Tecnologia de purificação do biogás com alto rendimento e baixo custo para remoção de carbono – Sichuan Honghu Technology Group

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Tecnologia de purificação do biogás com alta taxa de recuperação e baixo custo – Wang Bin, Huang Jiahu (Sichuan Honghu Technology Group Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610036) Resumo: Este artigo apresenta a situação atual das tecnologias de purificação do biogás. Por meio de análises comparativas, conclui-se que o uso da tecnologia de adsorção sob pressão variável, com alta taxa de recuperação (99%), permite reduzir significativamente os custos de purificação do biogás, aumentar a produção e a margem de lucro, além de diminuir as emissões de gases de efeito estufa. Trata-se, portanto, de uma opção adequada para o uso avançado e integrado do biogás. Palavras-chave: biogás, purificação, descarbonização, adsorção por pressão variável, alta taxa de recuperação, baixo custo. 1. Introdução A energia é uma base material essencial para o desenvolvimento econômico e social. Além da energia hídrica, a energia de biomassa é a fonte de energia renovável mais amplamente utilizada, sendo o biogás uma área de desenvolvimento prioritária nesse contexto. Estima-se que, até o ano de 2020, a utilização anual de biogás na China atingirá 44 bilhões de metros cúbicos. Devido a fatores econômicos e técnicos, atualmente o gás metano de pequena escala e seus usos de baixo nível representam uma grande parte do mercado interno. No entanto, a transformação e modernização da produção de gás metano, ou seja, sua produção em larga escala e seus usos de alto nível, é uma tendência inevitável no desenvolvimento da indústria. A composição do biogás é complexa: diferentes matérias-primas e processos de fermentação resultam em composições gasosas variadas. O principal componente é o CH4, que representa de 50% a 70% do volume total do gás. O CO2 corresponde a aproximadamente 25% a 40%. Os demais gases, como N2, O2, H2S, H2O, CO, H2, NH3, hidrocarbonetos halogenados e siloxanos, representam cerca de 5% do total【1】. Os gases impuros presentes nele podem causar efeitos negativos, em maior ou menor grau, no processo de utilização do biogás. Portanto, é difícil utilizar o biogás de maneira eficaz e integrada sem que ele seja previamente purificado. Como o CO2 representa a maior parte dos gases impuros, os custos de dessulfuração determinam, em grande medida, o custo de purificação do biogás. A seguir, será abordada com mais detalhes a tecnologia de dessulfuração do biogás. 2. Introdução às técnicas de remoção de impurezas de baixo teor no biogás 2.1 O vapor d’água saturado presente no biogás pode ser removido por meio de métodos de condensação, adsorção ou o uso de substâncias absorventes【2】. 2.2 Os sulfetos presentes no biogás desulfurado representam um grande risco: o H2S é tóxico e, ao se combinar com a H2O, corrói os equipamentos. Além disso, sua queima gera SOX, que polui a atmosfera. A tecnologia de desulfuração do biogás é dividida em duas categorias: desulfuração in situ e desulfuração do biogás. Quando a quantidade de biogás é grande ou o teor de enxofre é alto, é necessário utilizar um método de dessulfuração úmida. Esse método é complexo e tem custos operacionais elevados; geralmente, não consegue remover o enxofre orgânico【2】. O método a seco é adequado para situações em que a quantidade de biogás é pequena ou o teor de enxofre é baixo. Sua operação é simples, o investimento em equipamentos é reduzido, e ele permite a remoção de vários tipos de enxofre orgânico até níveis de ppm. Além disso, existem novos métodos de desulfuração, como separação por membranas, adsorção sob pressão variável e desulfuração biológica. 2.3 Remoção de outras impurezas: A concentração de outras impurezas é baixa, e elas geralmente podem ser removidas nas unidades de purificação ou refinamento já existentes【2】. Se determinadas indústrias tiverem requisitos especiais, como no caso do uso em turbinas a gás, os siloxanos presentes nesses materiais podem ser absorvidos por soluções mistas de hidrocarbonetos. Já os halohidrocarbonetos podem ser removidos por meio da adsorção térmica em carvão ativado especializado【3】. 3. Introdução às tecnologias de remoção de CO2: As tecnologias de descarbonização do biogás têm origem principalmente na indústria química, incluindo absorção física, absorção química, adsorção sob pressão variável e separação por membranas. Como a quantidade de biogás a ser tratada é pequena, deve-se dar maior atenção à miniaturização e à economia de energia. A absorção física utiliza a propriedade de os gases ácidos terem maior solubilidade em soluções do que o CH4, a fim de remover o CO2. A solução é regenerada por meio de redução de pressão, flash evaporação, stripping, entre outros métodos. O método mais utilizado é a lavagem com água sob alta pressão [2,3]. A absorção química utiliza o princípio de reações reversíveis entre substâncias químicas e gases ácidos presentes na solução, a fim de remover o CO2. Absorção da solução a baixas temperaturas e regeneração a altas temperaturas; um exemplo típico é o método dos alcoóis amínicos [1,2]. O processo de produção de biogás não gera vapor como subproduto; o vapor é produzido especificamente para a regeneração da solução, o que é problemático e consome biogás, reduzindo assim a produção. A separação por membrana utiliza a característica