CC BY
287
УДК 629:621.039.542.5:628.336.6:66.7
А.Б. Идигенов, М.И. Филатов, А.Б. Идигенов УСТАНОВКА КОМБИНИРОВАННОЙ ОЧИСТКИ БИОГАЗА
Рассмотрен способ комбинированной очистки биогаза до состояния биометана -возобновляемого источника энергии для заправки автотранспорта. Особенностью этой статьи является разработанная схема установки комбинированной очистки биогаза и технологический расчет абсорбционной колонны. Автор делает вывод об актуальности применения предложенной технологии в производстве.
Альтернативное топливо, биогаз, биометан, очистка биогаза, абсорбер, заправка автотранспорта
A.B. Idigenov, M.I. Filatov, A.B. Idigenov INSTALLATION OF THE COMBINED CLEANING OF BIOGAZ
The way of the combined purification of biogas to a condition of biomethane - a renewable source of energy for motor transport filling is considered. Feature of this article is the developed scheme of installation of the combined purification of biogas and technological calculation of an absorbing column. The author draws a conclusion about relevance of application of the offered technology in production.
Alternative fuel, biogas, biomethane, purification of biogas, absorber, motor transport filling
Рост потребления нефти, особенно в Юго-Азиатском регионе (в Китае, Индии и т.д.) значительно опережает возможности добычи ОПЕК и других крупных производителей, и истощение нефтяных запасов во многих странах мира, все это движет цену на нефть вверх высокими темпами.
Российские нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) по производству моторного топлива работают на пределе своих возможностей. Активный рост количества автомобильного транспорта, недостаток мощностей НПЗ по производству моторного топлива, все это приближает ситуацию в России к возможному дефициту и резкому увеличению цен на бензин и дизельное топливо в ближайшие годы.
Единственным путем по предотвращению топливного кризиса, по которому уже пошли многие страны, является переход на альтернативное газомоторное топливо.
Из многообразия применяемого в мире газомоторного автомобильного топлива (метан, пропанбутан, биогаз, демитил-эфир, водород и т.д.) наибольшее распространение получила пропан-бутановая смесь (ПБС) и метан. Учитывая, что ПБС в основном это продукт переработки нефти, то цена, в конечном счете, будет следовать за ценой на нефть. Применение других альтернатив по разным аспектам в обозримой перспективе является не конкурентоспособным. Отсюда вывод, что в ближайшие несколько десятилетий единственно приемлемой альтернативой бензину будет метан в компримированном и сжиженном состоянии.
Метан в три раза дешевле бензина и дизтоплива, причем по производительности один кубометр газа приравнивается к одному литру жидкого топлива. Стоимость переоборудования одной единицы техники под метан колеблется от 50 до 170 тыс. рублей. Эти расходы окупаются в срок от 5 месяцев до года.
Альтернативой природному газу является биогаз. Применение биогаза как продукта переработки органических отходов возможно в двух направлениях: для сжигания при дальнейшем получении тепловой и (или) электрической энергии, а также для использования в качестве заправочного топлива на автотранспорте. Если в первом случае отклонение основных параметров газа от установленных норм не в значительной степени влияет на работу энергетических установок, то использование биогаза для заправки автомобилей, тракторов и другой техники подразумевает более строгие требования к качеству и составу газа. В виду этого биогаз необходимо очищать от примесей.
На рис. 1 предложена схема установки комбинированной очистки биогаза, предназначенная для обогащения биогаза до состояния биометана (90-95 % метана).
Биопетам Диоксид углерода
Рис. 1. Схема установки комбинированной очистки биогаза
Установка работает следующим образом (заявка на патент № 2013100384 «Способ комбинированной очистки биогаза», от 09 января 2013 г.).
Предварительно сжатый исходный биогаз с содержанием диоксида углерода 30 50 % и насы-
щенный влагой подают в абсорбер 1, где в результате избыточного давления, необходимого для технологического процесса, и промывки биогаза водой происходит растворение диоксида углерода в воде. Посредством избыточного давления вода с растворенной двуокисью углерода поступает в рекуперативный теплообменник 2, затем в водонагреватель 3, где подогревается до температуры, необходимой для регенерации воды, и распыляется в десорбере 4. В десорбере 4 поддерживается давление на уровне 3 11 кПа (изб.). Под действием перепада давления и температуры происходит десорбция
диоксида углерода из воды. Далее производят глубокую очистку и осушку диоксида углерода в адсорберах 12 и 13, работающих попеременно.
