MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR ENERGETIKAI ÉS VEGYIPARI GÉPÉSZETI INTÉZET VEGYIPARI GÉPÉSZETI INTÉZETI TANSZÉK SZAKDOLGOZAT BIOMETÁN ELŐÁLLÍTÁSI TECHNOLÓGIÁK VIZSGÁLATA KÉSZÍTETTE: Tóth Kinga LGLAWA KONZULENS: Dr. Szamosi Zoltán adjunktus KONZULENS: Venczel Gábor tanársegéd Miskolc, 2018.
TARTALOMJEGYZÉK Feladatkiírás... 3 Eredetiségi nyilatkozat... 4 1. BEVEZETÉS... 5 2. BIOMETÁN TECHNOLÓGIÁK TÁRSADALMI ELŐNYEI [1]... 7 2.1. A hulladék csökkentése... 7 2.2. Megújuló energiaforrás... 7 2.3. Szén-dioxid kibocsátás és a globális felmelegedés mérséklése... 7 2.4. A biogáz hatékony és rugalmas felhasználása... 7 2.5. Munkahelyteremtés... 8 3. BIOMETÁN ELŐÁLLÍTÁS NYERSANYAGAI... 9 3.1. Leggyakoribb nyersanyagok [4]... 10 3.1.1 Élelmiszer- és italhulladék... 10 3.1.2. Maradékanyag feldolgozás... 11 3.1.3. Mezőgazdasági hulladék... 11 3.1.4. Szántóföldi növények... 11 3.1.5. Szennyvíziszap... 12 4. ANAEROB FERMENTÁCIÓ (AF), MINT BIOKÉMIAI FOLYAMAT... 13 4.1. Hidrolízis... 13 4.2. Savképződés... 14 4.3. Ecetsavképződés... 14 4.4. Metánképződés... 14 5. A BIOGÁZ HASZNOSÍTÁSA... 16 6. BIOGÁZ TISZTÍTÁS, BIOMETÁN TERMELÉS... 17 6.1. A Wobbe-index [10]... 17 6.2. Nem megfelelő Wobbe-indexű üzemanyag használatának következményei... 18 6.2.1. Magas Wobbe-index... 18 6.2.2. Alacsony Wobbe-index... 18 7. ELJÁRÁSOK A SZÉNDIOXID TARTALOM MINIMALIZÁLÁSÁRA... 20 7.1. Abszorpció... 20 1
7.1.1. Fizikai abszorpció: Nagynyomású vizes mosás... 21 7.1.2. Szerves fizikai abszorpció: Szerves oldószeres mosás... 22 7.1.3. Kémiai abszorpció: aminos mosás... 22 7.2. Adszorpció: nyomásváltásos adszorpció... 23 7.3. Membrán technológia: Gázpermeáció (áteresztó képesség)... 25 7.4. Kriogén technológia... 26 7.5. Mellékösszetevők eltávolítása: víz, ammónia, sziloxánok... 26 8. A GÁZ METÁNTARTALMÁNAK KINYERÉSE A HULLADÉKGÁZBÓL... 27 9. BIOGÁZ, MINT ÜZEMANYAG... 28 10. BIOMETÁN BETÁPLÁLÁSA A FÖLDGÁZHÁLÓZATBA... 30 11. MODELLEZÉS UNISIM DESIGN SUITE PROGRAM SEGÍTSÉGÉVEL... 31 11.1. Bemenő változók metántartalomra gyakorolt hatása... 32 11.2. Nagynyomású vizes mosás modellezése... 34 11.3. A folyamat modell szerinti eredménye... 35 12. SZÉNDIOXID ELNYELETÉSE VÍZBEN, ABSZORPCIÓVAL MÉRÉS... 37 12.1. A mérés ismertetése... 37 12.2. Mérési eszközök, mérési elrendezés... 37 12.3. Hőmérséklet változtatása víz fűtése... 40 12.4. Hőmérséklet változtatása víz hűtése... 41 12.5. Mérés összegzése... 45 12.6. Mérési elrendezés modellezése... 45 13. ÖSSZEGZÉS... 48 14. CONCLUSION... 49 15. KÖSZÖNETNYÍLVÁNÍTÁS... 50 2
Feladatkiírás 3
Eredetiségi nyilatkozat Alulírott, Tóth Kinga, a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának Gépészmérnök hallgatója kijelentem, hogy az című Szakdolgozatot saját magam készítettem. A dolgozatban minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen a forrás megadásával megjelöltem. Miskolc-Egyetemváros, 2017. november 27.... aláírás 4
BIOMETÁN ELŐÁLLÍTÁSI TECHNOLÓGIÁK VIZSGÁLATA 1. BEVEZETÉS A tudományos kutatás tárgya a biometán, amely zöldenergiák közé sorolható energiaforrás, hasonlóan a megújuló energiákhoz. Bioenergia hasznosítása alatt a biomassza, biogáz, továbbá különböző hulladék- és melléktermékek energiacélú hasznosítását értjük, amely a környezeti terhelés, valamint hazánk energiafüggőségének csökkentése szempontjából kiemelkedő jelentőséggel bír. Napjaink társadalmának egyik legnagyobb környezeti problémája a folyamatosan növekvő szerves hulladék előállítás. A világ rengeteg országában ennek megelőzése valamint mérséklése jelentős politikai prioritás. Az ellenőrizetlen hulladék lerakóhelyek, sőt az irányított szeméttelepek, valamint a szerves hulladékok elégetése már nem elfogadható az egyre szigorodó környezetvédelmi elvárások mellett. Az energia visszanyerés és szerves anyag újrahasznosítás a célzott, optimális tevékenység [1]. Ennek egyik lehetősége a biometán termelés. A biometán egy biomasszából nyert üzemanyag, amelynek potenciálisan metánnal egyenértékű tulajdonságai vannak, és így alkalmas földgázhálózati befecskendezésére vagy földgázzal működő járművek esetén üzemanyagként történő felhasználására [2]. A biometán termelésének ígéretes útja a biogáz korszerűsítése. A biogáz képződése során levegőmentes anaerob körülmények között a biológiailag degradálható szerves anyagok alkotó elemeikre bomlanak, a folyamat eredményeként 50%, esetenként 75% metánt, 25-45% szén-dioxidot és egyéb gázokat tartalmazó gázkeverék képződik. Ilyen folyamat mocsarakban, hulladéklerakókban továbbá az állatok gyomrában mehet végbe [3]. A bomlás nyersanyaga sokféle lehet; disznó-, marhatrágya, élelmiszer-hulladék, energianövények (kukoricaszár, gabona, nád), települési, háztartási szilárd hulladék és ipari szerves hulladék. A nyersanyagot egy zárt tartályba töltik, melybe előzőleg már beinjektálták a megfelelő baktériumokat, majd létrehozzák az anaerob feltételeket (0% oxigén), továbbá a hőmérsékletet állandó (általában 40 C) értéken tartják [3]. 5
A biogáz felhasználásának legelterjedtebb módja a belső égésű motorokban lévő gázégető hő- és villamosenergia-termelés. A biogázt földgázminőségűre vagy bio-metánra tisztítják a fajlagos hő növelése, a savas gázok által okozott korróziós problémák minimalizálása érdekében, így feltételezve a földgázhoz hasonló jellemzőket a hálózatba történő elosztásra (Favre és mások, 2009; Holm- Nielsen Et al., 2009). A biogáz metán-tartalma hő- és/vagy villamos energiaként, esetleg bioüzemanyagként hasznosítható, míg a végtermék, az un. biotrágya szerves trágyaként, öntözésre, vagy talajjavító anyagként alkalmazható. 1. ábra Biogáz termelés és felhasználás 1 A dolgozat célja a biometán technológiák ismertetése és népszerűsítése hazánkban, valamint felhívni a figyelmet a környezeti terhelés mérséklésének fontosságára és a bioenergia előnyeire. 1 https://glwenergy.com/what-is-a-biogas-digester/ 6
2. BIOMETÁN TECHNOLÓGIÁK TÁRSADALMI ELŐNYEI [1] 2.1. A hulladék csökkentése A biogáz termelés egyik fő előnye a hulladék anyag átalakításának lehetősége értékes erőforrássá. Sok európai ország szembesül az iparból, mezőgazdaságból, háztartásokból származó szerves hulladékok túltermelésével kapcsolatos óriási problémákkal. A biogáz előállítás kiváló módja annak, hogy megfeleljenek az e területre vonatkozó egyre szigorúbb nemzeti és európai szabályozásoknak, hiszen a szerves hulladék nyersanyagként szolgál a több szempontból kedvező bioenergia előállításában. 2.2. Megújuló energiaforrás A jelenlegi globális energiaellátás erősen függ a fosszilis forrásoktól (kőolaj, lignit, kőszén, földgáz). Ezek a halott növények és állatok fosszilizált maradványai, amelyek több száz millió év alatt hőnek és nyomásnak voltak kitéve a Föld kérgében. Emiatt a fosszilis tüzelőanyagok nem megújuló erőforrások, tartalékai sokkal gyorsabban fogynak, mint ahogyan újak keletkeznek. A fosszilis tüzelőanyagoktól eltérően az anaerob fermentációból származó biogáz tartósan megújítható, hiszen biomasszából készül, ami valójában fotoszintézis útján tárolt napenergia. A belőle származó biogáz nem csak egy ország energiamérlegét javíthatja, hanem jelentősen hozzájárul a természeti erőforrások megőrzéséhez és a környezetvédelemhez. 2.3. Szén-dioxid kibocsátás és a globális felmelegedés mérséklése A fosszilis tüzelőanyagok, mint például a barnaszén, a kőszén, a kőolaj és a földgáz felhasználása átalakítja a földkéregben lévő karbont és szén-dioxidként a légkörbe bocsátja. A légkör jelenlegi CO2 tartalmának növekedése fokozza az üvegházhatást és ezzel egyidejűleg a globális felmelegedést. A biogáz elégése CO2 kibocsátást is eredményez. Azonban a fő különbség a fosszilis tüzelőanyagokhoz képest az, hogy a biogázban levő szén előzőleg már távozott a légkörből a növények fotoszintetikus tevékenysége által. 2.4. A biogáz hatékony és rugalmas felhasználása A biogáz egy rugalmas energiahordozó, amely sokféleképpen alkalmazható. Az egyik legegyszerűbb alkalmazás, mikor közvetlenül főzésre és világításra használják. Napjainkban azonban egyre több országban a kombinált hő- és villamos energiatermelésben van szerepe, 7
továbbá a belőle tisztítással nyert biometán megfelelő minőségben földgázhálózati betáplálásra, valamint üzemanyagként is hasznosítható. 2.5. Munkahelyteremtés Az anaerob fermentációból származó biogáz előállításához munkaerő szükséges; az alapanyag előállításához, gyűjtéséhez és szállításához, a műszaki berendezések gyártásához, a biogázüzemek megépítéséhez, üzemeltetéséhez és karbantartásához. Ez azt jelenti, hogy egy nemzeti biogáz-ágazat fejlesztése hozzájárul új vállalkozások létrejöttéhez, amelyek jelentős gazdasági potenciállal rendelkeznek, növelik a vidéki térségek jövedelmét és új munkahelyeket teremtenek. 8
