación en las tuberías y la saturación de
agua en equipos posteriores.
Las dimensiones del intercambiador se detallan a
continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Debido a que la corriente de biogás entra en la
planta de purificación y concentración de biogás con una
composición en H_{2}S de hasta 400 ppm, y teniendo en cuenta que
el ácido sulfhídrico es un producto altamente corrosivo y puede
ocasionar graves en el aparato, se incorporan dos torres de carbón
activado (4) para su eliminación (9), mediante carbón activo
impregnado con yoduro de potasio (KI).
\newpage
El dimensionado torres de carbón activo es el
siguiente:
El biogás saliente de las torres de carbón
activo (4) contiene hasta un 38.5% en volumen de dióxido de
carbono. Mediante una torre de absorción (5) se procederá a la
eliminación del dióxido de carbono, a contracorriente con
monoetanolamina (MEA). La MEA quedará contaminada (10) que
posteriormente será regenerada.
Las dimensiones de la torre de absorción se
detallan a continuación:
Debido al proceso realizado en la torre de
absorción (5) se elimina el dióxido de carbono, pero se ha saturado
la corriente de biogás con agua. Mediante un intercambiador (6) se
elimina el agua con MEA contenida en la corriente de salida de la
torre de absorción (5). Dicha MEA (10) será regenerada
posteriormente.
Las características del intercambiador se
detallan a continuación:
Con la finalidad de eliminar el agua presente en
el biogás, es necesario un sistema de secado con silica gel,
mediante dos torres de relleno idénticas (7). Mientras una torre
deshumidifica la corriente de biogás la otra se regenera mediante la
recirculación de una parte del biogás seco. Asimismo, durante esta
operación de secado se eliminan los siloxanos (11).
Las dimensiones de las torres de secado se
detallan a continuación:
Una vez secado el biogás hasta obtener un punto
de rocío de -44°C, la corriente pasa por un filtro de sólidos para
la eliminación de cualquier partícula antes de pasarla al proceso
de compresión para ser usado como gas combustible.
Posteriormente, el biogás purificado se hace
pasar por un compresor (8) para ser usado como gas combustible.
Tal y como se ha mencionado anteriormente, la
eliminación del dióxido de carbono se realiza mediante una reacción
química con MEA en la torre de absorción (5). Una vez realizada la
reacción se obtiene una corriente de MEA usada que, para la
rentabilidad del proceso, debe ser regenerada. Los equipos
necesarios para llevar a cabo esta regeneración se detallan a
continuación:
La regeneración de la MEA se realiza mediante un
proceso de stripping con vapor de agua (12). El vapor de agua es
suministrado por un reboiler. Una corriente de agua de red es
calentado mediante una caldera que funciona con biogás, e
introducido al reboiler.
Las dimensiones del stripper se detallan a
continuación:
El vapor de agua es dirigido desde el reboiler
hasta la torre de destilación (12) donde su aporte energético
permite la regeneración del MEA. En dicha torre de destilación se
separará una corriente de CO_{2} y MEA (13) y otra corriente de
MEA (16).
La corriente de salida de MEA usada (10) de la
torre de absorción (5) sale a 30°C mientras que la temperatura de
operación del stripper es de 105°C. Esto hace necesaria la
incorporación de un intercambiador de calor (14) entre ambas
columnas, donde se obtendrá una corriente de CO_{2} (15) y una
corriente de MEA regenerada (16) que ha de enfriarse hasta la
temperatura de operación de la columna de absorción (5).
Los datos del intercambiador de calor (14) se
detallan a continuación:
La corriente de MEA regenerada (16) necesita de
un posterior enfriamiento para llegar hasta la temperatura de
operación de la torre de absorción (5). Este enfriamiento se
realiza en un intercambiador (17). Para enfriar la corriente se
utilizará agua procedente de una máquina de frío.
