Технология декарбонизации и очистки биогаза с высоким коэффициентом выхода и низкими затратами — Сычуаньская технологическая группа «Хунху»

Thread Content

Технология декарбонизации и очистки биогаза с высоким коэффициентом извлечения и низкими затратами / Ван Бинь, Хуан Цзяху (Компания Sichuan Honghu Technology Group Co., Ltd., Чэнду, Сычуань, 610036)
Аннотация: В статье рассматривается текущее состояние технологий очистки биогаза. По результатам анализа и сравнения можно сделать вывод, что использование технологии декарбонизации на основе процесса адсорбции при высоком коэффициенте извлечения (99%) позволяет значительно снизить затраты на очистку биогаза, повысить его качество и рентабельность, а также уменьшить выбросы парниковых газов. Это делает данную технологию разумным выбором для комплексного использования биогаза на высоком уровне. Ключевые слова: биогаз, очистка, декарбонизация, адсорбция при изменении давления, высокий уровень восстановления, низкая стоимость. 1. Введение Энергия является важной материальной основой для развития экономики и общества. Помимо гидроэнергии, биоэнергия является наиболее широко используемым источником возобновляемой энергии, причем биогаз представляет собой ключевую область её развития. Ожидается, что к 2020 году годовой объем использования биогаза в Китае достигнет 44 миллиардов кубических метров. Из-за таких факторов, как экономические и технические ограничения, в настоящее время внутри страны значительная доля приходится на небольшие масштабы производства биогаза и его использование в примитивных целях. Однако трансформация производства биогаза – то есть переход к более крупным масштабам производства и использованию его в более сложных целях – является неизбежной тенденцией развития этой отрасли. Состав биогаза сложен: в зависимости от исходных материалов и процесса ферментации меняется состав газа. Основным компонентом является метан – его доля составляет примерно 50–70% от общего объема газа. Углекислый газ составляет около 25–40%. Остальные газы, такие как N2, O2, H2S, H2O, CO, H2, NH3, галогенированные углеводороды, силоксаны и т. д., составляют примерно 5% [1]. Примесные газы в процессе использования биогаза могут оказывать ту или иную негативную влияние, поэтому без очистки биогаз сложно использовать его в высокотехнологичных целях. Поскольку CO2 составляет подавляющую часть примесей в газе, затраты на декарбонизацию в значительной степени определяют стоимость очистки биогаза. Ниже мы подробно рассмотрим технологии декарбонизации биогаза. 2. Краткое описание технологий удаления примесей из биогаза с низким содержанием примесей 2.1 Насыщенный водяной пар, содержащийся в биогазе, можно удалять с помощью методов конденсации, адсорбции или использования веществ с высокой способностью к поглощению воды【2】. 2.2 Сульфиды в десульфуризованном биогазе представляют серьезную опасность: H2S является токсичным веществом, а при взаимодействии с H2O он разрушает оборудование. При сгорании образуются SOX, которые загрязняют атмосферу. Технологии десульфуризации биогаза делятся на две категории: десульфуризация в месте производства и десульфуризация биогаза. При большом объеме биогаза или высоком содержании серы необходимо применять метод грубой десульфурации во влажной среде. Этот метод имеет сложную технологию и высокие затраты на эксплуатацию; кроме того, он обычно не позволяет устранить органический сер. [2] Сухой метод подходит в случаях, когда объем биогаза невелик или содержание серы низкое. Он прост в эксплуатации, требует небольших инвестиций в оборудование, и позволяет удалять различные органические соединения серы до уровня в ppm. Кроме того, существуют новые методы десульфуризации, такие как мембранная сепарация, адсорбция при изменяющемся давлении и биологическая десульфуризация. 2.3 Удаление других примесей. Концентрация других примесей невелика, и их обычно можно удалить с помощью существующих устройств для очистки или выделения [2]. Если в некоторых отраслях существуют особые требования, например при использовании в газотурбинных установках, силоксаны можно поглощать с помощью смесей углеводородов, а галогенированные углеводороды — с помощью специального активированного угля, обеспечивающего адсорбцию при изменяющихся температурах [3]. 3. Краткое введение в технологии удаления CO2. Технологии декарбонизации биогаза в основном заимствованы из химической промышленности и включают физическую абсорбцию, химическую абсорбцию, адсорбцию при изменении давления, мембранную сепарацию и т. д. Поскольку объем обработки биогаза невелик, следует уделять больше внимания миниатюризации и энергосбережению. Физическое поглощение основано на свойстве кислородсодержащих газов иметь более высокую растворимость в растворе, чем CH4, что используется для удаления CO2. Раствор восстанавливается путем снижения давления, флэш-дистилляции, газоотбора и т. д. Наиболее часто используется метод высоконапорной промывки [2,3]. Химическое поглощение основано на принципе обратимой реакции химических веществ и кислородсодержащих газов в растворе для удаления CO2. Поглощение раствора при низких температурах и восстановление его при высоких температурах — типичный пример для метода на основе спиртовых аминов [1,2]. В процессе производства биогаза не образуется пар как побочный продукт; пар для регенерации раствора генерируется специально, что является сложным процессом, требует больших затрат биогаза и снижает его выход. Мембранная сепарация использует особенность различной скорости растворения и диффузии отдельных газовых компонентов в полимерных материалах; под действием разницы давлений по обе стороны мембраны происходит различная скорость проникновения этих компонентов через стенку волокнистой мембраны, что позволяет осуществить их разделение [2]. Существует два вида методов мембранной сепарации: сепарация под высоким давлением в газофазе и сепарация путем абсорбции в газо-жидкостной фазе при низком давлении. Трансформативная адсорбция использует принцип различной способности поверхности адсорбента к адсорбции составляющих биогаза для удаления CO2. Этот метод характеризуется высоким уровнем автоматизации, стабильной работой, длительным сроком службы оборудования и низкими затратами на очистку [1,2,4]. Однако у традиционных устройств на основе трансформативной адсорбции наблюдается значительная потеря CH4. При концентрации CH4 в диапазоне 90–95% коэффициент восстановления может достигать максимума в 90%【8,10,11】, тогда как при более низких значениях он составляет менее 60%【9». Этот недостаток ограничивает применение процесса трансформационной адсорбции в области очистки биогаза. Ключ к решению проблемы низкой степени восстановления CH4 заключается в использовании эффективных адсорбентов, цель которых — повысить коэффициент разделения смеси CH4/CO2 и увеличить объем адсорбции CO2. Благодаря использованию современных технологий как из страны, так и за рубежом [6,7], компания Honghu Technology разработала специальный адсорбент для очистки биогаза. Благодаря ему удается добиться степени восстановления CH4 на уровне 99%; содержание CH4 в отходящих газах составляет менее 1%. Чистота получаемого газа достигает 97–99% (можно регулировать). У этого адсорбента большая емкость адсорбции и высокий коэффициент разделения, что позволяет сократить размеры устройства, уменьшить общую стоимость инвестиций и снизить эксплуатационные расходы. 4. Сравнение технологий декарбонизации биогаза 4.1 Показатели исходного газа В качестве исходного газа для сравнения различных технологий используется биогаз с показателями, приведенными в таблице 1. Таблица 1. Параметры исходного газа
Параметр | Значение
---|---
Поток (Нм3/д) | 20000
Давление (кПаГ) | 5
Температура (°C) | 40
Содержание CH4 (%) | 57
Содержание CO2 (%) | 41
Содержание других компонентов (%) | 2
4,2

