Πειραματική μελέτη αναβάθμισης βιοαερίου για το διαχωρισμό διοξειδίου του άνθρακα και μεθανίου μέσω μεμβρανών κοίλων ινών πολυϊμιδίου
Creators: name: Λιάτσου, Αγγέλα Αντωνίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Αναβάθμιση Βιοαέριου
Πιλοτική Μονάδα
Πολυμερικές Μεμβράνες
Biogas Upgrade
Pilot scale
Polymeric Membranes

description: Η έλλειψη ορυκτών καυσίμων και η υπερθέρμανση του πλανήτη χαρακτηρίζονται ως τα σημαντικότερα προβλήματα των τελευταίων δεκαετιών. Το βιοαέριο από την αναερόβια χώνευση της βιομάζας είναι μια υποσχόμενη επιλογή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας. Η αναβάθμιση του ακατέργαστου μείγματος βιοαερίου έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή βιομεθανίου με υψηλότερη ενεργειακή αξία. Το βιομεθάνιο μπορεί να αντικαταστήσει το φυσικό αέριο με σκοπό την παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Οι τεχνολογίες αναβάθμισης με τη χρήση μεμβρανών παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα καθώς θεωρούνται μέθοδοι φιλικές προς το περιβάλλον, χωρίς παραγωγή επιβλαβών αποβλήτων και τη χρήση επιπρόσθετων χημικών ουσιών. Επιπλέον θεωρούνται απλές και οικονομικές μέθοδοι με χαμηλό ενεργειακό κόστος, κόστος εγκατάστασης και κόστος συντήρησης. Στην εργαστηριακή μονάδα διαχωρισμού διοξειδίου του άνθρακα και μεθανίου από συνθετικό μείγμα, υψηλότερες τιμές κλάσματος αποκοπής (&gt; 0.4) και πίεσης τροφοδοσίας (&gt; 4 bar) συνδέονται με υψηλή καθαρότητα μεθανίου (&gt; 95%) στο προϊόν διαχωρισμού αλλά και με ανεπαρκή ανάκτηση του (&lt; 90%). Η σχέση αντιστάθμισης μεταξύ καθαρότητας και ανάκτησης μεθανίου παρατηρήθηκε σε όλες τις σειρές μετρήσεων ανεξάρτητα από τη διαμόρφωση, το κλάσμα αποκοπής, την πίεση αλλά και την ροή τροφοδοσίας. Ακολούθως, αξιολογήθηκε η απόδοση και η σταθερότητα της πιλοτικής μονάδας αναβάθμισης βιοαερίου δυο σταδίων με ανακύκλωση του ρεύματος διηθήματος του δεύτερου σταδίου με τη χρήση εμπορικών μεμβρανών κοίλων ινών από πολυϊμίδιο. Η πιλοτική μονάδα βρίσκεται στην Εγκατάσταση Επεξεργασίας Λυμάτων της Θεσσαλονίκης (Ε.Ε.Λ.Θ.) στη Σίνδο. Μελετήθηκε η σταθερότητα της σύστασης της τροφοδοσίας και της σύστασης των δειγμάτων με σκοπό τον υπολογισμό της καθαρότητας και της ανάκτησης μεθανίου στο τελικό προϊόν διαχωρισμού. Η θεωρητική ανάκτηση μεθανίου στο τελικό προϊόν διαχωρισμού με βάση το ισοζύγιο σύστασης των ρευμάτων και των ροών της πιλοτικής μονάδας υπολογίστηκε ίση με 96.8% για σύσταση μεθανίου 51.5% στη τροφοδοσία και καθαρότητα στο τελικό προϊόν ίση με 75.96%. Μέσω των αποτελεσμάτων των αναλύσεων με αέρια χρωματογραφία, η μέση ανάκτηση υπολογίστηκε ίση με 95.7% για σύσταση μεθανίου 55% στη τροφοδοσία και μέση καθαρότητα στο τελικό προϊόν ίση με 82.4%. Τα χαμηλά επίπεδα καθαρότητας οφείλονται στην παρουσία αζώτου στο τελικό προϊόν σε υψηλά ποσοστά με μέσο όρο 17.5%. Ακολούθως, μελετήθηκε η μακροπρόθεσμη και η βραχυπρόθεσμη μελέτη σταθερότητας της σύστασης των δειγμάτων του τελικού προϊόντος διαχωρισμού. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν μέσω βιβλιογραφικής ανασκόπησης με αποτελέσματα άλλων πιλοτικών μονάδων εμπορικών μεμβρανών κοίλων ινών πολυϊμιδίου με διαμόρφωση ενός ή δύο σταδίων με ανακύκλωση του ρεύματος διηθήματος του δεύτερου σταδίου. Επίσης πραγματοποιήθηκε σύγκριση με τις αντίστοιχες εμπορικές τριχοειδείς μεμβράνες πολυϊμιδίου καθώς και με μεμβράνες από άλλα πολυμερή και ανόργανα υλικά που έχουν δοκιμαστεί για την αναβάθμιση βιοαερίου. Τέλος, η εφαρμογή αριθμητικής ανάλυσης και συγκεκριμένα του μοντέλου εγκάρσιας ροής έχει ως σκοπό τη μελέτη της πιθανότητας ανάκτησης υψηλής συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα κατά την αναβάθμιση του βιοαερίου χωρίς απώλεια σημαντικής ποσότητας μεθανίου. Οι ρυθμοί ανάκτησης και οι απώλειες μεθανίου εξαρτώνται από το κλάσμα αποκοπής και τη σύσταση της τροφοδοσίας. Χαμηλότερες τιμές κλάσματος αποκοπής οδήγησαν σε υψηλότερη καθαρότητα διοξειδίου του άνθρακα και χαμηλότερες απώλειες μεθανίου στο ρεύμα διηθήματος. Αύξηση της σύστασης της τροφοδοσίας σε διοξείδιο του άνθρακα οδήγησε σε αύξηση της καθαρότητας του στο ρεύμα διηθήματος.
