Удаление углекислого газа из биогаза, принципы, методы, технологии и оборудование для очистки биометана от углекислоты

Особенности улавливания углекислоты в рамках газоочистных процедур

Начнем с того, что эффективная бактериальная ферментация биомассы — психофильная (20-25 ° C), мезофильная (25-45 ° C) или термофильная (> 40 ° C) — возможна только при наличии достаточного количества углерода и азота, а также их точное соотношение, при отсутствии которого в варочном котле могут образовываться токсичные соединения для переносимых метаном бактерий (например, аммиак).

Биогазовое освещение для теплиц. Интересно, что присутствие углекислого газа, который не горит в фонарях, положительно влияет на тепличные растения, создавая мини-парниковый эффект и способствуя лучшему фотосинтезу и хорошему развитию растений

Обычно органическое брожение происходит в несколько стадий: сначала в варочном котле в результате первичного бактериального разложения образуются жирные кислоты, аминокислоты и водород, которые служат питательной средой для бактерий следующего уровня. На втором этапе непосредственно образуются метан и большое количество диоксида углерода (плюс, в меньших количествах, сероводород, производные аммиака, соединения азота и серы).

Таким образом, количество углекислого газа в биогазе может достигать 40 процентов и более, что не позволяет использовать «грязный» биометан для небольших промышленных нужд.

Щелочная хемосорбция диоксида углерода и сероводорода

Мы не будем рассматривать дегидратацию газа в этой статье, так как на этой странице мы уже подробно разбирали методы обезвоживания. Для простоты предположим, что в абсорбционном и других описанных ниже методах предварительное обезвоживание смеси осуществляется в кожухотрубном теплообменнике.

Несмотря на то, что углекислый газ CO2 довольно инертен, он активно реагирует со щелочами, которые также демонстрируют высокий коэффициент захвата при хемосорбции сероводорода.

Очистка метана / барботирование щелочным раствором — наиболее интересный подход для очистки сложного биогаза.

Компактная, экономичная и эффективная установка для очистки сложных биологических газов — производства «ПЗГО»

Реакции на примере водного раствора NaOH можно представить как:

• NaOH + CO2 → Na2CO3 (карбонат натрия, легко растворимый в воде) + H2O;
• NaOH + H2S → NaHS (сульфид / гидросульфид натрия).

Очищенный метан покидает абсорбционную установку, не задерживаясь и не взаимодействуя с щелочами.

Многолетние исследования ООО «ПЗГО» в области повышения эффективности систем газоочистки абсорбционного типа позволяют нам строить установки со следующими преимуществами:

• Одновременное улавливание углекислого газа, сероводорода и микродисперсных «механиков», выходящих из биогазовых реакторов;
• Полный комплект систем — баки, поглотители, электрические соединения, пульт управления;
• Низкое энергопотребление (что особенно важно учитывать в контексте производства небольших объемов газа, часть энергии которого может использоваться для поддержания функционирования хемосорбционной системы);
• Простота, безопасность и доступность абсорбентов жидкости;
• Полная автоматизация системы по показателю pH;
• Для крупных комплексов и предприятий промывные стоки могут использоваться в качестве прекурсоров сельскохозяйственных удобрений / других агентов;
• По желанию — дополнительное оборудование заводов системами нейтрализации сточных вод ;
• Высокая экономическая доступность даже для небольших хозяйств и фермерских хозяйств, исключительная компактность, надежность и долговечность всех агрегатов ПЗГО».

Короткоцикловая безнагревная адсорбция под давлением

Метод KBA (адсорбция при колебании давления) заключается в пропускании газовой смеси через каскад адсорбентов под давлением до 10 атмосфер.

На каждой фазе каскада используется определенный адсорбент, который задерживает одно из загрязняющих веществ; процесс включает несколько циклов абсорбции и десорбции (как под давлением, так и под давлением).

Основным недостатком метода PSA с точки зрения применения для обогащения биометана является необходимость ранней очистки биогаза от воды и сероводорода, поскольку водяной пар и H2S резко снижают абсорбционную способность адсорбентов и, как следствие, ухудшают эффективность фильтры.

Многопоглотительная система PSA

Кроме того, установка включает минимум 4-6 адсорберов, что снижает компактность, значительно увеличивает количество циклов регенерации и объем используемых подложек, значительно увеличивая общую стоимость процедур очистки.

Однако высокий выход метана (≈ 95%) позволяет в редких случаях использовать CBA как рациональный подход к биологической очистке газов.

