IMPIANTI BIOGAS e UPGRADING

Il biogas ricavato da un processo di biodigestione è composto generalmente da:

  • 50-80% metano
  • 15-45% anidride carbonica
  • 5% altri gas (soprattutto idrogeno e azoto)

Questa miscela viene convogliata attraverso il nostro impianto e qui viene pulita e raffinata.

Il gas che esce dopo il trattamento è una miscela con il 99,7% di CH4 e viene quindi definito biometano.

Schema di un mini impianto di Upgrading

Esempio di applicazione

IMPIANTO DI PRODUZIONE METANO LIQUIDO da BIOGAS

La tecnologia della produzione di BIOGAS, mediante biodegradazione della sostanza organica presente nelle biomasse è attualmente una tecnologia nota ed affidabile. Il BIOGAS così prodotto viene utilizzato, nella maggiore parte dei casi, come combustibile di motori a gas per la produzione di energia elettrica.

Il BIOGAS è normalmente costituito da una miscela di metano (CH4), anidride carbonica (CO2), azoto (N2), vapore d’acqua (H2O), tracce di acido solfidrico (H2S).

Per ottenere metano liquefabile è necessario trattare il BIOGAS in modo da eliminare tutti i componenti che non siano metano.

Le società AERIDES insieme ad altri esperti del settore ha studiato, progettato, e realizzato un impianto che produce BIOMETANO con la sufficiente purezza per essere poi liquefatto.

DESCRIZIONE SOMMARIA DEL PROCESSO

 Gli impianti per la produzione di BIOMETANO sono progettati per essere installati in combinazione con sistemi di produzione di BIOGAS che utilizzano la “digestione anaerobica”, (biodegradazione della sostanza organica presente nelle biomasse).

Lo scopo dell’impianto proposto è la produzione di metano liquido ricavato da biogas.

La liquefazione del metano è possibile solo il metano ha un elevato grado di purezza, pertanto il biogas prodotto dai digestori deve essere sottoposto ad un trattamento di purificazione, per provvedere alla rimozione dei contaminanti in esso contenuti.

 Il biogas all’ uscita del sistema di digestori è normalmente costituito da una miscela di metano, anidride carbonica, ammoniaca, acido solfidrico, acqua.

Questa descrizione tecnica è relativa, a titolo di esempio, ad un impianto che produce circa 300 Sm3/h di metano quindi circa 500 Sm3/h di biogas.

Quindi una possibile composizione del biogas potrebbe essere: 

CH4: 60 %        metano
CO2: 35 %        anidride carbonica
NH3: 4%            ammoniaca
H2S: tracce        acido solfidrico
H20: 1 %            acqua

PROCESSO PROPOSTO

Il processo che è sviluppato dall’impianto proposto prevede a valle dei digestori le seguenti fasi di processo:

Fase di purificazione

  • Separazione gas/acqua
  • Estrazione dal biogas dell’acido solfidrico (H2S)
  • Compressione del biogas fino a 12 bar
  • Separazione dell’anidride carbonica e dell’ammoniaca dal biogas tramite membrane semipermeabili
  • Disidratazione con setacci molecolari
  • Decarbonazione con setacci molecolari.

Al termine della purificazione il biogas si è trasformato in biometano essendo costituito da metano praticamente puro (99%); in queste condizioni il metano è liquefabile.

Sono disponibili due tecnologie differenti per ottenere la liquefazione:

  • Scambio termico diretto;
  • Compressione ed espansione.

Il primo sistema è adatto a produzioni fino a 150 Sm3/h, e necessita di grandi quantitativi di azoto liquido e quindi i costi di produzione dipendono dal valore di mercato dell’azoto. Il secondo è adatto a produzioni superiori ed ha un consumo elettrico importante.

Per questo impianto si è scelto il sistema a compressione ed espansione che non dipende dalla fornitura di azoto liquido e dà maggiori garanzie dal punto di vista dei costi di gestione.

DESCRIZIONE DELL’IMPIANTO PROPOSTO

Si prevede di trattare 500 Sm3/h di biogas che possono dare fino a 300 Sm3/h di metano corrispondenti a 7.200 Sm3/g che daranno circa 5100 kg/g di metano liquido.

