فناوری تصفیه گاز بیوگاز با بازدهی بالا و هزینه کم – گروه فناوری هونگهو در سیچوان

Thread Content

فناوری تصفیه گاز بیوگاز با بازدهی بالا و هزینه کم برای حذف کربن – وانگ بین، هوانگ جیاهو (شرکت گروه فناوری هونگهو در سیچوان، چنگدو، سیچوان ۶۱۰۰۳۶)
خلاصه: در این مقاله، وضعیت فناوری‌های تصفیه گاز بیوگاز مورد بررسی قرار گرفته است. از طریق تحلیل و مقایسه، نشان داده شده که استفاده از فناوری جذب تحت فشار با بازدهی بالا (۹۹٪) برای حذف کربن، می‌تواند هزینه‌های تصفیه گاز بیوگاز را به طور قابل توجهی کاهش دهد، باعث افزایش تولید و سودآوری شود و همچنین میزان گازهای گلخانه‌ای تولید شده را کاهش دهد؛ بنابراین این روش گزینه مناسبی برای استفاده چندمنظوره از گاز بیوگاز است. کلمات کلیدی: گاز بیوگاز، خالص‌سازی، حذف کربن، جذب تحت فشار، نرخ بازیابی بالا، هزینه پایین ۱. مقدمه انرژی، پایه مادی مهمی برای توسعه اقتصادی و اجتماعی است. علاوه بر انرژی آبی، انرژی بیولوژیکی پرکاربردترین منبع انرژی تجدیدپذیر است و گاز بیوگاز یکی از حوزه‌های کلیدی در توسعه آن محسوب می‌شود. پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۲۰، میزان استفاده سالانه چین از گاز بیوگاز به ۴۴ میلیارد متر مکعب برسد. به دلیل محدودیت‌هایی مانند عوامل اقتصادی و فنی، در حال حاضر بخش قابل توجهی از گاز بیوگاز در کشور برای استفاده‌های کوچک و سطح پایین به کار می‌رود؛ اما تحول و بهبود فرآیند تولید گاز بیوگاز، یعنی تولید در مقیاس بزرگتر و استفاده از آن در کاربردهای پیشرفته‌تر، روند اجتناب‌ناپذیر توسعه این صنعت است. ترکیب گاز باتلاقی پیچیده است؛ با توجه به مواد اولیه مختلف و فرآیندهای تخمیر متفاوت، ترکیب گازها نیز متفاوت می‌شود. جزء اصلی این گاز، CH4 است که حدود ۵۰٪ تا ۷۰٪ از حجم کل گاز را تشکیل می‌دهد؛ CO2 نیز حدود ۲۵٪ تا ۴۰٪ از حجم کل گاز را تشکیل می‌دهد. سایر گازها مانند N2، O2، H2S، H2O، CO، H2، NH3، هالوژن‌ها و سیلوکسان‌ها، حدود ۵٪ از حجم کل گاز را تشکیل می‌دهند【۱】. گازهای ناخالص موجود در آن، در فرآیند استفاده از گاز بیوگاز، تا حدی تأثیرات منفی دارند؛ بنابراین، به سختی می‌توان از گاز بیوگاز بدون تصفیه، برای استفاده‌های پیشرفته و چندمنظوره استفاده کرد. از آنجایی که CO2 بخش عمده‌ای از گازهای ناخالص را تشکیل می‌دهد، هزینه‌های حذف کربن تا حد زیادی تعیین‌کننده هزینه‌های تصفیه گاز بیوگاز است؛ در ادامه به بررسی فناوری‌های حذف کربن از گاز بیوگاز خواهیم پرداخت. ۲. مقدمه‌ای بر فناوری حذف ناخالصی‌های گاز بیوگاز با محتوای پایین ۲.