Almenn lýsing
Aðferðin byggist á að nota virkjuð kol eða zeolíta til að fjarlægja koldíoxíðið úr biogasinu. Þessi efni hafa þann eiginleika að vera gljúp og gassameindir af ákveðinni stærð lokast því inni í holrýmum efnisins. Við meiri þrýsting lokast fleiri sameindir inni og upptakan verður meiri. Í aðferðinni er þrýstingssveiflum beitt til að taka upp eða losa koldíoxíð. Metansameind er stærri en koldíoxíðsameind og smýgur því síður inn í viðloðunarefnið. Eitthvað metan er hins vegar alltaf tekið upp en í hreinsunarferlinu er því safnað aftur að miklu leyti. Virkjuð kol eru unnin úr viðarkolum en til eru nokkrar gerðir af zeolítum. Nokkrar af þeim gerðum má sjá á myndinni hér að neðan.
Erfitt er að fjarlægja brennisteinsvetni (H2S) úr viðloðunarefninu og er því nauðsynlegt að fjarlægja það áður. Vatn er einnig fjarlægt áður (með þéttingu). Hreinsunarferlið er sýnt á myndinni hér að neðan. Nokkrar útfærslur eru til á þessari aðferð. Val milli þeirra ræðst meðal annars af því hve miklar kröfur eru gerðar til að fá jafnt streymi af hreinsuðu gasi og hve stöðug framleiðslan er af óhreinsuðu gasi.
Hreinsun með jöfnu flæði
Við hreinsun á metangasi er oft æskilegt að fá sem jafnast flæði af hreinsuðu gasi út úr ferlinu. Hægt er að fá jafnt gasflæði með því að tengja saman fjóra tanka sem hver og einn er á mismunandi stigum í hreinsunarferlinu. Þessi stig eru viðloðun, afgösun og þrýstingsmögnun.
Viðloðun
Biogasi er dælt inn í tank að neðan þar sem það flæðir um kolasíu (eða zeolíta-síu) og er þrýstingurinn um 6 bör. Kolin taka upp koldíoxíðið og hreinsað gas er tekið út að ofan. Metaninnihald hreinsaðs gass er um 97%. Viðloðunarstigið er látið ganga þar til kolin eru nánast orðin mettuð af koldíoxíði. Biogasflæðinu er þá skipt yfir á annan tank.
Afgösun
Í þessu stigi er þrýstingur lækkaður í skrefum uns kolin hafa losað burt þau efni sem tekin voru upp. Lokað hefur verið á biogasflæðið inn á tankinn og eftir stendur biogas við 6 bör. Þrýstingurinn er fyrst lækkaður í um 3 bör með þrýstijöfnun við tank sem lokið hefur afgösunarstiginu. Helmingurinn af óhreinsaða gasinu flyst því yfir í þann hreinsitank. Þrýstingurinn er svo lækkaður niður í andrúmsloftsþrýsting (1 bar). Við þessa þrýstingsbreytingu losnar mælanlegt magn af metani sem er látið flæða í gerjunartank aftur (sjá mynd). Að lokum er tankur settur undir vakúm sem nemur 0,1 bari. Koldíoxíðið sem þá losnar er blásið út í andrúmsloftið eða nýtt í annað.
Þrýstingsmögnun
Að lokinni afgösun er tankur undirbúinn undir frekari upptöku. Það felst í því að auka þrýsting í tanki frá vakúmþrýstingi og upp í 6 bör. Þetta er gert í tveimur skrefum. Fyrst er þrýstingur aukinn í 3 bör með þrýstijöfnun við tank sem lokið hefur viðloðunarstigi (sem er við 6 bör). Þrýstingi er svo náð upp í 6 bör með því að dæla inn óhreinsuðu gasi. Kolin byrja að taka upp koldíoxíð á ný.
Tíminn sem fer í einstaka þætti ferlisins (upptaka / afgösun) er jafnan mældur en afstaða milli tankanna er sú sama þar sem ferlið byggir á þrýstijöfnun. Hér að neðan má sjá hvernig ferlið gengur fyrir sig í hverjum tanki fyrir sig.
Atburðarás við hreinsun í fjögurra tanka hreinsikerfi með þrýstisveiflum.
Tækjabúnaður
Í töflu 5 er tekinn saman helsti búnaður sem þarf til að hreinsa biogas með þessari aðferð. Búnaðurinn miðast við að brennisteinsvetni hafi verið fjarlægt áður en ferli hefst. Hönnunarstærðir sem máli skipta ásamt öðrum útfærslum á aðferð eru teknar saman hér að neðan.
Hönnunarstærðir
Hægt er að útfæra aðferðina á marga mismunandi vegu við mismunandi vinnsluþrýsting, hitastig og gasstreymi. Helstu þættir sem hafa áhrif á hreinsunina eru:
-
- Þrýstingsbreytingar
- Stýribúnaður
- Lotutími
- Gerð viðloðunarefnis
Dæmi um útfærslu á hreinsun með PSA aðferðinni má sjá í töflunni hér að neðan.
Vinnsluþrýstingur
Með því að auka þrýsting í upptökutanki er meira tekið upp af koldíoxíði á hverjum hring (viðloðun, afgösun og þrýstimögnun). Aukinn þrýstingur getur hins vegar þýtt það að kolin geta kvarnast upp og valdið skemmdum á búnaði [4]. Koldíoxíð loðir meira við zeolíta þegar þrýstingur er meiri en breytist lítið þegar þrýstingur er mikill [5]. Aukinn þrýstingur er því ekki alltaf af hinu góða. Myndin hér að neðan sýnir hvernig viðloðunin breytist á mismunandi gerðum af zeolítum með þrýstingi.
