Pulizia del biogas

Condorchem Envitech offre soluzioni complete per la linea di captazione e pulizia del biogas per diverse centrali a biogas indipendentemente dalla loro origine (discariche, depuratori o impianti di digestione). Queste soluzioni comprendono ingegneria, fornitura di apparecchiature, tecnologie e messa in funzione dell’impianto.

Il modulo CLEAN-BGAS® MP DRY è concepito per ridurre i componenti indesiderati del biogas. Questo modulo si concentra sul raffreddamento e sul passaggio del biogas attraverso carbone attivo, ed è fornito montato su una struttura che ne facilita l’installazione, l’operazione e la manutenzione.

Caratteristiche dei nostri impianti di pulizia del biogas:

• Impianti ottimizzati in termini di consumo di energia e reagenti.
• Funzionamento automatico.
• Riduce simultaneamente umidità, idrocarburi e silossani, oltre parzialmente H2S e NH3, secondo le esigenze del cliente.
• Sistema compatto. Ciò riduce lo spazio e facilita la manutenzione.
• Riduzione sia dell’umidità relativa che dell’umidità assoluta del biogas.

Poiché il biogas non può essere utilizzato nelle centrali di cogenerazione senza essere purificato, è necessario ridurre la percentuale di umidità e tutti i composti che possono accorciare la vita di qualsiasi apparecchiatura che utilizzi il biogas come combustibile.

Una delle parti fondamentali di un impianto di biogas destinato all'uso del biogas come biocarburante è l'impianto di captazione e pulizia. Questo impianto di captazione e pulizia coinvolge un insieme di apparecchiature e tecnologie necessarie per una corretta pianificazione e utilizzo del biogas.

Componenti di un impianto di pulizia:

• Deumidificazione/essiccazione del biogas. Eliminazione dell'umidità mediante pozzi di condensa, scambiatori di calore e macchina di refrigerazione.
• Sistemi di pulizia: filtro a carbone attivo, membrane e lavaggi chimici, tra gli altri, che eliminano componenti indesiderati come H2S, silossani, idrocarburi, ecc.

Questi impianti comprendono parti come:

• Sistema di tubazioni e apparecchiature (pozzo di condensa, separatori di schiuma, filtri per particelle, filtri a ghiaia, ecc.).
• Sistema di trasporto. Soffianti centrifughe, a canale laterale e rotative. Ausiliari come spegnifiamma, giunti di dilatazione e valvole.
• Sistema di gestione del biogas. Torcia, gasometri e ausiliari.

Un processo basato su raffreddamento, condensazione, lavaggio con acqua e assorbimento con carbone attivo.

Il biogas è una miscela di gas composta principalmente da CH4, CO2, vapore acqueo e tracce di altri composti (H2S, silossani, NH3 e idrocarburi tra gli altri). Per poterlo utilizzare in un sistema CHP, è necessario ridurre il suo contenuto di umidità ed eliminare tutti i composti dannosi per garantire la durata dell’attrezzatura coinvolta nel suo utilizzo come biocombustibile.

Il modulo CLEAN-BGAS® MP DRY garantisce la riduzione di tali componenti (vapore acqueo, particelle, H2S e silossani). La tecnologia è composta da due parti: il raffreddamento del biogas e l’adsorbimento con carbone attivo. Il carbone attivo viene selezionato in base al componente pericoloso principale. Tutta l’attrezzatura viene fornita installata su una base per facilitarne l’operazione, la manutenzione e l’installazione.

• Produzione di biogas di alta qualità
• Riduce il consumo energetico del 30%
• Adsorbente a lunga durata
• Basso costo di manutenzione
• Completamente automatizzato
• Migliora le emissioni di gas di scarico dei sistemi di cogenerazione

• Eliminazione di silossani e idrocarburi
• Eliminazione del vapore acqueo
• Eliminazione di H2S e NH3
• Riduzione della temperatura
• Gas di discarica
• Gas di acque reflue

• Sistema modulare
• Adatto a tutti i tipi di biogas
• Funzionamento continuo fin dall’installazione
• Riduzione simultanea di temperatura, vapore acqueo, H2S, NH3, idrocarburi alogenati e silossani
• Funziona in linee a vuoto o a pressione
• Incorpora un sistema di separazione per particelle e schiuma
• Automazione completa
• I filtri a carbone attivo sono facili da gestire
• Offre biogas di alta qualità
• Può includere un sistema di recupero energetico o di preriscaldamento

L'origine del biogas si trova nella decomposizione anaerobica (putrefazione) della materia organica, e il suo contenuto di metano (CH4) si colloca in un ampio intervallo di valori, che varia fondamentalmente tra il 35 e il 70%, e che dipende in larga misura dal metodo di produzione e dai tipi di materie coinvolte. La concentrazione di metano è ciò che conferisce al biogas la sua caratteristica di combustibile. Questo gas, se rilasciato nell'atmosfera, contribuirebbe all'aumento dell'effetto serra, poiché il metano (CH4) è 21 volte più inquinante del CO2.

