Очистка биогаза как комплекс мер по удалению из биометана сероводорода, углекислого газа, влаги и других нежелательных примесей

В рамках обеспокоенности мирового сообщества возможным исчерпанием природных углеводородов, все больше сельских и фермерских хозяйств, тепличных комплексов, птицефабрик, коровников, свинарников, овчарен, спиртовых, винных и сахарных заводов внедряют биоэнергетические установки и устанавливают сопутствующее оборудование для очистки биогаза и доведения его до чистоты моторного топлива.

^{Презентационный ролик ООО "ПЗГО"}

Запрос расчета стоимости очистной установки или углубленная консультация

Общие сведения о биогазе и обоснование необходимости удаления нежелательных примесей

В общем понимании биогаз рассматривается как неочищенный комплекс газообразных и аэрозольных компонентов, возникающий в результате декомпозиции / гниения / бактериального разложения биомассы – сложносоставного органического конгломерата растительных и животных белков, аминокислот и других соединений, содержащих углерод.

В естественных условиях биогаз в огромных количествах образуется – в результате анаэробного гниения – на дне стоячих водоемов, в заболоченных местностях и имеет название «болотный газ» (англ. Marsh Gas). К сожалению, сбор газобиотоплива в таких условиях крайне затруднителен.

Интересный факт: блуждающие огни, наблюдаемые в ночное время в лесных топях, на кладбищах, на лугах – ни что иное как биометан, склонный, в некоторых условиях, к самовоспламенению.

^{Самовоспламенение метана над гладью озера Паасселка, Финляндия}

Таким образом, в зависимости от исходного сырья, бактериального драйвера и условий сбраживания, состав биогаза может значительно варьировать, что накладывает определенные условия на выбор рационального способа его очистки от примесей. Для наглядности представим в таблице процентные диапазоны основных и балластных компонентов биологического газа.

Продуктом, представляющим основной интерес переработки, является метан, который после процедуры дегидратации и обогащения представляет собой чистый CH₄, неотличимый по свойствам и калорийности от метана, добываемого традиционным способом.

Осушение и очищение метана от примесей является необходимым в силу следующих причин:

• Влага, присутствующая в биогазе, драматически снижает теплоотдачу и затрудняет горение топлива в камере тепловой установки или ДВС, а также проявляет слабо-коррозионные свойства, окисляя тракты подачи/отвода отработанных компонентов.
• Негорючая углекислота, изначально присутствующая в неочищенном метане как результат деятельности бактерий, присовокупляется к CO₂, выделяющемуся в результате окисления (CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O), что в некоторых случаях способно поднять содержание углекислого газа до точки, при которой горение смеси затрудняется.

• Очистка биогаза от сероводорода – несмотря на то, что содержание H₂S в биометане не превышает 3-5% – является критически важной задачей, поскольку коррозионные свойства сернистого водорода исключительно высоки. Часто, когда говорят об очищении биогаза от примесей, в первую очередь имеют в виду удаление H₂S и сернистых соединений, поскольку разрушительное влияние сульфида водорода на любую металлическую инфраструктуру известно и неоспоримо.

Что касается остальных примесей, то их содержание в сыром газообразном биотопливе настолько незначительно, что, их удалением – при надлежащем выполнении всех остальных очистных процедур – можно пренебречь.

Методы, способы и подходы к очистке и подготовке биологического газа

После обоснования необходимости проведения очистных мероприятий и сепарации газоаэрозольных компонентов, ухудшающих топливные характеристики биометана, следует рассмотреть основные методы и подходы к реализации вышеописанных процедур.

^{Компактный биогазовый завод}

Нередко встречающееся в технической литературе выражение «подготовка биогаза» практически всегда является синонимом очистки метана и полностью соотносится с удалением нежелательных примесей. Хотя, в некоторых редких случаях под подготовкой биологического газа также может подразумеваться его механическое очищение, (в том числе – от пара / тумана / влаги), а также сжижение биогаза в компрессорных установках для его последующей транспортировки.

Несмотря на то, что биометаногенез был открыт еще 1776 году, (а первые практические применения болотного «топлива» датируются 1814 годом), над промышленной фильтрацией биометана ученые задумались лишь в конце 19-го века, в эпоху широкомасштабного внедрения в Англии уличных фонарей, которые утилизировали газообразную смесь – т.н. светильный газ – получаемый в достаточных количествах в результате брожения сточных вод.

К текущему дню можно выделить 3 основных способа подготовки / фильтрации / обогащения биометана: мокрую абсорбцию, сухую десульфуризацию и сероочистку биогаза на этаноламинах (МЭА, ДЭА, МДЭА, аминов с пиперазиновой активацией и др). Рассмотрим подробнее каждый из методов.