El dimensionamiento del intercambiador es el
siguiente:
Figura 1: Vista esquemática del proceso de
purificación y concentración de biogás para su uso como gas
combustible, con todos sus componentes principales, como son:
- -
- Entrada de biogás (1)
- -
- Soplante (2)
- -
- Torre de enfriamiento (3)
- -
- Filtro carbón activo (4)
- -
- Torre absorción (5)
- -
- Torre de enfriamiento (6)
- -
- Torre de silicagel (7)
- -
- Compresor (8)
- -
- Eliminación de H_{2}S (9)
- -
- Obtención MEA contaminada (10)
- -
- Eliminación siloxanos (11)
- -
- Torre de destilación (12)
- -
- Obtención de MEA y CO_{2} (13)
- -
- Intercambiador (14)
- -
- Eliminación de CO_{2} a la atmósfera (15)
- -
- Obtención MEA regenerada (16)
- -
- Intercambiador (17)
Para una correcta interpretación se describe a
continuación un caso de realización práctica, a título de ejemplo,
no limitativo, del funcionamiento de la presente Patente de
Invención, acompañándose de los dibujos, en los que se representa
esquemáticamente, un proceso diseñado según la presente Patente de
Invención.
Dicho procedimiento consiste en un proceso
químico secuencial, el cual está formado por dos
sub-procedimientos: purificación del biogás y
regeneración del la MEA.
El procedimiento de purificación del biogás
consiste en eliminar las impurezas contenidas en el biogás y
comprimirlo para su posterior uso como gas combustible.
A partir de la fuente de obtención de biogás, se
introduce el biogás (1) en una soplante (2). Posteriormente, la
corriente de entrada saturada en agua, se introduce un
intercambiador (3) para la reducción de la humedad relativa del
biogás. El intercambiador (3) enfría la corriente de biogás hasta
30°C reduciendo la humedad relativa del gas hasta un 30%. El punto
de rocío del biogás queda en 18°C. Para enfriar se hace pasar por
tubos una corriente de agua procedente de una máquina de frío.
Posteriormente, la corriente de biogás entre en
unas torres de carbón activado (4) para eliminar ácido
sulfhídrico.
A la salida de las torres de carbón activado (4)
se encuentra instalado un medidor de H_{2}S el cual controla de
manera automática y en continuo la composición de salida del biogás
de las torres. Cuando la concentración de salida de la torre que se
encuentra en funcionamiento es igual a la concentración en la
corriente de entrada, la torre de carbón activo está agotada y se
procederá a cambiar la entrada de biogás hacia la segunda
torre.
El biogás saliente de las torres de carbón
activo (4) contiene dióxido de carbono que será eliminado mediante
una torre de absorción (5) a contracorriente con monoetanolamina
(MEA).
Posteriormente, mediante un intercambiador (6)
se elimina el agua con MEA contenida en la corriente de salida de
la torre de absorción (5). Asimismo, se completa la eliminación de
agua mediante dos torres de relleno con sílica gel. Mientras una
torre deshumidifica la corriente de biogás la otra se regenera
mediante la recirculación de una parte del biogás seco.
El biogás humedecido se vuelve a introducir al
comienzo del sistema, justo antes de la soplante (2).
Una vez secado el biogás hasta obtener un punto
de rocío de -44°C, la corriente pasa por un filtro de sólidos para
la eliminación de cualquier partícula antes de pasarla al proceso
de compresión para ser usado como gas combustible.
Para llevar a cabo la regeneración de la MEA se
realiza una operación de stripping con vapor de agua, que será
suministrado por un reboiler. El vapor de agua es dirigido desde el
reboiler hasta la torre de destilación (12) donde su aporte
energético permite la regeneración del MEA.
Con la finalidad de optimizar los consumos
energéticos, existe un intercambiador entre la MEA usada (10) y la
MEA regenerada (16) debido a que la primera debe elevar su
temperatura hasta 105°C necesarios para el stripping y la segunda
debe reducir la temperatura hasta 30°C, temperatura óptima para la
reacción de absorción. Existe un intercambiador de calor adicional
(17) para conseguir esta temperatura de 30°C que se consigue
mediante enfriamiento por agua.