3. BIOMETÁN ELŐÁLLÍTÁS NYERSANYAGAI Az anaerob fermentáció során használt nyersanyag, jelentősen befolyásolja a keletkező biogáz összetételét. Ezért az alapanyagot gondosan kell megválasztani. A megbízható alapanyag-ellátás biztosítása alapvető fontosságú a folyamat sikeressége és nyereségessége szempontjából. A nyersanyagnak nem kell hulladéknak lennie, bármely biológiailag lebomló, nem fás növény vagy állati maradvány megfelelő biogáz előállításhoz. Azonban az anaerob mikroorganizmusok nem képesek lignint, azt a komplex polimert lebontani, amely a növények erejét adja, ami azt jelenti, hogy a faipari termékek, a papír és a szalma lassítja a bomlási folyamatot [4]. A biogáz hozama egy adott nyersanyagból a következő kritériumok szerint változik: Szárazanyag tartalom, alapanyagban maradt energia (ha tartós tároláson esett át, valószínűleg már bomlásnak indult), a rothasztó tartályban töltött idő, nyersanyag típusa és a fermentálás körülményei, az alapanyag tisztasága. 1. táblázat A fontosabb biogáz alapanyagok (szubsztrátok) és a belőlük nyerhető biogáz, ill. metán mennyisége [5] Sorszám Alapanyag szubsztrát Szárazanyag Biogázhozam Metán (CH4) tartalom (%) (m3/t) tartalom (%) I. Állati trágyák 1. Marhatrágya 25-30 40-50 60 2. Sertéstrágya 20-25 50-60 60 3. Baromfi trágya 30-35 70-90 60 4. Marha hígtrágya 8-11 20-30 60 5. Sertés hígtrágya 7-8 20-35 60-70 II. Szántóföldi növények 1. Silókukorica 20-35 170-200 50-55 2. Kalászos teljesnövény 30-35 170-220 55 3. Cukorrépa 23-25 170-180 53-54 4. Répalevél 16-18 70-80 54-55 5. Fűszenázs 25-50 170-200 54-55 9
III. Élelmiszeripari melléktermék 1. Melasz 80-90 290-340 70-75 2. Szőlőtörköly 40-50 250-270 65-70 3. Gyümölcstörköly 25-45 250-280 65-70 4. Sörtörköly 20-25 100-130 59-60 5. Gabona szeszmoslék 6-8 30-50 58-65 IV. Kommunális hulladék 1. Konyhai élelmiszer-hulladék 9-37 50-480 45-61 2. Szennyvíziszap 5-24 35-280 60-72 3. Zöldkaszálék 10-12 150-200 55-65 3.1. Leggyakoribb nyersanyagok [4] 3.1.1 Élelmiszer- és italhulladék Ezen hulladékok mintegy fele háztartásokból, a maradék hányada főként a gyártásból, a kiskereskedelemből, a vendéglátásból, más vállalkozásokból és az állami szektorból származik. Az élelmiszer-hulladékok legkörnyezetkímélőbb kezelési lehetőségei az anaerob rothasztás vagy komposztálás. Az anaerob rothasztás (fermentáció) általában azért előnyös, mert mind megújuló energiát, mind pedig biotrágyát termel, melyek együtt többet tesznek az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásának ellensúlyozására, mint a komposzt előállítás. Vannak azonban olyan szerves hulladékáramok, amelyek esetében a komposztálás a legjobb megoldás, mint például az összegyűjtött étel- és kerti hulladék, vagy a faanyagos kerti hulladék, amelyet önmagában gyűjtenek. A "nedves" anaerob fermentációs-rendszerrel történő kezeléshez az élelmiszer-hulladékot forrásonként külön kell összegyűjteni; Komposztálással vagy "száraz" anaerob fermentációs-rendszerekkel való feldolgozáshoz az élelmiszerhulladék forrásonként külön vagy zöldhulladékkal összekeverve is gyűjthető. A nagy szennyvíztisztító telepeken található élelmiszerhulladék együttes fermentálása hatékony módja lehet a hulladékból származó energia előállításának, különösen, mivel sok telephely a városközpontokban helyezkedik el. 10
3.1.2. Maradékanyag feldolgozás Az életképes és fenntartható fermentációs-projekt kulcsa a minőségi nyersanyagellátás biztosítása. Az olyan maradékok, mint a sütőipari vagy sörgyártási hulladék jó alapanyagnak tekinthetők, mivel azok rendszerességet és stabilabb ellátást kínálnak. Az étel- és italgyártók érdeklődése erős az iránt, hogy a helyszíni létesítményeiket fejlesztve a hulladékáramot potenciálisan értékes bevételi forrássá alakítsák. 3.1.3. Mezőgazdasági hulladék Évente országonként több millió tonna trágya és zagy keletkezik. Ezeket általában helyileg a gazdaságokban használják fel, és újrahasznosítják a bennük lévő tápanyagokat. Előírások szerint azonban számos szerves trágyát hosszabb ideig kell tárolni, mielőtt műtrágyaként felhasználják. Ilyen esetben anaerob rothasztást lehet alkalmazni az iszapokban és trágyákban tárolt metán kinyerésére, valamint ezen anyagok stabilizálására és kezelésére. Az előállított fermentált anyagoknak alacsonyabb a biológiai oxigénigénye és egyenletesebben, könnyen kalibrált műtrágyaként használhatók, mint az eredeti kezeletlen trágya. A trágyakezelésből származó metánkibocsátás csökken, és a mesterséges műtrágya előállításához felhasznált fosszilis tüzelőanyagok elhagyásával, 5 tonna CO2-t takarítanak meg nitrogén tonnánként. A termésmaradékok szintén alkalmas kiindulási anyagok a folyamat számára. A terménymaradványokat a mezőgazdasági termények kereskedelmi termelésének szerves részét képező "termelési maradékként" definiálják; Ezek közé tartoznak a károsodott vagy rothadt gyümölcsök vagy zöldségek és más növényi részek, melyek nem a tervezett végtermékek, mint például a szalma, levelek. Ezek összegyűjthetők a mezőről vagy egy csomagolóegységből, mielőtt elhagynák gazdaságot. 3.1.4. Szántóföldi növények A termények lehetnek kifejezetten anaerob fermentálásra termesztve, más nyersanyagok stabilizálására vagy kiegészítésére, mint például alacsony hozamú iszapok vagy változó minőségű élelmiszer-hulladék. Ilyen növény például a kukorica, a fű szilázs, az energia répa és a gabonafélék, amelyek mindegyike hatékonyan beépíthető a meglévő vetésforgóba vagy gazdálkodási rendszerekbe. A vetésforgó alkalmazása a későbbi növények növekvő hozamához vezethet a tápanyagok feltöltésével, a talaj kondicionálásával, a talajbetegségek előfordulásának csökkentésével és 11
a talaj és a víz minőségének javításával. Hasonlóképpen az olyan területek, amelyek nem alkalmasak takarmánynövények termesztésére, megfelelőek lehetnek az energia növények biomasszájának. Azonban jó észben tartani, hogy egyetlen növény intenzív termelése környezeti aggodalomra adhat okot, akár táplálékként, anaerob fermentáció-specifikus növényi biomasszának, akár közlekedési bioüzemanyagnak termesztik. 3.1.5. Szennyvíziszap Az anaerob fermentáció a szennyvíziszap kezelésének egyik legfontosabb módja. Egyéb szerves hulladék szennyvíziszappal együttesen feldolgozható, de azokra eltérő szabályozási rendszert alkalmaznak. 12
4. ANAEROB FERMENTÁCIÓ (AF), MINT BIOKÉMIAI FOLYAMAT Már korábban említettem, az AF egy olyan mikrobiológiai folyamat, mely során a szerves anyagok oxigén hiányában bomlanak le. Fő termékei a biogáz és a fermentált végtermék. A biogáz éghető gáz, amely elsősorban metánból és szén-dioxidból áll. Az aerob bomlással ellentétben az oxigén nélküli folyamat során kevés hő keletkezik. A biogáz-képződési folyamat összetett eljárás, melyben az alapanyag folyamatosan kisebb egységekre bomlik. A mikroorganizmusok speciális csoportjai részt vesznek minden egyes lépésben. Ezek a szervezetek mindig tovább bontják az előző művelet végtermékeit. Több kutatócsoport is kimutatta, hogy az AF folyamat négy fő szakaszra bontható, melyek során jelentősen csökken a hulladék össztömege, ennek eredményeként szilárd vagy folyékony műtrágya és energia keletkezik. A négy főcsoport a következő; hidrolízis, savképződés, ecetsavképződés és metánképződés. 4.1. Hidrolízis A hidrolízis vagy cseppfolyósítás első szakaszában a fermentációs baktériumok átalakítják az oldhatatlan komplex szerves anyagokat, például a cellulózt oldható molekulákká, így például cukrokká, aminosavakká és zsírsavakká. A komplex polimer anyagot mikrobák által kiválasztott hidrolitikus enzimek (lipázok, proteázok, cellulázok, amilázok stb.) monomerekké hidrolizálják, pl. cellulózt cukrokra vagy alkoholokra, a fehérjéket peptidekre vagy aminosavakra bontják [6]. Lipidek lipáz Zsírsavak, glicerin Poliszaharid Celluláz, xilanáz, amiláz Monoszacharid Fehérjék portáz Aminosavak 2. ábra A hidrolízis folyamata A hidrolitikus aktivitás jelentős szerepet játszik a magas szervesanyag-tartalmú hulladékokban, és sebességkorlátozó hatása lehet. Ezt a korlátozást ki lehet küszöbölni kémiai reagensek hozzáadásával. Az első lépés fokozására alkalmazott vegyi anyagok rövidebb emésztési időt és magasabb metán hozamot eredményeznek. A hidrolízisből származó termékeket tovább bontják az érintett mikroorganizmusok, és saját metabolikus folyamataikra használják [1]. 13