Apparecchiature presenti nell’impianto

L’impianto di produzione BIOMETANO liquido è costituito da due parti in sequenza:

  • La Purificazione del BIOGAS per ottenere BIOMETANO;
  • La Liquefazione del BIOMETANO.

Le principali apparecchiature presenti nella parte di impianto di purificazione sono:

  • Un separatore
  • Due filtri orizzontali dotati di carboni attivi con cartucce filtranti sostituibili
  • Un compressore (22 kW di potenza elettrica installata)
  • Un sistema di filtrazione a membrane
  • Due colonne di disidratazione a setacci molecolari
  • Due colonne di decarbonazione a setacci molecolari
  • Due filtri

Le principali apparecchiature presenti nella parte d’impianto di liquefazione a compressione/espansione, sono:

  • Un compressore pluristadio principale (75 kW di potenza installata)
  • Un chiller
  • Una valvola di laminazione ad effetto Joule-Thomson
  • Un compressore di ricircolo per la fase gassosa non liquefatta
  • Un separatore che separa la fase gassosa dalla fase liquida del metano.
  • Un serbatoio di raccolta e stoccaggio di metano liquido

Funzionamento dell’impianto: Purificazione

Il biogas in uscita dal digestore anaerobico entra in un separatore verticale, all’interno del quale avviene una prima separazione dell’acqua e dell’ammoniaca in soluzione, che condensano e si separano sul fondo.

Successivamente a questa prima separazione, il BIOGAS entra un sistema di filtri orizzontali che trattengono l’acido solfidrico (H2S).

Il biogas separato dall’acqua e privo di H2S viene inviato in un compressore, che eleva la pressione fino a circa 12 bar

Dopo il compressore il biogas transita attraverso un sistema a membrane semipermeabili che separano la maggior parte dei componenti che non sono metano.

A valle del sistema a membrane il metano che, in questa fase di processo, ha raggiunto una purezza del  95/96% verrà disidratato, transitando attraverso colonne dotate di setacci molecolari. Questi ultimi sono costituiti da alluminosilicati capaci di catturare per adsorbimento le molecole di acqua ancora presenti nel gas. Il metano disidrato attraversa un secondo sistema di colonne con setacci molecolari, in grado di trattenere il residuo di anidride carbonica (circa1,5%). Questo ulteriore trattamento garantisca la purezza del biometano necessaria alla successiva liquefazione.

Per migliorare ulteriormente la qualità del BIOMETANO, il gas transita infine in un filtro.

Sia le colonne di disidratazione, che quelle di decarbonazione, sono doppie: una è in fase di adsorbimento, l’altra in fase di rigenerazione, infatti i setacci molecolari si saturano dell’elemento che trattengono, pertanto giunti alla saturazione devono essere rigenerati. Nell’impianto proposto, la rigenerazione delle colonne di disidratazione e di decarbonazione è ottenuta tramite il transito di un gas alla temperatura di circa 250°C, il tipo di gas sarà definito in relazione allo specifico impianto.

Il sistema di filtrazione dell’acido solfidrico (H2S) non prevede una rigenerazione. La rigenerazione determinerebbe lo scarico in atmosfera del H2S che avrebbe come conseguenza un elevato danno ambientale.

Pertanto le cartucce filtranti sature di H2S verranno sostituite con cartucce dotate di carboni attivi nuovi, questa operazione è prevista ogni tre mesi.

Funzionamento dell’impianto: Liquefazione

Al termine del processo di purificazione, il metano è pronto per la liquefazione che avviene per compressione ed espansione.

Il sistema compressione/espansione è basato sull’utilizzo di un compressore pluristadio che eleva la pressione del metano fino a 205 bar. Il metano ad alta pressione viene immesso in uno scambiatore di calore alimentato da un chiller che porta la temperatura del metano fino -30 °C, un ulteriore sistema di scambiatori di calore che utilizzano la fase fredda non liquefatta del metano abbassa la temperatura fino circa -50°C. In queste condizioni il metano transita attraverso in sistema di valvole di laminazione che, per effetto Joule-Thomson, impongono una brusca diminuzione di pressione da 190 bar a 17 bar con conseguente abbassamento della temperatura fino alla temperatura di liquefazione, circa – 150°C. Il metano liquido viene separato dalla fase gassosa non liquefatta e viene inviato in un apposito serbatoio criogenico di stoccaggio.