Por último, no se considera necesario hacer más
extensa esta descripción para que cualquier experto en la memoria
comprenda el alcance de la invención y las ventajas que de la misma
se derivan. Se sobreentiende que en el presente caso serán
variables cuantos detalles de acabado y construcción no alteren,
cambien o modifiquen la esencialidad de la invención.
Habiéndose descrito ampliamente el objeto de la
Patente de Invención, lo que se declara como nuevo y de propia
invención.
Claims (6)
1. Instalación de purificación y concentración
de biogás procedente de fermentación anaeróbica
caracterizado porque consiste en los equipos siguientes:
- a.
- Entrada de biogás (1)
- b.
- Soplante (2)
- c.
- Torre de enfriamiento (3)
- d.
- Filtro carbón activo (4)
- e.
- Torre absorción (5)
- f.
- Torre de enfriamiento (6)
- g.
- Torre de silicagel (7)
- h.
- Compresor (8)
- i.
- Torre de destilación (12)
- j.
- Intercambiador (14)
- k.
- Intercambiador (17)
2. Proceso de purificación y concentración del
biogás procedente de fermentación anaeróbica caracterizado
porque el proceso consiste en las etapas siguientes:
- a.
- Entrada del biogás
- b.
- Incremento de la presión del proceso mediante soplante
- c.
- Reducción de la humedad relativa del biogás hasta un 30%
- d.
- Capturación del H_{2}S y parte del CO_{2}
- e.
- Eliminación del CO_{2} restante mediante una reacción química a través de pasar una corriente de biogás por una solución acuosa con una amina.
- f.
- Eliminación del agua con amina saturada en el biogás
- g.
- Secado del biogás purificado y concentrado.
- h.
- Compresión del gas energético hasta 250 bars.
- i.
- Regeneración de la amina mediante destilación.
3. Proceso de purificación y concentración de
biogás procedente de la fermentación anaeróbica según
reivindicación 2 caracterizado porque la amina utilizada en
el proceso es la monoetanolamina (MEA).
4. Proceso de purificación y concentración de
biogás procedente de la fermentación anaeróbica según
reivindicación 2 caracterizado porque la amina utilizada en
el proceso se regenera mediante un proceso de stripping con vapor
de agua.
5. Proceso de purificación y concentración de
biogás procedente de la fermentación anaeróbica según
reivindicación 2 caracterizado porque el biogás es un gas
procedente de vertedero.
6. Proceso de purificación y concentración de
biogás procedente de la fermentación anaeróbica según
reivindicación 2 caracterizado porque el biogás es un gas
procedente de un proceso de fermentación anaeróbica de residuos
urbanos y/o materia orgánica.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| ES200500548A ES2299289B1 (es) | 2005-12-15 | 2005-12-15 | "procedimiento y aparato de purificacion y concentracion de biogas para su aplicacion como gas energetico". |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2299289A1 true ES2299289A1 (es) | 2008-05-16 |
| ES2299289B1 ES2299289B1 (es) | 2009-05-01 |
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| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2299289B1 (es) |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| GB1096851A (en) * | 1965-01-06 | 1967-12-29 | Power Gas Ltd | Improvements in or relating to the separation of acidic gases from gaseous mixtures |
| EP0180670A1 (en) * | 1984-11-01 | 1986-05-14 | Cryotec Energy Systems Co., Ltd. | Recovery of biogas |
| US5451249A (en) * | 1994-06-14 | 1995-09-19 | International Fuel Cells | Landfill gas treatment system |
-
2005
- 2005-12-15 ES ES200500548A patent/ES2299289B1/es not_active Expired - Fee Related
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| US5451249A (en) * | 1994-06-14 | 1995-09-19 | International Fuel Cells | Landfill gas treatment system |
Also Published As
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|---|---|
| ES2299289B1 (es) | 2009-05-01 |
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