13.2. Подготовка и использование биогаза

При полном разложении органического вещества количество и состав биогаза определяется соотношением C : H : O в исходном материале и температурой процесса брожения. Биогаз, полученный сбраживанием осадков городских очистных сооружений, отличается более стабильным составом (60−68% метана). При переработке отходов сельского хозяйства состав биогаза сильно колеблется (50−75% метана). Достаточно высокое содержание метана в биогазе обусловливает ряд направлений его использования:

− в качестве топлива для получения пара, горячей воды, горячего воздуха или топочных газов;

− для подпитки сетей природного газа;

− для получения электроэнергии;

− в качестве топлива для автомобильных двигателей и для бытовых газовых плит.

Кроме того, разработаны технологии получения из биогаза кормового белка и товарной углекислоты. В зависимости от способа использования биогаза степень его очистки от нежелательных компонентов (взвешенные частицы, H₂S, CO₂, H₂O) может быть различной (табл. 31).

Таблица 31

Требования по очистке биогаза

Способ использования биогаза	Необходимость удаления (+) компонентов
	взвешенные частицы	H2S	CO2	H2O
Топки котельных агрегатов и сушильных установок	+	+	−	−
Бытовые газовые плиты	+	+	−	−
Стационарные газовые двигатели	+	Частичное удаление	−	−
Топливо для автомобильных двигателей	+	+	+	+
Подпитка сети природного газа	+	+	+	+

Содержащиеся в биогазе взвешенные частицы отлагаются в газопроводах и забивают арматуру. Их отделяют в гравийных или тканевых (из стекловолокна) фильтрах. Биогаз на выходе из метантенка имеет температуру 30−35С (мезофильный режим) или 50−55С (термофильный процесс) и насыщен влагой. В результате охлаждения биогаза при транспортировке в газопроводах образуется конденсат, который может замерзнуть в холодный период года. Для осушки биогаза устанавливают на газосборном пункте влагоотделитель, из которого конденсат отводится в сливную емкость, а в нижних точках газопровода предусматриваются конденсатосборные устройства. Барботаж биогаза через слой охлажденной до 10С воды обеспечивает отделение взвешенных частиц и осушку охлаждением, достаточную при использовании биогаза для получения тепла. Применение биогаза в качестве моторного топлива требует глубокой осушки от влаги силикагелем, хлоридом кальция или этиленгликолем.

Наиболее вредным компонентом биогаза является сероводород. Он токсичен, обладает неприятным запахом, в присутствии влаги и особенно в комбинации с диоксидом углерода вызывает коррозию металлического оборудования, при сгорании образует оксид и диоксид серы, которые, взаимодействуя с парами воды, превращаются в сернистую и серную кислоты, имеющие высокую коррозионную активность.

Очистку биогаза от сероводорода осуществляют различными методами. В биогазовых установках небольшой мощности (сотни м³/сут) применяют адсорбционный («сухой») способ удаления H₂S за счет образования сульфидов при взаимодействии с оксидом железа (ферроокисный фильтр):

Fe₂O_{3 ˙} 3H₂O + 3H₂S → Fe₂S₃ + 6H₂O.

Оптимальная влажность адсорбента (5−20%) поддерживается присутствующими в биогазе парами воды. 1 кг оксида железа сорбирует около 250 г H₂S. Регенерацию адсорбента производят продувкой воздухом. При этом образуется элементарная сера, отлагающаяся на поверхности оксида железа:

3

Fe₂S₃ + − O₂ + 3H₂O → Fe₂O_{3 ˙} 3H₂O + 3S.

2

После каждой регенерации сорбционная способность оксида железа уменьшается в среднем на 15%, что обусловливает необходимость регулярной замены отработанного сорбента.

Для непрерывной десульфиризации биогаза применяют двухколонную установку с переменным режимом работы колонн: в одной колонне протекает процесс поглощения сероводорода, а в другой − регенерация сорбента продувкой воздухом (рис. 61).

