Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Наявність в біогазі великої кількості С02 значно знижує його якості як палива. Питання про збагачення біогазу метаном з виді­ленням С02 вивчається не менше ЗО років. Значення ступеня відді­лення С02 можуть бути різними. Умовно можна вважати підви­щення концентрації СН4 аж до 90 % збагаченням біогазу метаном, а більшу ступінь виділення С02 — поділом біогазу на компоненти. Крім того, в реальних пристроях іноді ставиться за мету лише під­вищення вмісту СН4 в біогазі без збору С02.

Відділення С02 від СН4 економічно вигідно і з точки зору по­дальшої утилізації самого С02. Цей газ широко використовується при зварюванні в інертному середовищі, в пожежній справі, в хар­човій промисловості і як своєрідне добриво при додаванні його в атмосферу тепличних господарств для підвищення врожайності ви­рощуваних культур. Діоксид вуглецю може використовуватися і як хороший холодоагент в твердому вигляді — «сухий лід».

Маркетингові дослідження, проведені в харківському регіоні, показали, що утилізація С02, отриманого з біогазу, може окупити більше половини витрат на розділення компонент біогазу. У літера­турі розглядались фізичні та хімічні методи поглинання С02 з біо­газу [131]. Тут ми коротко розглянемо основні методи збагачення біогазу метаном, технічні досягнення і перспективи використання кожного з них.

Розділення компонент біогазу за допомогою напівпроник­них мембран. Техніка розділення газових сумішей пропускання їх через напівпроникні мембрани досягла дуже високого рівня. Вона застосовується для отримання рідкісних газів, очищення газів від небажаних домішок, розділення компонент повітря з отриманням чистого кислороду і багатьох інших цілей. Фізична природа такого поділу пов’язана з істотним розходженням коефіцієнтів дифузії різ­них газів через матеріал мембрани. Як правило, С02 швидше про­ходить через мембрану, ніж СН4. Для отримання досить високої продуктивності методу газ необхідно компримірувать до тиску близько 1 МПа.

Відомі дослідні роботи і патенти на пристрої з розділення компонент біогазу мембранним методом [131]. У 90-х рр.. в Інсти­туті газу НАН України було виконано комплексне дослідження можливостей такої технології поділу [131]. Використовувалися мембранні роздільні елементи з плоскими (плівковими) або труб­частими (волоконними) полімерними мембранами російського ви­робництва. Найкращих показників по СН4 (94,7 %) вдалося добити­ся за допомогою волоконної мембрани з полі-4-метілпентена-1. Для виділення С02 найкращими виявилися плівкова мембрана МДК-21 (карбоксил) і волоконна мембрана (полі-4-метілпентен-1). Виявлена також осушуюча здатність мембран. Однак, технологія мембранно­го розділення досить складна, вимагає значних енерговитрат, відсу­тні вітчизняні газороздільні елементи (блоки) великої продуктивно­сті [336].

Однак, прогрес в області створення мембранних роздільних

установок для біогазу триває. В університеті м. Сіракузи (штат

_ „ ^ _ _ _ _ _

Нью-Йорк, СІЛА) випробовується комбінована експериментальна система, що складається з біореактора і очисного блоку на основі полімерних трубчастих мембран для розділення СН4 і С02. Про дук-

о

тивність установки близько 1 м /год., робочий тиск близько 3 МПа, чистота одержуваного в системі метану більше 90 % [337].

Хімічна абсорбція С02 з біогазу. Газоподібний С02 добре поглинається холодною водою, вапняним розчином у воді, водним розчином бікарбонату та іншими рідкими поглиначами. Цей метод широко використовується у вугільно-кислотній промисловості для видобування С02 з димових газів. Найбільш ефективними поглина­чами є H2NCH2CH2OH (моноетаноламін) і (СН3СОО)зС3Н5 (тріаце — тат гліцерину).

Роботи в цьому напрямку велися в Києві (Институт газу НАН України). На початку 90-х рр.. Інститутом газу був запропонований проект установки для збагачення біогазу метаном при барботуванні його через колону з холодною водою. Воду можна було регенеру­вати нагрівом її із зворотним виділенням С02. Проект призначався для метантенків Бортницьких очисних споруд каналізаційних стіч­них вод у Києві. Продуктивність установки по сировинному біогазу

о

10 тис. нм /добу, тиск в блоці очищення 1,2 МПа, витрата води 26 м /год. На жаль, проект не був реалізований. Була розроблена нова аналогічна установка зі збагачення біогазу метаном (комплекс під­готовки біогазу) з використанням більш ефективного хімічного рід­кого поглинача [338].

Американська фірма "Consortium Management Group" розміс­тила в мережі Інтернет інформацію про розробку сепаратора С02, що працює на принципі абсорбції, для звалищного біогазу.

