CC BY
82
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК620.95:621.6
ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МЕМБРАННО-АБСОРБЦИОННОГО ГАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ УЛУЧШЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ БИОГАЗА
Ю.Н. Сидыганов, доктор технических наук Д.В. Костромин, кандидат технических наук Д.Н. Шамшуров,кандидат технических наук
Поволжский государственный технологический университет
Е.В. Левин, кандидат физико-математических наук А.Ю. Окунев, кандидат физико-математических наук
НИИ строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук
В статье предложено новое техническое решение по выделению энергоносителя из биогазового топлива и его последующая осушка в едином технологическом цикле, основанные на мембранно-абсорбционном методе. Представленпримерегоиспользования.
Ключевыеслова: биогаз, мембранныетехнологии, абсорбер, десорбер.
Решение задачи подготовки биогаза (улучшение потребительских свойств) с достаточно высокой степенью очистки от токсичных и балластных компонентов лежит в области применения мембранно-абсорбционного метода газоразделения [1]. Однако, получаемый в процессепродукт всегда имеет высокую относительную влажность. В недавних публикациях уже появилась информация о возможности применимости мембранно-контакторных технологий для осушки биогазовых топлив и некоторые экспериментальные и расчетные данные по оценке технологических параметров осушки [2]. Сама установка по очистке и осушке биогаза может быть реализована в виде компактного устройства на основе использования модульного принципа за счет параллельного и/или последовательного соединения нескольких аппаратов.
На основании этих предпосылок разработана обобщенная схема переработки биогазовых топлив с использованием мембранно-контакторных методов (рис.1). Переработка биогаза производится в двухступенчатом процессе -очистка и последующая осушка. На схеме: 2 - мембранно-контакторная ступень для очистки биогаза от диоксида углерода, 3 - ступень для его осушки. С помощью общего побудителя расхода 1 на ступень 2 подается поток 4 неочищенного биогаза, из которого в ступени 2 удаляется СО2, а увлажненный поток биогаза 5 подается на вход мембранно-контакторной ступени 3, на которой происходит осушка биогаза и выдача его потока 6 потребителю. Из ступени 2 отводится удаленный диоксид углерода, а из ступени 3 отводится удаленная вода либо в виде жидкости, либо в виде пара. Автоматизация управления процессом осуществляется с помощью регулирования параметров технологического процесса (величин потоков и температур) на каждой из ступеней. Для этого используются датчики влажности 7 и датчики содержания диоксида углерода 8, а также автоматизированные системы 9 и 10 управления параметрами процесса в каждой из ступеней.
Рисунок 1 - Обобщенная схема переработки биогазовых топлив с использованием мембранных контакторных установок
Принципиальные отличия между ступнями 2 и 3 состоят только в том, что в ступени 2 используется жидкий абсорбент, хорошо поглощающий кислые газовые компоненты, например, абсорбент на основе водных растворов аминов, растворов щелочных солей (карбонатов щелочных металлов, трикалийфосфата и др.) или просто воды. В ступени 3 используется другой абсорбент, который хорошо поглощает только воду (водные растворы этиленгликолей или некоторых солей щелочных металлов).
На рисунке 2 приведена детализированная принципиальная схема установки для переработки биогазовых топлив. Установка включает две ступени (ступень очистки и ступень осушки, каждая из которых содержит пару контакторных устройств: абсорбер 2 (и 3) и десорбер 4 (и 5), которые объединены рециркуляционным потоком 7 жидкого абсорбента (далее конструктивные элементы, одинаковые для ступеней, перечисляются один раз на примере ступени очистки). Неочищенный биогаз подается на ступень очистки побудителем расхода
1. Далее биогаз, очищенный от СО2 в абсорбере 2, самостоятельно без дополнительного побудителя расхода поступает в абсорбер 3 на ступени осушки. После осушки готовый биогазовый продукт 17 поступает потребителю.
