Спосіб постачання палива на основі біогазових установок і пристрій для його здійснення

1. Спосіб постачання палива на основі біогазових установок, який складається з очистки біогазу від сірководню, стискування, охолодження, осушки, відділення діоксиду вуглецю, збору з послідуючим поданням його споживачу, відрізняється тим, що біогаз після стискування змішують з водою і утворюють суспензію із води і газових гідратів, які стискують з подальшим нагрівом і розкладанням гідратів на газ високого тиску і воду, останню рециркулюють на створення гідратів, при цьому, перед змішуванням з газом і утворенням гідратів, із води виділяють розчинені гази, а газ, отриманий при розкладі гідратів, осушують і подають споживачу. 37989 джувачами газу та вологовіддільниками, осушувальників газу, охолоджувачів, об'єднаних з холодильною установкою, яка виробляє холод для конденсації діоксиду вуглецю, балонів стиснутого газу (див.: Некрасов В.Г. Технологическая схема очистки биогаза от примесей // Газовая промышленность. – 1990. - № 10. - С. 30-31 - прототип). Цей спосіб реалізують таким чином. Сирий біогаз подають в один з паралельно працюючих сіркоочисних фільтрів, де проводять відділення від нього сірководневих домішок. Після очищення від сірководню сирий біогаз, який має граничну вологомісткість, стискують компресором низького тиску, звичайно до 0,6-0,7 МПа, після чого направляють через проміжний охолоджувач, в якому охолоджують його до температури, близької до температури навколишнього середовища, і вологовіддільник, в якому відділяють від охолодженого газу краплі вологи, на всмоктування компресором проміжного тиску, який стискує газ до ~2,5-3,0 МПа. Після проміжного охолодження та відділення води що сконденсувалася, біогаз стискають до ~20 МПа, охолоджують, відділяють краплі вологи та сирий, з граничним вологовмістом, подають в один з паралельно працюючих адсорбційних осушувачів високого тиску, в якому проводять сушіння біогазу високого тиску. Після осушувача біогаз збагачують метаном за рахунок виділення з нього баластного СО2 шляхом охолодження газу нижче температури конденсації СО2. Діоксид вуглецю, який сконденсувався, відділяють, за рахунок різниці густини скрапленого СО2 і газоподібної суміші, від газової суміші у віддільнику, для чого може використовуватись, наприклад, гідро циклон, а збагачений по метану газ, під тиском ~20 МПа, направляють у балон, за допомогою якого поставляють газоподібне паливо споживачу. Недоліками відомого способу та пристрою що його реалізує є необхідність використання складних механічних компресорів високого тиску з проміжним сушінням газу, холодильних установок, які виробляють холод на низькому температурному рівні, що потребує допоміжних витрат на високовартісну ізоляцію апаратів, які працюють при такій низькій температурі (так, у прототипі, для більш повного відділення діоксиду вуглецю, необхідно виробляти холод на рівні ~ -58°С - це дозволить знизити вміст його у суміші до ~ 7% мас., виділення більшої кількості СО2 (до меншої кількості його у очищеному газі) потребує використання більш низькотемпературного охолодження, а це призведе до випадіння СО2 у твердій фазі, із складнощами усунення її з теплообмінної поверхні). Потрібний холод на рівні ~58°С, найбільш економним способом, можна виробити у складній двохступінчатій або каскадній холодильній установці. В основу винаходу поставлена задача створення пристрою, що дозволяє реалізувати більш економічний, порівняно з відомими, спосіб постачання палива на основі біогазових установок, в якому можливо проводити в єдиному технологічному ланцюзі стиснення біогазу, збагачення його горючою фракцією (метаном), сушіння і закачування в балони для постачання останніх споживачу. Для цього запропоновано створювати газові гідрати біогазу при параметрах, які потребують використання холоду більш високого температур ного потенціалу, ніж при збагаченні біогазу горючою фракцією у відомих способах. Поставлена задача вирішується тим, що у запропонованому способі постачання палива на основі біогазових установок, який