Криогенное вымораживание

Криогенная заморозка биогаза для удаления углекислого газа показывает абсолютную эффективность, но это наиболее энергоемкий метод, который, реализуемый на биогазовой установке, требует не менее 30% всей вырабатываемой энергии.

Установка по производству углекислого газа

Эффективность технологии обеспечивается за счет охлаждения метановой смеси до минус 80 ° C — весь СО2 затвердевает, превращаясь в сухой лед, который механически удаляется из рабочего отсека углекислотной установки. Метан, температура замерзания которого составляет -182 ° C, не подвергается воздействию и удаляется из установки (для дальнейшего обогащения или сжатия компрессора).

На крупных газоперерабатывающих предприятиях используются еще более совершенные методы криогенной сепарации, когда на каждом последующем этапе из потока «вырезается» определенная фракция, но к газовой отрасли такие технологии, как правило, не имеют никакого отношения.

Промывка водой под давлением

Еще один способ удалить углекислый газ (а также другие газообразные примеси) — промыть водой под давлением. Этот метод основан на увеличении растворимости газов в жидкостях с увеличением давления.

Промывка газового сопла технической водой на примере насадочного абсорбера ООО «ПЗГО

Вода хорошо растворяет в себе многие газообразные вещества, и при давлении 10 атмосфер и выше начинает проявлять исключительные абсорбционные свойства, активно поглощая как углекислый газ, так и сероводород.

После того, как растворитель был отведен в зону низкого давления / высокой температуры, увлеченные газы выпускаются.

Комбинированные адсорбционно-абсорбционные методы

В редких случаях обезуглероживание биогаза также можно проводить с помощью комбинированного подхода, сочетающего метод мембранной фильтрации с использованием молекулярных сит и процедур водной и / или каталитической адсорбции.

Газовый поток (иногда под давлением) пропускается через адсорбент (ы), где происходит сухое разделение некоторых фракций, после чего оставшиеся загрязнители задерживаются в насадочном влажном абсорбере или пене.

Молекулярное сито под сканирующим микроскопом

Несмотря на высокую эффективность очистки газа, демонстрируемую такими установками, сложность, громоздкость и дороговизна комбинированных систем — в контексте обогащения небольших объемов биометана — обычно сводят на нет все преимущества таких технологий.

Достоинства и недостатки

Недостатки

• ограниченная производительность
• высокие или очень разные концентрации компонентов с высокой абсорбцией могут отрицательно повлиять на производительность
• системы PSA имеют более ограниченный рабочий диапазон, чем мембранные блоки, однако, если используется двухпоточная система, рабочий диапазон можно улучшить, запустив один поток.

Достоинства

• высокая селективность по адсорбируемым компонентам в зависимости от выбора адсорбента;
• быстрый запуск и остановка по сравнению с криогенными установками;
• широкий спектр работ от 5 до 100% производительности без изменения затрат на электроэнергию;
• большая гибкость настроек, например, возможность быстро менять режим работы, производительность и очистку по мере необходимости;
• автоматическая настройка режима;
• возможность дистанционного управления;
• низкие энергозатраты по сравнению с криогенными установками;
• простой аппаратный дизайн;
• низкие затраты на обслуживание благодаря простоте монтажа;
• использование первого защитного слоя адсорбента предотвращает чувствительность к агрессивным компонентам по отношению к мембранам и гарантирует длительный срок службы адсорбента без его замены;
• низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями;

Применение КЦА в промышленности

CCA широко используется для следующих целей:

• получение водорода из природного и коксового газа, других водородсодержащих газов;
• получение метана из природного газа;
• получение оксида углерода и диоксида углерода;
• выделение этилена;
• получение азота и технического кислорода из воздуха и других газовых смесей.

Принцип работы КЦА

PSA работает по принципу, согласно которому при высоких парциальных давлениях адсорбенты могут содержать больший объем газообразных компонентов, некоторые из которых сильнее других. Сила адсорбции обычно увеличивается с увеличением молекулярной массы каждого компонента, а водород имеет самую слабую способность адсорбировать эти компоненты. Это позволяет абсорбировать более тяжелые компоненты, когда очищенный водород проходит через адсорбент.

Существующие установки

Установки PSA широко используются в составе установок производства водорода, работающих на нефтеперерабатывающих заводах, для концентрирования водорода до 99,9% по объему. Кроме того, этот метод широко используется для извлечения из атмосферного воздуха азота, необходимого для нужд нефтеперерабатывающих заводов (азотных заводов).

