Vatnsþvottur undir þrýstingi
Almenn lýsing
Þessi aðferð byggist á því að koldíoxíð leysist mun betur en metan í vatni. Tvær megin útfærslur eru til; vatnsþvottur með eða án endurnýtingu á hreinsivatninu. Endurnýting vatns skilar sér í minni vatnsnotkun en á móti kemur aukin orkunotkun vegna viðbótarbúnaðar. Hreinsunarferlið má sjá á myndinni hér að neðan og skiptist það í tvo hluta; upptöku koldíoxíðs og endurhæfingu vatnsins.

Fjarlæging koldíoxíðs með vatnsþvotti [1]

Upptaka koldíoxíðs
Ferli hefst á því að biogasinu er þjappað og það kælt til að upptaka koldíoxíðs verði meiri. Gasinu er síðan dælt í upptökutank að neðan. Í upptökutankinum streymir gasið á móti vatnsflæði sem tekur upp megnið af því koldíoxíði sem er í gasinu. Gagnstreymi á gasi og vatni er mikilvægt því með því móti er gasið lengur í snertingu við ómettað vatn. Hreinsað gas er tekið út að ofan. Gasið inniheldur nú mikið vatn og er þurrkað áður en það er notað frekar. Metaninnihaldi að lokinni þurrkun getur verið allt að 97-98%.

Endurhæfing vatnsins
Vatn mettað af koldíoxíði er tekið úr hreinsitanki að neðan og því dælt yfir í annan tank þar sem afgösun þess hefst. Þrýstingur í þeim tanki er lægri. Koldíoxíð losnar úr vatninu og þá hægt að nýta vatnið til frekari upptöku. Brennisteinsvetni leysist einnig upp í vatninu og getur oxast við loft í afgösunartanki og myndað brennistein. Forhreinsun á brennisteinsvetni er því æskileg.

Tækjabúnaður
Í töflunni hér til hliðar er listi yfir þann búnað sem þarf til að hreinsa biogas með vatnsþvotti. Miðað er við að vatnið sé endurnýtt. Aðferðina má útfæra á ýmsan hátt og ræðst framkvæmd einkum af þeim kröfum sem gerðar eru til gassins.

Hönnunarstærðir og aðrar útfærslur
Tæknilegar útfærslur af þessari aðferð eru margar og þarf að laga búnað að hverri virkjun fyrir sig. Helstu hönnunarstærðirnar eru þrýstingur og vatnsflæði og eru það einkum þær stærðir sem ráða afköstum og nýtni virkjunarinnar. Aðrar stærðir sem einnig hafa áhrif eru hitastig, stærð hreinsitanka og gerð vélbúnaðar. Hér að neðan eru helstu þættir sem hafa áhrif á hreinsunina skoðaðir.

Þrýstingur í upptökutanki
Leysni koldíoxíðs í vatni eykst með hærri þrýstingi. Með auknum þrýstingi má því auka upptökugetu vatnsins og minnka vatnsnotkun og stærð hreinsitanka. Við ákveðinn þrýsting mettast vatnið þó af koldíoxíði eftir ákveðinn tíma og meiri upptaka er ekki möguleg. Þegar þrýstingurinn er lækkaður losnar koldíoxíðið úr vatninu. Að lokinni upptöku á koldíoxíði er vatnið afgasað með lækkuðum þrýstingi og það endurnýtt. Því meiri sem þrýstingsmunurinn er milli upptökustigs og afgösunarstigs, því hraðar losnar koldíoxíðið úr vatninu. Þrýstingur við upptöku er um 10-12 bör en við í afgösun er oftast andrúmsloftsþrýstingur (1 bar).

Hitastig
Leysni koldíoxíðs í vatni er einnig háð hitastigi vatnsins. Meiri upptaka á sér stað við lægra hitastig. Myndin hér að neðan sýnir hvernig leysni koldíoxíðs breytist með hita og þrýstingi.

Myndin sýnir hvernig leysni CO2 breytist í vatni miðað við hitastig og hlutþrýsting.

Leysnin er reiknuð út frá lögmáli Henrys og er hún nálgun á raunverulegri leysni. Ef gert er ráð fyrir að 40% biogassins sé koldíoxíð nemur hlutþrýstingur þess um 40% af þrýstingi biogassins.

Vatnsflæði
Fyrir sama gasflæði er hægt að ná fram betri hreinsun með auknu vatnsflæði. Gasið kemst þá í snertingu við meira vatn sem tekur upp meira koldíoxíð. Upptakan byggist á snertingu milli gassameinda og vatns og því mikilvægt að tryggja sem besta snertingu þar á milli. Vatninu er oftast dreift um upptökutankinn með sérstökum búnaði. Tankar eru einnig oft fylltir með plasti eða öðru fylliefni sem eykur snertingu milli gass og vatns. Vatnsþörfin er háð þrýstingi og hitastigi í upptökutankinum. Ef gert er ráð fyrir að 40% biogassins sé koldíoxíð þá eru um 18 mól í 1 Nm3 af biogasi af koldíoxíði (miðað við kjörgas). Við 10 bör á biogasinu (hlutþrýstingur CO2 4 bör) og 5°C þarf því um 70 lítra af vatni til að leysa upp það koldíoxíð sem er í einum Nm3 af biogasi. Dæmi um vatnsnotkun fyrir mismunandi gasflæði má sjá í töflunni hér að neðan. Tölurnar eru raundæmi frá virkjunum í Svíþjóð sem endurnýta ekki vatnið.

Af þessu má sjá að vatnsnotkun per rúmmetra af gasi er á bilinu 0,1-0,2m3 (100-200 lítrar). Ef þetta er borið saman við leysnina má sjá að vatnsnotkunin er meiri heldur en leysnin gefur til kynna. Koldíoxíð leysist hægt upp í vatni og er vatnið því ekki mettað af koldíoxíðinu áður en það gengur í gegnum kerfið.

Ef vatnið er endurnýtt er vatnsnotkunin mun minni og eru dæmi um að vatnsnotkun sé um 1,4 lítrar á hvern rúmmetra af gasi Virkjunin sem tekið er dæmi um hefur gasflæði um 1400m3/klst og þrýsting upp á 8 bör. Endurnýja getur þurft hluta (10%) af vatninu á hverjum klukkutíma til að viðhalda pH gildinu [3]. Í hreinsistöð SORPU í Álfsnesi er biogas hreinsað með þessari aðferð og er vatnið endurnýtt. Þar er vatnsflæði í hreinsitanki um 80 l á hvern rúmmetra af óhreinsuðu gasi. Vatnsnotkunin inn á kerfið er um 0,2 l/m3 af óhreinsuðu gasi

Vatnsnotkunin er háð samsetningu á biogasinu og því breytileg eftir því hráefni sem unnið er með og skilyrðum í gerjunarferlinu.

Stærð hreinsitanka
Til að ná fram sem mestri snertingu milli gass og vatns eru tankar oft háir og mjóir. Hlutfallið er oft um 20:1 og má sjá dæmi um tank á myndinni hér að neðan.


Dæmi um hreinsitank [3]

_________________________________________________________________________________

Heimildir:

[1] IEA Bioenergy. Biogas upgrading and utilisation (sk. maí ’09).

[2] Electrigaz Technologies Inc. (2008). Feasibility Study – Biogas upgrading and grid injection in the Fraser Valley, British Columbia (sk. ág ’09) .

[3] Persson, M. (2003). Evaluation of ugrading techniques for biogas (sk. júní ’09).