Uppgradering av biogas Tobias Persson 2014-02-04 Om SGC Vision och Mission Catalyzing energygas development for sustainable solutions SGC ska Vara gasforskningens referenspunkt i Sverige Samordna forskning och utveckling inom gasbranschen med fokus på förnybart Stödja kommersialiserandet av hållbara tekniklösningar 1
Det GRÖNA gassystemet Vårt nätverk är i världsklass! Samverkansprogram Energigasteknik Programperiod 130501 170430 Total projektbudget 80 MSEK, d.v.s. 20 MSEK/år, varav 8 från Energimyndigheten 3 utlysningar per år Mer info på Ladda ner alla rapporter gratis från 2
Implement Innovatum / SGC Utvecklat sökmotor för offentliga rapporter, finns på, www.biogasportalen.se Kommer finnas på www.biogasreports.se Presentation av alla forskningscentra i Sverige på www.biogasportalen.se IEA Bioenergy Task 37 En internationell grupp inom IEA Bioenergy som publicerar rapporter, success stories och statusrapporterför biogasproduktion genom samarbete mellan medlemsländerna: Australia, Austria, France, Norway, United Kingdom, Brazil, Germany, Sweden, Denmark, Ireland, Switzerland, Finland, South Korea, The Netherlands and also European Commission Läs mer på den svenska hemsidan www.task37.se och anmäl er till nyhetsbrevet. Gå gärna också med i Task 37:s LinkedIn grupp. Uppgradering av biogas 3
1. Befintliga uppgraderingsanläggningar 2. Vattenskrubber 3. Selexolskrubber 4. Aminskrubber 5.PSA 6. Membran 7. Jämförelse mellan teknikerna 8.RTO 9. Risker Agenda 10.Småskalig uppgradering 260 Biogasuppgraderingsanläggningar i drift 2012 Source: IEA Bioenergy Task 37 Marknadsutveckling inom biogasuppgradering Source: IEA Bioenergy Task 37 4
Marknadsutveckling inom biogasuppgradering Source: IEA Bioenergy Task 37 1. Befintliga uppgraderingsanläggningar 2. Vattenskrubber 3. Selexolskrubber 4. Aminskrubber 5.PSA 6. Membran Agenda 7. Jämförelse mellan teknikerna 8.RTO 9. Risker 10.Småskalig uppgradering Vattenskrubber 5
Absorptionskolonnen Löslighet av koldioxid i vatten Lösligheten = Konstant * Tryck av koldioxiden Konstanten = KH är 26 gånger större för koldioxid än metan Vattenflöde Vattenflöde = mängd CO2 / löslighet CO2 % CO2 * biogas flow (Nm3/h) % CO2 * Trycket * KH Vattenflödet oberoende av koldioxidkoncentration i rågasen Absorption 5 C lägre temp ~15% läge vattenflöde Absorption Hur påverkar Hur påverkar Hur påverkar Hur påverkar biometanen? skumbildning? kolonnens höjd? kolonnens bredd? metankoncentrationen i 6
98% metan, möjligt? 2% extra energi med 1,5% CO2 istället för 2,5% Luftandelen i rågasen måste vara låg Flashkolonnen 4-5% av metanen löser sig i vattnet Genom trycksänkning i flashkolonnen frisätts metanen och bara 1% stannar kvar 20-30% av rågasflödet cirkuleras tillbaka till kompressorn. Metanslip vid olika tryck och 65% metan i rågasen 2.5% 7 barg Methane slip (%) 6 barg 2.0% 1.5% 1.0% Samma effekt om koldioxiden i rågasen ändras istället för trycket 0.5% 0.0% 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Flash pressure (barg) are the legal properties AB. They may not be copied or disclosed to any third party AB 7
Desorptionskolonnen Trycket sänks till atmosfärstryck Luft blåses igenom för att ta bort koldioxid På sommaren kan luften värma vattnet, på vintern kyler luften vattnet = varierande kylbehov Vad påverkar elförbrukningen? Processvattentemperatur Tryck i processen Metanslip Skumbildning Bakteriell tillväxt Kylmaskinen Component: Blower Purpose: Increase pressure with 0.5-1 bar Facilitate compression to 7 barg with one stage compressor Facilitate circulation of flash gas and regeneration gas from dryers with higher energy content. are the legal properties AB. They may not be copied or disclosed to any third party AB 8
Component: Heat exchangers Purpose: Decrease temperature of compressed gas (100 C to 15 C) Precipitate condensate with impurities are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB Component: Condense trap Purpose: Capture the condensate and protect the compressor are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB Component: Compressor Purpose: Increase pressure from 1-7 barg are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB 9
Component: Heat exchangers Purpose: Decrease temperature of compressed gas (120 C to 15 C) Precipitate condensate with impurities are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB Component: Absorption column Purpose: Absorb CO2 into the water Bed height determines purity Diameter determines capacity are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB 10
