Способ и система очистки биогаза для извлечения метана
Изобретение относится к способу очищения биогаза для извлечения метана, в котором компоненты, содержащиеся в биогазе, такие как диоксид углерода, соединения серы и аммиака, отделяются в ходе нескольких этапов процесса, и к соответствующей системе для осуществления способа. Способ осуществляют в три этапа очистки, на первом биогаз пропускают через очистную колонну (К1) в противоток подаваемой пресной воде, где диоксид углерода, сероводород, аммиак и другие органические водорастворимые вещества связываются в пресной воде, а метановый газ отбирают у головы очистной колонны (К1), на втором растворенный метан удаляют в первой испарительной колонне (К2), посредством добавления аэрирующего воздуха или аэрирующего воздуха и кислорода, и на третьем растворенный диоксид углерода удаляют во второй испарительной колонне (К3) посредством добавления аэрирующего воздуха, при этом отводят очищенный очистной раствор, подаваемый к очистной ступени (К1), и отработанный газ. Система содержит очистную колонну (К1), первую испарительную колонну (К2) и вторую испарительную колонну (К3), при этом очистная и испарительные колонны соединены последовательно, и основание второй испарительной колонны соединено с головой очистной колонны линией (04), несущей очистной раствор. Изобретение позволяет увеличить извлечение метана и снизить потребление энергии. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.
Настоящее изобретение относится к способу очистки биогаза для извлечения метана, при этом компоненты, содержащиеся в биогазе, такие как диоксид углерода, соединения серы и аммиака отделяют в результате ряда различных этапов процесса, и к соответствующей системе для осуществления способа.
Биогаз образуется посредством анаэробного (бескислородного) расщепления органического материала и используется в качестве возобновляемого источника энергии. Производимые газы делятся на газ сточных вод, газ вторичной переработки, газ из органических отходов и биогаз, в зависимости от соответствующих используемых сырьевых материалов, таких как шлам сточных вод, ил, навоз, отходы растительного или животного происхождения и биологическое сырье.
Все вышеупомянутые виды газов далее будут называться биогазом.
Основными компонентами биогазов являются метан и диоксид углерода, вместе с неосновными компонентами, включающими азот, соединения серы, кислород, водород и аммиак.
Для того чтобы использовать метан, содержащийся в биогазе, необходимо подвергнуть переработке биогаз в многостадийном процессе для того, чтобы удалить нежелательные соединения.
Обычные этапы процесса, которые, как правило, осуществляются раздельно, включают разувлажнение (удаление воды), десульфурацию и удаление диоксида углерода и аммиака.
Известны способы биологической адсорбции (с использованием микроорганизмов), также как и способы химической адсорбции десульфурации, при которых сероводород разными способами преобразуется в элементарную серу.
Диоксид углерода, так же как и небольшие количества сероводорода, удаляется физическими или химическими средствами, например, очисткой напором воды, мембранными процессами, процессом Selexol (под высоким давлением), адсорбцией с колебаниями давления или аминовой очисткой.
Некоторые из этих способов также удаляют воду или аммиак.
Большинство из вышеназванных способов являются энергоемкими и приводят к потерям метана.
Относительно высокие потери метана происходят при способах очистки напором воды и адсорбции с колебаниями давления, составляя, примерно, 2-5% метана, содержащегося в биогазе. Кроме того, этот метан, содержащийся в диоксиде углерода, который был удален, может использоваться в качестве топлива только при помощи вспомогательной запальной системы, поскольку он присутствует в таких малых концентрациях. К тому же, из-за способа действия системы адсорбции с колебаниями давления, происходят резкие колебания выделений метана, которые требуют сглаживания. Более того, сырой газ должен содержать только очень маленькую концентрацию H2S, что вызывает необходимость в продолжительном и дорогостоящем удалении использованного активированного угля.
Очистка при помощи очистного раствора, такая как аминовая очистка, экономически оправдана, только если загрязненный очистной раствор может быть регенирирован.
Из DE 10 200 051 952 В3 известен процесс производства метана и жидкого диоксида углерода из нефтяного газа и/или биогаза. Сырой газ очищается на предварительном этапе (удаление примесей, таких как NH3, H2SO4, H2S, SO2, и COS) и затем подается в поглотительную колонну, в которой диоксид углерода, содержащийся в сыром газе, связывается в очистном растворе при давлении, предпочтительно, 5-30 бар, с использованием аминосодержащего очистного раствора. Накапливающийся очищенный газ содержит примерно 98% метана по объему и может непосредственно использоваться для других целей. Загрязненный очистной раствор проходит регенеративную обработку в испарительной колонне под давлением и при повышенных температурах (180-230°С).
Использующий давление способ требует высокого уровня расходов на оборудование.
Способ удаления метана и диоксида углерода из биогаза известен из WO 2008/034473 А1, позволяющий произвести удаление диоксида углерода без использования давления, при этом накапливается метановый газ с чистотой более 99,5%.
Как при любой аминовой очистке для регенерации очистного раствора потребляется относительно большое количество энергии, составляющее 0,5-0,8 кВт.ч/м3 биогаза при нормальных условиях.
Целью изобретения является разработка способа очистки биогаза для извлечения метана, который характеризуется низким потреблением энергии и позволяет увеличить содержание метана, по меньшей мере, на 10% при низких потерях метана. Кроме того, должна быть разработана соответствующая система для осуществления способа.
Вышеуказанная цель достигается согласно изобретению посредством признаков, указанных в п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления способа являются объектами пунктов 2-11 формулы изобретения. Признаки системы для осуществления способа указанны в п.12. Предпочтительные разработки этой системы являются объектами пунктов 12-18 формулы изобретения.