Для охлаждения абсорбента используется теплообменное устройство 9, а для нагрева - теплообменное устройство 8. Использование в установке теплообменных устройств играет важную роль. Как известно, сорбционные процессы сопровождаются тепловыми эффектами. При сорбции газов выделяется тепло, а при десорбции тепло поглощается. Выделение тепла в абсорбере связано с его нагревом, что приводит к росту равновесного давления поглощаемого газа над поверхностью абсорбирующей жидкости и к снижению степени очистки или осушки [3]. В десорбере тепло поглощается, что приводит к снижению равновесного давления газа и к уменьшению эффективности десорбции. Использование теплообменных устройств служит для компенсации отрицательных тепловых эффектов. Кроме этого, нагрев и охлаждение жидкости решают самостоятельную задачу и служат для увеличения степени очистки и осушки опять же за счет снижения равновесного давления поглощаемых газов в абсорбере и степени их извлечения в десорбере за счет повышения равновесного давления.
В устройстве на обоих ступенях при десорбции используется вакуумная откачка десорбируемого, для чего применяются вакуумные насосы 14. Вакуумная откачка и нагрев жидкости в десорберах является основной движущей силой процесса десорбции. На ступени очистки в потоке 15 отводится диоксид углерода, а на ступени осушки в потоке 16 отводятся пары воды. Отличия десорберов на
ступенях состоят в том, что на ступени очистки дополнительно предусмотрена возможность десорбции за счет отдувки диоксида углерода потоком внешнего воздуха 13, который создается побудителем расхода 12. Отдувка является механизмом десорбции, альтернативным вакуумной откачке.
Рисунок 2 - Детализированная принципиальная схема установки для переработки биогазовых топлив В установке предусмотрена возможность проведения процессов очистки и осушки при повышенных давлениях, для чего на выходной коммуникации 17 установлен регулировочный дроссель 18. Автоматическая система управления установки включает датчик влажности 19 и датчик содержания диоксида углерода 20, которые через обработчики сигналов, входящие САУ 21 - 23, управляют процессом переработки биогаза. В качестве управляемых элементов используется дроссель 18, жидкостные насосы 6, тепловые насосы 10, 11 и вакуумные насосы 14.
Дроссель 18 позволяет регулировать давление в абсорберах и величину потока биогаза, поступающего в абсорберы 2 и 3. С уменьшением потока биогаза степень очистки и осушки возрастает. Например, при осушке биогаза при температуре 18 оС с помощью 40% раствора LiCl с расходом 75 л/час/м2 при различных потоках биогаза G (л/час/м2) абсолютное влагосодержание на выходе из абсорбера составляет величины, представленные на графике (рис. 3.). Величины потоков приведены к 1 м2 площади мембраны в абсорбере. Равновесное абсолютное влагосодержание насыщенного пара воды при данной температуре составляет 16,6 г/м3.
Поток биогаза G
Рисунок 3 - Зависимость абсолютного влагосодержания биогаза на выходе абсорбера от потока биогаза
Аналогичная зависимость имеет место и для парциального давления диоксида углерода. Главное заключается в том, что степень очистки и осушки в контакторном абсорбере достаточно эффективно регулируется величиной потока биогаза.
С помощью управления производительностью жидкостных насосов 6 можно регулировать величину потока жидкого абсорбента L. Эффективность такого управления степенью очистки и осушки можно оценить из примера по осушке биогаза с помощью LiCl, приведенного на графике (рис. 4). В данном примере поток биогаза на входе в абсорбер равен G=1000 л/час/м2.
Из графика на рисунке 4 видно, что при малых потоках жидкого абсорбента эффективность сорбции резко снижается, но с некотогого уровня (в приведенном примере начиная от 20-30 л/час/м2) увеличение потока абсорбента не приводит к заметному снижению степени очистки. Поэтому регулирование производительности жидкостного насоса направлено не только на увеличение глубины сорбции, но также и на снижение энергозатрат на прокачку жидкого сорбента.
