Спосіб очистки біогазу

Реферат: Спосіб очистки біогазу включає видалення компонентів біогазу в ході багатоетапного процесу його очистки. Процес очистки виконують в два етапи, при цьому на першому етапі очистки сирий біогаз пропускають через першу ємність, заповнену розчином азотної кислоти, з отриманням нітрату амонію, а на другому етапі очищений на першому етапі біогаз пропускають через другу ємність, заповнену розчином гідроксиду натрію, з отриманням карбонату натрію і сульфіду натрію. UA 99406 U (54) СПОСІБ ОЧИСТКИ БІОГАЗУ UA 99406 U UA 99406 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до технології очистки біогазу від вхідних до нього газових компонентів для збагачення біогазу метаном і утилізації компонентів біогазу (діоксиду вуглецю, аміаку, сполук сірки) з отриманням на їх основі готових затребуваних продуктів. Біогаз одержують шляхом анаеробного, тобто, безкислородного розщеплювання органічних матеріалів (шлами стічних вод, відходи рослинного або тваринного походження, відходи м'ясомолочної, рибної галузей промисловості та інші відходи органічного походження). Основними компонентами одержуваного біогазу є метан і діоксид вуглецю. Вміст метану в біогазі залежить, в основному, від вихідної органічної сировини. Як правило, вміст метану в біогазі коливається в межах 50-70 %, що забезпечує його горючість. Окрім метану і діоксиду вуглецю біогаз включає азот, кисень, аміак, сполуки сірки, а також деяку кількість інших газів. Кожний з компонентів біогазу є цінним сировинним продуктом, але в суміші метаном погіршує споживчі якості біогазу, як палива, або робить неможливим його використання як альтернативного палива. Наприклад, при анаеробній переробці свинячого гною, вміст метану в біогазі може знижуватися до 30 %, коли біогаз втрачає здібність до горіння. Для використання біогазу, як альтернативного палива, доцільно максимально підвищити вміст метану в ньому і видалити інші газові компоненти біогазу з утилізацією їх в готові затребувані продукти. Відомі технології очистки біогазу, засновані на адсорбції окремих його компонентів на відповідних адсорбентах. Так, широко відомі технології очистки біогазу від сірководню і галоген утримуючих вуглеводів шляхом їх адсорбції на активованому вугіллі або абсорбції в промивальному розчині. При адсорбції біогаз спочатку проходить через спеціально оброблене активоване вугілля, де сірководень окислюється до сірки, яка адсорбується порами вугілля. Водяна пара, що міститься в біогазі, адсорбується на активованому вугіллі, унаслідок чого зменшується активність вугілля по відношенню до галоген утримуючих вуглеводів. Тому перед наступним етапом очистки біогазу проводять осушення. Далі біогаз пропускають через чергову насадку з активованим вугіллям, на якій адсорбуються галогенутримуючі вуглеводи. Абсорбційна очистка заснована на різній розчинності компонентів газу у воді або водних розчинах різних хімічних сполук. При цій технології галогенутримуючі сполуки абсорбуються промивальним розчином, який складається з суміші органічних розчинників (. ru/view.aspx?id=484416#1). Відомий спосіб абсорбційної очистки біогазу (Патент РФ № 2460575, МПК B01D 53/62, дата подання заявки 18.03.2011). Відповідно до зазначеного способу на першому етапі біогаз обробляють розчином моноетаноламіну, який абсорбує вуглекислий газ, на другому етапі одержаний розчин моноетаноламіну з абсорбованим вуглекислим газом направляють на регенерацію, в процесі якої за рахунок підігріву і зниження тиску виділяють вуглекислий газ, охолоджують його і в зрідженому вигляді направляють на зберігання. Очистка біогазу шляхом абсорбції (адсорбції) його компонентів окремими реагентами вимагає застосування ряду абсорбентів (адсорбентів), зокрема дефіцитних, і особливих режимів їх застосування, що ускладнює технологію, погіршує її економічні показники. Відомий спосіб розділення біогазу, який передбачає отримання газових гідратів в газгольдері з подальшою ступінчастою дегідратацією і видаленням окремих компонентів біогазу (Патент РФ № 2118560, МПК B01D 57/00, дата подання заявки 09.08.1995). Газові гідрати є твердими кристалічними речовинами, що складаються з молекул води з упровадженими в ній молекулами газу. Багато природних газів, зокрема метан, вуглекислий газ, сірководень, азот, здатні в з'єднанні з водою створювати газові гідрати при певних температурі і тиску. Біогаз закачують в газгольдер, який є термостатом високого тиску, заповненим водою при температурі близько 5 °C Біогаз закачують до досягнення тиску в газгольдері більше 5 МПа. Компоненти біогазу, що при цьому видаляються, переходять у форму газових гідратів, а азот залишається в газоподібній формі у вигляді газових бульбашок. Досягнувши заданих умов, газгольдер виконує функцію сховища біогазу. У разі подальшого використання компонентів біогазу здійснюють процес дегідратації при ступінчастому зниженні тиску в газгольдері. На першому етапі виводять з газгольдера азот. На другому етапі зниження тиску в газоподібний стан переходить метан. На третьому етапі виводять з газгольдера вуглекислий газ. На подальшому етапі видаляють сірководень. Недоліком гідратації біогазу шляхом перетворення його компонентів в кристалогідрати з наступною дегідратацією є складність технології устаткування, що істотно погіршує економічні показники технології. 