Aбсорбционная очистка биогаза от сероводорода

Собственные исследования, на протяжении нескольких лет проводящиеся в лабораториях ООО «ПЗГО», показали, что правильное конструктивное исполнение газофильтующего аппарата и обусловленный конкретными обстоятельствами выбор сорбента позволяют достичь КПД биогазоочистки 96-99%.

^{Одно из исполнений абсорберной системы от ООО "ПЗГО"}

Углубленный анализ химических свойств сольвентов и принципов сиборд-процессов определил метод щелочной абсорбции примесей – при прочих равных обстоятельствах – как максимально эффективный, простой и экономически выгодный подход к мокрому захвату H₂S. И вот почему.

Щелочь одновременно вступает в реакцию с основными загрязнителями биометана – сероводородом и углекислотой – результируя в приемлемые, с точки зрения последующей утилизации, соединения.

Реакция щелочной сорбции (на примере водного раствора NaOH) в базовом случае проходит по следующим путям:

• Взаимодействие с сероводородом – H₂S + NaOH → NaHS (кислая соль – гидросульфид натрия) + H₂O (при избытке щелочи в качестве результанта этой реакции также может образовываться сульфид натрия);
• Частичное взаимодействие с углекислым газом – CO₂ + NaOH → Na₂CO₃ (кальцинированная сода) + H₂O;
• Умеренное поглощение водной составляющей в данном случае идет не по хемособрбционному, а по физиосорбционному процессу – частичная очистка биогаза от влаги происходит благодаря поглощению молекул воды водным раствором едкого натра, циркулирующем в абсорбционной системе;
• В случае присутствия небольшого количества аммиака в очищаемой среде, он также вступает в реакцию с NaOH с образованием воды и нитрида натрия Na₃N.

Гидроксид натрия NaOH – не единственная щелочь, используемая в качестве сольвента для сорбции сероводорода (и – в некоторой степени – углекислоты) из газа биологического генезиса. В качестве фильтрующего раствора могут использоваться и гидроксиды (и солевые растворы) других щелочных и щелочноземельных металлов, проявляющих основные свойства – карбонат натрия, гашеная известь, калиевый щелок, баритовая вода и др.

Установка для абсорбционной фильтрации биометана

Что касается аппаратного форм-фактора, в рамках которого процесс сорбции примесей проходит наиболее эффективно, то максимальная эффективность демонстрируется стационарно-насадочными абсорбционными системами колонного исполнения.

Технологическая установка состоит из следующих ключевых агрегатов:

• колонна с наполнителем (непосредственно абсорбер со стационарным слоем);
• биореактор, осуществляющий регенерацию раствора посредством добавления атмосферного кислорода;
• сепаратор серы (сбор элементарной серы).

Установка исключает занесение воздуха в биогазовую смесь благодаря реализации принципа раздельной регенерации.

В качестве неподвижного насадочного слоя используется массив тел такой геометрии и топологии, при котором достигается высокая удельная поверхность сорбирующего слоя (на объем насадки): кольца Палля, кольца Рашига, седла Инталлокс или иные.

Принцип работы десульфуризирующей установки абсорбционного типа

1. Загрязненный поток подается в колонны очистки, где в массообменной секции он контактирует с щелочным раствором, распыляемым поверх насадочного слоя: щелочной сольвент сорбирует H₂S, (в процессе абсорбции происходит смещение показателя pH раствора в кислую сторону);
2. В циркуляционном баке установлен pH-метр, которой – при снижении значения pH до заданного уровня – подает управляющий сигнал на насос-дозатор, установленный на емкости для приготовления активного фильтрующего раствора;
3. Насос-дозатор подает концентрированную щелочь в абсорберную систему для поддержания заданного уровня pH.

^{Общая схема установки}

Пожалуйста, ознакомьтесь более детально с принципами работы, диапазоном мощностей и габаритов абсорбционных систем, изготавливаемых в ООО «ПЗГО».

Адсорбционная очистка биогаза на цеолитах и иных твердых сорбентах

Другим методом сепарации сероводорода из биогазовой смеси является сухая адсорбция. Являя собой частный случай сорбции, адсорбирование сероводорода представляет собой захват H₂S во внешнем (межфазном) слое поверхности адсорбционного материала.

Множественные практические эксперименты, нацеленные на выявление эффективных адсорбентов, способных активно поглощать сероводород, определили спектр фильтрующих материалов, с помощью которых сегодня осуществляется сухое обогащение биогаза.

^{Виды адсорбентов: слева направо – цеолит, активированный уголь, бурый железняк}

Наиболее востребована сегодня очистка биогаза на цеолитах (природных и синтетических алюмосиликатах), на активированном угле специальной активации, силиконовых компаундах, на металлизированных пластиках / полимерах, некоторых сплавах и чистых металлах, в редких случаях – на буром железняке / болотном лимоните / гётите.

