Příloha k průběžné zprávě za rok 2015 Číslo projektu: TE02000077 Název projektu: Smart Regions Buildings and Settlements Information Modelling, Technology and Infrastructure for Sustainable Development Číslo výstupu: TE02000077DV006 Název výstupu: Lab Scale module parameters Datum dosažení: 30.6.2015 Předkládá: Název organizace: MemBrain s.r.o. Jméno řešitele: Ing. Pavel Brož, Ing. Marek Bobák, Ph.D.
1 Obsah 1 Obsah... 2 2 Úvod... 3 3 Popis experimentů a zařízení... 4 4 Výsledky... 6 5 Závěr... 8 6 Příloha 1... 9 7 Příloha 2... 11 2
2 Úvod Jedním z důležitých výstupů projektu Smart Regions je ověřená technologie úpravy bioplynu na biometan využívající vlastní vyvinuté membrány a membránové moduly ve společnosti MemBrain. Vlastní membrány a membránové moduly jsou výstupem projektu Progresivní rozvoj Membránového inovačního centra (dále PROMIC). Projekt Smart Regions převezme tyto výstupy a aplikuje je do nové pokročilé technologie, která bude náležitě přizpůsobena. V rámci výzkumu a vývoje technologie zpracování bioplynu probíhá také vývoj a ověření matematického modelu membránových modulů (výstup DV023). Pro model a jeho ověření je nutné získat data z laboratorní nebo pilotní jednotky. Tato data doplněná o data bilance dodavatele komerčních modulů - od firmy UBE vedou k vypracování a především k ověření matematického modelu vlastností membránových modulů, jako jsou zejména jejich selektivity a permeance. Prezentovaný výstup byl dosažen v rámci aktivity Testing of the suitable membrane modules, process design tool development, data acquisition. Původně bylo plánováno, že měření separačních parametrů proběhne za použití laboratorních modulů převzatých z projektu PROMIC (viz. zpráva k příslušné aktivitě za rok 2014). Bohužel došlo k mírnému opoždění vývoje a vyvinuté laboratorní moduly budou k dispozici v září až říjnu 2015. Proto jsme se rozhodli rozšířit testování komerčně dostupných membrán (viz. výstup DV007) a získat potřebná data z měření komerčních modulů. Výhodou je, že data z pilotního provozu jsou z delšího časového úseku a jsou zatížena menšími chybami. Nevýhodou je, že se obtížněji ovlivňují některé provozní podmínky zejména pak teplota, která je do určité míry odvozena od teploty suroviny. Nicméně to klade pouze větší nároky na zpracování dat na vstupu do modelu. Potřebné závislosti jsou v datech již obsaženy. 3
3 Popis experimentů a zařízení Pro testy byla zvolena experimentální pilotní jednotka, která je výstupem projektu Membránové inovační centrum (dále MIC). Modulární jednotka je primárně určena pro různé testy membránové separace plynů v různých typech aplikací přímo v lokalitách, kde je dostupný reálný plyn. Proto je vybavena různými doplňujícími procesy (sušení, odsíření, filtrace) tak, aby bylo možné v dané aplikaci zpracovávaný plyn patřičně předupravit, viz. Obr.1. Pro naše testy byla jednotka osazena komerčními membránovými moduly UBE CO-C07FH na 1. stupni a UBE CO-C05 na 2. stupni. Jako předúprava plynu bylo použito dvoustupňové kondenzační sušení při tlaku 1 a cca 10 bar(a) pro úpravu rosného bodu a adsorpce na aktivním uhlí pro snížení koncentrace sulfanu. Předúprava je v našem případě nutná, protože testy proběhly na reálném surovém bioplynu, který nebyl jakkoli upravován a měl vysoký rosný bod přes 15 C a vysoký obsah sulfanu přes 100 ppm. Jednotka byla nainstalována na bioplynové stanici společnosti Zemspol Pustějov a v průběhu experimentů sledována vzdáleným přístupem. Standardně je v současnosti pilotní jednotka vybavena analyzátory Siemens Ultramat a měří složení plynu před kompresorem K1 (CH 4, CO 2, H 2 S, O 2 ) a složení produktu (CH 4, CO 2 ). Oproti standardní konfiguraci pilotní jednotky (použité v případě DV007) byla jednotka doplněna o analyzátor plynné směsi Prima BT. Jedná se o provozní hmotnostní spektrometr s možností analýzy až 16-ti vzorků s automatickým přepínáním kanálů a automatickou kalibrací. Zásadní výhodou tohoto přístroje je možnost měřit přímo kromě běžných složek bioplynu i dusík, který je klíčovou složkou pro dosažení konečné čistoty produktu. Všechny dosud vyráběné i vyvíjené membrány nedokáží totiž účinně separovat metan od dusíku. Hmotnostní spektrometr byl dodatečně nainstalován v kontejneru jednotky a připojen k několika vzorkovacím místům. Vzorkování plynné směsi bioplynu a vyrobeného biometanu se provádělo na třech pozicích a to surový bioplyn po vykondenzování vody, upravený bioplyn před membránovými moduly zbavený také sulfanu a produkt biometan, viz. Obr.2. Perioda měření byla nastavena na 3 minuty. Po každých 12-ti hodinách měření se analyzátor automaticky rekalibroval a výsledky kalibrace se porovnávaly s hodnotami složení kalibračního plynu. Obr. 1: PID schéma experimentální pilotní jednotky 4