۱ بخار آب اشباع موجود در گاز بیوگاز خشک شده را می‌توان با روش‌های تقطیر، جذب یا استفاده از مواد جاذب آب حذف کرد【۲】. ۲.۲ سولفیدها در گاز متانول‌زدایی شده، خطرات زیادی دارند؛ H2S سمی است و هنگام ترکیب با H2O باعث خوردگی تجهیزات می‌شود. همچنین، پس از احتراق، SOX تولید می‌شود که باعث آلودگی هوا می‌گردد. فناوری گوگردزدایی گاز بیولوژیکی به دو دسته اصلی، گوگردزدایی در محل و گوگردزدایی گاز بیولوژیکی، تقسیم می‌شود. هنگامی که مقدار گاز باتری یا میزان گوگرد آن زیاد باشد، باید از روش خنک برای حذف کربنات استفاده کرد. این روش از نظر فنی پیچیده است، هزینه عملیاتی آن بالاست و معمولاً قادر به حذف گوگرد آلی نیست [۲]. روش خشک برای مواردی که مقدار گاز بیوگاز کم یا میزان گوگرد پایین است، مناسب است؛ این روش ساده است، هزینه تجهیزات آن کم است و می‌تواند انواع مختلف گوگرد آلی را تا سطح ppm حذف کند. علاوه بر این، روش‌های نوین دیگری برای حذف گوگرد مانند جداسازی با غشا، جذب تحت فشار متغیر و حذف گوگرد به روش زیستی وجود دارد. ۲.۳ حذف ناخالصی‌های دیگر: میزان ناخالصی‌های دیگر کم است و معمولاً می‌توان آن‌ها را در واحدهای تصفیه یا خالص‌سازی موجود حذف کرد【۲】. اگر صنایع خاصی نیازهای ویژه‌ای داشته باشند، مثلاً هنگام استفاده در توربین‌های گازی، سیلوکسان‌های موجود را می‌توان با محلول‌های مخلوط هیدروکربن‌ها جذب کرد و هیدروکربن‌های هالوژن‌دار را می‌توان با استفاده از فعال‌سازی‌های ویژه، از طریق جذب در دماهای مشخص، حذف کرد [۳]. ۳. معرفی فناوری‌های حذف CO2: فناوری‌های کاهش کربن در گاز بیوگاز عمدتاً از صنعت شیمیایی نشأت گرفته‌اند و شامل جذب فیزیکی، جذب شیمیایی، جذب تحت فشار متغیر، جداسازی با غشا و غیره می‌باشند. از آنجایی که حجم پردازش گاز باتلاقی کم است، باید بیشتر به کوچک‌سازی و صرفه‌جویی در مصرف انرژی توجه کرد. جذب فیزیکی از ویژگی حلالیت گازهای اسیدی در محلول که بیشتر از CH4 است، برای حذف CO2 استفاده می‌کند. محلول از طریق کاهش فشار، استریل‌سازی با بخار، استخراج گازی و روش‌های مشابه بازسازی می‌شود. روش شستشوی آب با فشار بالا بیشترین کاربرد را دارد [۲، ۳]. جذب شیمیایی برای حذف CO2، از اصل واکنش معکوس مواد شیمیایی و گازهای اسیدی موجود در محلول استفاده می‌کند. جذب در دماهای پایین و بازسازی در دماهای بالا؛ نمونه‌ی معمول آن روش آلکوهول‌آمین است [۱، ۲]. فرآیند تولید گاز بیوگاز، بخار فرعی تولید نمی‌کند؛ بخار مورد نیاز برای بازسازی محلول، به طور ویژه تهیه می‌شود که هم پرزحمت است و هم گاز بیوگاز را مصرف می‌کند و باعث کاهش تولید