Главная страница
Сведения об авторах

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОГАЗОВЫХ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Колобродов В. Г., Соколенко В. И., Хажмурадов М. А., Винокуров Э. И., Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина

Проблема утилизации биогаза с каждым годом становится все более актуальной. Это обусловлено, с одной стороны, ежегодным увеличением количества отходов, производимых в результате жизнедеятельности человека, а с другой — ростом потребления ископаемых энергоресурсов, запасы которых ограничены.
Биогаз образуется в результате анаэробного сбраживания органической составляющей отходов. Состав биогаза определяется составом утилизируемых отходов и содержит 40—60% метана, 60—40% диоксида углерода, а также сероводород, азот, кислород и другие примеси, количество которых незначительно. Метан и диоксид углерода являются парниковыми газами, поэтому их эмиссия в атмосферу вызывает усиление парникового эффекта, что может привести к глобальному изменению климата Земли.
В 2004 г. Верховная Рада Украины ратифицировала Киотский протокол, который вводит для каждой страны ограничения (квоты) на выбросы парниковых газов (метан, диоксид углерода, закись азота и др.) в атмосферу Земли. Предусматривается продажа квот на уровне стран. В Украине эти продажи предполагается реализовывать через проекты совместного осуществления.
Биогаз — это горючая газовая смесь, и его можно использовать как топливо. Применение биогаза в виде чистых основных компонентов (метана СН₄ и диоксида углерода СО₂) значительно повышает экономическую ценность этого нетрадиционного источника энергии и сырья. При этом продуцируемый из биогаза метан может использоваться вместо природного газа во всех технологических процессах, а также в двигателях внутреннего сгорания, работающих на метане.
В криогенном отделе ННЦ ХФТИ около 10 лет проводятся работы по исследованию процессов разделения биогаза на основные компоненты. В результате проведенных исследований был разработан ряд новых технологий разделения биогаза: криодистилляционная и несколько адсорбционных.
Идея криодистилляционного метода разделения заключается в том, что сконденсированный в жидкую или твердую фазу биогаз в соответствии с диаграммой состояния при отогреве и переходе системы СН₄—СО₂ в газовую фазу будет разделяться на метан и диоксид углерода. Коэффициент разделения зависит от температуры и давления. Концентрационная релаксация в такой системе происходит очень медленно, и путем сбрасывания газа из сосуда по специальной программе можно получить чистые метан и диоксид углерода при повышенных давлениях.
В основу адсорбционного метода разделения биогаза положена различная адсорбируемость молекул метана и диоксида углерода на разных микропористых адсорбентах. Относительная селективность адсорбции диоксида углерода увеличивается при пропускании потока биогаза через адсорбер, заполненный полярным адсорбентом, в связи с наличием у СО₂ квадрупольного момента. Нами установлено, что одним из наиболее эффективных адсорбентов для разделения биогаза на основные компоненты является цеолит СаА. Для обеспечения непрерывности работы конструкция адсорбционных разделительных установок предусматривает не менее двух попеременно работающих параллельных газовых линий. Обычно адсорбция происходит при комнатной температуре.
Авторами разработан криоадсорбционный метод разделения, при котором разделительный адсорбер находится при температуре ниже комнатной (—10 °С). Охлаждение адсорбента позволяет повысить коэффициент разделения и увеличить ресурс работы адсорбера. Еще одной адсорбционной технологией разделения биогаза, разработанной в ННЦ ХФТИ, является метод короткоцикловой безнагревной адсорбции (метод качающегося давления). Этот метод основан на использовании различной концентрации компонентов биогаза в газовой фазе при верхнем и нижнем уровнях давления в адсорбере, обусловленной различной сорбируемостью СН₄ и СО₂. Осуществляя отбор газовой фазы с адсорбера при верхнем уровне давления, получаем газовую смесь, обогащенную менее сорбируемым компонентом — метаном, а при нижнем — более сорбируемым диоксидом углерода. Адсорбция и десорбция происходят при комнатной температуре, что позволяет сделать продолжительность цикла кратковременной (несколько минут).
Для изучения криодистилляционной, адсорбционной, криоадсорбционной и безнагревной короткоцикловой адсорбционной технологии разделения биогаза нами были созданы разделительные модули и лабораторные установки небольшой производительности. На основании проведенных исследований были разработаны эскизные проекты разделительных биогазовых установок с производительностью по биогазу 50 нм³/ч, которые используют перечисленные выше технологии разделения.
В настоящее время в мире работают сотни тысяч установок по производству биогаза. В Китае, Индии и других странах Азии это в основном небольшие биореакторы (метантенки) в фермерских хозяйствах. В странах Европы наблюдается увеличение количества больших биогазовых установок. Большинство установок по утилизации биогаза предусматривает стационарное размещение метантенков вблизи городских очистных сооружений или полигонов твердых бытовых отходов (ТБО). При этом экономически обоснованным считается сбор и утилизация биогаза на полигонах ТБО городов с населением более 100 тыс. человек. Однако в Украине есть сотни тысяч небольших свалок, на которых биогаз продуцируется в незначительных количествах (десятки м³/ч). Аналогичными источниками биогаза небольшой производительности могут быть метантенки при фермах, птицефабриках, свинофермах и т. д. В связи с разными объемами продуцирования биогаза различными источниками целесообразна разработка биогазовых разделительных установок от нескольких м³/ч до нескольких сотен м³/ч. С учетом места расположения источника биогаза можно выбрать оптимальную технологию разделения биогаза на метан и диоксид углерода. Общая схема использования биогаза с помощью биогазовой разделительной установки изображена на рисунке.