Hitastig
Tæknilega er hægt að framkvæma þessa aðferð með því að auka breyta hitastigi í stað þrýstings. Viðloðunin eykst við hærri hitastig en hún breytist minna með hita heldur en með þrýstingsbreytingu. Hærri hiti getur einnig þýtt að meiri þrýsting þarf til að metta kolin.
Stýribúnaður
Stýribúnaðurinn er líklega mikilvægasti þátturinn í þessari aðferð. Gasflæðinu er skipt í sífellu á milli hreinsunartanka og er tímasetning þeirra skiptinga mikilvæg. Stýribúnaðurinn sér um þessar skiptingar og heldur utan um gæði gassins. Orkuinnihald í gasinu er mælikvarði á hreinleika gassins. Notaður er svokallaður Wobbe stuðull til að meta orkuinnihald í gasinu og hvenær kolasíurnar eru orðnar mettaðar. Gasbrennarar eru ekki viðkvæmir fyrir breytingum á Wobbe stuðli en í vissum iðnaðarferlum getur verið mikilvægt að halda stuðlinum innan þröngra marka til að halda stöðugum gasgæðum [7]. Önnur leið til að meta mettun kolanna er að mæla koldíoxiðinnihald gassins bæði í hreinsuð gasi og því sem kemur úr afgösuninni.
Lotutími
Hver tankur fer í gegnum þrjú stig hreinsunar (viðloðun, afgösun og þrýstimögnun). Að þessum stigum loknum hefst hringurinn á ný. Lotutíminn er um 2-20 mínútur og er háður þrýstingi og hitastigi svo og stærð tanka og gasflæði. Viðloðunarstig og afgösunarstig geta tekið mislangan tíma og þarf að taka tillit til þess við stýringu á hreinsiferlinu.
Gerð viðloðunarefnis
Nokkrar gerðir eru til af viðloðunarefnum. Hvert og eitt þeirra hefur mismunandi viðloðunareiginleika og þolir það álag sem fylgir þrýstingsbreytingum misvel. Rétt val á viðloðunarefni er því mikilvægt fyrir virkni hreinsikerfisins.
Aðrar útfærslur af hreinsiaðferð
Hreinsun með þrýstingsbreytingum hefur verið notuð í langan tíma og til eru ýmsar útfærslur af henni. Útfærslurnar henta stórum virkjunum sem smáum og er hreinsigetan jafnframt misjöfn. Helstu aðferðirnar eru teknar saman hér að neðan.
Viðloðun með einum upptökutanki
Þessi aðferð er einfölduð útgáfa af upprunalegri aðferð og er einungis stuðst við einn hreinsitank í stað fjögurra. Auk hreinsitanksins þarf að vera til staðar jöfnunartankur sem tryggir stöðugt flæði af hreinu gasi meðan afgösun á sér stað. Óhreinsuðu gasi er dælt inn á hreinsitankinn með viðloðunarefninu undir þrýstingi.
Úttakið á hreinsitanki er með einstreymisloka sem hleypir hreinsuðu gas í jöfnunartankinn þaðan sem hreinsað gas er tekið út. Þrýstingur á jöfnunartanki er hafður lægri en í hreinsitanki. Því lofti sem er í jöfnunartanki við upphaf hreinsunar er bætt við óhreinsaða gasið. Þegar kolasíurnar eru mettaðar þá er lokað fyrir innstreymið í hreinsitankinn og hreinsað gas látið streyma yfir í jöfnunartank þar til þrýstingur í hreinsitanki hefur jafnast milli tanka. Gasið sem þá er eftir í hreinsitanki er hleypt út og viðloðunarefnið afgasað.
Viðloðun með háhraðasnúningi
Upprunalega PSA aðferðin gengur tiltölulega hægt fyrir sig (2-20 mín/hringur) ásamt því sem hún er flókin í framkvæmd og tankar þurfa að vera stórir. Hægt er að skipta út stórum tönkum og mörgum stýrilokum fyrir litla og þægilega einingu. Þessi eining samanstendur af fjölmörgum upptökuhólkum sem eru látnir snúast í hringi eftir því hvar í hreinsunarferlinu þeir eru. Biogas er tekið inn að neðan og hreinsað gas tekið út að ofan. Í hefðbundinni aðferð tekur um 10 sek að loka fyrir gasflæði á meðan þessi aðferð notar um 30 millisekúndur. Hægt er að ná fram um 100 hringjum á hverri mínútu sem er meiri en 200 föld aukning frá upprunalegri aðferð. Þessa aðferð má útfæra eftir stærð virkjana og hægt að nota á smáar jafnt sem stórar virkjanir [9].
_________________________________________________________________________________
Heimildir:
[1] UOP LLC (2006). MOISIV Molecular Sieves (sk. jún ’09).
[2] IEA Bioenergy. Biogas upgrading and utilisation (sk. maí ’09).
[3] Jönsson, O. & Dahl. A. (2001). Adding gas from biomass to the grid (sk. jún ’09).
[4] PSA Plants. Conventional PSA Process (sk. ág ’09).
[5] Wikipedia (2008). Adsorption (sk. ág ’09).
[6] accelrys. Adsorption Mechanism of Carbon Dioxide in Zeolites (sk. ág ’09).
[7] Hoppe, M. ; Schley, P. ; Uhrig, M. (2009). Metrological issues in energy measurement on biogas (sk. júl ’09).
[8] Chemical Processing. PSA Technology Hits the Fast Lane (sk. júl ’09).
[9] PSA Plants. Fast Cycle PSA Process (sk. júl ’09).