می‌شود. جداسازی با روش غشایی، از ویژگی متفاوت بودن سرعت حل و انتشار اجزای مختلف گازها در پلیمرهای پلیمری استفاده می‌کند؛ تحت تأثیر تفاوت فشار در دو سمت غشا، سرعت نفوذ این اجزا از طریق دیواره غشا متفاوت می‌شود و در نتیجه آن‌ها از یکدیگر جدا می‌گردند [۲]. روش‌های جداسازی با فیلتر، شامل روش جداسازی فاز گازی در فشار بالا و روش جداسازی فیلتری جذب فاز گازی-مایعی در فشار پایین می‌باشد. جذب تغییرفشار از اصل تفاوت توانایی جذب اجزای مختلف گاز بیوگاز توسط سطح جاذب برای حذف CO2 استفاده می‌کند. این روش دارای سطح بالایی از خودکارسازی، عملکرد پایدار، عمر طولانی دستگاه و هزینه کم تصفیه است【۱،۲،۴】. اما دستگاه‌های جذب تغییر فشار سنتی، دچار اتلاف زیاد CH4 می‌شوند. هنگامی که غلظت CH4 بین ۹۰٪ تا ۹۵٪ باشد، نرخ بازیابی حداکثر تا ۹۰٪ خواهد بود【۸،۱۰،۱۱】، و در مواردی که غلظت پایین‌تر باشد، این نرخ کمتر از ۶۰٪ خواهد بود【۹】. این نقص، کاربرد جذب تغییر فشار در زمینه تصفیه گاز بیوگاز را محدود می‌کند. کلید حل مشکل نرخ بازیابی پایین CH4، استفاده از جاذب‌های با کارایی بالا است؛ هدف این کار، افزایش ضریب جداسازی مخلوط CH4/CO2 و همچنین افزایش ظرفیت جذب CO2 است. با الهام گرفتن از جدیدترین فناوری‌های داخلی و خارجی [6,7]، شرکت هونگهو تکنولوژی یک جاذب ویژه برای تصفیه گاز بیوگاز توسعه داده است که می‌تواند بازیابی CH4 را تا ۹۹٪ افزایش دهد، میزان CH4 در گازهای خروجی را زیر ۱٪ نگه دارد و خلوص گاز تولیدشده را بین ۹۷٪ تا ۹۹٪ (قابل تنظیم) برساند. این جاذب، ظرفیت جذب بالا و ضریب جداسازی بالایی دارد که به طور مؤثر اندازه تجهیزات را کاهش داده، هزینه‌های کلی سرمایه‌گذاری را کمتر کرده و هزینه‌های عملیاتی را نیز پایین می‌آورد. ۴. مقایسه فناوری‌های تصفیه و کاهش کربن گاز باتلاقی
۴.۱ شاخص‌های گاز خام: گاز باتلاقی با شاخص‌های ذکر شده در جدول ۱، به عنوان گاز خام برای مقایسه فناوری‌های مختلف استفاده شده است. جدول ۱: شاخص‌های گاز خام
موارد: جریان (Nm3/d)، فشار (kPaG)، دما (℃)، CH4 (V%)، CO2 (V%)، سایر ترکیبات (V%)
شاخص‌ها: ۲۰۰۰۰، ۵، ۴۰، ۵۷، ۴۱، ۲، ۴.۲
هزینه سرمایه‌گذاری: هزینه سرمایه‌گذاری برای دستگاه‌های تصفیه و کاهش کربن گاز بیوگاز تولید شده توسط شرکت هونگهو، کمتر از روش جذب تحت فشار سنتی است؛ همچنین کمتر از روش‌های MDEA و جداسازی با فیلترها نیز می‌باشد. این هزینه کمی بیشتر از روش شستشو با آب در فشار بالا است [۱، ۲، ۳، ۴، ۵، ۸، ۹]. ۴.۳ نرخ بازیابی متان: دستگاه تصفیه گاز بیوگاز تولید شده توسط شرکت هونگهو، نرخ بازیابی متان را به ۹۹٪ می‌رساند؛ که این میزان بالاتر از سایر دستگاه‌های تصفیه است [۱، ۲، ۳، ۴، ۵، ۸، ۹]. ۴.۴ هزینه‌های عملیاتی: file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png