Стоимость установок для декарбонизации и очистки биогаза, разработанных компанией Honghu Technology, ниже, чем при использовании традиционных методов адсорбции под давлением. Она также ниже, чем при использовании методов MDEA и мембранной сепарации. При этом стоимость таких установок немного выше, чем при использовании метода высокодавленной промывки [1,2,3,4,5,8,9]. 4.3 Уровень восстановления метана file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png Устройство для декарбонизации и очистки биогаза от компании Honghu Technology обеспечивает уровень восстановления метана на уровне 99%, что выше, чем у других устройств для очистки [1,2,3,4,5,8,9]. 4.4 Расходы на эксплуатацию file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png Примечание: давление выхода готового продукта всегда принимается равным 0,8 МПа. Расходы на эксплуатацию устройства для декарбонизации и очистки биогаза от компании Honghu Technology значительно ниже, чем у других технологий【1». 5. Заключение. Технология декарбонизации и очистки биогаза с использованием процесса трансформационной адсорбции, разработанная компанией Sichuan Honghu Technology Group Co., Ltd., обладает значительными преимуществами: высокий уровень автоматизации, простота в эксплуатации, безопасность и экологичность. Кроме того, она позволяет сократить затраты на инвестиции и операционные расходы; коэффициент восстановления CH4 составляет 99%, что превышает международные и отечественные стандарты. Список литературы: Хао Вэй. Технологии и экономическая эффективность преобразования биогаза в природный газ (CNG). Цзян Хао и др. Технологии очистки и переработки биогаза с целью получения биометана и их применение. China Biogas, 2012.30(2): 6–11. Сун Цаньхуэй и др. Современное состояние технологий очистки биогаза. China Biogas, 2007.25(4): 23–27. Чжэн Фэн и др. Высокоэффективное использование биогаза и технологии его очистки. Environmental Science and Technology, 2012.11: 103–108. Ли Донг и др. Современное состояние ресурсов биогаза в Китае и перспективы его применения. Modern Chemical Industry, 2009.4: 1–5. Юй Синьцзян и др. Получение пористого углерода с помощью метода шаблонов и процесс адсорбции CH4/N2/CO2. Petrochemical Engineering, 2016.2: 221–226. Ли Тунг и др. Модификация активного угля и его свойства в процессе адсорбции CO2/CH4. Journal of Coal Science, 2011.12: 2012–2017. Чэнь Сян и др. Современное состояние технологий очистки биогаза с целью получения биометана. Agricultural Engineering, 2012.7: 30–34. Ли Шэн и др. Развитие технологий получения высокочистого биометана из биогаза. Modern Chemical Industry, 2014.11: 19–23. Sichuan Yalian High-Tech Co., Ltd. Метод извлечения метана из биогаза. Китайский патент: CN200910060286, 2010-09-01. Sichuan Yalian High-Tech Co., Ltd. Метод извлечения метана из газов, образующихся при захоронении отходов. Китайский патент: CN200810045223, 2008-07-16.