4.2. Savképződés Savképződés során a hidrolízis termékeit savas (fermentatív) baktériumok metanogén szubsztrátumokká alakítják. Az egyszerű cukrokat, aminosavakat és zsírsavakat acetátra, széndioxidra és hidrogénre (70%), valamint illékony zsírsavakra és alkoholokra (30%) bontják [1]. 4.3. Ecetsavképződés Az savképződésből származó termékek ezután acetáttá, széndioxiddá és hidrogénné alakulnak. Ez a folyamat csak kis hidrogén koncentrációnál fordulhat elő, ezért az acetogén baktériumok csak metanogén baktériumok szimbiózisában élhetnek, melyek metánképződés közben a hidrogént fogyasztják [1]. 4.4. Metánképződés A köztitermékből származó metán és szén-dioxid termelését metanogén baktériumok végzik. A képződött metán 70%-a acetátból származik, míg a fennmaradó 30% hidrogén (H) és széndioxid (CO2) átalakításából, a következők szerint: Ecetsav metanogén baktérium Metán+szén-dioxid Hidrogén+szén-dioxid metanogén baktérium Metán+víz 3. ábra A metánképződés folyamata A metánképződés a teljes anaerob bomlási folyamat kritikus lépése, mivel ez a leglassabban végbemenő biokémiai reakció.[7] Súlyosan befolyásolják a működési feltételek; a kiindulási anyag összetétele, az töltési sebesség, a hőmérséklet és a ph érték. A tartály túltöltése, hőmérséklet ingadozások vagy nagy mennyiségű oxigén belépés a metán termelés megszűnését eredményezheti [1]. A 4. ábrán feltüntetett folyamat lépései időben és térben párhuzamosan futnak az emésztőtartályban. A teljes bomlási folyamat sebességét a lánc leglassabb reakciója határozza meg. A biogáz üzemek esetében a cellulóz, hemi-cellulóz és lignin tartalmú növényi szubsztrátok feldolgozása, vagyis a hidrolízis sebessége a meghatározó. A hidrolízis során viszonylag kis mennyiségű biogáz keletkezik. A biogáz termelődés metánképződés során éri el csúcspontját. Az anaerob fermentáció biogáztermékei tartalmaznak metánt, széndioxidot, hidrogént, hidrogén-szulfidot, ammóniát, sziloxánokat és egyéb olyan anyagokat, amelyek gátolhatják az anaerob emésztési folyamatot vagy korróziós problémákat 14
okozhatnak a csővezetékekben vagy az elosztóhálózatban. Számos kutatócsoport összefoglalta a biogáz-tisztítás technológiáit, különösen a hidrogén-szulfid, az ammónia és a sziloxán eltávolítására vonatkozóan. A tisztítási folyamat végén a biogáz még hidrogént, széndioxidot, valamint nyomokban ammóniát (<100 ppm) tartalmaz, amelyet el kell távolítani az áramból a biometán előállításához. Kiindulási anyagok Zsír Fehérje Poliszaharidok Hidrolízis (hidrolizáló mikroorganizmusok) Oligomerek, monomerek: Zsírsav, glicerin Peptid, aminosav Cukor Savképződés (fakultatív anaerob mikroorganizmusok) Gáz, sav, alkohol Ammónia, CO2, H2S, zsírsav, aminosav Alkohol, gáz, zsírsav, egyéb savak Ecetsavképződés (acetogén mikroorganizmusok) Ecetsav, hidrogén, CO2 Metánképződés (metanogén mikroorganizmusok) Metán, CO2, ammónia, H2S 4. ábra Anaerob fermentáció lépései [7] Háromféle rendszerről beszélhetünk: pszichrofil, mezofil, termofil. A fermentorban a levegő kizárásával, lassú, szakaszos vagy folyamatos keverés mellett, általában 37 38 Con valósul meg a szerves anyagok lebomlása, ezt nevezzünk mezofil rendszernek. Vannak magasabb, 54 55 C hőmérséklet-tartományban üzemelő biogáz fermentorok is, ez a termofil rendszerek. A pszichrofil rendszerben fűtés nélkül keletkezik a biogáz [8]. A termofil anaerob fermentáció hátrányai a fermentált iszap redukált folyamatstabilitása és csökkent víztelenítő tulajdonságai, valamint a nagy mennyiségű melegítéshez szükséges energia-felvétel, miközben a kórokozó baktériumok magas hőmérsékleten való termikus pusztulását nagy előnynek tekintik. Ezen körülmények között tapasztalható kissé magasabb arányú hidrolízis és fermentáció nem vezet magasabb metántermeléshez. A szerves anyag teljes metánhozama a 30 C és 60 C közötti fermentációs hőmérsékleten lényegesen nem változik.[2] 15
5. A BIOGÁZ HASZNOSÍTÁSA A biogáznak számos felhasználási lehetősége ismert, a biogáz forrás jellegétől és a helyi igényektől függően. A felhasználást alapvetően két csoportra oszthatjuk. A kéntelenítés elvégzése után a gáz további feldolgozás nélkül felhasználható hőtermelésre közvetlen égetéssel, továbbá kombináltan hő- és villamos energiatermelésre. A másik felhasználási csoport esetében a gáz minőségjavítása szükséges felhasználás előtt. Ez több módszerrel történhet, ennek eredményeként kapjuk az úgynevezett biometánt. Komprimálás után használható a gáz üzemanyagként, vagy földgázhálózatba táplálható. Ezen kívül a biometánban lévő hidrogén felhasználása is lehetséges a gáz folytatólagos átalakításával létrehozható üzemanyag-cellán keresztül, amely szintén alkalmas hő- és villamos energia előállítására. BIOGÁZ Kéntelenítés Közvetlen felhasználás Gázfeldolgozás Kazán Kombinált hő- és energiatermelés Átalakítás Üzemanyag-cella Tartályban tárolás Komprimálás Szagosítás Hő Hő Villamos hálózatra Hő Villamos hálózatra Üzemanyag Gázhálózatra 5. ábra A biogáz hasznosításának lehetőségei 16
6. BIOGÁZ TISZTÍTÁS, BIOMETÁN TERMELÉS A biogáz a meglévő földgázhálózatokon keresztül kerülhet kiosztásra. Ugyanazon célokra használható fel, mint a földgáz, vagy megújuló üzemanyagként [1]. A földgázhálózatba történő befecskendezést vagy a járműtüzeléshez való felhasználást megelőzően a biogázt fel kell javítani. A biogáz korszerűsítése többlépéses gázelválasztási eljárás, amely magában foglalja az ömlesztett komponens CO2 eltávolítását, a gáz szárítását, a kisebb komponensek eltávolítását és a kompressziót. A terméket biometánnak nevezik, amelynek CH4-tartalma jellemzően meghaladja a 95% -ot, szennyezőanyag tartalma pedig nagyon alacsony [3]. A biometán-előállítás legfontosabb része a biogáz CO2 tartalmának lehető legnagyobb mértékben történő leválasztása úgy, hogy a CH4 tartalomból a lehető legkisebb rész vesszen kárba, és jusson a légkörbe a szén-dioxid fázissal [9]. Különböző technológiák alkalmazhatók a szennyező anyagok eltávolítására és a biogáz metán tartalmának növelésére. 6.1. A Wobbe-index [10] A széndioxid eltávolítása a kívánt Wobbe- index elérése érdekében is történik. A Wobbe index az gáz-üzemanyagok kicserélhetőségének és relatív energiaátadó képességének mércéje. Jelzi, hogy egy turbina vagy égő működtethető alternatív üzemanyaggal, annak feljavítása vagy fizikai módosítás nélkül. HHV: magasabb fűtőérték (energia / térfogat) (Higher Heating Value) Iw: Wobbe Index RD: Relatív sűrűség ρgáz / ρlevegő, ρlevegő = 1,205 kg / m 3 (Relative Density) A tüzelőanyag-gáz Wobbe indexe a gáz fűtési értéke és relatív sűrűsége alapján számítható ki: I w = HHV RD A Wobbe index a gáz fajlagos energiájának és a relatív áramlási sebességének aránya, amint azt a komponens összetevői mutatják: HHV: Az adott gáz térfogatra vonatkoztatott energiaértéke. RD: A viszonylagos sűrűség gyökének inverze, ami jó közelítéssel a gáz relatív tömegáramát jelenti egy rögzített keresztmetszeten, állandó nyomás mellett. (1) 17
2. táblázat Néhány gyakori gáz Wobbe-indexe Gáz neve Iw (MJ/Sm 3 ) Hidrogén 45,5 Metán 49,9 Etán 63,6 Propán 74,8 Bután 84,4 Pentán 92,5 Acetilén 57,0 Földgáz 46-52 Cseppfolyós földgáz 52,8 6.2. Nem megfelelő Wobbe-indexű üzemanyag használatának következményei 6.2.1. Magas Wobbe-index Ha a csere-üzemanyag Wobbe indexe túl magas, akkor az üzemanyag túl sok energiát fog kiadni, és valószínűleg több oxigént igényel a teljes elégetése. Ez a következő negatív hatásokhoz vezethet: Túlmelegedés - A vártnál nagyobb a láng hőmérséklete, ami károsítja az égőt, a turbinát vagy a tüzelőberendezést. Túlzott szénmonoxid képződés - A tökéletlen égés okozza, nagymértékben káros vagy halálos lehet az embereknek. Korom felhalmozódása - A korom felhalmozódásának növekedése a hiányos égés miatt. Robbanásveszélyes gázok - Olyan esetekben, amikor a levegőellátás nem kielégítő, a szénmonoxid és a hidrogén mennyisége olyan pontig feldúsulhat, hogy a légkör robbanásveszélyessé válhat, mikor a levegő újra beengedésre kerül. Nem hatékony égetés Nem használható ki maximálisan az üzemanyag energiája 6.2.2. Alacsony Wobbe-index Ha a csereüzemanyag Wobbe-indexe túl alacsony, az üzemanyag nem képes elég energiát szolgáltatni. Ez következő negatív hatásokat eredményezheti: 18