توجه: فشار خروجی گاز محصول، به طور یکسان برابر با ۰.۸ MPa در نظر گرفته شده است. هزینه عملیاتی دستگاه تصفیه و حذف کربن گاز بیوگاز تولید شده توسط شرکت هونگهو، به مراتب کمتر از سایر فناوری‌ها است【۱】. ۵. نتیجه‌گیری: فناوری تصفیه و کاهش کربن گاز بیوگاز از طریق جذب تغییر فشار، که توسط شرکت سیچوان هونگهو کیجی گروپ لیمیتد توسعه یافته است، علاوه بر داشتن سطح بالای خودکارسازی، سادگی در استفاده و ویژگی‌های ایمنی و زیست‌محیطی، مزایای قابل توجهی مانند هزینه سرمایه‌گذاری کم، هزینه‌های عملیاتی پایین و نرخ بازیابی ۹۹٪ از CH4 که بالاتر از استانداردهای بین‌المللی و داخلی است، را نیز دارد. منابع:
هائو وی. فرآیندها، تکنولوژی‌ها و جنبه‌های اقتصادی تبدیل گاز بیوگاز به گاز طبیعی (CNG). جیانگ هائو و همکاران. تکنولوژی‌ها و کاربردهای تصفیه و خالص‌سازی گاز بیوگاز برای تولید متان زیستی. مجله چینی گاز بیوگاز، ۲۰۱۲، شماره ۳۰(۲): صفحات ۶-۱۱.
سونگ کانهوی و همکاران. وضعیت فعلی تکنولوژی‌های تصفیه گاز بیوگاز. مجله چینی گاز بیوگاز، ۲۰۰۷، شماره ۲۵(۴): صفحات ۲۳-۲۷.
ژن فنگ و همکاران. استفاده بهینه از گاز بیوگاز و تکنولوژی‌های تصفیه و خالص‌سازی آن. مجله علوم و فنون محیطی، ۲۰۱۲، شماره ۱۱: صفحات ۱۰۳-۱۰۸.
لی دونگ و همکاران. وضعیت فعلی منابع گاز بیوگاز در چین و چشم‌اندازهای کاربردی آن. مجله صنایع شیمیایی مدرن، ۲۰۰۹، شماره ۴: صفحات ۱-۵.
یو شینجیانگ و همکاران. روش تهیه کربن متخلخل با استفاده از روش الگوسازی و جداسازی CH4/N2/CO2. مجله صنایع نفت و شیمیایی، ۲۰۱۶، شماره ۲: صفحات ۲۲۱-۲۲۶.
لی تونگ و همکاران. تغییرات در خواص کربن فعال و تأثیر آن بر قدرت جذب CO2/CH4. مجله علوم زغال‌سنگ، ۲۰۱۱، شماره ۱۲: صفحات ۲۰۱۲-۲۰۱۷.
چن شیانگ و همکاران. وضعیت فعلی تکنولوژی‌های تصفیه و خالص‌سازی گاز بیوگاز برای تولید متان زیستی. مجله مهندسی کشاورزی، ۲۰۱۲، شماره ۷: صفحات ۳۰-۳۴.
لی شنگ و همکاران. پیشرفت‌های تکنولوژی‌های تصفیه گاز بیوگاز برای تولید متان با خلوص بالا. مجله صنایع شیمیایی مدرن، ۲۰۱۴، شماره ۱۱: صفحات ۱۹-۲۳.
شرکت سیچوان یالیان کیوتک لیمیتد. روشی برای استخراج متان از گاز بیوگاز. حق اختراع چین: CN200910060286، تاریخ ۱ سپتامبر ۲۰۱۰.
شرکت سیچوان یالیان کیوتک لیمیتد. روشی برای استخراج متان از گاز حاصل از محل‌های دفن زباله. حق اختراع چین: CN200810045223، تاریخ ۱۶ ژوئیه ۲۰۰۸.