Załącznik Nr 2 do SIWZ ZP/23/2011 Opis wykonania mobilnej instalacji membranowej (MIM) Mobilna Instalacja Membranowa (MIM) 1. Wstęp Badawcza instalacja służy do określenia parametrów urządzeń oczyszczania strumienia biogazu czerpanego z różnych obiektów (wysypiska odpadów komunalnych, oczyszczalnie ścieków, fermentatory). Dzięki mobilności MIM badania będą prowadzone bezpośrednio w miejscu wytwarzania biogazu - pozwoli to na określenie procesu separacji membranowej dla rzeczywistego biogazu i wyciągnięcia wniosków co do procesu wzbogacania biogazu w metan. Instalacja składa się z bloków funkcjonalnych wykonujących określone zadania. Część pomiarowo-kontrolna opomiarowuje proces, rejestruje wyniki pomiarów i jest wykorzystana do sterowania instalacją. Dużą trudność w pracy MIM powodują warunki atmosferyczne, praca w terenie, temperatury otoczenia od -30 o C do +40 o C oraz wilgotność. Zmusza to do stworzenia pomieszczenia, w którym będą urządzenia MIM, aby mieć warunki przyjęte jako standard. Instalacja pracuje z biogazem - gazem palnym. Stwarza to zagrożenie zapłonu, wybuchu. Przyjmuje się, że MIM będzie pracować w strefie 2 zagrożenia wybuchem. Strefa zagrożenia stawia wymagania spełnienia europejskich dyrektyw ATEX dla urządzeń przeznaczonych do pracy w atmosferach zagrożonych wybuchem oraz norm krajowych dla atmosfery zagrożonej wybuchem. Produktem instalacji MIM są: 1. Standardowe paliwo gazowe SPG (do 90 % metanu) 2. Paliwo gazowe o parametrach gazu GZ50 (o wartości opałowej ok. 10,0 [kwh/m 3 ] gazu domieszkowego) 3. Paliwo do skroplonego metanu. 2. Warunki techniczne bloków funkcjonalnych MIM 2.1 Blok Wejściowy instalacji biogazu (Rys. MIM 01.00) Biogaz czerpany z danego obiektu ma mierzoną temperaturę i ciśnienie. Informacje te sterują urządzeniami, aby otrzymać standaryzację parametrów biogazu do separacji. Przyjęto: Z obiektu pobierany jest biogaz surowy: - wilgotny (wilgotność bezwzględna 50 [g/nm 3 ]) - ciśnienie środowiska >0.05 [bar] - temperatura według procesu obiektu Strona 1
Skład biogazu surowego: CH 4 50 70 [% mol] CO 2 25 45 [% mol] NH 3 < 1000 [mg/nm 3 ] H 2 S < 2500 [mg/nm 3 ] O 2 < 1 [mg/nm 3 ] N 2 < 8 [mg/nm 3 ] i inne substancje w małych ilościach Strumień biogazu surowego: 10 [Nm 3 /h] 2.2 Blok Standaryzacji parametrów biogazu (Rys. MIM 02.00) Biogaz w zależności od ciśnienia i temperatury jest chłodzony lub podgrzewany, albo płynie bezpośrednio do zaworu redukującego i stabilizującego ciśnienie, skąd biogaz o standardowych parametrach jest przesyłany do dalszej obróbki. Wymagania: Dopuszczenie urządzeń do biogazu, spełnienie dyrektyw ATEX, odporność urządzeń i przyrządów na: - wilgoć - zanieczyszczenia stałe (organiczne i nieorganiczne), LZO (lekkie związki organiczne) - agresywność środowiska (H 2 S i NH 3 oraz ich kwasy) Parametry: medium biogaz surowy - natężenie przepływu 10 [Nm 3 /h] - ciśnienie wlotu według obiektu - temperatura wlotu według obiektu < 60[ C] - ciśnienie wylot 0,05 [bar] - temperatura wylot 38 40 [ C] 2.3 Blok A Oczyszczanie wstępne biogazu (Rys. MIM 03.00) W Bloku A biogaz surowy (po Bloku Standaryzacji) jest czyszczony w filtrze FZ-1 z wilgoci - pary wodnej przez wykroplenie, oraz drobnych cząstek stałych (organicznych i nieorganicznych). Zatrzymany materiał jest zrzucany w postaci kondensatu do zbiornika kondensatu celem utylizacji, następnie w filtrze mechanicznym z cząstek stałych i substancji oleistych jest sprężany Mobilna Instalacja Membranowa Strona 2