1 UA 99406 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Як найближчий аналог вибрано спосіб очистки біогазу, (Патент РФ № 2495706, МПК B01D 53/14 С07С 7/11 C02F 11/04, дата подання заявки 25.05.2009). Спосіб очистки біогазу передбачає видалення компонентів, що містяться в біогазі, (діоксид вуглецю, сполуки сірки, аміак і інші водорозчинні речовини) в ході багатоетапного процесу очистки. Процес очистки здійснюють щонайменше в три етапи, що слідують один за іншим з використанням прісної води, яка не містить добавок. На першому етапі біогаз (сирий газ), що очищається, забирається з біогазової установки, пропускають через очисну колону з фільтруючим шаром при стандартному тиску або при надмірному тиску до 6 бар в протитечію прісній воді, що подається. Діоксид вуглецю, сірководень, аміак і інші органічні водорозчинні речовини, що містяться в сирому газі, зв'язуються в прісній воді. Метановий газ із вмістом метану щонайменше 65 % відбирають у голови очисної колони. На другому етапі метан, розчинений в забрудненому розчині очисної колони, майже повністю (щонайменше на 90 %) видаляють в першій випарній колоні шляхом аерації повітрям або повітря з киснем (0,5-10 %) у напрямі протитечії при температурі до 60 °C. При цьому одержують кисне утримуючий газ, що має якість паливного газу. На третьому етапі діоксид вуглецю, розчинений в забрудненому розчині першої випарної колони, видаляють до залишкового вмісту менше 200 міліграм/л в другій випарній колоні за допомогою аерації щонайменше 25 % повітрям у напрямі протитечії, очищений розчин подають до очисної колони. Загальними ознаками аналога і корисної моделі, що заявляється, є: спосіб очистки біогазу, що передбачає видалення компонентів біогазу в ході багатоетапного процесу його очистки. Описаний спосіб не вирішує проблему утилізації компонентів, що видаляються з біогазу, з отриманням готових затребуваних продуктів. Крім того, спосіб вимагає значних витрат прісної води, що не містить добавок, і подальшої її очистки. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу очистки біогазу, в якому за рахунок особливостей технологічних операцій і вживаних реагентів відбувається утилізація компонентів біогазу, що видаляються, з отриманням готових затребуваних продуктів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі очистки біогазу, що передбачає видалення компонентів біогазу в ході багатоетапного процесу, його очистку, згідно з корисною моделлю, процес очистки виконують в два етапи, при цьому на першому етапі очистки сирий біогаз пропускають через першу ємність, заповнену розчином азотної кислоти, з отриманням нітрату амонію, а на другому етапі очищений на першому етапі біогаз пропускають через другу ємність, заповнену розчином гідроксиду натрію, з отриманням карбонату натрію і сульфіду натрію. Зазначені ознаки є істотними ознаками корисної моделі. Оптимальні умови для очистку біогазу на першому етапі виникають при концентрації розчину азотної кислоти в межах 30-40 %, при температурі в межах 30-40 °C. Оптимальні умови на другому етапі - концентрація розчину гідроксиду натрію в межах 3040 %, при температурі в межах 33-37 °C. Істотні ознаки корисної моделі знаходяться в причинно-наслідковому зв'язку з результатом, що досягається. Так, відмітні ознаки корисної моделі (процес очистку виконують в два етапи, при цьому на першому етапі очистки сирий біогаз пропускають через першу ємність, заповнену розчином азотної кислоти, з отриманням нітрату амонію, а на другому етапі очищений на першому етапі біогаз пропускають через другу ємність, заповнену розчином гідроксиду натрію, з отриманням карбонату натрію і сульфіду натрію) в сукупності з істотними ознаками, загальними з прототипом, дозволяють утилізувати компоненти біогазу, що видаляються, з отриманням готових затребуваних продуктів. Це пояснюється наступним. При послідовному пропусканні сирого біогазу через розчин азотної кислоти і розчин гідроксиду натрію протікають наступні реакції. На першому етапі аміак (NH3), що присутній в біогазі, вступає в реакцію з азотною кислотою (HNO3) по формулі: NH3+HNO3=NH4NO3 з виходом нітрату амонію (NH4NO3). На другому етапі, присутні в біогазі вуглекислий газ (СО 2) і сірководень (H2S), вступають в реакції з розчином гідроксиду натрію по формулах: СО 2+NaOH=NaHCO3, далі NaHCO3+NaOH=Na2CO3+H2O з отриманням карбонату натрію (Na2CO3), а також: H2S+2NaOH=Na2S+2Н2О з отриманням сульфіду натрію (Na2S). Таким чином в процесі очистку біогазу від аміаку, вуглекислого газу і сірководню одержують нітрат амонію, карбонат натрію і сульфід натрію, як готові затребувані продукти. 