В качестве поглотителя сероводорода может быть использован гидроксид железа (Fe(OH)₃) в виде загрузки с размером частиц 10−20 мм, размещенной в колонне (диаметром 1,0−1,2 м, высотой 2−3 м) слоями с низким гидравлическим сопротивлением. Для очистки 100 м³ биогаза, содержащего 0,35% H₂S, требуется около 2 кг Fe(OH)₃. Расход Fe(OH)₃ по стехиометрическому соотношению составляет 2,1 кг на 1 кг извлеченного H₂S.

Основной недостаток «сухого» метода десульфиризации биогаза − опасность самовозгорания материала во время регенерации из-за значительного количества выделяющегося тепла.

Рис. 61. Двухколонная установка для очистки биогаза

от сероводорода

При больших расходах биогаза (тысячи м³/сут) с высоким содержанием H₂S очистку производят абсорбционным («мокрым») способом с помощью растворов солей железа. В восстановительной колонне (абсорбере) восходящий поток биогаза промывается раствором Fe⁺³ (суспензией Fe(OH)₃):

H₂S + 2Fe⁺³ → S + 2Fe⁺² + 2H⁺.

Элементарная сера отделяется от промывного раствора в отстойнике. Раствор регенерируется в окислительной колонне продувкой воздухом:

4Fe⁺² + O₂ + 2H₂O → 4Fe⁺³ + 4OH⁻.

Используя водные растворы определенных химических соединений, можно обеспечить одновременную очистку биогаза от H₂S и CO₂. Например, моноэтаноламин, являясь слабым основанием, обратимо взаимодействует с H₂S и CO₂:

20−25С

H

100−110С

OCH₂CH₂NH₂ + H₂S HOCH₂CH₂NH₃ + HS⁻,

20−25С

H OCH₂CH₂NH₂ + H₂O + CO₂ HOCH₂CH₂NH₃ + HCO₃⁻.

100−110С

Равновесие обратимых реакций легко сдвигается изменением температуры. Способ моноэтаноламиновой очистки обеспечивает полное удаление из биогаза CO₂ и снижение концентрации H₂S до 0,001% об.

Простым и дешевым способом очистки биогаза от CO₂ с частичным удалением H₂S является промывка водой в абсорбере под давлением порядка 0,1 МПа. Насыщенная диоксидом углерода вода регенерируется продувкой воздухом при атмосферном давлении. Энергетические затраты на предварительное компримирование неочищенного биогаза компенсируются высоким содержанием метана в очищенном газе. Водяная промывка под давлением используется на практике как вторая ступень очистки биогаза после десульфиризации.

На крупных биогазовых установках (тысячи м³/ч) перспективно обогащение биогаза за счет удаления CO₂ методами мембранного разделения и адсорбцией на молекулярных ситах.

Мембранный метод основан на различной проницаемости мембраны для компонентов биогаза. Этот способ широкого распространения не получил.

Чаще применяется разделение метана и диоксида углерода на молекулярных ситах (цеолитах). Микропористая структура молекулярных сит обеспечивает быструю адсорбцию диоксида углерода, азота и кислорода. Метан адсорбируется медленно, что и вызывает разделение этих компонентов биогаза. Адсорбцию газов проводят при повышенном давлении, а при снижении давления в аппарате происходит регенерация молекулярных сит. Процессы адсорбции и регенерации протекают в адсорбере поочередно. Для реализации этого метода необходима предварительная очистка биогаза от сероводорода. В зарубежной практике при эксплуатации биогазовых установок часто применяется комбинированная (многоступенчатая) очистка биогаза.

В качестве автомобильного топлива используется очищенный компримированный или сжиженный биогаз. Сжатый до давления 20 МПа при температуре 0С 1 м³ биогаза занимает объем 2,95 л. В баллонах емкостью 50 л при таких условиях можно хранить 17 м³ биогаза.

Производственный опыт свидетельствует об экономической целесообразности применения биогаза в газовых двигателях с электрогенератором. В этом случае сжигание 1 м³ биогаза позволяет выработать 1,6–2,1 квт ∙ ч электроэнергии. Большой опыт работы с газовыми двигателями накоплен в Германии, где эксплуатируется более 250 теплоэлектростанций, работающих на биогазе.

273