In questo senso, l'utilizzo del biogas, come combustibile o materia prima per la produzione di altri prodotti, è la migliore opzione e comporta un beneficio per l'ambiente, non solo perché si evita l'emissione del gas metano nell'atmosfera, ma anche perché si riduce l'emissione di altri gas responsabili dell'effetto serra, che deriverebbero ad esempio dalla combustione di combustibili fossili. Come fonte di energia rinnovabile, il biogas è una fonte inesauribile, pulita e che può essere utilizzata in modo autogestito. È una delle energie rinnovabili più accessibili, data la facilità della sua ottenimento. Inoltre, il suo utilizzo genera una minore contaminazione ambientale e costituisce un'alternativa valida all'esaurimento delle energie fossili, come il gas naturale e il petrolio, per i quali si è osservato un aumento dei prezzi negli ultimi anni.

Con un potere calorifico inferiore (PCI) che si colloca nell'ordine di 4.000 a 6.000 Kcal/m3, il biogas può essere utilizzato per la produzione e vendita di elettricità e calore, impiegato come biocarburante per l'automotive, utilizzato per l'immissione nella rete di distribuzione del gas naturale o come materia prima per la produzione di H2 e metanolo. Tuttavia, la via di sfruttamento più efficace del biogas è la cogenerazione, con la quale si ottengono contemporaneamente energia elettrica e termica.

Questi sono i principali motivi per cui è necessario un processo di pulizia del biogas:

• Un funzionamento ottimale delle macchine (motori, turbine, caldaie, celle a combustibile, veicoli, ecc.) correlate al suo utilizzo come combustibile.
• Una vita utile prolungata delle macchine e degli impianti utilizzati per il pompaggio, l'estrazione e la compressione (soffianti e compressori).
• Un miglioramento delle emissioni dei gas di scarico delle macchine motrici.
• Evitare concentrazioni tossiche per l'operatore (essere umano).
• Riduzione dei costi di manutenzione (riparazione e cambio oli) delle macchine coinvolte in questo tipo di impianto.
• Un funzionamento ottimale del sistema di captazione, pompaggio, stoccaggio e distribuzione del biogas.

La tabella 1 mostra la composizione tipica del biogas in base alla sua provenienza, cioè discarica o impianto di metanizzazione, e al tipo di materia da trattare.

Tabella 1

Sebbene tutti i tipi di biogas siano adatti per la produzione di biometano, quelli provenienti da processi controllati sono quelli che presentano la migliore qualità per la trasformazione in un gas con caratteristiche simili al GN, data la concentrazione di metano (CH4) che si può raggiungere e la minore concentrazione di componenti inquinanti che presentano, tra cui l'O2.

Per la sua applicazione, utilizzo come materiale combustibile o come materia prima per la produzione di prodotti chimici come il metanolo e l'idrogeno, è necessario migliorarne la qualità. A tal fine, è necessario eliminare tutti i componenti pericolosi che vengono descritti di seguito.

È necessaria la pulizia del biogas per un funzionamento ottimale e per le prestazioni delle macchine (motori, turbine, caldaie, celle a combustibile, ecc.) correlate al suo utilizzo come combustibile. In questo modo otteniamo la riduzione dei costi di manutenzione (riparazione e cambio degli oli) delle macchine coinvolte in questo tipo di impianto; una vita utile prolungata delle macchine e delle attrezzature utilizzate per il pompaggio, l’estrazione e la compressione (soffianti e compressori). Inoltre, un miglioramento delle emissioni dei gas di scarico delle macchine motrici, rispettando le norme sulle emissioni in atmosfera. Infine, si evita la concentrazione di sostanze tossiche per l’uomo, in particolare le concentrazioni di H2S.

Vapore acqueo

Il vapore acqueo riduce drasticamente il PCI del biogas; per questo motivo, viene influenzata la resa energetica delle apparecchiature coinvolte nel suo utilizzo come biocombustibile (motori, turbine, caldaie, bruciatori, ecc.). Pertanto, è opportuno, prima di essere utilizzato come materiale energetico, ridurre al massimo il suo contenuto di umidità con qualsiasi metodo. A sua volta, questa eliminazione è necessaria per evitare l’accumulo di condensa nella linea del gas e, con essa, prevenire la formazione di acidi corrosivi, nonché l’ostruzione delle tubazioni.