Gyújtási problémák - A berendezés nem gyullad meg, ha a gáz energiatartalma túl alacsony. Láng instabilitás és visszacsapás - Bizonytalan láng keletkezik, és a tüzelőanyaglevegő-bevezető csövön át visszacsaphat. Ez kiolthatja a lángot és károsíthatja a berendezést. Amikor kialszik a láng, a veszélyt az égetlen gáz felgyülemlése okozza. 19
7. ELJÁRÁSOK A SZÉNDIOXID TARTALOM MINIMALIZÁLÁSÁRA A széndioxid biogázból való eltávolításakor kis mennyiségű metán szintén eltávolításra kerül. Mivel a metánnak 23-szor erősebb üvegházhatása van, mint a széndioxidnak (azaz a metán molekulája 23-szor hatékonyabb, mint egy szén-dioxid-molekula a földtől sugárzott hő megkötésében), ezért nagyon fontos, hogy a metán veszteséget minimalizáljuk mind gazdasági és környezetvédelmi okokból [11]. A szén-dioxidot anyagátadási eljárásokkal távolítják el, melyek közül a legelterjedtebb az abszorpció alkalmazása, mint vizes mosás, szerves oldószeres mosás, kémiai mosás, ezen kívül alkalmaznak adszorpciót, mint nyomáscsillapító adszorpció és hőmérséklet ingadozó adszorpció, továbbá használatos technológia a kriogén elválasztás és membrán permeáció. A komplex hibrid többlépcsős folyamatok felhasználhatók a szennyeződések jellegétől és koncentrációjától, valamint a kezelt gáz specifikációktól függően. A helyes technológia kiválasztása hely specifikus és változó, a helyi körülményektől, a végfelhasználási céloktól és előírásoktól függően. A biogázból származó CO2-kibocsátás biológiai módszerei potenciálisan hasznosak is lehetnek, ugyanis a mikroalgák fel tudják használni a biogázból származó CO2-t biomassza előállításra fotoszintézis útján. Gazdasági és ökológiai szempontoknak megfelelő biológiai folyamatokkal távolítják el a gázban lévő H2S tartalmat is. Az előállított biogázban, akár 95% -os CH4-tartalom is elérhető. 7.1. Abszorpció Alapelve a különböző gázok folyadékban történő eltérő oldhatóságán alapul. A folyamat során a nyers biogáz intenzív kapcsolatban áll valamilyen folyékony közeggel a műanyag töltettel feltöltött mosótornyon belül. Az összetevők, amik eltávolításra kerülnek a biogázból (legtöbbször a szén dioxid) sokkal jobban oldódnak az alkalmazott mosófolyadékban, mint a metán. Ennek eredményeként a megmaradó gázáram metánban gazdag és a mosótoronyból kikerülő szennyezett víz széndioxiddal telített. Az abszorpciós teljesítmény megőrzése érdekében a folyadékfázist időről időre cserélni kell, vagy a regenerálását egy külön lépésben (deszorpció vagy regenerációs lépés) kell megoldani. Jelenleg 3 féle abszorpciós gáztisztítási technológia terjedt el szélesebb körben [9]. 20
7.1.1. Fizikai abszorpció: Nagynyomású vizes mosás A folyamat hajtóereje a CH4 és a CO2 vízben való oldhatóságának különbsége. Különösen igaz ez alacsony hőmérsékleten és magasabb nyomáson. A biogáz-korszerűsítés során a vízsugaras oszlopon a nyers biogázt nyomás alatt tartják (kb. 9-12 bar) és a mosótorony alján keresztül kerül bevezetésre, miközben a torony tetejéről víz áramlik lefelé. A nyers biogáz felfelé áramlik az oszlopban a vízzel ellentétesen, a nagy felületű tölteten át, a CO2 vízben oldódik, és ennek következtében a metántartalom növekszik az oszlopban felfelé áramló gázban [12]. A széndioxidon túl a kén hidrogén és az ammónia szintje is csökkenthető ezzel a technológiával. A mosótornyot a szennyezett mosóvíz széndioxiddal telített formában hagyja el, mely ez után egy tároló tartályba kerül. A folyadék regenerálása gyors nyomáscsökkentéssel történik, mely következtében a feloldott gáz jelentős része eltávozik a vízből. Az eljárás egyik hátránya, hogy a levegő oxigén és nitrogén tartalma is oldódik a víz regenerációja során, amely így bekerülhet a biometánba. Mindezek okán, ezzel az eljárással előállított biometán mindig tartalmaz oxigént és nitrogént is [13]. Az eljárás alatt a biometán vízzel telítődik, így az az utolsó fázis általában a gáz szárítása, [9]. Szárítás Biometán Abszorpciós oszlop Deszorpciós oszlop Hulladékgáz Nyers biogáz Kompresszor Levegővel történő sztrippelés 6. ábra A nagynyomású vizes mosás technológiája 21
A technológia alkalmazása az alábbiak esetén előnyös biometán előállításra: az oxigén és nitrogén tartalom miatt a gáznak alacsonyabb a hőértéke, de ez még megfelelő a kívánt biometánhoz a tervezett üzemméret közepes vagy nagy a keletkező biometán közvetlenül felhasználható a tisztítóból kilépő nyomáson, azaz további nyomásfokozás nem szükséges a biogáz üzem hőigénye (részben) a hulladékgáz eltüzelésével fedezhető 7.1.2. Szerves fizikai abszorpció: Szerves oldószeres mosás Az eljárás sokban hasonlít a vizes mosás technológiájához, az egyedüli eltérés az, hogy valamilyen szerves oldószert (pl. polietilén glikol) alkalmaznak víz helyett. A széndioxid (és a kén hidrogén) nagyobb fokú oldódást mutat ebben az anyagban, mint a vízben. A jobb oldhatóság eredményeként kevesebb lesz a folyamat oldószer szükséglete, és kisebb az alkalmazandó berendezés méret igénye ugyanakkora nyers biogáz mennyiség mellett [13]. 7.1.3. Kémiai abszorpció: aminos mosás A széndioxid biogázból való eltávolításának kémiai abszorpciós folyamatát egy töltelékes oszlopban hajtják végre, mint bármilyen más kémiai mosást bármely gáz esetén. A folyamat optimalizálható a legjobb oldószer kiválasztásával, a legjobb kontaktor (tálca vagy töltelék típus), a legjobb gáz és folyadék áramlási sebesség és a legjobb leválasztási körülmények meghatározásával és beállításával [14]. A kémiai abszorpció alatt a gázhalmazállapotú összetevők fizikai abszorpcióját értjük mosófolyadékban. Ezt követi a mosófolyadék, valamint az abszorbeált gáz alkotói között végbemenő kémiai reakció a folyadék fázison belül. Ennek eredményeként a felesleges gázkomponensek kötése a mosófolyadékhoz sokkal erősebbnek bizonyul, valamint a telítési kapacitása is többszöröse a mosófolyadéknak. A mosótorony tetején vezetik be az aminoldatot, ami ellenáramban találkozik a biogázzal. A kémiai reakció erősen szelektív és a metán kis mennyisége szintén abszorbeálódik a folyadékban [13]. Az alkalmazott oldószer és a széndioxid közötti kémiai rokonságnak köszönhetően, az aminos mosók üzemeltetési nyomása alacsonyabb szinten tartható, mint az ugyanolyan teljesítményű nagynyomású vizes mosóké [9]. Az aminos oldószer nagy felvevő képességgel és szelektivitással rendelkezik, ami előnyt jelent az abszorpció során, azonban hátránnyá válik a mosófolyadék regenerálásakor. Mivel 22
a kémiai mosófolyadékok jelentősen több energiát igényelnek a regeneráció során, aminek biztosítása optimális esetben a folyamat során keletkező hővel kivitelezhető. A felhasznált aminos oldatot 160 C ra melegítik, ezen a hőmérsékleten a széndioxid nagy része eltávozik a toronyból. A mosófolyadék kis része kipárolog a folyamat alatt, amit alkalmanként pótolni kell [13]. Biometán Hulladékgáz Abszorpciós oszlop Deszorpciós oszlop Nyers biogáz 7. ábra: Aminos mosás technológiája A technológia alkalmazása optimális lehet biometán előállításhoz, ha: az elvárt gáz magas metántartalmú a tervezett üzemméret közepes vagy nagy a biometán felhasználható vagy szállítható további nyomásfokozás nélkül 7.2. Adszorpció: nyomásváltásos adszorpció Az adszorpciós eljárásoknál különböző gázösszetevők szilárd felületen történő megkötődését használják ki magas nyomásszinten. Az eljárásnál leggyakrabban különböző aktív szeneket és molekuláris szűrőket használnak adszorbensként. Ezen anyagok szelektív adszorpcióval képesek a szén dioxidot kivonni a nyers biogázból, így fokozzák a metántartalmat. A magas nyomású adszorpciót követően a felhasznált abszorbens anyag fokozatos nyomáscsökkentéssel regenerálásra kerül, majd átöblítik nyers biogázon vagy biometánon. Ezalatt a hulladékgáz elhagyja az adszorbert, majd a nyomás ismét növelhető nyers biogázzal vagy biometánnal, és ezután az adszorber készen áll az újbóli hasznosításra [13]. Nagyobb méretű ipari tisztítóüzemek esetén négy, hat, ill. kilenc adszorber tartályt 23