Component: Dryers Purpose: Removal of water from the biogas by adsorption of water to molecular sieve are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB Component: Flash column Purpose: Return CH4 to the gas stream to minimise CH4 loss are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB Component: Desorption column Purpose: Remove CO2 from the water Bed height determines efficiency Diameter determines capacity are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB 11
Component: Process water pump Purpose: Create the water flow needed to remove the CO2 from the biogas are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB Component: Heat exchanger Purpose: Keep the temperature of the process water that otherwise is increased by energy from the pump and the stripper air are the are legal the properties legal properties AB. They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB Component: Dosing pump for antifoaming Purpose: Remove foam in the columns that otherwise will create problems with the mass transfer between are the are legal the properties legal properties theofgas Malmberg phase and the AB. water They AB.may not be They copiedmay or disclosed not be copied to any or third disclosed party to any third party of AB 12
Denna anläggningar har flera hundra signaler att behandla are the legal properties of document Malmberg and They may This itsab. contentab not be copied or disclosed to any third party AB Agenda 1. Befintliga uppgraderingsanläggningar 2. Vattenskrubber 3. Selexolskrubber 4. Aminskrubber 5. PSA 6. Membran 7. Jämförelse mellan teknikerna 8. RTO 9. Risker 10.Småskalig uppgradering 13
Selexolskrubber Genosorb vs. Genosorb 5 gånger högre löslighet av CO 2 Varierar temp absorption-desorption (20/40 C) Värme från RTO och kompressor används Högre metanförlust (1,5% vs. 1,0%) Ingen bakteriell tillväxt H2S måste tas bort separat Agenda 1. Befintliga uppgraderingsanläggningar 2. Vattenskrubber 3. Selexolskrubber 4. Aminskrubber 5. PSA 6. Membran 7. Jämförelse mellan teknikerna 8. RTO 9. Risker 10.Småskalig uppgradering 14
Aminskrubber Absorptionsprocessen Vad händer i en aminskrubber? Amin + CO2 AminH+ + HCO3- + värme (Aminen vanligen piperazine och methyl-diethanol-amine) Mål: effektiv absorption, enkel regenerering Absorption vid atmosfärstryck för att undvika metan i aminlösningen H2S kan absorberas men kräver ökad värmetillförsel vid desoprtion. Desorptionskolonnen Värme tillsätts för att släppa koldioxiden fri. Ångan minska trycket av koldioxid samtidigt som kondenseringsenergin behövs före reaktionen att gå baklänges. Normalt vid 120-140 C (1,5-3 bar) Lågtrycksalternativ finns för att använda fjärrvärmesystemet för uppvärmning. (0,05 kwhel/nm3) 15
Agenda 1. Befintliga uppgraderingsanläggningar 2. Vattenskrubber 3. Selexolskrubber 4. Aminskrubber 5. PSA 6. Membran 7. Jämförelse mellan teknikerna 8. RTO 9. Risker 10.Småskalig uppgradering Biogas upgrading with PSA Cykeltid 2-10 min Agenda 1. Befintliga uppgraderingsanläggningar 2. Vattenskrubber 3. Selexolskrubber 4. Aminskrubber 5. PSA 6. Membran 7. Jämförelse mellan teknikerna 8. RTO 9. Risker 10.Småskalig uppgradering 16
Membranuppgradering 7-20 bar Transport genom membranet Selektiviteten för (CO2/CH4) ökar H2 Designalternativ Agenda 1. Befintliga uppgraderingsanläggningar 2. Vattenskrubber 3. Selexolskrubber 4. Aminskrubber 5. PSA 6. Membran 7. Jämförelse mellan teknikerna 8. RTO 9. Risker 10.Småskalig uppgradering 17
Egenskaper Technology PSA scrubber Membrane Amine scrubber Genosorb scrubber Availability 95-98% 95-98% 95-98% 95-98% 95-98% Maintenace 2-3% 2-3% 3-4% 2-3% 2-3% H2S removal Yes External External External/Yes External H20 removal External Yes Yes External External N2 and O2 separation No Yes partly Partly (O2) No No Methane slip 1% 1,5% 0,5-2% 0,1% 1,5% Electricty (kwh/nm3) 0,2-0,3 0,2-0,3 0,2-0,3 0,10-0,15 0,2-0,3 Heat (kwh/nm3) None None None 0,5-0,6 Internal Pure CO2 No Yes Yes Yes No Investeringskostnad relaterad till kapacitet Små anläggningar är dyra! Energiförbukning Energiförbrukning [kwh/nm3] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Vattenskrubber Aminskrubber PSA Membran Genosorb 18