Рассматривая адсорбционную установку для очищения биогаза, следует коснуться ее главных характеристик и принципов.

Адсорберная система для сепарации сероводорода из биогазовой смеси

• Сепарация сероводорода проходит в адсорбере с твердым гранулированным субстратом, через который пропускается биогаз и – многократно контактируя с обширной поверхностью гранул – «теряет» нежелательные примеси в активном межфазном слое.
• Цилиндрическая колонна адсорбера изготовлена из корозионностойкой стали, в верхней части предусмотрен люк для загрузки сорбента.
• Для подачи очищаемой газовой смеси адсорбер оснащен входным трубопроводом со стандартным присоединительным фланцем.
• Адсорбер устанавливается на бетонном основании, несущие ножки закрепляются. Масса наполнителя рассчитывается исходя из типа адсорбера и объема обрабатываемой среды.

В процессе очистки микропоры адсорбционного материала – в результате улавливания элементарной серы – забиваются, поэтому через определенное время требуется его замена / регенерация.

Узнайте больше о регенерации адсорбента и ключевых принципах работы сухих каталитических газоочистителей.

^{Схема адсорберной системы. Перед адсорбером устанавливается теплообменник (показан желтым цветом). Две цилиндрические емкости – это два адсорбера, работающие поочередно (по достижении определенного показателя насыщения фильтра серой подача биогаза переводится на второй адсорбер, в то время как первый находится в режиме регенерации / замены адсорбционного субстрата).}

Аминовая очистка биометана от сероводорода и двуокиси углерода на растворах МЭА, ДЭА и МДЭА

В рамках освещения подходов к фильтрации биометана будет нелишним упомянуть и аминовый метод. Аминовая хемосорбция кислых газов сегодня широко используется в нефтегазовой и нефтехимической промышленности.

Способность низших аминов растворяться в воде позволила создать промышленные абсорбенты, которые демонстрируют хорошие показатели в захвате сероводорода, углекислоты, кислосернистых соединений из газовых сред (природный газ, синтез-газ, и др).

Типы, концентрации аминов и соответствующие им назначения абсорбентов показаны в таблице.

^{Установка аминовой газоочистки}

Не сомневаясь в эффективности аминоочистки, следует отметить, что этот подход, как правило, не рационален в отношении пурификации биометана, чье количество у подавляющего большинства Заказчиков БГУ не достигает промышленных масштабов.

Интересно: амины имеют ярко выраженный рыбный запах, почти все из них ядовиты.

Аминовые установки представляют собой сложные многоступенчатые системы, (нередко функционирующие в условиях высокого давления), что значительно снижает их экономическую привлекательность в качестве основных газоочистных аппаратов для обогащения биогаза.

Впрочем, если Заказчик имеет просчитанную схему экономического развития предприятия, а объемы обрабатываемой среды являются оправданными для такой методики, она может показать весьма достойные результаты.

Другие способы очистки биогаза

Среди прочих подходов к очистке биогаза можно выделить несколько не столь распространенных, но, все же, находящих ограниченное применение в определенных условиях:

• Короткоцикловая безнагревная адсорбция (англ. Pressure Swing Adsorption) – данная технология оперирует изменением давления газовой среды с параллельным пропусканием ее через т.н. молекулярные сита.
• Промывка водой под давлением – нетривиальная технология газовой сепарации, не нуждающаяся в предварительном осушении биогаза и имеющая высокий КПД в улавливании нежелательных примесей. Главный недостаток методики – растворение части метана в воде, что снижает его полезный выход.
• Высокозатратная технология Selexol, при которой газ промывается специальным скрубберным раствором GenoSorb. В общих словах, Selexol утилизирует разную скорость диффузии молекул поллютантов в сорбенте.
• Криогенная сепарация углекислоты – при КС очищаемая среда охлаждается до температуры замерзания CO₂, после чего твердый диоксид и углерода отделяется от метана. Недостатки методики – работа только с предварительно обессеренным и осушенным газом, крайне высокое энергопотребление.

Заказ, проектирование, изготовление, доставка и монтаж оборудования

По любым вопросам, касающимся индивидуального инжиниринга / проектирования и изготовления недорогого, надежного, эффективного и компактного оборудования для очистки биогаза, пожалуйста, связывайтесь с нами любым удобным способом или заполняйте Анкету Заказчика.

Быстро произведем и оперативно доставим адсорберные / абсорберные системы до любой точки Евразии. По требованию Заказчика проведем профессиональный монтаж и внедрение установок на Вашем объекте. Обучим персонал. Гарантия.

ООО «ПЗГО» – дышите легко!