alkalmaznak párhuzamosan, különböző fázisban (adszorpciós vagy regenerációs) egy műveletsorozaton belül, hogy biztosíthassák a folyamatos üzemmenetet. A regenerációs fázis dekompressziós része alatt a gáz összetétele megváltozik, ahogy az adszorbeálódott metán eltávozott korábban (magasabb nyomáson), és a szén dioxid nagyobb része előnyösen deszorbeálódott (alacsonyabb nyomáson). A dekompresszió első lépéseiben keletkező gáz visszavezetésre kerül a nyers biogáz bemenethez hogy ezáltal is csökkenthető legyen a metán veszteség. A regeneráció későbbi lépéseiben a gáz továbbvezethető az adszorpció második lépcsőjébe, vagy kijuttatható a légkörbe. Mivel a gáz víz és kén hidrogén tartalma visszafordítatlan károsodást okoz az adszorbens anyagban, ezért ezen összetevők eltávolítását már az adszorpciós oszlopba való bekerülés előtt el kell végezni [9]. A nyomáscsillapító adszorpció az egyik legelismertebb és legfejlettebb ipari folyamat a gázszeparációra, a berendezés kompaktsága, alacsony energiaigénye, alacsony tőkebefektetési költsége, valamint a biztonságossága és egyszerű működése miatt. A nyomáscsillapító adszorpciós technológia olyan adszorbens anyagot használ, amelyet nyomásváltozásnak vetnek alá és az így szelektíven adszorbeálja vagy deszorbeálja a nemkívánatos gázkomponensek [15]. Biometán Kompresszor Nyers biogáz Hulladékgáz 8. ábra: Nyomásváltásos adszorpció folyamatábra A technológia használata előnyös lehet biometán előállításra, ha: a biometán további hasznosításhoz elvárt metántartalma 95 99 vol % közötti a tervezett üzemkapacitás alacsony vagy közepes a biometán közvetlenül felhasználható, további nyomásfokozás nem szükséges az üzem hőigénye részlegesen a hulladékgáz hasznosításából valósul meg 24
7.3. Membrán technológia: Gázpermeáció (áteresztó képesség) A membrán-alapú gázáteresztés az egyik legfiatalabb módszer a biogáz korszerűsítésére, de egyre növekvő jelentőséggel bír, különösen az elmúlt évtizedben. Az előkezelt biogázt általában 5 és 30 bar közötti nyomáson egy membránmodulba táplálják [16]. A technológia során olyan anyagú membránok használhatóak, melyek áteresztik a szén dioxidot, a vizet és az ammóniát. Míg a kén hidrogén, az oxigén és a nitrogén csak meghatározott mennyiségben képes áthatolni a membránon, addig a metán csak nagyon kis mértékben. Az alkalmazott membránok általában különböző polimer anyagokból: poliszulfonból, polimidből vagy polidimetilsziloxánból állnak. Ezen anyagok metán/széndioxid szétválasztási tulajdonsága kedvező[13]. A nyomásfokozást követően a nyers biogázt lehűtik a szárításhoz és az ammónia eltávolításához. A kompresszor hulladék hőjével történő visszamelegítés után, a maradék kén hidrogén eltávolítását vas, ill. cink oxiddal történő adszorpcióval viszik véghez. A folyamat végén a gáz, egy vagy többlépcsős gázpermeációs egységbe kerül. Az alkalmazott membránok száma, ill. azok összekapcsolódásai nem meghatározóak a biometán minőség vonatkozásában, azonban mindenképpen figyelembe kell venni azokat az elvárt metán kinyerési arány és a fajlagos kompressziós energia igény tekintetében [9]. Nyers biogáz Kompresszor Záró kéntelenítés Nyomás visszatartó szelep Biometán Egy/többfokozatú gázpermeációs egység Hulladékgáz 9. ábra: Gázpermeáció folyamatábrája 25
A technológia alkalmazása előnyős biometán előállításhoz, ha: az elvárt metán arány mértéke 95 99 vol % a tervezett üzem kapacitás alacsony, ill. közepes a biometán közvetlenül felhasználható üzemi nyomáson, további nyomásfokozás nem szükséges különböző vegyi anyagok alkalmazása kerülendő a hideg készenléti üzemből, a gyors indítás és a start/stop üzemeltetés elvárás 7.4. Kriogén technológia A kriogén folyamat a frakcionálás elvét használja fel a CO2 szublimációjával vagy kondenzációjával különböző hőmérsékleteken, ami lehetővé teszi a széndioxid visszanyerését folyékony vagy szilárd halmazállapotban. A technológia költségei nagyon magasak, de a folyamat nagy előnyökkel jár, mivel az általa előállított biometán nagyon tiszta és a metán veszteség is lecsökkenthető, akár 1% alá [9]. 7.5. Mellékösszetevők eltávolítása: víz, ammónia, sziloxánok A biogáz vízgőzzel telítve hagyja el a rothasztó tartályt. A víz a berendezésekben és a csővezetékekben kondenzálódhat, mely a kén oxidokkal együtt korrózióhoz vezethet. Nyomásfokozással és a hőmérséklet csökkenésével a víz kicsapódik a biogázból, és ezáltal eltávolítható. A hűtés egyaránt megvalósítható környezeti hőmérséklet segítségével (levegő, talaj) vagy elektromos hűtéssel (mélyhűtéssel). A víz eltávolítására alkalmaznak még glikolos mosást, szilikátos adszorpciót, aktív szenes vagy molekuláris szűrőt [13]. A legtöbb szén dioxid eltávolítási technológia az ammónia leválasztását is egyidejűleg elvégzi, ezért nincs szükség különálló tisztítási eljárásra. A hulladéklerakó és szennyvíztelepeken keletkező biogázok tartalmazhatnak sziloxánokat, amelyek az egyes tisztálkodási szerekből (dezodorokból és samponokból) kerülhetnek bele az alapanyagba. Ezen anyagok jelenléte komoly problémát okozhat, a gázmotorokban és a tüzelőberendezésekben, ezért eltávolításukról fontos gondoskodni, ez történhet gázhűtéssel, aktív szenes adszorpcióval, aktív alumínium vagy szilikagéles abszorpció segítségével, vagy folyékony szénhidrogének keverékének alkalmazásával [13]. A biogázban és a depóniagázban is megtalálható részecskék, szemcsés anyagok számos mechanikai probléma okozói lehetnek a gázmotorokban, turbinákban és csővezetékekben. Az ilyen makro részecskék leválasztására mechanikus finomszűrőket alkalmaznak [9]. 26
8. A GÁZ METÁNTARTALMÁNAK KINYERÉSE A HULLADÉKGÁZBÓL Ahogy már korábban említésre került, a rendszerből kikerülő gáz az alkalmazott technológia teljesítményétől függően tartalmazhat még bizonyos mennyiségű metánt. Mivel a metán üvegházhatást okozó gáz, ezért fontos kérdés a levegőbe jutó mennyiség minél kisebb szintre való mérséklése. Erre a célra legszélesebb körben alkalmazott technológia az oxidáció és a hőfejlesztés. A termelődött hőmennyiség felhasználható a biogáz erőműben, betáplálható a távhő rendszerbe (ha ez lokálisan rendelkezésre áll) vagy hűtésre használható. A hasznosításra alternatívát jelenthet a hulladékgáz és a nyers biogáz összekeverése, és gázmotorban történő eltüzelése [13]. Szintén egy megoldási lehetőség a gázban lévő maradék metán alacsony hő érték igényű, vagy katalitikus elvű tüzelőberendezésben történő hasznosítása. További fontos kérdés a gáztisztító egységnek a biogáz előállító folyamatba történő beépítése és az egész üzem megfelelő felépítése. Nagyon kevés olyan gáztisztítási technológia létezik, amelynél olyan magas a metánkinyerési arány, hogy a keletkező maradék gáz bármilyen előkezelés nélkül a légkörbe kijuttatható lenne [9]. 27
9. BIOGÁZ, MINT ÜZEMANYAG A biogáz közlekedési ágazatban való hasznosítása nagy potenciállal és jelentős társadalmigazdasági előnyökkel járó technológia. A biogázt jelenleg is használják jármű üzemanyagként olyan országokban, mint Svédország, Németország és Svájc, sőt már Magyarországon is van rá példa, a zalaegerszegi Zala szennyvíztisztító telepen szennyvíziszap felhasználásával nyernek biogázt, majd a tisztítás után kapott biometánt autóbuszok üzemanyagaként is használják [17]. A biogázzal (biometán) hajtott személygépkocsik, tömegközlekedési járművek és teherautók száma növekszik. A biometán ugyanolyan módon és ugyanolyan járművek által használható, mint a földgáz. Egyre több európai városban váltják fel a dízel buszokat biometán hajtásúval. A legtöbb biogáz hajtású személygépkocsi átalakított jármű, melyeket a tüzelőanyag ellátó rendszer mellett egy csomagtérben elhelyezett sűrített gáztartállyal szereltek fel. Vannak speciálisan erre a célra kialakított járművek is, melyekben a hatékonyság és kényelem érdekében a gázpalackokat az utastér alatt helyezik el, így nem veszítünk a csomagtérből. A biogázt 200-250 bar nyomáson, nyomástartó edényekben tárolják, melyek acélból vagy alumínium kompozit anyagokból készülhetnek. Manapság több mint 50 gyártó világszerte körülbelül 250 könnyű vagy nagy teherbírású gázzal hajtott modellt kínál az érdeklődők számára. A nagy teherbírású tehergépjárművek csak metángázzal üzemelhetnek, de egyes esetekben kettős üzemanyagot is használnak. A kettős üzemű motor dízel befecskendező rendszert használ, és a gázt kis mennyiségű dízelolaj befecskendezésével meggyújtja. A kettős üzemanyaggal működő motorok kevesebb motorfejlesztést igényelnek, és ugyanolyan vezethetőséggel rendelkeznek, mint a dízelüzemű járművek. Az emissziós értékek azonban nem olyan alacsonyak, mint a speciálisan épített gázjárművek esetében, és a motortechnológia egy kompromisszum a szikragyújtású és a dízelmotor között. A biometán járművek jelentős előnyökkel rendelkeznek a benzin- vagy dízelmotorokkal felszerelt járművekhez képest. A teljes széndioxid-kibocsátás drasztikusan csökken, a nyersanyag szubsztrátja és a gázfejlesztéshez és tömörítéshez használt villamos energia (fosszilis vagy megújuló) eredetének függvényében. A szemcsék és a korom emissziója is nagymértékben csökken, még a nagyon modern részecskeszűrővel ellátott dízelmotorokéhoz képest is [1]. 28