Energy of upgraded gas Pressurisation valuable for many applications, an energy value not to be forgotten in comparisons Koldioxidekvalitet Technology Contaminants scrubber Air Organic scrubber Air Amine scrubber Membrane None None (ev. H2S) PSA None (ev. CH4, H2S) (ev. CH4) Metan emissioner Technology Methane slip scrubber 1,0% Organic scrubber 1,5% Amine scrubber Membrane 0,1% 0,5-2,0% PSA 1,5-2,0% 19
Metanemissioner 2010-2012 Red = Results from early measurements (2007-2009) Amine scrubbing (1), End-of-pipe (2), PSA (3), scrubber (4). Source: U2012:15 Sammanställning av mätningar inom frivilligt åtagande 2007-2012 Agenda 1. Befintliga uppgraderingsanläggningar 2. Vattenskrubber 3. Selexolskrubber 4. Aminskrubber 5. PSA 6. Membran 7. Jämförelse mellan teknikerna 8. RTO 9. Risker 10.Småskalig uppgradering Regenerative Thermal Oxidiser (RTO) from Krantz are the legal properties AB. They may not be copied or disclosed to any third party AB 20
Function description The RTO consists of two chambers with ceramic beds 1. The gas is heated in chamber 1 to combustion temperature. 2. The gas is combusted 3. And used to heat up chamber 2 Chamber 1 4. Finally the gas flow is reversed when chamber 2 reaches combustion temperature Chamber 2 The methane and hydrogen sulfide is combusted in the RTO and carbon dioxide and sulfuric acid are released. Autothermal at 5% LEL. are the legal properties AB. They may not be copied or disclosed to any third party AB Agenda 1. Befintliga uppgraderingsanläggningar 2. Vattenskrubber 3. Selexolskrubber 4. Aminskrubber 5. PSA 6. Membran 7. Jämförelse mellan teknikerna 8. RTO 9. Risker 10.Småskalig uppgradering Rätt utrustning är dyr! II 2G/EEx d IIC T6 II Equipment group 2G EEx d IIC T6 Category Type of protection Explosion subgroup Temperature class Group Läs mer här: http://en.wikipedia.org/wiki/electrical_equipment_in_hazardous_areas are the legal properties AB. They may not be copied or disclosed to any third party AB 21
Eliminering av risker är dyrt! are theare legal AB. the properties legal properties AB.They They may may not be copied orcopied disclosed to any third not be or disclosed to anyparty third party AB AB Men en olycka kan få stora konsekvensor! are the legal properties AB. They may not be copied or disclosed to any third party of 22
are the legal properties AB. They may not be copied or disclosed to any third party of Agenda 1. Befintliga uppgraderingsanläggningar 2. Vattenskrubber 3. Selexolskrubber 4. Aminskrubber 5. PSA 6. Membran 7. Jämförelse mellan teknikerna 8. RTO 9. Risker 10.Småskalig uppgradering Metener Vattenskrubber 10 Nm3/h Utvecklad inom EU-projektet VALORGAS 95-98% CH4 Metanmätare Manuell gastork (byte av adsorbent), Daggpunktmätare är tillval Inkl dispenser, tryckhöjning och mindre gaslager 0.3-0.45 kwh/nm 3 rågas 10 Nm3/h för ca 120 000 40 Nm3/h för ca 200 000 Kontakt: jussi.lantela@metener.fi 23
Energimängd Levererat flöde Motsvarar Storlek Flöde in Energibehov Kostnad 1,8 GWh/år LBG 15 kg/h 150 personbilar som kör 1 500 mil/år 40 fot container ca 35 Nm3/h ca 10-12% av producerad energi (0.5-0.7 kwh/nm3 rågas) ca 5MSEK Kontakt: morgan.larsson@biofrigas.se Första anläggningen är såld till Söderhamn Nära 72 Nm3/h kostar 360 000 460 000 0,15-0,25 kwh/nm3 rågas 97% CH4 10 bar Kontakt: info@biosling.se 24
Neo-Zeo Speciell adsorbenten som utvecklats med Stockholms universitet Uppskattad kostnad är 2.4 MSEK för 50 Nm3/h, 3.1 MSEK för 100 Nm3/h. Finns pilot för demo Deltar i EU-projektet: Biogas XPOSE Contact: petr.vasiliev@neo-zeo.com Sysadvance Processen testas och utvärdes just nu i en pilot i Danmark En PSA som separerar koldioxid och delvis syre och kväve Desorption med vakuum Kapacitet 100 Nm3/h Pris: 360 000 Kontakt: patrick.barcia@sysadvance.com Memfoact (från SGC 285) Investeringskostnader för olika kvaliteter och metanslip Kapacitet (Nm3) 96% CH4 (1% slip) 96% CH4 (5.6% slip) 80% CH4 (1.2% slip) 16 27 46 186 000 276 000 381 600 144 000 220 800 328 800 80 400 102 000 163 200 El- och värmeproduktion kan kombineras med uppgradering och då använda metanutsläppen från uppgraderingen för elproduktion. Är det tillräckligt att uppgradera till 80% CH4 på gården? 25
Investeringskostnad 18 000 16 000 CAPEX ( /Nm3) 14 000 Uppskattad Inv. kostnad 12 000 Metener NeoZeo Biofrigas 10 000 Biosling scrubber 8 000 scrubber Membran 6 000 Memfoact (96%) Memfoact (80%) 4 000 Sysadvance 2 000 0 0 50 100 150 200 250 300 Plant capacity (Nm3/h) Tack Tack! Lada gärna ner SGC-rapport 270 från 26