Цікавий проект комбінованої системи з виробництва та одно­часного очищення біогазу розробляється в Росії Московським дер­жавним університетом ім. М. І. Ломоносова та Інститутом нафтохі­мічного синтезу РАН. Біореактор інтегрований зі скруберною сис­темою поглинання С02 рідким розчинником (так званий мембран­ний рідкий контактор). При зустрічному русі потоку біогазу, що виділяється та потоку абсорбенту С02 з біогазу видаляється, а практично чистий СН4 виводиться з пристрою. Ступінь чистоти СН4 може бути доведена до 95 %.

Розділення компонент біогазу методом короткоциклової адсорбції (КЦА). Техніка розділення газових сумішей методом ко­роткоциклової безнагрівної адсорбції за останнє десятиліття досяг­ла дуже високого рівня. Ідея методу полягає в тому, що на спеціа­льно підібраних вуглецевих або алюмосилікатних адсорбентах ве­личина фізичної адсорбції (тобто кількість поглинаємого газу) для різних компонентів суміші істотно розрізняється і сильно залежить від тиску газу. Процес відбувається при постійній (звичайно кімна­тній) температурі. Суміш газів подається в адсорбер, заповнений необхідним адсорбентом, під тиском у кілька атмосфер. Тиск у ад­сорбері знижується за заданою програмою. При цьому спочатку виходить більш летюча компонента суміші, а потім менш летюча. Потім цикл повторюється. Час одного циклу звичайно не переви­щує декількох хвилин. Для отримання більшого ступеню розділен­ня може використовуватися кілька послідовних адсорберів. Засто­сування методу КЦА дозволяє одночасно виділяти С02 з біогазу й очищати його в основному від H2S. У Німеччині, Франції, США, Японії випускаються великі установки для розділення повітря, отримання водню з газових сумішей та інших цілей.

Метод КЦА дуже перспективний для розділення біогазу. Най­більш важливим у технології є вибір ефективного адсорбенту — мо­лекулярного сита, оскільки основні компоненти біогазу СН4 і С02 сильно розрізняються по адсорбційної ємності для всіх адсорбентів. Були проведені детальні дослідження придатності природних і син­тетичних цеолітів українського виробництва для розділення біогазу методом КЦА і обрані оптимальні адсорбенти [339]. Проектується дослідно-промислова розділова установка.

Аналогічні роботи ведуться і в інших країнах. Німецька фірма "Carbo Tech" розробила декілька модифікацій установок на прин­ципі КЦА для розділення біогазу [339].

Кріоадсорбційне розділення біогазу. У кріогенних методах розділення газових сумішей при пониженні температури різко зро­стають коефіцієнти розділення при адсорбційних процесах та за­снованих на фазових переходах в двокомпонентних системах. Ці методи характеризуються компактністю обладнання, високим сту­пенем розділення сумішей, екологічною чистотою технологій. У Національному Науковому Центрі «Харківський Фізико-технічний інститут» розробляється декілька кріогенних технологій розділення компонентів біогазу. Однією з них є кріоадсорбційна технологія, заснована на високій селективній адсорбції С02 з потоку біогазу при його пропусканні через шар адсорбенту (цеоліту) при пониже­ній температурі. Досліджені перспективні для цієї мети синтетичні цеоліти, вибрані оптимальні робочі температури, тиски та швидко­сті потоку біогазу [340]. Розроблена і сконструйована дослідна промислова установка [341 ].

Установка передбачає наявність двох паралельних поперемін­но працюючих адсорберів, один з яких охолоджений і працює як поглинач С02, а другий при цьому проходить регенерацію нагрі­ванням до 100 °С з виділенням С02. Робочий адсорбер охолоджу­ється за допомогою стандартного холодильного агрегату. Технічні характеристики установки: продуктивність по біогазу — 50 нм /год.; робочий тиск < 0,2 МПа; робоча температура адсорбера — мінус (10…25) °С; середня споживаєма потужність — 50 кВт; ступінь чис­тоти одержуваних продуктів (СН4 і С02) <1% домішки. Установка передбачає наявність попередніх модулів по осушенню біогазу і очищенню його від H2S. Зарубіжних аналогів такої установки ми не знаємо.

Кріодистиляційне розділення біогазу. Якщо біогаз сконден­сувати в рідку або тверду фазу, а потім поступово відігрівати, то відповідно до діаграми фазової рівноваги відбуватиметься поділ його компонент при переході системи в газову фазу (процес повніс­тю аналогічний розділенню водно-спиртової суміші при її нагрі­ванні ). Детально вивчена і побудована фазова діаграма бінарної системи СН4-С02; досліджено процеси концентраційної релаксації в концентраційно-гетерогенній газовій системі СН4-С02 [342-343]. На основі цих досліджень розроблені технологія та лабораторна установка по кріодистиляційному розділенню і компримірюванню компонент біогазу [343-344].