A korszerűbb biogáz (biometán), mint jármű üzemanyag, a legmagasabb potenciállal rendelkezik, még más bioüzemanyagok viszonylatában is. A 10-es ábra azt mutatja, hogy egy hektár szántóföldön termesztett energianövény felhasználásával előállított bioüzemanyaggal -fajtájától függően- hány kilométer megtételére képes egy gépkocsi. A közlekedési ágazatban a biogáz potenciálja még magasabb, ha energianövény helyett szerves hulladék az üzemanyag nyersanyaga. 10. ábra: Bioüzemanyagok összehasonlítása 2 2 http://condimon.eu/european-biogas-policies-in-the-mirror-of-sustainability/ 29
10. BIOMETÁN BETÁPLÁLÁSA A FÖLDGÁZHÁLÓZATBA A továbbfejlesztett biogáz (biometán) befecskendezhető és elosztható a földgázhálón keresztül, miután a csővezetékekkel megegyező nyomásra komprimálták. Az EU számos országában garantálják a gázhálózathoz való hozzáférést valamennyi biogáz szállító számára. Számos előnye van a biometán földgázhálózati felhasználásának. Az egyik fontos előny, hogy a háló összeköti a biometán termelési helyét, amely általában a vidéki területeken van, sűrűn lakott területekkel. Ez lehetővé teszi, hogy a gáz új vevőkhöz is eljusson. Lehetőség van továbbá arra is, hogy a biogáz termelését megnöveljük egy távolabbi helyen, anélkül, hogy a felhasznált hőtöbblet miatt kellene aggódnunk. Az olyan országok, mint Svédország, Svájc, Németország és Franciaország, szabványokkal rendelkeznek a biogáz földgázhálózatba juttatásával kapcsolatban. A szabvány meghatározza az egyes komponensek, mint a kén, az oxigén, különböző szemcsék és a harmatpontok határértékeit a gázhálózat vagy a végfelhasználók szennyeződésének elkerülése érdekében. A biometán befecskendezésének fő akadályát a biogáz tisztítás és a hálózatba kapcsolás magas költségei jelentik. További korlátot képez az is, hogy a biometán-termelő és minőségjavító helyeknek közel kell lenniük a földgázhálózathoz [1]. 30
11. MODELLEZÉS UNISIM DESIGN SUITE PROGRAM SEGÍTSÉGÉVEL A Honeywell UniSim Design Suite egy olyan intuitív folyamatmodellező szoftver, amely integrált környezetben stabil állapotot és dinamikus folyamat szimulációt biztosít. Hatékony eszközökkel segíti a mérnököket az alacsonyabb projektkockázatokkal járó folyamatoptimalizálási tervek kialakításában, mielőtt a tőkeköltségeket elköteleznék. A Biogáz tisztítási eljárások közül az abszorpciós folyamatok, beleértve a vizes mosást, a szerves oldószeres mosást, a kémiai mosást, a legszélesebb körben alkalmazott technológiák, és a közelmúltban végzett vizsgálatok azt sugallják, hogy az abszorpciós folyamat versenyképes marad a jövőben is. Ezért a következőkben a nagynyomású vizes mosás technológiáját fogom modellezni az előbb említett program segítségével. A modellezéshez egy általam választott összetételű nyers biogáz elegyet alkalmaztam, melynek összetétele a következő, az 1-es táblázat alapján, 60 %-ban marhatrágya, 30 %-ban silókukorica és a maradék 10 %-ban gyümölcstörköly. A marhatrágya 60%-a, a silókukorica 50%-a és a gyümölcstörköly 70%-a metán, ami azt jelenti, hogy a teljes elegy 58 % metántartalommal rendelkezik. A maradék 42%-ból 40% szén-dioxid, 2% egyéb gáz (ammónia, oxigén, nitrogén) volt. Maga a program a következőképpen néz ki: 11. ábra UniSim Design Suite program Különböző vegyipari műveletek felépítésére van lehetőség. Modellezés előtt ki kell választani a folyamat során használni kívánt komponenseket, majd azt a matematikai 31
modellt, amely alkalmas a szimuláció elvégzésére. Ezután meg kell adni az anyagáramokat, és azok összetételét az előzetesen meghatározott komponensek listáját használva, továbbá az őket jellemző adatokat, mint a hőmérséklet, tömegáram, nyomás, stb. Az elemzés során felhasznált komponensek mindegyike eleve szerepelt a UniSim adatbázisában. Matematikai anyagtulajdonság számító modellként az SRK modellt választottam, mert az az összes általam alkalmazott komponenst az adott értelmezési tartományon belül megfelelően tudja kezelni. 11.1. Bemenő változók metántartalomra gyakorolt hatása Első megközelítésben az egyszerűség kedvéért olyan nyers biogázt alkalmaztam mely 60% metánból és 40% széndioxidból áll. Ezzel az összetétellel azt vizsgáltam, hogy különböző adatok változtatása hogyan hat a rendszerre. 12. ábra Abszorpciós oszlop modellje A szimuláció során azt az eredményt kaptam, hogy három tényező jelentős hatással van a biometán metántartalmára. Ezek a betáplált mosófolyadék hőmérséklete, az abszorpciós oszlop nyomása, valamint a betáplált mosóvíz és biogáz aránya. Először az összes adat változatlanul hagyása mellett a mosófolyadék hőmérsékletének hatását vizsgáltam, melyből egyértelműen azt kaptam, hogy minél alacsonyabb a mosófolyadék hőmérséklete, annál magasabb metántartalom érhető el. 32
Ezzel ellentétben (20 C-os mosófolyadék mellett) az oszlop nyomása és a kapott metántartalom között egyenes arányosság figyelhető meg. Az eredményeket diagramokban foglaltam össze: Metán koncentráció [%] 82,00 81,00 80,00 79,00 78,00 77,00 76,00 75,00 74,00 73,00 72,00 80,85 77,46 74,83 72,76 5 10 15 20 25 30 Mosófolyadék belépő hőmérséklete[ C] Metán koncentráció [%] 90,00 88,00 86,00 84,00 82,00 80,00 78,00 76,00 74,00 87,99 83,80 79,28 74,83 6 8 10 12 14 16 Abszorpciós oszlop nyomása [bar] 14. ábra Metántartalom ábrázolása a mosófolyadék belépő hőmérséklete függvényében 6 db tálca és 8 bar-os nyomás esetén 13. ábra Metántartalom ábrázolása az abszorpciós oszlop nyomásának függvényében 20 C-os mosófolyadék és 6 db tálca esetén A belépő tömegáramok arányait tekintve akkor érhető el nagyobb metánkoncentráció, ha adott biogáz tömegáram esetén a belépő mosóvíz mennyisége minél nagyobb. 80,00 Metánkoncentráció [%] 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 60,41 62,31 65,05 68,03 71,31 74,83 10,00 0,00 0 20000 40000 60000 80000 100000 Mosóvíz tömegárama [l/h] 15. ábra Metánkoncentráció változása a belépő mosóvíz tömegáramának függvényében 20 C-os mosóvíz, 8 bar-os nyomás, valamint 1000l/h-ás biogáz betáplálás mellett Továbbá bizonyos mértékig az abszorpciós oszlop tálcaszámának növelésével is fokozható a metántartalom, de ez egy adott tálcaszám fölött stagnálni kezd. 33
76,00 Metán koncentráció[%] 75,00 74,00 73,00 72,00 71,00 70,21 73,32 74,36 74,69 74,80 74,83 70,00 69,00 0 1 2 3 4 5 6 7 Elméleti tálcaszám 16. ábra Metántartalom az oszlopban lévő tálcaszám függvényében 20 C-os mosóvíz és 8 bar-os nyomás esetén Ha a legjobb eredményt akarjuk elérni (vagyis minél tisztább biometánt), akkor a lehető legalacsonyabb hőmérsékletűre kell a mosófolyadékot hűteni betáplálás előtt. Ez téli hideg hónapokban könnyen megtehető plusz energiafelhasználás nélkül, akár 8 C-os víz betáplálás is lehetséges, amely jelentősen növeli a kapható metántartalmat. Meleg időben viszont nagy energia ráfordításra lehet szükség, ezért fontos meghatározni, hogy milyen az előállítandó biometánt elvárt összetétele, milyen fokú tisztaság elérése ténylegesen szükséges és mérlegelni a gazdaságossági szempontokat. 11.2. Nagynyomású vizes mosás modellezése A továbbiakban a modellezéskor az előzőeket figyelembe véve olyan abszorbert alkalmaztam, melynek a nyomása 14 bar és 6 db tálca van benne elhelyezve. A belépő mosófolyadék hőmérséklete 15 C és 100 t/h-val áramlik az oszlopba. Az anaerob fermentáció eredményeként kapott 45 C-os nyers biogáz pedig 1000 kg/h-val érkezik a rendszerbe. A széndioxiddal szennyezett mosófolyadékot célszerű visszavezetni, hiszen így csökkenthető a felhasználandó víz mennyisége az újrahasznosítás révén. Ehhez annak regenerálása szükséges deszorpció segítségével, mely az abszorpcióval ellentétben alacsony nyomáson és magas hőmérsékleten hatékony. Ez alapján egy 1 bar-os nyomáson működő 3 tálcás deszorbert alkalmaztam a modellben. A deszorberhez kapcsolt visszaforraló 0,18-as forralási aránnyal üzemel, ami azt jelenti, hogy a tisztított mosófolyadékból a deszorberbe visszavezetésre kerül az abszorberbe tovább engedett rész 18%-a gőz formájában. Ez a 34