Idrocarburi alogenati e pesanti

Gli idrocarburi alogenati, principalmente quelli contenenti cloro e fluoro, possono causare problemi di corrosione nei motori per la generazione di elettricità, soprattutto nella camera di combustione, nelle valvole e nella testa dei cilindri, mentre gli idrocarburi ad alto peso molecolare, in concentrazioni elevate, possono provocare malfunzionamenti del motore poiché il loro punto di accensione differisce notevolmente dal punto di accensione del biogas (CH4). In molti casi questi combustibili si accendono parzialmente provocando un aumento della concentrazione di formaldeide, COV e altri componenti nei gas di scarico di questo tipo di macchina.

Solfuro di idrogeno (H2S)

La desolforazione del biogas è necessaria per prevenire la corrosione ed evitare concentrazioni tossiche di solfuro di idrogeno (H2S). Quando il biogas viene bruciato si formano ossidi di zolfo come: SO2/SO3 che sono ancora più velenosi dell’H2S da cui derivano. Allo stesso tempo, il SO2 abbassa il punto di condensazione del gas di scarico (fumi) esistendo la possibilità di formazione di acido solforoso (H2SO3) che è altamente corrosivo. D’altra parte, il solfuro di idrogeno (H2S), mescolandosi con l’umidità dell’aria (acqua) o con la stessa umidità del biogas nella camera di combustione di motori o caldaie, forma acido solforico (H2SO4) che attacca le diverse parti metalliche, in particolare quelle contenenti rame (Cu), bronzo, ferro o altro materiale, riducendo considerevolmente le prestazioni di queste parti. Inoltre, nel caso dei motori, inquina il lubrificante producendo emissioni di ossidi di zolfo nei gas di scarico, nocivi per l’ambiente.

Silossani

Tra i componenti di maggiore incidenza nell’utilizzo energetico del biogas generato in discarica e/o in impianti di depurazione vi sono i silossani, che causano danni ai motori impiegati riducendone la vita utile a causa dell’effetto abrasivo che producono sulle parti interne degli stessi.

Questo effetto è dovuto alla deposizione di silice che si forma nelle diverse parti come risultato della combustione che avviene nella parte interna del motore.

Molte sono le tecniche di separazione/rimozione che si applicano per ridurre questi tipi di componenti. Ognuna si rivolge a un componente particolare in base all'origine del biogas e alla sua possibile applicazione. Così, ad esempio, per i silossani, mediante combinazione di tecniche, spiegherò di seguito la tecnologia CLEAN-BGAS MP DRY.

La tecnologia per la pulizia del biogas CLEAN-BGAS MP DRY dispone di un insieme di apparecchiature che, interconnesse tra loro, permettono di eliminare tramite processo fisico (termico e adsorbimento) il contenuto di umidità, silossani, composti alogenati e H2S, nonché di ridurre la temperatura del gas fino a valori consentiti per l’ingresso ai motori.

Il modulo esegue diverse operazioni in un ordine prestabilito (tecnologia multifunzione): raffreddamento (riduzione della temperatura), condensazione (eliminazione di umidità, silossani, acido solfidrico) e adsorbimento (riduzione di componenti indesiderati, quali silossani, H2S e idrocarburi). Per questo, dispone di diversi elementi interni che garantiscono tale risultato.

Fondamento tecnico

Si effettua il raffreddamento del biogas fino a 2º C per l’eliminazione dei silossani, la condensazione per la riduzione del livello di umidità del biogas, il lavaggio per la riduzione dei gas acidi (H2S) e ammoniaca (NH3) e l’adsorbimento su carbone attivo per l’eliminazione di silossani e composti alogenati.

Fasi della tecnologia

Le fasi di cui consta questa tecnologia sono il raffreddamento preliminare fino a 20º C per la riduzione dell’umidità assoluta, il lavaggio del gas e l’estrazione dei condensati, il raffreddamento fino a 2-4º C per la riduzione del livello di silossani e umidità assoluta, il riscaldamento del gas e la riduzione dell’umidità relativa e infine l’adsorbimento su carbone attivo. La figura 1 mostra la tecnologia CLEAN-BGAS MP DRY. Le parti di cui consta sono il recuperatore-lavatore, il disumidificatore, il serbatoio di raccolta dei condensati e i filtri a carbone attivo.

La tabella 2 mostra i risultati raggiunti durante il suo funzionamento. Il modulo CLEAN-BGAS MP DRY è il risultato di cinque anni di ricerca e sviluppo (R&S+i) dell’azienda Condorchem Envitech con oltre 15 anni di esperienza nel settore del trattamento del biogas generato in discarica, impianto di metanizzazione e depurazione delle acque reflue e trattamento dei gas. Attualmente continua la sua ricerca con l’obiettivo di ottenere una maggiore efficienza energetica e di rimozione dei contaminanti.

Tabella 2