Процес поділу та відбору компонент біогазу відбувається на­ступним чином. У спеціальний сосуд високого тиску, охолоджений у нижній частині до температури рідкого азоту (78 К), подається біогаз з атмосферним тиском; при цьому весь біогаз конденсується у тверду фазу без поділу компонент. Потім сосуд закривається вен­тилем і починає відігріватися до кімнатної температури. Спочатку з конденсату бурхливо виходить СН4 і накопляється у верхній части­ні сосуду, потім випаровується С02, а метан залишається вгорі і стискується. У кінцевому підсумку в посудині утворюється гетеро­генна газова система з різким розподілом компонент по висоті со­суду. Тиск у посудині зростає до декількох десятків МПа, в залеж­ності від кількості сконденсованого біогазу (ефект кріокомпресії). Концентраційна релаксація (перемішування) в такій системі відбу­вається дуже повільно, і при скиданні газу з сосуду за спеціальною програмою можна отримати досить чисті компоненти біогазу під підвищеним тиском. Спосіб і пристрій на його основі захищені па­тентами України [345-347]. Розроблено технічну документацію на дослідно-промислову установку на основі запропонованої кріодис- тиляційної технології [244]. Така установка практично не споживає електроенергію. Витратним матеріалом є тільки холодоагент рідкий азот. Продуктами технологічного процесу розділення біогазу є га­зоподібний СН4 під тиском до 25 МПа і рідкий С02 під тиском до 10 МПа. Таким чином, одночасно здійснюються два процеси: роз­ділення і компримірування компонент біогазу. Технічні характери — стики установки: продуктивність по біогазу — 50 нм /год; домішки інших компонент у розділених СН4 і С02 — 4… 6 %; витрата хол одо — агенту — до ЗО л рідкого азоту на 15 нм біогазу. Установка передба­чає наявність шести поперемінно працюючих розділових елементів, що забезпечує безперервність технологічного процесу. Маються блоки осушення і очищення біогазу. Закордонних аналогів такої установки не мається.

Інші кріогенні методи. У літературі обговорювалися і деякі інші криогенні підходи до вирішення проблеми розділення компо­нент біогазу. На початку 90-х рр.. кілька оригінальних ідей висло­вив у пресі В. Г. Некрасов — ентузіаст впровадження біогазових тех­нологій в СРСР. У [31] запропонована схема охолодження біогазу з випаданням кристалів С02, що видаляються центрифугуванням. Ця схема не була реалізована технічно. У [348-349] описано виробниц­тво рідкого метану зрідженням біогазу в рефрижераторі Віллеміра. Зріджена фракція звільняється від кристалів С02 фільтрацією. Ме­тод цікавий тим, що надалі в якості моторного палива використову­ється зріджений метан.

Даний розділ не є джерелом вичерпної інформації по всім ме­тодам, технологіям і реально розробленим установкам підвищення якості біогазу. При широкому впровадженні біогазової техніки в Україні, яке, безсумнівно, буде відбуватися у найближчому часі, необхідно орієнтуватися на найновіші досягнення в області най­більш раціонального використання цього поновлюваного джерела енергії.

7.2 Основні відомості про вуглекислий газ та сірководень

Біогаз містить баластові і шкідливі домішки, здатні отруюва­ти каталізатори, викликати корозію і забруднення апаратури. Для видалення цих домішок газ піддається очищенню.

У виробництві біогазу гази очищають від сірчистих з’єднань, двоокису й окису вуглецю. У залежності від необхідного ступеня очищення умовно розрізняють грубе, середнє і тонке очищення. Часто для досягнення необхідної, особливо високого, ступеня очи­щення застосовують кілька послідовних ступенів очищення. При цьому в кожній ступені створюються найбільш ефективні й еконо­мічні умови роботи.

Основні властивості забруднювачів:

1. Двооксиди вуглецю (вуглекислий газ, двоокис вуглецю, вуглекисло­та) — це кислотний оксид, що здатний обмежено розчинятися у воді і добре взаємодіє з лугами, розчинами солей, що володіють лужними властивостями, карбонатами натрію і калію, органічними сполуками, що містять гідроксиль­ні групи (етаноли) і при зниженій температурі і підвищеному тиску добре ро­зчиняється в спиртах (метанолі, ацетоні й інших органічних розчинниках).

2. Сірководень — безбарвний газ з характерним запахом білка, який гниє. Він трохи важчий за повітря, зріджується при -60,8 °С, затвердіває при -85,7 °С. На повітрі сірководень горить з утворенням діоксиду сірки і води.

Комментарии запрещены.