Общая схема использования биогаза с помощью биогазовой разделительной установки (БРУ)

Биогазовая разделительная установка подбирается по производительности источника биогаза. Соотношение между продуцируемыми метаном и электроэнергией устанавливается в зависимости от требований потребителей. Если необходимо увеличить количество вырабатываемой электроэнергии, то используется электростанция более высокой мощности, а объем продуцируемого метана при этом уменьшается, и наоборот.
В настоящее время работы по созданию биогазовых разделительных установок ведутся во многих странах Западной Европы. Так, например, немецкая фирма «Carbo Tech Anlagenbau GmbH» разработала несколько модификаций адсорбционных установок для разделения биогаза с производительностью 5—2 000 нм³/ч. Для заполнения разделительных адсорберов используются углеродные молекулярные сита. Чистота продуцируемого метана не менее 96%, что позволяет транспортировать его по магистральным трубопроводам природного газа.
Проанализируем возможности применения БРУ, в которых использованы криодистилляция, адсорбция, криоадсорбция и метод короткоцикловой безнагревной адсорбции (КЦБА).
Криодистилляционная БРУ. Практически не потребляет электроэнергии. Для разделения используется жидкий азот. Можно получить компремированные метан и диоксид углерода. Экономическая эффективность определяется стоимостью жидкого азота. Предполагается применение в регионах с хорошо развитой металлургической промышленностью, где жидкий азот получается как побочный продукт ожижения воздуха и поэтому имеет небольшую стоимость.
Адсорбционная БРУ. Проста в исполнении и эксплуатации. Рабочее давление до 4 атм, температура комнатная. При производительности более 10 нм³/ч требует стационарного размещения. В разделительных адсорберах используется большая масса адсорбента. Так, например, каждый из двух разделительных адсорберов БРУ производительностью 50 нм³/ч заполнен около 3 000 кг цеолита. Предполагается использование на небольших свалках ТБО и метантенках. Не требует квалифицированного обслуживающего персонала. Адсорбционная БРУ может эксплуатироваться совместно с двигателем-генератором, работающим на метане.
Криоадсорбционная БРУ. Предполагает стационарное размещение на больших метантенках очистных сооружений, ферм и свалках ТБО. Рабочая температура — около —10 °С, рабочее давление — до 4 атм. Понижение температуры разделительного адсорбера несколько усложняет конструкцию, но при этом позволяет существенно уменьшить массу адсорбента (примерно на 30%). В связи с использованием пониженных температур требует применения холодильного оборудования, что увеличивает капиталовложения.
БРУ методом КЦБА. Основным достоинством разделительных установок, использующих метод КЦБА, являются их небольшие габариты по сравнению с адсорбционными установками аналогичной производительности. Масса установок уменьшается в несколько раз, а габариты разделительных адсорберов — в десятки раз. Это открывает возможности производства мобильных биогазовых разделительных установок, которые в сочетании с двигателем-генератором, работающим на метане, обеспечат их автономную работу на небольших источниках биогаза.
Проведенный анализ показывает перспективность использования биогазовых разделительных установок для получения метана из биогаза с применением различных технологий разделения.

MAIN TRENDS IN APPLICATION OF BIOGAS SEPARATION PLANTS

Kolobrodov V. G., Sokolenko V. I., Khazhmuradov M. A., Vinokurov E. I., National Science Center «Kharkiv Institute of Physics & Technology» Kharkiv, Ukraine

The paper reviews and describes the technologies developed by the NSC KIPT specialists and designed to enable the separation of biogas into methane and carbon dioxide. It identifies the main areas for application of biogas separation plants.

Главная страница

Сведения об авторах

Колобродов Виктор Георгиевич, и. о. начальника лаборатории, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Тел. (057) 700-24-98, факс (057) 700-05-71. E-mail
Соколенко Владимир Иванович, канд. физ.-мат. наук, и. о. начальника отдела, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Тел. (057) 700-05-71, факс (057) 700-05-71. E-mail
Хажмурадов Манап Ахматович, д-р техн. наук, нач. отдела, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Тел. (057) 335-68-46. E-mail
Винокуров Эдуард Исаакович, нач. группы, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Тел. (057) 700-24-98, факс (057) 700-05-71. E-mail

© Независимое агентство экологической информации

Последние изменения внесены 10.07.07