складається з очистки біогазу від сірководню, стискування, охолодження, осушки, відділення діоксиду вуглецю з послідуючим поданням його споживачу, біогаз після стискування змішують з водою і створюють суспензію із води і газових гідратів, які стискують з подальшим нагріванням і розкладанням гідратів на газ високого тиску і воду, останню рециркулюють на створення гідратів, при цьому, перед змішуванням з газом і створенням гідратів, із води виділяють розчинені гази, газ, отриманий при розкладі гідратів, осушують і подають споживачу, а пристрій для постачання палива на основі біогазових установок, який складається з об'єднаних трубопроводами з вентилями блоків очистки від сірководню, компресорів. осушувачів газ у, о холоджувачів, віддільників вологи, балонів стиснутого газ у, забезпечений кристалізатором і плавильником, які мають теплообмінники, пресуючим пристроєм з приводом мотор-турбіна, насосом і експанзером, при цьому плавильник з'єднаний з осушувачем газу через турбіну і експанзер, а також через пресуючий пристрій з кристалізатором, останній з'єднаний через охолоджувач з компресором, а пресуючий пристрій через насос з'єднаний з кристалізатором. Запропоновані технічні рішення з переглянутих літературних джерел нам не відомі, дозволяють здобути позитивний ефект у вигляді зниження витрат на етапах підвищення тиску і осушування газу, тому що в ньому проводять осушення не до збагачення біогазу по метану, а після, тобто осушення проводять тільки частини біогазу, збагаченої по метану, а не весь біогаз як у відомих рішеннях. Даний спосіб реалізують таким чином. Біогаз, котрий отримують у результаті анаеробного зброджування відходів, який складається, наприклад з 80% СН4, 19% СО2, і 1% Н2S, накопичують та направляють на стадію очистки від сірководню. Цю очистку проводять одним із відомих способів, наприклад, як у прототипі, за рахунок контактування з трьохвалентним залізом. Після цього, сирий, насичений парою біогаз стискують до Р ~2,5 МПа, охолоджують, за рахунок відведення тепла стискування в навколишнє середовище, до температури, близької до температури навколишнього середовища, змішують з водою і охолоджують суміш, що створюється, до температури, близької до кріоскопічної температури води. При тиску ~2,5 МПа і температурі ~274 К в суміші газу і води створюють гідрати газу, що являють собою сполуки включення молекул газу у решітку створену молекулами води. Теплоту, що виділяється при створенні гідратів газу, відводять за допомогою будь-якого джерела (це може бути холодильна машина, яка виробляє холод на рівні ~ 272-273 К або може використовуватись природний холод в зимовий період часу, наприклад, холодна вода або льодо-водяна суспензія - різниця температур в 1...2 градуси між температурою гідратоутворення та джерелом холоду, яким відводять теплоту гідратоутворення, достатня для проведення процесу гідратоутворення з технічно прийнятною 2 37989 швидкістю). Процес гідратоутворення можливо проводити і при інших параметрах, наприклад при більш високій температурі, але в цьому разі необхідно буде стискувати газ до більш високого тиску, так наприклад, для заданого складу газу, при утворенні гідратів при температурі ~283 К тиск необхідно буде підтримувати на рівні ~7,0 МПа, а це потребує стискати газ після очистки від сірководню до такого високого тиску з відповідним підвищенням витрати енергії на стискання його. При зниженні температури гідратоутворення тиск також знижується. Але знижувати температуру нижче за кріоскопічну недоцільно, тому що разом з гідратами газу будуть створюватись і кристали льоду з наступними проблемами відділення їх від гідратів. Тому найбільш доцільною температурою створення гідратів є температура що де що перевищує (на 1-2 градуси) кріоскопічну температуру води - ця величина забезпечує проведення процесу під відносно низьким тиском та без утворення кристалів льоду разом з кристалами гідратів газу. Суспензію із гідратів газу і води стискують до тиску, що відповідає тиску газу, який подають споживачу (звичайно ~20 МПа), і нагрівають до температури, дещо