dmuchawą biogazu Typ 3.6/01 V-G (bez olejowa) do ciśnienia 0,05 [bar], podgrzewany wymiennikiem ciepła do temperatury biogazu 35 40 [ C]. W przypadku spełniania wymaganych wielkości ciśnienia i temperatury mierzonych po wylocie z filtra TLSH 30-6-TC, biogaz płynie odpowiednio z pominięciem dmuchawy lub wymiennika ciepła. Urządzenia - filtry mają pomiar spadku ciśnienia. Przekroczenie zadanej wartości jest sygnalizowane jako zapełnienie wkładu filtrującego. Instalacja bloku oczyszczania wstępnego jest opomiarowana i mierzy: - ciśnienie biogazu (przetworniki ciśnienia - sygnał 4 20 ma) - przepływ biogazu (wydatek) - sygnał 4 20 ma - wilgoć biogazu (wilgotność względna i bezwzględna) - sygnał 4 20 ma - skład biogazu pomiar: - temperaturę biogazu - zawartość metanu CH 4 0 100% (V/V) - zawartość siarkowodoru H 2 S 0 3000 (ppm) - zawartość dwutlenku węgla CO 2 0 100% (V/V) Wyniki pomiaru są przesyłane do bloku sterowania sygnałem 4 20 ma. Blok sterowania w oparciu o te dane steruje instalacją i rejestruje wartości pomiarów. Parametry: biogaz surowy Wlot - parametry wylotu z bloku standaryzacji Wylot - natężenie przepływu 10 [Nm 3 /h] - ciśnienie 0,05 [bar] - temperatura 38 40 [ C] Biogaz oczyszczony wstępnie z pary wodnej przez wykroplenie wody wraz z cząstkami stałymi organicznymi i nieorganicznymi. Skład biogazu bez zmian. Urządzenie i aparatura pomiarowa dopuszczone do biogazu, spełniająca dyrektywy ATEX dla biogaz medium agresywne (zawiera CH 4, H 2 S i ich kwasy). 2.4 Blok B Oczyszczanie dokładne biogazu (Rys. MIM 04.00) W Bloku B biogaz surowy (po Bloku A - oczyszczanie wstępne) jest osuszany z pozostałości pary wodnej przez adsorpcję złożem adsorbentów. Takimi złożami są: sita molekularne, węgiel aktywowany, zeolity w postaci luźno usypanych warstw lub prasowanych pakietów. Adsorbenty wypełniają dwie kolumny działające symultanicznie. Gdy jedna kolumna osusza biogaz, druga kolumna jest regenerowana przez suszenie gorącym powietrzem (w Bloku regeneracji). Biogaz osuszony w kolumnie adsorbującej parę wodną płynie do zestawu kolumn odsiarczania. Gdy w jednej kolumnie zachodzi proces oczyszczania biogazu z siarkowodoru oraz innych LZO (lekkich związków organicznych) przez adsorpcję na odpowiednio dobranym wypełnieniu Mobilna Instalacja Membranowa Strona 3
ziarnistym jak: ruda darniowa, węgiel aktywowany np. Norit CI 4 lub Norit ROZ 3, złoże Sulforex lub Sulfox, druga kolumna symultanicznie jest regenerowana przez wymianę złoża. Kolumny są opomiarowane, mierzony jest spadek ciśnienia między wlotem i wylotem przetwornikiem różnicy ciśnień. Przekroczenie zadanego spadku ciśnienia jest informacją o nasyceniu adsorbentu i utracie własności oczyszczania. Parametry kolumn osuszania (szt. 2): biogaz surowy o składzie jak po Bloku A Wlot do kolumny osuszania: - natężenie przepływu 10 [Nm 3 /h] - ciśnienie 0,05 [bar] - temperatura 38 40 [ C] Wylot z kolumny osuszania: - natężenie przepływu 10 [Nm 3 /h] - ciśnienie pomniejszone o spadek ciśnienia <0,003 [bar] - temperatura < 38 40 [ C] - biogaz pozbawiony wilgoci do wilgotności bezwzględnej 1 [g/nm 3 ] Kolumna osuszania biogazu surowego z pary wodnej na złożu zeolitów (sit molekularnych) (szt. 2) - objętość kolumny V = 150 [dm 3 ] - średnica wewnętrzna kolumny D w = 400 [mm] - wysokość kolumny H kol = 1200 [mm] - wysokość złoża H złoż = 800 [mm] - objętość wypełnienia V = 100 [dm 3 ] - masa wypełnienia ok. 75 [kg] - spadek ciśnienia 0,003 [bar] Kolumna posiada funkcję zapełniania i opróżniania złoża z zabezpieczeniem przed porywaniem cząstek przez płynący biogaz. Pomiar różnicy spadku ciśnień wlotu i wylotu biogazu. Podłączenie kolumny do instalacji rozłączne, umożliwiające podłączenie kolumny w Bloku I regeneracji. Konstrukcja odporna na temperaturę powietrza regenerującego złoże wynoszącą 200 300 [ C]. Przyrządy pomiarowe zabezpieczone przed temperaturą. Parametry kolumn odsiarczania (szt. 2): biogaz surowy o składzie jak po Bloku A pozbawiony wilgoci do wilgotności bezwzględnej 1 [g/nm 3 ] Wlot do kolumny odsiarczania - natężenie przepływu 10 [Nm 3 /h] - ciśnienie < 0,05 [bar] - temperatura 38 40 [ C] Wylot z kolumny odsiarczania Mobilna Instalacja Membranowa Strona 4
- ciśnienie wlotu pomniejszone o spadek ciśnienia < 0,003 [bar] - temperatura < 38 40 [ C] - ilość siarkowodoru H 2 S < 7 [mg H 2 S/Nm 3 ] - bez innych zanieczyszczeń Kolumna odsiarczania biogazu surowego z siarkowodoru o odpowiednim złożu adsorpcyjnym (szt. 2) - objętość aparatu V = 85 [dm 3 ] - średnica wewnętrzna kolumny D w = 300 [mm] - wysokość kolumny H kol = 800 [mm] - objętość wypełnienia V w = 60 [dm 3 ] - masa wypełnienia ok. 55 [kg] - spadek ciśnienia ok. 0,003 [bar] Kolumna posiada funkcję zapełniania i opróżniania złoża z zabezpieczeniem porywania cząstek przez płynący biogaz. Pomiar różnicy spadku ciśnienia w kolumnie mierzony między wlotem i wylotem. Kolumny osuszające i odsiarczające oraz urządzenia i aparatura pomiarowa muszą być dopuszczone do biogazu, spełniać dyrektywy ATEX i odporność na agresywność medium. 2.5 Blok C Przygotowanie biogazu do separacji membranowej (Rys. MIM 05.00) W Bloku C biogaz surowy osuszony i oczyszczony z siarkowodoru jest przygotowywany do separacji membranowej, tzn. parametry: ciśnienie, temperatura, wydatek. W instalacji istnieje opcja wzbogacenia biogazu surowego biogazem wzbogaconym (CH 4 85 92 [%mol]) nawet to 98% metanu (po separacji) - wlot poz. 5 Rys. MIM 05.00 - przez poprawę jakości biogazu surowego. Analizator biogazu mierzy zawartość CH 4, H 2 S, CO 2 określając skład. Biogaz sprężany jest sprężarką do ciśnienia 8 [bar] a następnie dokładnie filtrowany (szczególnie ważne jest oczyszczenie biogazu z zanieczyszczeń olejowych bardzo niebezpiecznych dla membran separacyjnych). Tak przygotowany biogaz surowy w ilości 4 [Nm 3 /h] jest komponentem biogazu do zasilania agregatu prądotwórczego. Pozostała ilość 6 [Nm 3 /h] jest ogrzewana w wymienniku do temperatury 38 40 [ C] i płynie do Bloku D separacji membranowej. Parametry Bloku C: Wlot - biogaz surowy, oczyszczony, bez H 2 S - ciśnienie < 0,05 [bar] - temperatura < 38 40 [ C] Mobilna Instalacja Membranowa Strona 5
Skład biogazu do pomiaru stężenia Wlot - biogaz wzbogacony - wydatek według programu - ciśnienie < 0,05 [bar] - równoważone z ciśnieniem biogazu surowego Analizator biogazu - ciśnienie < 0,05 [bar] - temperatura < 38 40 [ C] Sprężarka biogazu Wlot - ciśnienie < 0,05 [bar] - temperatura < 38 40 [ C] Wylot - ciśnienie 8 [bar] - temperatura według urządzenia Filtr dokładny Wlot - ciśnienie < 8 [bar] - temperatura według wylotu sprężarki Zanieczyszczenia stałe, olejowe. Pomiar spadku ciśnienia - informacja o stanie wkładu filtrującego. Pomiar temperatury - informacja czy ogrzewać biogaz, czy chłodzić Upust biogazu do agregatu - redukcja i stabilizacja ciśnienia do wartości ciśnienia permeatu z membrany separacyjnej ~ 0,002 [bar]. Wydatek 4 [Nm 3 /h], pomiar wydatku przepływomierzem termicznym. Wymiennik ciepła - regulacja temperatury do 38 40[ C] Wylot z Bloku C do Bloku D separacji membranowej: Parametry gazu: - wydatek biogazu 6 [Nm 3 /h] - ciśnienie 8 [bar] - temperatura 38 40 [ C] Biogaz oczyszczony z wilgoci, zanieczyszczeń stałych i LZO, bez H 2 S, bez zanieczyszczeń olejowych. W Bloku C urządzenia (sprężarka, filtr, wymiennik ciepła), aparatura pomiarowa, zawory muszą być dopuszczone do biogazu, spełniać dyrektywy ATEX. 2.6 Blok E Biogaz do agregatu prądotwórczego Mobilna Instalacja Membranowa Strona 6
Blok E przygotowuje biogaz niskometanowy (CH 4 < 45 [% mol]) do zastosowania do napędu agregatu prądotwórczego, jest mieszaniną biogazu surowego 52 71 [% mol] w ilości 4 [Nm 3 /h] i biogazu permeatu z membrany M3 o zawartości CH 4 < 22 [% mol] w ilości 1,5 [Nm 3 /h], razem biogazu < 5,5 [Nm 3 /h]. Powstałą mieszaninę określa się wielkością przepływu, analizą składu, następnie spręża do ciśnienia 20 [bar] celem zgromadzenia w zbiorniku buforowym biogazu niskometanowego. Pobór biogazu ze zbiornika jest mierzony przepływomierzem. Nadmiar biogazu nie zużytego przez agregat prądotwórczy i zgromadzonego w zbiorniku buforowym spala się pochodnią. Parametry Bloku E Biogaz do agregatu prądotwórczego. Wlot 1 biogazu surowego oczyszczonego, opcjonalnie z poprawioną jakością - wydatek < 4 [Nm 3 /h] - ciśnienie 0,002 [bar] - temperatura 38 40 [ o C] - skład: CH 4 52 71 [% mol] CO 2 26 45 [% mol] Wlot 2 biogazu po separacji membranowej (permeatu z membrany M3) - wydatek < 1,5 [Nm 3 /h] - ciśnienie 0,002 [bar] - skład: CH 4 < 22 [% mol] Strumienie biogazu z wlotu 1 i wlotu 2 mieszane są w mikserze gazów i następnie mierzony jest przepływ i stężenie składników biogazu. Parametry biogazu niskometanowego po miksowaniu: - wydatek < 5,5 [Nm 3 /h] - ciśnienie 0,002 [bar] - skład: CH 4 < 45 [% mol] CO 2 > 55 [% mol] Sprężarka biogazu - wydatek < 5,5 [Nm 3 /h] - ciśnienie wyjścia (spręż.) 20 [bar] - temperatura < 40 [ o C] Sprężony biogaz niskometanowy gromadzony jest w zbiorniku buforowym o pojemności 200 [dm 3 ] pod ciśnieniem < 20 [bar]. Nadmiar biogazu automatycznie uruchamia pochodnię, która spala tę nadwyżkę. Urządzenia, aparatura pomiarowa, sprężarka, zbiornik, zawory muszą być dopuszczone do biogazu, spełniać dyrektyw ATEX. 2.7 Blok F Biogaz zubożony Permeat z membran separacyjnych M1 i M2 jest ubogi w CH 4 < 11 [% mol], bogaty w CO 2. Gromadząc gaz zubożony w zbiorniku buforowym i następnie przesyłając go na membranę M4 zagęszczamy maksymalnie biogaz w metan. Mobilna Instalacja Membranowa Strona 7
Parametry Bloku F Biogaz zubożony. Wlot 1 i 2 - permeat po separacji z membran M1 i M2 - wydatek 2 razy 1,5 [Nm 3 /h] = 3,0 [Nm 3 /h] - ciśnienie 0,002 [bar] - skład: CH 4 < 11 [% mol] CO 2 > 89 [% mol] Mierzony jest przepływ i stężenie składników płynącego biogazu, następnie sprężarka spręża biogaz do parametrów: - ciśnienie 15 [bar] - wydatek 3,0 [Nm 3 /h] Sprężony biogaz jest filtrowany dokładnym filtrem, zatrzymującym cząsteczki stałe i olejowe. Sprężony biogaz gromadzony w zbiorniku buforowym o pojemności 200 [dm 3 ] pod ciśnieniem < 15 [bar], jest upuszczany do wlotu membrany M4. Wielkość