de que os diferentes componentes gasosos possuem taxas diferentes de dissolução e difusão nos polímeros de alto peso molecular. Sob a ação da diferença de pressão entre as duas faces da membrana, esses componentes permitem que sejam separados, devido às diferentes taxas de permeação através da parede da membrana fibrosa【2】. Existem dois métodos de separação por membranas: a separação por fase gasosa a alta pressão e a separação por membrana de absorção em fase gasosa-líquida a baixa pressão. A adsorção por troca de pressão utiliza o princípio da capacidade diferente dos adsorventes em absorver os vários componentes do biogás, a fim de remover o CO2. Esse método possui alto grau de automação, funciona de maneira estável, tem longa vida útil do equipamento e custos baixos de purificação【1,2,4】. Mas os dispositivos tradicionais de adsorção por pressão têm grandes perdas de CH4. Quando a concentração de CH4 está entre 90% e 95%, a taxa de recuperação máxima que pode ser alcançada é de 90%【8,10,11】; já em casos em que a concentração é mais baixa, a taxa de recuperação fica abaixo de 60%【9】. Esse defeito limita a aplicação da adsorção por troca iônica na purificação de biogás. A chave para resolver o baixo índice de recuperação do CH4 está em adsorventes eficientes, com o objetivo de aumentar o coeficiente de separação do misturo CH4/CO2 e a capacidade de adsorção do CO2. Aproveitando as mais recentes tecnologias nacionais e internacionais [6,7], a Honghu Technology desenvolveu um adsorvente especial para a purificação do biogás, que permite uma taxa de recuperação de CH4 de 99%. O teor de CH4 nos gases residuais fica abaixo de 1%, enquanto a pureza do gás produzido fica entre 97% e 99% (podendo ser ajustada). Esse adsorvente possui grande capacidade de adsorção e alto coeficiente de separação, o que reduz efetivamente o tamanho do equipamento, diminui o custo total de investimento e baixa os custos operacionais. 4. Comparação das tecnologias de dessulfuração do biogás 4.1 Parâmetros do gás de entrada O biogás, com os parâmetros listados na Tabela 1, é utilizado como gás de entrada para a comparação entre as diferentes tecnologias. Tabela 1: Parâmetros do gás de entrada
Parâmetro | Fluxo (Nm3/d) | Pressão (kPaG) | Temperatura (℃) | CH4 (V%) | CO2 (V%) | Outros componentes (V%)
---------|----------------|----------------|------------------|----------|----------|-----------------------
Valor | 20000 | 5 | 40 | 57 | 41 | 2 |
Parâmetro | 4,2 | | | | | |

O investimento necessário para a instalação de equipamentos de dessulfuração e purificação do biogás desenvolvidos pela Honghu Technology é menor do que o necessário para métodos tradicionais de adsorção sob pressão variável. Esse valor também é menor do que o necessário para métodos como MDEA e separação por membranas. No entanto, é ligeiramente maior do que o necessário para o método de lavagem com água a alta pressão [1,2,3,4,5,8,9]. 4.3 Taxa de recuperação de metano: O dispositivo de dessulfuração e purificação de biogás desenvolvido pela Honghu Technology consegue uma taxa de recuperação de metano de 99%, valor superior ao dos outros dispositivos de purificação [1,2,3,4,5,8,9]. 4.4 Custos operacionais file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png Observação: A pressão de saída do gás produzido é sempre de 0,8 MPa. Os custos operacionais do dispositivo de dessulfuração e purificação de biogás da Honghu Technology são significativamente menores em comparação com outras tecnologias【1】. 5. Conclusão: A tecnologia de dessulfuração e purificação de biogás por adsorção em troca de pressão, desenvolvida pela Sichuan Honghu Technology Group Co., Ltd., além de ser altamente automatizada, fácil de operar e segura do ponto de vista ambiental, também apresenta vantagens significativas, como baixo custo de investimento, baixos custos operacionais e uma taxa de recuperação de CH4 de 99%, superior aos padrões internacionais e nacionais. Referências: Hao Wei. Tecnologia e viabilidade econômica da conversão de biogás em gás natural (CNG). Jiang Hao et al. Tecnologias e aplicações para a purificação do biogás com o objetivo de obter metano biológico. China Biogas, 2012.30(2): 6-11. Song Canhui et al. Estado atual das tecnologias de purificação do biogás. China Biogas, 2007.25(4): 23-27. Zhen Feng et al. Utilização avançada do biogás e tecnologias de purificação. Environmental Science and Technology, 2012.11: 103-108. Li Dong et al. Estado atual dos recursos de biogás na China e perspectivas de aplicação. Modern Chemical Industry, 2009.4: 1-5. Yu Xinjiang et al. Preparação de carbono poroso por método de matriz e separação de CH4/N2/CO2. Petrochemical Engineering, 2016.2: 221-226. Li Tong et al. Modificação do carvão ativo e seu impacto na capacidade de adsorção de CO2/CH4. Journal of Coal Science, 2011.12: 2012-2017. Chen Xiang et al. Estado atual do desenvolvimento de tecnologias para a purificação do biogás com o objetivo de obter metano biológico. Agricultural Engineering, 2012.7: 30-34. Li Sheng et al. Avanços nas tecnologias para a produção de metano de alta pureza a partir do biogás. Modern Chemical Industry, 2014.11: 19-23. Sichuan Yalian Technology Co., Ltd. Método para extração de metano do biogás. Patente chinesa: CN200910060286, 2010-9-1. Sichuan Yalian High-Tech Co., Ltd. Método para recuperação de metano do gás gerado em aterros sanitários. Patente chinesa: CN200810045223, 2008-7-16.