deszorberből kimenő tisztított mosófolyadéknak körülbelül 15,25%-át jelenti. A folyamat végeredményeként kapott mosófolyadék 99,999%-ban vízből áll, viszont közel 100 C-os, és nyomásfokozást igényel. E célból a visszavezetés előtt egy szivattyú és egy hűtő van beépítve a rendszerbe, melyek segítségével előállítható a 15 C-os, 14 bar-os mosófolyadék. A deszorberből felül távozó hulladékgáz, a közel forrponti hőmérséklet miatt, bizonyos mennyiségű vizet is magával visz vízgőz formájában, melyet pótolni kell, erre szolgál a folyamat elején elhelyezett keverő, melybe a tisztított mosóvíz és a pótvíz kerül. A modell szerint a deszorpcióhoz szükséges energia 40450MJ/h, míg a hűtés során nyerhető energia 37320MJ/h. A nyomás növeléshez pedig 180,4 MJ/h szükséges. 17. ábra Nagynyomású vizes mosás modellje 11.3. A folyamat modell szerinti eredménye A 3-as táblázatban összefoglalt belépő adatokat felhasználva a modell által eredményül kapott biometán 93,56% metánt, 4,86% széndioxidot, valamint 1,58% egyéb gázt tartalmaz. 35
3. táblázat Modellben használt belépő adatok alapján a kiindulási összetétel és a kapott eredmények összehasonlítása Elméleti tálcaszám: 6 db Mosóvíz Nyers biogáz Biometán Hulladékgáz Hőmérséklet [ C] 15 45 15,02 97,74 Nyomás [bar] 14 14 14 1 Tömegáram [kg/h] 100000 1000 397,2 1893 Összetétel [%] Metán 0 58 93,56 0,0002 CO2 0 40 4,86 15,74 H2O 99,99 0 0,12 83,83 Ammónia 0,001 0,4 0 0,11 Oxigén 0 0,5 0,8 0,0009 H2S 0 0,7 0,0001 0,29 A kapott eredményekből látható, hogy az abszorpciós technológia egyszerűségének ellenére jelentős mértékűre növelhető a biogáz metánkoncentrációja, valószínűsíthetően ezért lesz a jövőben is versenyképes ez az eljárás. 36
12. SZÉNDIOXID ELNYELETÉSE VÍZBEN, ABSZORPCIÓVAL MÉRÉS A szakdolgozathoz kapcsolódó méréseket a BorsodChem Zrt. laborjában végeztem el. A mérés időpontja: 2017.11.23-24. 12.1. A mérés ismertetése A mérés során széndioxidot vezetünk egy abszorpciós oszlopba, az oszlop alján keresztül ellenáramban a felülről lefolyó desztillált vízzel. A gáz és a folyadék érintkezése következtében bizonyos mennyiségű széndioxid elnyelődik a vízben. A folyamatot különböző mosóvíz hőmérsékleteken végezzük. Ahogy azt az abszorpciós technológiáknál korábban említettem, a hőmérséklet csökkentése nagyobb elnyelődő széndioxid mennyiséghez vezet, ennek méréssel való alátámasztása a cél. 12.2. Mérési eszközök, mérési elrendezés A méréshez egy üvegből készült, 6 db szitatányérral rendelkező abszorpciós oszlopot használtunk, melyet felül egy buborékoltatóval láttunk el, hogy ezzel szemléletesítsük a gáz távozását. Mivel a kisméretű üveg oszlopban a nyomás változtatására nem volt lehetőség, így az környezeti nyomáson működött végig a mérés során. 18. ábra Mérés elrendezése 37
A vizet szivattyúval juttattuk a kolonna tetejére, amely 120 Hz frekvenciával működött, így tudtuk elérni a körülbelül 2 l/h tömegáramot. A lemodellezett biometán technológiában ahhoz az eredményhez jutottam, hogy a széndioxid elnyelődés akkor működött hatékonyan, mikor a bemenő mosóvíz és gáz aránya legalább 100:1 volt. A mérés során a lekicsinyített labori méretek mellett ezt lehetetlen lett volna megvalósítani. Mikor növelni próbáltuk a mosóvíz tömegáramát 2 l/h fölé, az oszlopot elárasztotta a víz. A széndioxid tömegáramát pedig nem volt lehetőség olyan kis mértékűre csökkenteni, mert nem állt rendelkezésre olyan műszer, amely annyira kis értéket mérni tud. Az oszlop alján kilépő víz elvezetési módszerének megoldása is sok fejtörést okozott, mire sikerült beállítani azt a csőhosszt, amellyel a megfelelő hidrosztatikai nyomás elérhető, vagyis, hogy a belépő gáz felfelé induljon el az oszlopban, nem pedig lefelé, valamint, hogy a lefolyó víz se töltse fel addig a csövet, hogy az a gáz csövén kezdjen kiáramolni. 19. ábra Próbálkozások a víz elvezetésére A 17. ábra mutatja milyen csőelrendezéseket alkalmaztunk, melyek közül a jobb szélső volt a működésnek megfelelő. A szilikon csőnek köszönhetően a folyamatnak megfelelő magasságba tudtuk állítani az üveg hattyúnyakat. Az első mérések során a desztillált vízzel teli mérőpoharat egy mérlegre helyeztük, és stopper segítségével mértük az eltelt időt, míg a mérleg mutatta milyen mértékben szívja el a szivattyú a vizet a pohárból. Ezen mérésekkel tudtuk meghatározni a bemenő víz tömegáramát (közelítőleg, mert a szivattyú szállítása nem volt teljesen egyenletes). 38
20. ábra Víz tömegáramának mérése A kicsi tömegáramok miatt azok pontos meghatározására nem volt lehetőség, így azokat a mérés során nem változtattuk, egyedül a belépő víz hőmérsékletének hatását vizsgáltuk. A kilépő vízből való mintavételek előtt 10 percig járattuk a folyamatot, hogy az oszlopot a próbák során esetlegesen bekerült szennyeződésektől átmossuk, valamint, hogy a hőmérséklet beállhasson a megfelelő értékre az oszlopban. A folyamatból kilépő vízből a mintavételek 2 dl-es üvegekbe történtek.. 21. ábra Mintavételhez használt üveg 39
12.3. Hőmérséklet változtatása víz fűtése Az első mintához a belépő vizet 13 C-osra hűtöttük jégfürdő segítségével. Mivel jégfürdővel ennél lejjebb nem sikerült jutni, a továbbiakban a vizet melegítettük először 20 C-osra a második, majd 25 C-osra a harmadik mintához a 20- ábrán látható módon. A mintákat széndioxid koncentrációra vizsgálták. 22. ábra Víz hőmérsékletének mérése, melegítés A belépő víz tömegáramát mérleg és stopper segítségével ellenőriztük, az érték 2 és 2,15 l/h között ingadozott. A széndioxid tömegáramának beállítására és mérésére olyan rotamétert használtunk, mely 1-10 l/h tömegáram mérésére képes levegő esetén. Ezen a műszeren a legkisebb értékre, az 1 l/h-ra állítottuk be a széndioxid áramát, melyet át kellett számolni levegőről az aktuális közegre. 40
Ehhez a következő c korrekciós tényező meghatározására volt szükség[18]: c = ρ ρ (2) Ahol ρ a levegő sűrűségét, ρ pedig az aktuális közeg sűrűségét jelenti. Esetünkben, normálállapotban (0 C, 101,325 kpa) ρ = 1,2928 kg/m 3 [19], ρ = 1,98 kg/m 3 [20]. Ezek alapján a kapott korrekciós tényező értéke: A korrigált tömegáram: c = ρ ρ = 1,2928 1,98 = 0,81 (3) V = c V = 0,81 1 l h = 0,81 l/h (4) 3. táblázat Eredményül kapott vizsgált széndioxid koncentrációk 1. minta 2. minta 3. minta belépő víz tömegárama [l/h] belépő víz hőmérséklete [ C] CO2- tartalom [mg/kg] 2,012 2,155 2,088 13 20 25 895 625 590 A cél az volt, hogy látható legyen az eredmények alapján, hogy alacsonyabb hőmérsékletű belépő vízzel nagyobb mennyiségű széndioxid nyelődik el, melyet a kapott eredmények alá is támasztottak. 12.4. Hőmérséklet változtatása víz hűtése A mérés második szakaszában sikerült egy olyan rotamétert beszerezni, mely 10-120 ml/min értékek között használható nitrogén közeg esetén. 41
23. ábra Az alkalmazott rotaméter Ehhez a 2-es képlet segítségével szintén meg kellett határozni egy c korrekciós tényezőt. Ahol jelen esetben ρ a nitrogén sűrűségét, ρ pedig az aktuális közeg (CO2) sűrűségét jelenti. Ez normálállapotban (0 C, 101,325 kpa) ρ = 1,2506 kg/m 3 [21], ρ = 1,98 kg/m 3 [20]. Ezek alapján a kapott korrekciós tényező értéke: c = ρ ρ = 1,2506 1,98 = 0,795 (5) A tömegáramot ebben az esetben is a lehető legkisebb 10 ml/min-re állítottuk, az így kapott korrigált tömegáram: V = c V = 0,795 10 ml ml = 7,95 min min = 0,48 l h (6) Az új rotaméter mellett egy kriosztát is bekötésre került a rendszerbe, mely glikol alkalmazásával egyszerűvé tette a belépő víz hűtését. Ennek köszönhetően 15 C-os hőmérsékletről indulva az 5 C-os vízhőmérséklet is elérhetővé vált. 42
24. ábra Kriosztát 25. ábra Víz hűtése glikol fürdővel 43
A mintavételkor a lefolyó víz hűtése jégfürdővel történt. Erre azért volt szükség, hogy a szobahőmérsékleten végzett kísérlet során, az oszlop alján kifolyó víz a lehető legkevésbé melegedjen vissza, hiszen akkor a széndioxid tartalomból jelentős mennyiséget veszítenénk. 26. ábra Mintavétel módja Az első mintát 0,48 l/h széndioxid áram és 15 C-os belépő víz esetén vettük, míg a másodikat ugyanolyan tömegáram és 10 C-os belépő víz mellett. A szivattyú változatlanul 120 Hz frekvenciára volt állítva. Ilyen kis tömegáramok mellett azonban az eredmények azt mutatták ki, hogy elnyelt széndioxid mennyiség szinte egyáltalán nem mérhető (az első minta esetén 0, míg a második mintában 35 mg/kg széndioxidot sikerült kimutatni). Ezért az eredmények könnyebb kimutathatósága érdekében a gáz tömegáramát megnöveltük a 10 ml/min-es jelzésről a 25-ösre, ami a vonatkozó számításokat elvégezve, körülbelül 1,2 l/h tömegáramot jelent. Ezen beállítás mellett megismételtük a mintavételt 15 és 10 C-on. 44