strumienia biogazu jest mierzona przepływomierzem, a ciśnienie redukowane do wartości: - ciśnienie zredukowane 8 [bar] - wydatek 3,0 [Nm 3 /h] Urządzenia, aparatura pomiarowa, sprężarka, zbiornik, zawory muszą być dopuszczone do biogazu, spełniać dyrektyw ATEX. 2.8 Blok G Gaz bogaty w CO 2 Biogaz po separacji na membranie M4 (Permeat) jest bogaty w CO 2 > 96 [% mol] i ubogi w CH 4 < 4 [% mol]. Możliwe jest wykorzystanie przez wypuszczenie do atmosfery lub wpuszczenie do składowiska (obiektu). Parametry Bloku G Gaz bogaty w CO 2. Wlot - permeat po separacji w membranie M4 - wydatek 1,5 [Nm 3 /h] - ciśnienie 0,002 [bar] Skład gazu (zagęszczenie CO 2 ) mierzony jest analizatorem, przepływ mierzony przepływomierzem termicznym. Sprężarka spręża biogaz, który gromadzony jest w zbiorniku buforowym o parametrach: - ciśnienie < 12 [bar] - wlot wydatek < 1,5 [Nm 3 /h] - skład: CH 4 < 4 [% mol] CO 2 > 96 [% mol], z którego przy przepełnieniu upuszczany jest do atmosfery. Możliwe jest wypuszczenie gazu bezpośrednio do atmosfery lub pompowanie do składowiska. Przepływy mierzone są przepływomierzami. Mobilna Instalacja Membranowa Strona 8
Urządzenia, aparatura pomiarowa, sprężarka, zbiornik, zawory muszą być dopuszczone do biogazu, spełniać dyrektyw ATEX. 2.9 Blok I Regeneracja kolumny osuszania biogazu Kolumna osuszania biogazu po osiągnięciu zapełnienia wilgocią (przez adsorpcję wilgoci) poddawana jest regeneracji przez przedmuch gorącym powietrzem. Powietrze zasysane z atmosfery, sprężone sprężarką, po ogrzaniu w wymienniku ciepła tłoczone jest do regenerowanej kolumny. Gorące powietrze powoduje w złożu odparowanie wilgoci i zostaje wydmuchane, następnie w filtrze wykraplaczu pary zostaje zatrzymana wilgoć i zrzucona do utylizacji. Suche powietrze jest wypuszczane do atmosfery. Parametry Bloku I Regeneracja kolumny osuszania biogazu Sprężarka wlot: - ciśnienie atmosferyczne - wilgoć atmosferyczna - wydatek 25 [Nm 3 /h] Sprężarka wylot: - ciśnienie 6 [bar] - wydatek wg potrzeb Wymiennik ciepła - wlot: - ciśnienie < 6 [bar] - temperatura atmosferyczna Wymiennik ciepła - wylot - ciśnienie < 6 [bar] - temperatura 200 300 [ o C] Po (osuszeniu) regeneracji złoża kolumny należy przeprowadzić studzenie powietrzem o temperaturze otoczenia. Sprężarka musi mieć na wylocie filtr zatrzymujący cząstki stałe oraz olejowe. Urządzenia, aparatura pomiarowa w części za regenerowaną kolumną muszą być dopuszczone do biogazu, spełniać dyrektyw ATEX. 2.9 Blok H Biogaz produkt Biogaz po zagęszczeniu w membranach separacyjnych do stężenia CH 4 85 92 [% mol] lub wyżej (opcja) jest produktem i jest zużywany do spalania w sieci gazowej lub do wzbogacania biogazu surowego, aby podnieść stężenie metanu w produkcie. Blok H spełnia funkcje rozdziału strumienia biogazu oraz pomiaru parametrów biogazu, tzn. składu, przepływu (wydatku). Parametry: Wlot - ciśnienie 7,6 [bar] - wydatek 3 [Nm 3 /h] Mobilna Instalacja Membranowa Strona 9
- stężenie CH 4 85 92 [% mol] CO 2 reszta lub w opcji CH 4 < 98 [% mol] Wylot do sieci gazowej - ciśnienie 7,6 [bar] - wydatek 3 [Nm 3 /h] - stężenie CH 4 85 92 [% mol] CO 2 reszta Wylot do biogazu surowego - ciśnienie zredukowane do 0,05 [bar] - wydatek 3 [Nm 3 /h] - stężenie CH 4 85 92 [% mol] CO 2 reszta Urządzenia, aparatura pomiarowa, zawory muszą być dopuszczone do biogazu, spełniać dyrektyw ATEX. Mobilna Instalacja Membranowa Strona 10