Отрегенерированную воду перекачивают насосом 5 в рекуперативный теплообменник 2, далее в теплообменник 6, где воду охлаждают до 15 20 °С и направляют в промежуточную емкость 7, от-
куда охлажденную воду подают насосом 8 в абсорбер.
Очищенный от диоксида углерода в абсорбере 1 биогаз подают в сепаратор 9, где в результате дросселирования происходит частичная конденсация влаги, таким образом, снижается нагрузка для адсорберов 10 и 11. После сепаратора 9 биогаз поступает на глубокую очистку и осушку до состояния биометана (90 ^ 97 % метана) в адсорберы 10 и 11, работающие попеременно.
Когда один из адсорберов, например 10 (либо 12), находится в режиме глубокой очистки и осушки газа, то второй адсорбер 11 (либо 13) находится в режиме регенерации адсорбента. Затем через определенное время отрегенерированный адсорбер переводят в режим глубокой очистки и осушки газа, а насыщенный адсорбент - в режим регенерации.
Рассчитаем основной элемент схемы установки комбинированной очистки биогаза - противо-точный абсорбер насадочного типа для поглощения водой диоксида углерода из биогаза.
Исходные данные. Состав поступающей смеси: С02=40 %; СН4=60 %. Расход газа на входе в абсорбер 1,12 кмоль/ч (25 м3/ч). Давление процесса 1,0 МПа. На орошение подаётся вода с температурой 20 °С. Требуемая степень извлечения диоксида углерода 90 %.
Технологический расчет абсорбционной колонны [1]. Составим материальный баланс и определим расход воды.
Определим последовательно:
• количество поглощаемого диоксида углерода:
М = 01 у{Ц = 1,12 • 0,4 • 0,9 = 0,403 кмоль / ч , (1)
где Оі - количество поступающей смеси, кмоль/ч; п=0,9 - степень извлечения СО2;
• количество уходящего газа:
02 = 01 -М = 1,12 - 0,403 = 0,716 кмоль / ч ; (2)
• мольную долю диоксида углерода в уходящем газе:
= °,У, -М = 1.12 • О,4 - О,4»3 = 0,062.
02 0,716 (3)
Минимальный расход воды при противотоке определим, пологая, что концентрация диоксида углерода в воде на выходе достигает равновесной:
Ашш = —— = 0,403 149,333 кмоль / ч , (4)
1шп х* 0,0027
где х* = 0,0027 - равновесная концентрация СО2 в воде, для заданных условий, хн = 0 .
Увеличиваем расход воды на 30 % и с учетом растворившегося СО2 находим:
Ц = 1,3 • Ь1тт + М = 1.3 -149,333 + 0,403 = 194,536 кмоль / ч (5)
Для перехода из кмоль/ч в м3/ч:
1 1 3
Ц = ЦМУ — = 194,526 -18--------= 3,501 м3 / ч, (6)
11 р 1000
где Ь - объёмный расход воды, м3/ч; М\ - молярная масса, кг/кмоль; р - плотность воды.
Содержание диоксида углерода в уходящей воде:
М 0,403 л
х, = — =-----------= 0,002.
Ц 194,536 (7)
Определим число единиц переноса.
Константу фазового равновесия при растворении диоксида углерода в воде под давлением определяется по эмпирическому уравнению:
т =
р-Х
124,5
а - Ьр ’ (8)
где р - парциальное давление диоксида углерода в поступающем биогазе, МПа; а, Ь - коэффициенты, зависящие от температуры: а=0,972; Ь=0,087 при 20 °С.
Парциальное давление диоксида углерода в смеси газов:
Рн = Рун = 1,0 • 0,4 = 0,4 МПа, (9)
где Р - давление в аппарате, МПа.
Для давления Р = 1,0 МПа и температуры t = 20 °С:
т х =---------1245-------= 123,842.
Р х 0,972 - 0,087 • 0,4
Найдём равновесную концентрацию диоксида углерода в жидкости, соответствующую условиям газа в аппарате:
* р 0,4
Х* = ;----------------------------------------= 0,0027
н mv Х 132,84^ (10)
р х
и равновесные концентрации в газовой фазе на входе в аппарат и выходе из него:
* тр-ххк 132,842 • 0,002
Ун =—------=--------------------= 0,275;
^н Р 1,0 (11)
* тр-хХн 132,842 • 0
у. = —----------=--------------= 0.