Аналогичная по характеру зависимость имеет место и для парциального давления СО2.
Приведенные зависимости (рис. 3-4) являются общими. Конкретные значения, представленные на графиках, получены с помощью математической обработки некоторых экспериментальных данных по контакторной осушке биогаза, приведенных в работе [2].
ГО
I
Ф
3
о
Е
03
ц
ш
<и
о
2
§
ю
<
Поток сорбента L
Рисунок 4 - Зависимость абсолютного влагосодержания биогаза на выходе абсорбера от потока сорбента
С помощью регулирования производительностью вакуумных насосов 14 устанавливается степень десорбции абсорбентов и также регулируется степень очистки и осушки.
В установке предусмотрена возможность дополнительного энергоэффективного регулирования охлаждением и нагревом сорбента с использованием принципов перекачки энергии из теплообменника-охладителя 9 в теплообменник нагреватель 8. С этой целью используются тепловые насосы 10 и 11 с управляемой мощностью.
Решаемые задачи и достигаемый результат при использовании предлагаемой установки для переработки биогазовых топлив поясняется следующими примером. Абсорбер и десорбер ступени очистки 2 (рис. 2) содержит полимерную мембрану на основе политетрафторэтилена (ПТЭ) площадью по 50 м2. В качестве сорбирующей жидкости используется 10% водный раствор диэтаноламина. При очистке входного потока биогаза, имеющего температуру 20 оС с объемным расходом 100 м3/час и содержащего 40 % объемных двуокиси углерода и 1,4 % паров воды (относительная влажность биогаза равна 60%), поток сорбирующей жидкости равен 10 м3/час. Абсорбция проводится при температуре 30 оС, а десорбция при температуре 100 оС. На выходе абсорбера отводится поток очищенного биогаза 64,5 м3/час с концентрацией двуокиси углерода 5 % объемных и с концентрацией паров воды 4,2 % (относительная влажность равна 100%).
В ступени осушки 3 абсорбер и десорбер имеют площадь мембраны по 10 м2. Поток сорбирующей жидкости в виде триэтиленгликоля, имеющего 2 массовых процента воды, составляет 1,0 м3/час. Абсорбция проводится при температуре 18 оС, а десорбция - при температуре 60 оС. При этом относительная влажность осушенного биогаза снижается до 5 %, что соответствует точке росы около минус 22 оС. Осушенный биогаз с содержанием двуокиси углерода не выше 5% соответствует нормативам на газовое топливо различного назначения. Достигаемая степень осушки позволяет транспортировать биогаз в открытых трубопроводах в
зимних условиях, а также закачивать биогазовое топливо в баллоны высокого давления.
Таким образом, разработана новая техническая система мембранноабсорбционного газоразделения, обеспечивающая улучшение потребительских свойств биогаз, отличающаяся тем, что выделение качественного энергоносителя из биогазового топлива и его последующая осушка проводятся в едином технологическом цикле, в основу которого заложены принципы работы мембранно-абсорбционных контакторных модулей.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт № 14.740.11.0042).
Библиографический список
1. Разработка и исследование работы мембранно-абсорбционной газоразделительной системы обеспечивающей улучшение потребительских свойств биогаза [Текст]/ Ю.Н. Сидыганов, Д.Н. Шамшуров, Д.В. Костромин, Е.В. Левин, А.Ю. Окунев// Известия СПбГАУ. - 2011. - № 23. - С. 377-384.
2. Тимофеев, Д.В. Кондиционирование биогаза мембранно-абсорбционным методом [Текст]/ Д.В. Тимофеев, Н.И. Лагунцов, Е.В. Левин // Альтернативная энергетика и экология. - 2010. -№11. - С. 95-100.
3. Mulder, M. Basic Principles of Membrane technology / M. Mulder. - Kluwer, Academic Publishers, 1991.
E-mail:KEMO@volgatech.net