вищої за рівноважну температуру існування гідратів (з метою скорочення енерговитрат нагрівання проводять на 1,2-2,0 градуси вище, ніж рівноважна температура, що забезпечує прийнятну швидкість розкладу гідратів). При нагріванні суспензії до температури 295 К проводять розкладання гідратів на воду та газ високого тиску (~20 МПа). Зважаючи на більшу розчинність СO2 у воді в порівнянні з розчинністю метану, стиснутий газ буде збагачений по метановій фракції. Газ високого тиску, що складається приблизно на 9398% з метану та діоксиду вуглецю, який має температуру ~295 К осушують будь-яким із відомих способів, наприклад, так як і у прототипі, за допомогою адсорбційного матеріалу, і направляють споживачу. Відділену від газу високого тиску воду, після розкладання гідратів, яка складається з води, яка входить до складу гідратів, і води в складі суспензії, що потрапила із зони гідратоутворення в зону розкладу гідратів (звичайно, для скорочення енерговитрат у процесі переміщення гідратів із зони утворення в зону розкладу, проводять збагачення суспензії по твердій фазі за рахунок відділення частини води у складі суспензії та повернення и в зону утворення гідратів) рециркулюють у зону утворення гідратів, попередньо знижують при цьому тиск від тиску розкладу гідратів (~20 МПа) до тиску під яким проводять утворення гідратів (~2,5 МПа) і виділення розчиненого газу, який був розчинений у воді і виділився з неї. Цей газ складається переважно з діоксиду вуглецю тому що розчинність його значно вища розчинності метану у воді. Таким чином, через те що при підвищенні тиску розчинність газів у воді підвищується, тобто розчинність газу у воді в зоні розкладу гідратів, де тиск ~20 МПа, буде вища ніж розчинність газу у воді при тиску, який дорівнює тиску у зоні створення гідратів (~2,5 МПа), то запропоноване технічне рішення дозволяє поставляти споживачу біогаз високого тиску одночасно збагачуючи його по метану. Запропонований спосіб може бути реалізований за допомогою пристрою, зображеного на фігурі. Пристрій складається з послідовно поєднаних джерела біогазу 1, блоку 2 очистки ВІД сірководню, компресорів низького та проміжного тиску, відповідно 3 і 4, газоохолоджувачів 5 і 6, волого віддільника 7 який має дренажний вентиль 8, кристалізатора 9, пресуючого пристрою 10, плавильника 11, осушувача 12, балонів 13 для стиснутого продуктового газу (газу, який подають споживачу). Кристалізатор 9 і плавильник 11 мають теплообмінники 14 і 15, які разом з компресором 16, конденсатором 17 і дроселюючим вентилем 18 входять до складу холодильної установки. Пресуючий пристрій 10 складається з дренажної камери 19, конусного фільтра 20, всередині якого розташований шнек 21 з мішалкою 22 та гідротурбіною 23 і електродвигун 24. Нижня частина плавильника 11 з'єднана через вентиль 25 із входом до гідротурбіни 23, вихід з якої через експанзер 26 трубопроводом з вентилем 27 з'єднаний з кристалізатором 9, який через насос 28 з'єднаний з дренажною камерою 19. Експанзер 26 має трубопровід з вентилем 29. Пристрій працює таким чином. Біогаз із джерела 1 подають у бак 2, де з нього виділяють домішки сірководню за рахунок того, що як І у прототипі, газ пропускають крізь шар трьохвалентного заліза. Очищений від домішок сірководню біогаз, насичений водяними парами, стискують компресором 3 до тиску ~0,5-0,8 МПа, після чого направляють у газовіддільник 5 в якому охолоджують шляхом відводу теплоти у навколишнє середовище. Тому що розчинність води у газі з підвищенням тиску зменшується, то після охолоджувача з газу виділяється волога у вигляді крапель, які відділяють у волого віддільнику 7, який, як і у прототипі, являє собою стандартний апарат, наприклад, циклонного типу. Відділену в ньому з газу воду періодично, по мірі накопичення, виводять з апарата через вентиль 8. З волого віддільника 7 біогаз подають на всмоктування компресора 4, в якому підвищують тиск газу до ~2,5 МПа. Після компресора 4 газ охолоджують у газоохолоджувачі 6, шляхом відводу теплоти у навколишнє середовище, після чого газ разом з вологою, що