к Р 1,0 (12)
Вычислим число единиц переноса:
Ду = (Ун - У*) - (Ук - У* ) = (0,4 - 0,275) - (0,062 - 0) =
Уср У - У * , 0,4 - 0,275 ’ ’ (13)
!п1н—ін !п^-’- V ^
У. - У* 0,062 - 0
Мог = Ун.-УL = °,4 - 0,062 = 3,748.
ОГ ДУср 0,09 (14)
Определим диаметр абсорбера.
Предварительно оценим скорость захлёбывания аппарата:
2
°пр аРг П.16
3 тж
Рж
_ А - В
0,25
V О ;
( л1,25 Р
V Р ж J
(15)
Выбираем в качестве насадки стальные кольца Палля 25x25x0,6 как наиболее перспективные со следующими характеристиками: а = 219 м2/м3; ю = 0,9 м3/м3; йэ =0,033 м; р =427 кг/ м3, где йэ - эквивалентный диаметр; р - насыпная плотность.
В нашем случае рг - плотность газовой смеси, состояние которой отлично от стационарных, поэтому вычисляем её по формуле
''СНАНСН4У тр
Т Р 273•10
0 то , п/: точ , _ 11,404 Кг / м3
Рг _ (ХСО2РСО2 + ХСН4рСН4)^Т _ (0,4 • 1,98 + 0,6 • 0,72)
(273 + 20)0,1
’ (16)
где х/ - мольная доля /-го компонента смеси; рг- - плотность /-го компонента смеси, кг/ м3; Т, Р, Т0, Р0 -температура и давление для процесса и нормальных условий соответственно; плотности газов рСО2, рСН4 взяты для нормальных условий; рж = 1000 кг/ м3 - плотность воды при 20 °С; ц ж = 1 мПас - вязкость воды при 20 °С; А = 0,022; В = 1,75 для колец Палля в навал; Ь , G - массовые расходы соответственно жидкости и смеси газов, кг/ч; принимаем а = 219 м2/м3, ю = 0,9 м3/м3.
Для перехода из мольного расхода в массовый умножаем его на молярную массу соответственно воды МН2О = 18 кг/кмоль и смеси газов:
Мсм _ £ МгУг _ УсО2МСО2 + УсН4МСН4 _ 0,4 • 44 + 0,6 • 16 = 27,2 Кг /
кг / кмоль.
(17)
где М/ - молярная масса /-го компонента смеси; у/ - мольная доля /-го компонента смеси, и получаем массовые расходы жидкости и газа:
Ь _ ЦМно _ 194,536 -18 = 3501,657 кг/ч;
О _ Г _ 1,12 • 27,2 = 30,464 кг / ч.
(18)
(19)
Составив равенство
< 219 •11,404 10,16 9,8 • 0,93 • 1000
0,022 -1,75
3501,657 У,М (11,404 УД5
30,464
1000
(20)
и решив его, получим скорость захлебывания: юпр = 0,0399 м/с.
Рабочую скорость газа принимаем на 20 % меньше
о _ 0,8опр _ 0,8 • 0,0399 = 0,032
и находим объёмный расход газа на входе в аппарат при рабочих условиях:
О • 22,4 Р0Т _ 1,12 • 22,4 0,1(273 + 20)
3600 РТп
3600
1,0 • 273
0,0007 м / с .
Определим диаметр абсорбера:
(21)
(22)
В _ V _
тип V -I
V ро \
4 • 0,0007
3,14 • 0,032
_ 0,172 м.
(23)
Принимаем диаметр аппарата В = 0,219 м.
Проверим, обеспечивается ли нормальное орошение насадки при выбранном диаметре аппарата. Для этого рассчитаем плотность орошения в аппарате
У _ *Ь,Мн° _ ^.Ш/ЗбОО»8 _ 25 м3 /(м2 • с) (24)
ржлО2 1000 • 3,14 • 0,2192
и сравним её значение с минимальной плотностью орошения для абсорберов с нерегулярной насадкой
Утіп _ аЧэф . (25)
Здесь дэф - эффективная линейная плотность орошения, для колец Палля дэф = 0,022-10-3 м3/(м2-с). Тогда
Утіп _ 219 • 0,022 40-3 _ 0,0048 м3/(м2 • с).