Obr. 2: Pozice vzorkování hmotnostního spektrometru v pilotní jednotce Obr. 3: Foto umístění MS Prima BT v měřicí místnosti pilotní jednotky 5
4 Výsledky Testování v popsané konfiguraci probíhalo 9 dní. Cílem testů bylo především dosáhnout ustáleného stavu tak, aby se provozní parametry pilotní jednotky pokud možno blížili výpočtovým hodnotám, které jsme obdrželi od výrobce UBE. Z 9-ti denního testování byly vybrány k dalšímu zpracování parametry, které nejlépe odpovídaly modelovým hodnotám dodavatele membránových modulů. Experimentálně ověřené a garantované hodnoty UBE slouží jako podklad pro vývoj a ověření vlastního matematického modelu membránové separace. Výsledky vlastního matematického modelování se tedy následně porovnají s dosaženými parametry provozu. Dále se nastaví parametry modelu tak, aby došlo ke shodě s experimentálními hodnotami a simulací výrobce. Matematický model bude sloužit k detailnímu určení vlastností membránových modulů, jako je zejména jejich permitivita a selektivita a také k simulaci různých konfigurací vyvíjené technologie. Model umožní např. optimalizace počtu separačních stupňů, optimalizace zisku metanu a provozních nákladů. Obr. 4: Graf průběhu chodu pilotní jednotky 9. 18.6.2015 Obrázek 4 uvádí trendy vybraných procesních veličin ve sledovaném období. Pokles průběhu křivek na minimální hodnoty znamená odstavení pilotní jednotky v průběhu měření. Celkem byly dvě odstávky, kdy v prvém případě byl výpadek z důvodu zásahu čidla průtoku bioplynu a ve druhém případě byla jednotka záměrně odstavena, z důvodu vysoké okolní teploty prostoru přístroje Prima BT. Cílového ustáleného stavu bylo dosaženo 18.6. 9:00 až 10:00. Vybrané parametry pilotní jednotky v tomto období jsou uvedeny v Tab. 2 v kapitole Příloha 1. Tabulka též uvádí průměrné dosažené hodnoty. Odpovídající naměřená složení hmotnostním spektrometrem Prima BT jsou uvedeny v Tab. 3 a Tab. 4 v kapitole Příloha 2. Firma UBE poskytuje v dodávce membránových modulů také garanci složení plynné směsi v jednotlivých fázích procesu. Složení je určeno dodanou simulací proprietárním modelem jejich membránových modulů. Obrázek 5 ukazuje použité simulační schéma a Tab. 1 uvádí vypočítané parametry procesu na základě modulů UBE. 6
Obr. 5: Zjednodušené proudové schéma separace biometanu Tab. 1: Bilanční výpočet výrobce membránových modulů UBE První porovnání hodnot simulace v Tab. 1 a experimentálně dosažených výsledků v Tab. 2 až 4. ukazuje poměrně dobrou základní shodu v množství produktu a koncentrace metanu. Největší odlišnost je v surovině. Reálný bioplyn měl o přibližně 7 obj.% méně metanu a vice než trojnásobné množství dusíku. I přes nepříznivé parametry suroviny bylo možné dosáhnout koncentrace metanu v produktu přes 95 obj.%. To ukazuje na značné rezervy v proprietárním simulačním výpočtu. Separace především CO2 od metanu je v praxi výrazně účinnější. Další diskuze výsledků bude provedena až za použití vlastního matematického modelu, protože bude potřeba výsledky přepočítat na stejné okrajové podmínky. 7
5 Závěr Byly provedené testy na pilotní jednotce s reálným bioplynem. Bylo ukázáno, že získané výsledky jsou podobné hodnotám bilance procesu membránových modulů UBE. Pilotní jednotka byla dodatečně osazena hmotnostním spektrometrem Prima BT za účelem získat maximální množství relevantních a detailních dat. Vybrané parametry se budou porovnávat s výsledky matematického modelu. Po jeho ověření bude možné jak stanovit vyhodnocovat parametry membránových modulů, tak i provést návrhový či optimalizační výpočet technologie. Byl tedy splněn jeden z cílů a výstupů aktivity Testing of the suitable membrane modules, process design tool development, data acquisition. Dalším krokem bude dopracování matematického modelu a porovnání dat za účelem validace. Lze konstatovat, že úkoly projektu zaměřené na vývoj technologií membránové separace plynu jsou průběžně řešeny dle plánu a zadání podle harmonogramu. 8
6 Příloha 1 Tab. 2: Parametry pilotní jednotky ve vybraném období, interval záznamu 1 minuta. 9
10
7 Příloha 2 Tab. 3: Parametry hmotnostního spektrometru PRIMA BT, interval záznamu 3 minuty. 11
Tab. 4: Parametry hmotnostního spektrometru PRIMA BT, interval záznamu 3 minuty. 12