4. táblázat Kapott eredmények különböző tömegáram esetén CO2 tömegárama 0,48 l/h 1,2 l/h minta száma 1. minta 2. minta 3. minta 4. minta belépő víz hőmérséklete 15 10 15 10 [ C] mintaco2 tartalma [mg/kg] 0 35 115 520 Mikor 5 C-ra csökkentettük a hőmérsékletet, az oszlopban lévő víz egyes tálcákat eltelített, a hőmérséklet változtatás hatására bekövetkező viszkozitásbeli növekedés miatt, nem tudott egyenletesen átfolyni a tálcákon, amely az oszlop alján bizonyos időközönként nagyobb vízmennyiséget eredményezett, mint amennyit a beállított hattyúnyak el tudott vezetni, így a gázbelépő csonkot időnként a víz feltöltötte, ezzel akadályt képezve a belépő széndioxid előtt. Valószínűsíthetően ez az oka annak, hogy az 5 C-on vett minta 355 mg/kg széndioxidot tartalmazott, holott a várt érték mindenképp 520 mg/kg feletti volt, ezért ezt az értéket az eredmények összehasonlításánál nem vettük figyelembe. 12.5. Mérés összegzése A mérés során eredményül kapott széndioxid tartalmak alapján látható, hogy a hőmérséklet csökkentésével a víz széndioxid elnyelő képessége az oszlopon belül nő, ahogyan azt a nagynyomású vizes mosás technológiai modellje elővetítette. 12.6. Mérési elrendezés modellezése A mérési körülményeknek megfelelő számítógépes modellt is elkészítettem összehasonlítás céljából. Az adatokat a mérésnél alkalmazott adatoknak megfelelően állítottam be. 5. táblázat A mérés során (kvázi) állandó értékek Alap adatok Nyomás: tálcaszám: belépő víz tömegárama: 1 bar 6 db 2 l/h 45
27. ábra Mérési elrendezés modellje Az összehasonlítás során a 12.3-as fejezetben mért értékeket elemeztem, hiszen akkor sikerült egymás után akadály nélkül három mintát venni, ezért azok értéke a modellével összevethető. 6. táblázat Eredmények összesítése 1. minta 2. minta 3. minta CO2 tömegárama 0,81 l/h Belépő víz hőmérséklet 13,5 C 20 C 25 C Minta tömege 209,48 g 215,46 g 208,9 g CO2 tartalom mérés szerint 895 mg/kg 625 mg/kg 590 mg/kg CO2 tartalom modell szerint 743 mg/kg 664 mg/kg 639 mg/kg Az eredményeket diagramban ábrázoltam. 46
Széndioxid tartalom a kilépő vízben [ppm] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Modell szerinti és mért eredmények összehasonlítása (0,81 l/h széndioxid áram esetén) 895 743 CO2 tartalom mérés szerint CO2 tartalom modell szerint 664 625 639 590 0 12 14 16 18 20 22 24 26 Belépő víz hőmérséklete [ C] 28. ábra Modell szerinti és mért eredmények összehasonlítása 0,81 l/h széndioxid áram esetén A 28. ábrán látható mind a mérés mind a modell tekintetében a csökkenő tendencia a hőmérséklet növekedésével. Az értékek közti különbségek okai a következők lehetnek (mindkét diagram esetében); A mérés során a pontos tömegáramok beállítására és állandó értéken tartására nem volt lehetőség, a modell viszont a beírt pontos értékekkel számol, valamint a hőmérséklet változtatás és a mintavétel között eltelt idő. A modell az állandóság beállásáig számol, és az akkor meghatározott eredmény értékét adja meg, míg mérés során nem volt tudható, hogy mi is az az idő, amely után az oszlop teljesen átvette a kívánt hőmérsékletet, vagyis a kifolyó vízben mért széndioxid tartalom mikor felel meg a belépő víz hőmérsékletének. 47
13. ÖSSZEGZÉS Napjaink társadalmának legnagyobb környezeti problémái közé tartozik a folyamatosan fokozódó hulladéktermelés. Ebből kifolyólag egy modern és fenntartható gazdaság alapvető része a termelés során keletkező melléktermékek és hulladékok megfelelő kezelése, újrafelhasználása. Az előállított szerves hulladék egy részéből gázok fejleszthetők, nevezetesen a biogáz és a tisztításával előállított biometán. A szakdolgozatom készítése alatt megismertem a biogáz képződés folyamatát, valamint korszerűsítési lehetőségeit, továbbá a biogáz technológiákban rejlő előnyöket. A biometán-előállítás legfontosabb része a biogáz CO2 tartalmának lehető legnagyobb mértékben történő leválasztása úgy, hogy a CH4 tartalomból a lehető legkisebb rész vesszen kárba, és jusson a légkörbe a szén-dioxid fázissal. Erre különböző anyagátadási eljárások léteznek, melyek közül a legelterjedtebb az abszorpció alkalmazása, mint vizes mosás, szerves oldószeres mosás, kémiai mosás, ezen kívül alkalmaznak adszorpciót, mint nyomáscsillapító adszorpció és hőmérséklet ingadozó adszorpció, továbbá használatos technológia a kriogén elválasztás és membrán permeáció. Abszorpciós technológia során a széndioxid elnyeletésének hatékonysága erősen függ a belépő mosófolyadék hőmérsékletétől, a kolonna nyomásától, valamint a belépő mosófolyadék - gáz arányától és bizonyos mértékig függ a tálcaszámtól, melyeket számítógépes modellen keresztül sikerült bemutatni. A szakdolgozat készítés során megismerkedtem az abszorpció folyamatával, valamint lehetőségem volt a folyamat modelljének felépítésére és vizsgálatára a valóságban is labori körülmények között a BorsodChem Zrt.-nek köszönhetően, mely vizsgálat során a hőmérséklet függést valós mért értékekkel is alá tudtam támasztani. A modell, valamint a mérési eredmények alapján látható, hogy egy viszonylag egyszerű technológiával is nagy tisztaságú biometán nyerhető, mely a hulladékból értékes energiát teremt. 48
14. CONCLUSION One of the biggest environmental problem of today s sociaty is the continuously growing waste production. For this reason, the essential of a modern and sustainable economy is the proper handling and reusing of by-products and waste generated during production. From some of the generated organic waste gases can be developed, namely biogas and produced by its purification, biomethane. During my thesis I learned about the process of biogas formation as well as its potential for modernization and the benefits of biogas technologies. The most important part of biomethane production is to extract as much CO2 content of the biogas as possible so that the smallest part of the CH4 content is wasted and reach the atmosphere with the carbon phase. Various material transfer procedures exist for this, the most common is absorption, such as aqueous wash, organic solvent wash, chemical wash, also used technology is adsorption such as pressure swing adsorption and temperature fluctuating adsorption, some less widespread technologies, such as cryogenic separation and membrane permeation. In absorbtion technology, the efficiency of absorbing carbon dioxide depends heavily on the intake fluid temperature, the pressure of the column, the intake fluid-gas ratio, and to a certain extent it also depends on the number of trays in the column. I managed to confirm all these dependencies by model. During my work I became acquainted with the process of absorption, and I was able to construct and examine the it in reality under laboratory conditions thanks to BorsodChem Zrt. In the course of this study I could confirm the temperature dependence with measured values. Based on the results of the model and the measurements, it is apparent that with a fairly simple technology high purity biomethane can be obtained, which generates valuable energy from waste. 49
15. KÖSZÖNETNYÍLVÁNÍTÁS AZ EMBERI ERŐFORRÁSOK MINISZTÉRIUMA ÚNKP-17-1-I KÓDSZÁMÚ ÚJ NEMZETI KIVÁLÓSÁG PROGRAMJÁNAK TÁMOGATÁSÁVAL KÉSZÜLT Felhasznált irodalom [1] T. A. Seadi et al., Biogas Handbook, no. 1. 2008. [2] P. Bajpai, Anaerobic Technology in Pulp and Paper Industry, pp. 7 13, 2017. [3] Seai, Upgrading Biogas to Biomethane, pp. 1 5, 2012. [4] No Title, 2017. [Online]. Available: http://www.biogasinfo.co.uk/about/feedstocks. [Accessed: 01-Jan-2017]. [5] D. J. Hajdú, Biogas Plant Operation and Biogas Plant Technologies, Obekk Scientific Professional Publications, 2009, p. 15. [6] M. Biarnes, Biomass to Biogas Anaerobic Digestion. [7] J. Prof. Tamás and L. Prof. Blaskó, Environmental management. Debrecen: Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül, 2008. [8] D. Filyó and I. Olajos, A biogáz és az arra vonatkozó speciális szabályozások the biogas and its specialised rules f, pp. 67 76, 2013. [9] TUV, Biogas To Biomethane Technology Review, Vienna Univ. Technol., no. May, pp. 1 15, 2012. [10] Wobbe index, 2016. [Online]. Available: https://neutrium.net/properties/wobbeindex/. [Accessed: 01-Jan-2017]. [11] D. Fogarty, The heat is on for greenhouse gas methane, 2007. [12] R. Kapoor et al., Factors affecting methane loss from a water scrubbing based biogas upgrading system, Appl. Energy, 2017. [13] Biogázból biometán technológiai áttekintés, p. 20, 2012. [14] A. L. Kohl and R. (Richard B.. Nielsen, Gas purification. Gulf Pub, 1997. [15] R. Augelletti, M. Conti, and M. C. Annesini, Pressure swing adsorption for biogas upgrading. A new process configuration for the separation of biomethane and carbon dioxide, J. Clean. Prod., vol. 140, pp. 1390 1398, 2017. [16] M. Miltner, A. Makaruk, and M. Harasek, Review on available biogas upgrading 50