Так как V > ут1п, то насадка орошается нормально.
Определим высоту единицы переноса для газовой фазы:
кг _ 0,615^э Яе0 (Рг/) ,
где
4Ж
(26)
Яе.
ацг ’ (27)
ТТГ О 4 О 4 • 30,464
_ — _-------^ _--------------------- _ 0,224;
г 5 рВ2 3,14 • 3600 • 0,2192 (28)
и _,, . Мм _ _ У^02 Мсо2 + УснМсн
Г^г Мсм; / ,
тсм /=1 т тС02 тсн4 (29)
Мсм = 27,2 кг/кмоль - молярная масса смеси; ц/ - вязкость /-го компонента смеси, Пас. При
подстановке численных значений
27,2 0,4 • 44 0,6 -16
Мсм 0,015 •ю-3 0,01 •ю-3
откуда
,-6 „ „ 4 • 0,224
_ 0,127 •Ю-6 Па • с и Яег _---------------------------_ 321,982.
г 219 • 0,127 • 10-6
Далее определим число Прандтля
Рг/ _
/ _ Мг
рг Д (30)
где рг = 11,404 кг/м3 - плотность газовой смеси; Д, - коэффициент диффузии, м2/с, равный
3/2
V Т ,
К10 )
(31)
где Ю0 = 13,8-10-6 м2/с - коэффициент диффузии диоксида углерода в воздухе при нормальных условиях; Р, Р0 - давление в аппарате и при нормальных условиях, МПа; Т, Т0 - температура рабочая и при нормальных условиях, К. подстановка численных значений даёт
,3/2
Ю. = 13,8 • 10-6041111201 = , 534-10-6 мЧ с и , = 0.127-10-
1,0 К 273 ) ‘ 11,404-1,534-10-
Таким образом, высота единицы переноса газовой фазы:
Иг = 0,615-0,033-(321,982)0’345(0,728)0’667 = 0,12 м. Определим высоту единицы переноса для жидкой фазы:
К = 119^,™ ЯеЖ25(РГжГ.
= 0,728.
Здесь
(32)
ЯПр =
Г тЯ л 1/3 ( 0,0012 '1
к Рж ё ) К10002 -9,8)
1/3
= 4,67-10"5 м;
(33)
Ь 4 Ь ОО = — = ■
4-3501,657
5 тЮ2 3600-3,14-0,2192
= 25,835 кг /(м2 -с);
(34)
Яе.
4 О,
4-25,835
атж 219-1-10
471,877;
(35)
рг/ = .
1-10"
= 560,
рж Юж 1000-1,8-10"9
где Юж - коэффициент диффузии газа в воде (для диоксида углерода Юж = 1,8-10-9 м2/с).
Иж = 119-4,67-10"5 (471,877)0,25 (560)0,5 = 0,612 м.
Далее определим:
• общую высоту единицы переноса
(36)
тухО = к 1—у—И
ог г
(37)
т 132,842
где тух = ^ = ——— = 132,842- константа фазового равновесия, в которой состав равновесной фазы выражен в мольных долях; тогда
132,842-1,12
= 0,12 +--^0,612 = 0,59 м;
194,133
-3
• высоту насадки
нраб = КогИог = 3,748 - 0,59 = 2,212 м. (38)
При коэффициенте запаса, равном 1,4, получаем
Нрб = 1,4-2,212 = 3,097 м. (39)
Определим общую высоту колонны:
Н к = Нраб + Нсеп + Нкуб = 3,097 + 0,3 + 0,103 = 3,5 м. (40)
Одновременно с диоксидом углерода в абсорбере также растворяются сероводород, меркаптаны, аммиак, пыль. Эти вещества после понижения давления воды удаляются из системы. Еще одним преимуществом этой технологии является высокая гибкость - в зависимости от содержания СО2 в сыром газе можно регулировать давление, температуру и производительность установки (от 40 до 100 %). Наряду с этим в качестве плюсов следует отметить непрерывную и полностью автоматическую эксплуатацию, легкость техобслуживания, а также использование в качестве сорбента воду (неограниченная доступность, не опасная, низкая стоимость).
ЛИТЕРАТУРА
1. Поникаров И.И., Поникаров С.И., Рачковский С.В. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): учеб. пособие. М.: Альфа-М, 2008. 720 с.
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