description: Lack of fossil fuels and global warming are characterized as the most important problems of the last decades. Biogas from anaerobic digestion of biomass is a promising renewable energy option. The upgrading of the raw biogas mixture results in the production of biomethane with a higher energy value. Biomethane can replace natural gas in order to produce heat and electricity. Upgrading technologies using membranes present significant advantages as they are considered environmentally friendly methods, without the production of harmful waste and the use of additional chemicals. In addition, they are considered simple and economical methods with low energy cost, installation cost and maintenance cost. With the use of a laboratory unit for separation of carbon dioxide and methane from a synthetic mixture, higher values of cut-off fraction (&gt; 0.4) and feed pressure (&gt; 4 bar) are associated with high purity of methane (&gt; 95%) but also with insufficient recovery of it (&lt; 90 %). The trade-off relationship between purity and methane recovery was observed in all measurement series. Next, the performance and stability of the two-stage biogas upgrading pilot plant was evaluated with the recycling of the second stage permeate stream using commercial polyimide hollow fiber membranes. The pilot unit is located at the Thessaloniki Sewage Treatment Plant (SWTP) in Sindos. The stability of the composition of the feed and the composition of the samples was studied in order to calculate the purity and recovery of methane in the final separation product. The theoretical recovery of methane in the final separation was calculated to be 96.8% for a methane composition of 51.5% in the feed and a purity in the final product equal to 75.96%. Through the results of gas chromatography analyses, the average recovery was calculated to be 95.7% for a methane composition of 55% in the feed and an average purity in the final product of 82.4%. The low levels of purity are due to nitrogen in the final product in higher percentages with an average of 17.5%. Subsequently, the long-term and short-term stability study of the composition of the samples of the final separation product was studied. The results were compared through a literature review with other commercial polyimide hollow fiber membrane pilot plants with one or two stage configuration with recycling of the second stage permeate stream. A comparison was also made with the corresponding commercial polyimide capillary membranes as well as with membranes from other polymers and inorganic materials that have been tested for biogas upgrading. Finally, the application of numerical analysis and specifically the cross flow model aims to study the possibility of recovering a high concentration of carbon dioxide during biogas upgrading without losing a significant amount of methane. Recovery rates and methane losses depend on cutoff class and feed composition. Lower cut-off fraction values resulted in higher liquid dioxide purity and lower methane losses in the permeate stream. Increasing the composition of the carbon dioxide feed led to an increase in its purity in the filtrate stream.