випала, подають у кристалізатор 9, в якому змішують з водою та перемішують мішалкою 22 при температурі ~274 К і створюють гідрати газу. Теплоту гідратостворення, що виділяється, відводять холодоагентом, який циркулює за допомогою компресора 16 через теплообмінник 14. Гідрати газу у складі водяної суспензії (суміш води і гідратів) поступають у пресуючий пристрій 10. Проходячи через початок пресуючого пристрою суспензія частково осушується за рахунок відділення води внаслідок дії різни ці тиску на фільтрі 20 (різниця тиску складає ~40-60 кПа), при цьому концентрація води у міжкристалевих пустотах гідратів складає ~ 4050% (по об'єму). Збагачену гідратну масу шнеком 21 переміщують в напрямку плавильника 11. У процесі переміщення гідратної маси відбувається її пресування до тиску стиснутого газу, в результаті чого з гідратної маси, крізь перфорацію конусного фільтру 20 ви штовхується міжкристалева вода в дренажну камеру 19. Таким чином, одночасно проводять транспортування та збагачення суспен 3 37989 зії по твердій фазі. З дренажної камери 19 воду насосом 28 рециркулюють у кристалізатор 9. На виході з конусного фільтра 20 гідратна маса створює газовий затвор, який перешкоджає надходженню речовини (газу або рідини, у разі коли вихід фільтра 20 занурений в суспензію, що знаходиться в плавильнику) з плавильника, крізь пресуючий пристрій 10, в кристалізатор 9. Гідратна маса потрапляє з пресуючого пристрою 10 у плавильник 11 де підігрівається до температури ~294 К і розкладається на газ високого тиску (~20 МПа) і воду за рахунок теплоти конденсації холодоагенту, який подають компресором 16 через конденсатор 17. Надлишки теплоти конденсації відводять в навколишнє середовище. Скраплений агент, через дроселюючий вентиль 18 подають у теплообмінник 14, в якому, за рахунок випаровування агенту, відводять тепло гідратоутворення. Вода у плавильнику насичена розчиненим в ній газом. Тому що розчинність діоксиду вуглецю значно вища за розчинність метану у воді, то в воді, яка знаходиться у плавильнику, розчинений переважно діоксид вуглецю. Воду з плавильника 11, через трубопровід з вентилем 25, направляють у гідротурбіну 23, яка використовує перепад тиску між плавильником і кристалізатором для виробництва роботи, що частково компенсує витрату енергії на пресування та транспортування гідратів з кристалізатора 9 в плавильник 11 пресуючим пристроєм 10. Тому що кількість роботи, яку отримують у гідротурбіні, менша, ніж витрати її на пресування то, для компенсації цього дисбалансу, на валу шнека 21 крім гідротурбіни 23 встановлюють електродвигун 24. Воду, що виходить з гідротурбіни 23, подають у експанзер 26 де з неї відділяють газ, що складається переважно з діоксиду вуглецю, котрий через вентиль 29 виводять з пристрою, а воду через вентиль 27 рециркулюють в кристалізатор 9 де охолоджують і змішують з біогазом, який потрапляє з охолоджувача 6. Газ високого тиску, який складається приблизно на 93-94% з метану та діоксиду вуглецю і має температуру ~294 К з плавильника 11 подають у осушувач 12, де за рахунок адсорбції, як і у прототипі, осушують. Після осушувача 12 біогаз високого тиску заправляють у балони 13 та направляють споживачу. При цьому необхідно відмітити, що теплота гідратоутворення може відводитися і за рахунок природного холоду, коли холодний теплоносій прокачують через теплообмінник 14, а для плавильника гідратів використовують будь який теплоносій низького потенціалу, прокачуючи його через теплообмінник 15. Запропоновані спосіб постачання палива на основі біогазових установок і пристрій для його здійснення дозволяють скоротити енерговитрати та інші витрати на стадії осушення газу, тому що дозволяють осушувати не всю кількість газу після очищення від сірководню, як у відомих технічних рішеннях, а тільки збагачену по метану його частину. Можливість використання природного холоду для відводу теплоти гідратоутворення без порушення технологічного режиму, у зимовий період року, також сприяє скороченню витрати енергії. Фіг. 4 37989 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5