2 UA 99406 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Нижче приводиться опис способу, що заявляється, з посиланнями на схему способу, що додається до опису. Сирий біогаз газ, що забирається з метантенка 1 біогазової установки за допомогою компресора 2, нагнітається в першу ємність 3, яка заповнена водним розчином азотної кислоти (HNO3). Подачу біогазу здійснюють через колектор 4 в нижній частині місткості 3 для кращого змішування біогазу з азотною кислотою. При цьому відбувається взаємодія аміаку (NH 3) як компоненту біогазу, що видаляється, з азотною кислотою з отриманням нітрату амонію (NH4NO3) по наступній формулі: NH3+HNO3=NH4NO3. Оптимальні умови режиму реакції мають місце при концентрації азотної кислоти в межах 3040 % і температурі в межах 30-40 °C. Очищений від аміаку біогаз накопичується в купольному просторі 5 першої ємності 3. Розчин нітрату амонію відводять з ємності 3 через кран 6, що розташований в нижній частині ємності 3. Таким чином на першому етапі очистки здійснюють очистку біогазу від аміаку з отриманням нітрату амонію, який широко застосовується як азотне добриво, а також у виробництві вибухових речовин. На другому етапі очистки біогаз з купольного простору 5 першої ємності 3 за допомогою компресора 7 нагнітають в другу ємність 8, яка заповнена водним розчином гідроксиду натрію (NaOH). Подачу біогазу здійснюють через колектор 9 в нижній частині ємності 8 для кращого змішування біогазу з гідроксидом натрію. При цьому відбувається взаємодія вуглекислого газу (СО2) як компоненту біогазу, що видаляється, з гідроксидом натрію. Реакція протікає в два етапи. Спочатку протікає реакція з утворенням кислої солі (NaHCO 3) по формулі: СО2+NaOH=NaHCO3. Далі, в умовах надлишку лугу кисла сіль (NaHCO 3), що утворилася, вступає в реакцію з гідроксидом натрію з отриманням карбонату натрію по формулі: NaHCO3+NaOH=Na2CO3+Н2О. За наявності в біогазі сірководню (H2S) протікає реакція сірководню з гідроксидом натрію, в результаті якої одержують сульфід натрію (Na2S) по формулі: H2S+2NaOH=Na2S+2Н2О. Оптимальні умови режимів зазначених реакцій мають місце при концентрації гідроксиду натрію в межах 30-40 % і температурі в межах 33-37 °C. Очищений від аміаку, вуглекислого газу і сірководню біогаз накопичується в купольному просторі 10 другої ємності 8, з якого, як готове для застосування паливо, через патрубок 11 направляється на зберігання або споживачу. Розчин карбонату натрію і сульфіду натрію відводять з другої ємності 8 через кран 12, що розташований в нижній частині ємності 8. Дана суміш включає 96-98 % з карбонату натрію і 2-4 % сульфіду натрію. Оскільки обидва розчини гігроскопічні і реагують з повітрям, що приводить до зміни їх хімічних властивостей, то суміш бажано пропустити через сушильну камеру з циклоном, що дозволить відразу упакувати в поліетиленову тару і доставити як сировину на підприємства хімічної промисловості, де буде здійснено розділення карбонату натрію та сульфіду натрію. Таким чином, на другому етапі здійснюють очистку біогазу від вуглекислого газу і сірководню з отриманням карбонату натрію і сульфіду натрію. Карбонат натрію використовується, наприклад, в скляному виробництві, у виробництві пральних і чистячих порошків. Сульфід натрію застосовується, наприклад, у виробництві фарбників, в технологіях дублення шкір, як реагент в аналітичній хімії. Запропонований спосіб дозволяє зациклити технології переробки відходів тваринництва, рослинництва, утилю торгової мережі з отримання біогазу без забруднення навколишнього середовища, підвищивши якість біогазу, як альтернативного палива, а також утилізувати компоненти, що видаляються з біогазу, з отриманням готових затребуваних продуктів - нітрату амонію, карбонату натрію, сульфіду натрію. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Спосіб очистки біогазу, що передбачає видалення компонентів біогазу в ході багатоетапного процесу його очистки, який відрізняється тим, що процес очистки виконують в два етапи, при цьому на першому етапі очистки сирий біогаз пропускають через першу ємність, заповнену розчином азотної кислоти, з отриманням нітрату амонію, а на другому етапі, очищений на першому етапі біогаз пропускають через другу ємність, заповнену розчином гідроксиду натрію, з отриманням карбонату натрію і сульфіду натрію. 3 UA 99406 U 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що розчин азотної кислоти використовують з концентрацією в межах 30-40 %, при температурі в межах 30-40 °C. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що розчин гідроксиду натрію використовують з концентрацією в межах 30-40 %, при температурі в межах 33-37 °C. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4