Desulfurization and upgrading hydrogen sulfide-rich biogas : techno-economic analysis
Alén, Kati (2022)
Diplomityö
Alén, Kati
2022
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022062148227
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022062148227
Tiivistelmä
Biogas can be purified and upgraded to biomethane and injected to the gas grid or it can be further refined to liquefied biomethane (LBG) or compressed biomethane (CBG) for vehicle use. Many of commercial scale biogas upgrade systems available designed to remove carbon dioxide from biogas, are extremely sensitive to impurities like hydrogen sulfide (H₂S), and biogas needs to be purified to remove these compounds prior to the upgrade unit.
Aim of this thesis was to help a biogas production company to evaluate and choose an optimal desulfurization and biogas upgrade technology for different manufacturing scenarios where end-products and utility prices vary. The comparison between different technology options for biogas upgrading and liquefaction was based on literature review and quotations received from equipment suppliers. Options for desulfurization technologies were reviewed based on the literature review. Gas composition data from the laboratory scale biogas reactors was reviewed to evaluate the average concentration of hydrogen sulfide in the produced gas. Biogas upgrade and desulfurization technologies were evaluated based on financial as well as from technological perspective.
Best solution for desulfurization of H₂S-rich biogas based on the literature review was found to be the addition of ferric salts or microaeration combined with activated carbon filter. Membrane biogas upgrade system combined with liquefaction unit was found to be the best option for LBG production. Cryogenic upgrading technology could not be recommended due to a fact that the technology is not mature and is still under development. Biokaasua voidaan puhdistaa ja jalostaa biometaaniksi, jota voidaan injektoida kaasuverkkoon tai siitä voidaan edelleen jalostaa nesteytettyä (LBG) tai paineistettua biometaania (CBG) liikennekäyttöön. Monet kaupallisen mittakaavan jalostuslaitteistoista, joiden tarkoituksena on poistaa hiilidioksidia biokaasusta, ovat herkkiä biokaasun sisältämille epäpuhtauksille, kuten rikkivedylle (H₂S), jotka täytyy poistaa biokaasusta puhdistamalla ennen jalostusyksikköä.
Tämän työn tarkoituksena on auttaa biokaasualan yritystä arvioimaan ja valitsemaan optimaalinen rikinpoisto ja biokaasun jalostusjärjestelmä eri tuotantoskenaarioille, joissa lopputuotteet ja käyttöhyödykkeiden hinta vaihtelevat. Eri teknologiavaihtoehtoja arvioitiin kirjallisuuskatsauksen sekä biokaasun jalostus- ja nesteytysyksiköistä toimittajilta saatujen laitetarjousten perusteella. Teknologiavaihtoehtoja rikinpoistolle arvioitiin kirjallisuuskatsauksen perusteella. Laboratoriomittakaavan bioreaktoreista mitattua kaasun koostumusta tarkasteltiin, jotta pystyttiin määrittämään rikkivedyn keskimääräinen konsentraatio tuotetussa kaasussa. Biokaasunjalostus- ja rikinpoistoteknologioita arvioitiin taloudellisesta kuten myös teknisestä näkökulmasta.
Paras ratkaisu rikinpoistoon H₂S-rikkaasta biokaasusta kirjallisuuskatsauksen perusteella oli rautasuolojen lisääminen tai mikroilmastus yhdistettynä aktiivihiilisuodatukseen. Membraanitekniikkaan perustuva biokaasun jalostusjärjestelmä yhdistettynä nesteytysyksikköön osoittautui parhaaksi vaihtoehdoksi LBG tuotannolle. Kryotekniikkaan perustuvaa jalostusyksikköä ei voitu suositella teknologian kehittymättömyyden vuoksi.
Aim of this thesis was to help a biogas production company to evaluate and choose an optimal desulfurization and biogas upgrade technology for different manufacturing scenarios where end-products and utility prices vary. The comparison between different technology options for biogas upgrading and liquefaction was based on literature review and quotations received from equipment suppliers. Options for desulfurization technologies were reviewed based on the literature review. Gas composition data from the laboratory scale biogas reactors was reviewed to evaluate the average concentration of hydrogen sulfide in the produced gas. Biogas upgrade and desulfurization technologies were evaluated based on financial as well as from technological perspective.
Best solution for desulfurization of H₂S-rich biogas based on the literature review was found to be the addition of ferric salts or microaeration combined with activated carbon filter. Membrane biogas upgrade system combined with liquefaction unit was found to be the best option for LBG production. Cryogenic upgrading technology could not be recommended due to a fact that the technology is not mature and is still under development.
Tämän työn tarkoituksena on auttaa biokaasualan yritystä arvioimaan ja valitsemaan optimaalinen rikinpoisto ja biokaasun jalostusjärjestelmä eri tuotantoskenaarioille, joissa lopputuotteet ja käyttöhyödykkeiden hinta vaihtelevat. Eri teknologiavaihtoehtoja arvioitiin kirjallisuuskatsauksen sekä biokaasun jalostus- ja nesteytysyksiköistä toimittajilta saatujen laitetarjousten perusteella. Teknologiavaihtoehtoja rikinpoistolle arvioitiin kirjallisuuskatsauksen perusteella. Laboratoriomittakaavan bioreaktoreista mitattua kaasun koostumusta tarkasteltiin, jotta pystyttiin määrittämään rikkivedyn keskimääräinen konsentraatio tuotetussa kaasussa. Biokaasunjalostus- ja rikinpoistoteknologioita arvioitiin taloudellisesta kuten myös teknisestä näkökulmasta.
Paras ratkaisu rikinpoistoon H₂S-rikkaasta biokaasusta kirjallisuuskatsauksen perusteella oli rautasuolojen lisääminen tai mikroilmastus yhdistettynä aktiivihiilisuodatukseen. Membraanitekniikkaan perustuva biokaasun jalostusjärjestelmä yhdistettynä nesteytysyksikköön osoittautui parhaaksi vaihtoehdoksi LBG tuotannolle. Kryotekniikkaan perustuvaa jalostusyksikköä ei voitu suositella teknologian kehittymättömyyden vuoksi.