Сырье и продукты

Водородсодержащий газ с концентрацией водорода приблизительно 75-80 об.% Действует как сырье для установок PSA по отношению к установке для производства водорода.

Продуктами являются водород с концентрацией более 99,5% по объему, а также отпарный газ с содержанием водорода 10-40% по объему.

Адсорбенты

Помимо способности адсорбировать различные газы, адсорбенты для систем PSA, как правило, представляют собой высокопористые материалы, выбранные из-за их большой удельной поверхности. Типичные адсорбенты:

• активированный уголь
• силикагель
• оксид алюминия
• полимеры
• цеолиты.

Хотя газ, адсорбированный на этих поверхностях, может состоять из слоя толщиной всего в одну или не более нескольких молекул, поверхность в несколько сотен квадратных метров на грамм позволяет адсорбировать значительную часть массы адсорбента в газе. В дополнение к своей селективности по отношению к различным газам цеолиты и некоторые типы активированного угля, называемые молекулярными ситами углерода, могут использовать свои характеристики молекулярных сит для исключения определенных молекул газа из своей структуры в зависимости от размера молекулы, что ограничивает возможности адсорбируются более крупные молекулы.

Технологическая схема

Неочищенный водородсодержащий газовый поток поступает в блок адсорбции с изменением давления (PSA), где при циклической адсорбции удаляются примеси. В процессе используются многочисленные адсорбционные слои для получения заданной степени концентрации водорода и удаления примесей. Принятая блок-схема позволяет извлекать водород с концентрацией 99,5% (об.) Из конвертированного газа с концентрацией водорода не менее 87,5% (об.) В конце рабочего цикла.

В установке PSA преобразованный водородсодержащий газ очищается от примесей метана и оксида углерода путем адсорбции примесей на адсорбенте высокого давления и десорбции при низком давлении.

Блок PSA состоит из адсорберов, подключенных параллельно газу. Во время работы каждый адсорбер проходит одни и те же фазы адсорбции и регенерации (десорбции), только в разное время.

Полный цикл состоит из четырех основных фаз:

• адсорбция;
• слив, сброс давления;
• продувка под низким давлением;
• установленное давление.

Адсорбция

Исходный газ поступает в нижнюю часть адсорбера высокого давления, примеси адсорбируются, например, молекулярными ситами, а водород высокой чистоты выходит из адсорбера в верхней части. Прежде чем адсорбционная способность адсорбентов исчерпается, регенерированный адсорбер автоматически активируется для адсорбции, обеспечивая тем самым непрерывный поток продукта.

Сброс давления

Регенерация осуществляется в несколько ступеней понижения давления. Во-первых, богатый водородом газ используется для повышения давления и продувки адсорберов, находящихся на разных стадиях регенерации. После дальнейшего сброса давления адсорбированные примеси высвобождаются и направляются в вентиляционную линию или буферный резервуар для использования в качестве топливного газа.

Продувка

При самом низком уровне давления адсорбер продувается газом, богатым водородом, из другого адсорбера. Продувочный газ сбрасывается или направляется в резервуар для хранения.

Набор давления

Давление в очищенном адсорбере постепенно повышают до желаемого давления адсорбции за счет различных выравниваний давления с другими адсорберами и, наконец, за счет рециркуляции чистого водорода.

Поскольку рабочие циклы адсорберов сдвинуты, как только один адсорбер переходит в режим адсорбции, другой в это время завершает свой режим адсорбции.

Управление процессом и защита адсорбента

Процесс очистки и регенерации газов, содержащих водород, регулируется автоматически с помощью системы синхронизации, которая воздействует на клапаны, установленные на трубопроводе адсорбера. Время цикла адсорбции устанавливается автоматически в зависимости от количества обрабатываемого газа.

Расход газа, подаваемого на установку PSA, регулируется, поскольку расход газа является одним из основных параметров, регулирующих работу установки.

Для защиты молекулярных сит блока PSA от высоких температур предусмотрен высокотемпературный блок поступающего газа, закрывающий запорный вентиль на входе в блок. Также предусмотрена блокировка для защиты блочных молекулярных сит PSA от попадания свободной воды. Выходящий из адсорберов газ с температурой 40 ° C — водород высокой чистоты — 99,5% об.

Материальный баланс

Сырье	нс	% масса
МЫТЬ	617,1	100
Общий	617,1	100
Продукты	нс	% масса
Водород (99,5% об.)	74,2	12.0
Отводящий газ	542,9	88,0
Общий	617,1	100,0