Процесс очистки происходит, согласно предложенному способу, по меньшей мере, в три очистных этапа, которые происходят сразу же один за другим, с использованием не содержащей примесей пресной воды, пропускаемой по контуру. В качестве пресной воды может использоваться вода, забираемая из городской сети водоснабжения, или вода из скважины или подготовленная дождевая вода. Используемая вода не содержит примесей. Три очистных этапа, которые весьма важно осуществить, следующие:
Очищаемый биогаз (сырой газ), который отводится от биогазовой установки или другой установки, например, установки для производства газа вторичной переработки, газа из сточных вод или газа из органических отходов, протекает через очистную колонну с фильтрующим слоем под стандартным давлением, или при повышенном до 6 бар давлении, в противоток подаваемой пресной воде. В этом процессе диоксид углерода, сероводород, аммиак и другие органические водорастворимые вещества, содержащиеся в сыром газе, связываются в чистой воде. Метановый газ с содержанием метана, по меньшей мере, 65% отбирается у головы очистной колонны.
Эта очистка газа осуществляется, как правило, под стандартным давлением. В исключительных случаях, однако, система также может работать с повышенным, вплоть до 3-4 бар, давлением, подвергаясь максимальному давлению 6 бар. При более высоком давлении, большее количество диоксида углерода, которое может быть в три раза больше при 3 барах, растворяется в очистном растворе. Количество требуемого очистного раствора, следовательно, меньше в три раза, а очистная колонна может быть меньших размеров из-за меньшего объема газа. Все традиционные способы очистки сжатым газом требуют давления более 6 бар, для того, чтобы экономично вырабатывать концентрации метана более 96% по объему. Однако более высокое давление ведет к значительно более высокому потреблению энергии, поскольку система затем должна быть впоследствии снова декомпрессирована. Более того, потери метана более высокие. Два изложенных ниже очистных этапа, осуществляемые с использованием испарительных колонн, важны для обеспечения успешного осуществления способа. Загрязненный очистной раствор, выпущенный из очистного этапа, очищается в первой испарительной колонне, имеющей фильтрующий слой, или набивку фильтра, посредством добавления 0,1-10% аэрирующего воздуха или аэрирующего воздуха и кислорода, исходя из количества биогаза (сырого газа), подаваемых под стандартным давлением, по принципу противотока, при температурах до 60°С, при этом метан почти полностью удаляется (по меньшей мере, 90%) из очистного раствора, в котором он был растворен. В этом процессе в виде отработанного газа образуется кислородосодержащий аэрационный газ, имеющий качество топливного газа, который может быть либо возвращен в биореактор биогазовой установки, либо подан в поток метанового газа, удаляемого из очистной ступени, для повышения содержания метана, или использоваться в качестве топливного газа.
Первая испарительная колонна, предпочтительно, может также быть сконструирована в виде двухступенчатой колонны, при этом кислород подается в первую ступень, а аэрирующий воздух подается во вторую ступень, или vice versa. Это дает возможность получать два различных топливных газа, имеющих разное содержание кислорода. Топливный газ с высоким содержанием кислорода, например, может использоваться в качестве источника кислорода для биологической десульфурации биогаза внутри биореактора или снаружи.
Загрязненный очистной раствор, выпускаемый из первой испарительной колонны, очищается под стандартным давлением, по принципу противотока, во второй испарительной колонне, имеющей фильтрующий слой или набивку фильтра, посредством добавления, по меньшей мере, 25% аэрирующего воздуха, исходя из количества подаваемого биогаза (сырого газа), при этом растворенный в очистном растворе диоксид углерода удаляется до остаточного содержания, по меньшей мере, менее 200 мг/л. Очищенный очистной раствор возвращается на очистную ступень газоочистителя, а отработанный газ выпускается в окружающую среду или используется для других целей.
Предлагаемый способ приводит к сравнительно небольшим потерям метана до 0,05%. Когда система работает при стандартном давлении, потребление энергии для этих трех этапов очистки составляет менее чем 0,03 кВт·ч/м3 при нормальных условиях биогаза, что дает системе возможность работать крайне экономично. К тому же отработанный газ, накапливающийся в первой испарительной ступени и имеющий качество топливного газа, может использоваться для производства энергии. Это особенно важно, если биогаз планируется использовать для подачи в газораспределительную сеть природного газа или для производства топлива. В таких случаях отсутствует избыточное тепло от генерации электроэнергии. Избыточного тепла от сжатия биометана недостаточно для нагревания биореактора. В этом случае, необходимо обеспечить дополнительное органическое топливо. Топливный газ, вырабатываемый в качестве побочного продукта, может найти хорошее применение для нагрева биореактора.
Альтернативно, очищенный биогаз, отбираемый из очистной колонны, для увеличения концентрации метана и вместимости биогаза в оболочке биореактора, может направляться непосредственно в биореактор биогазовой установки.
Таким образом, соединяя способ согласно изобретению с биогазовой установкой, можно вырабатывать биогаз со значительно более высоким содержанием метана в биореакторе, и вместимость биогаза может быть значительно увеличена. Тогда отбираемый из биореактора биогаз с увеличенной концентрацией метана становится доступным для непосредственного коммерческого использования без дальнейшей переработки.
Очищенный биогаз (метановый газ), отбираемый из очистной стадии, уже достаточно чист для непосредственного дальнейшего применения, например, для подачи в газораспределительные сети природного газа или для работы теплоэлектростанций. Если требуется природный газ большей чистоты, этот метановый газ может быть доведен до требуемого уровня чистоты дальнейшей переработкой или очищением аминовой очисткой. Метановый газ может подаваться либо сам по себе, либо вместе с аэрационным газом (топливный газ), выпускаемым из первой испарительной колонны, на дальнейший этап переработки для увеличения содержания метана. Последующая аминовая очистка, как и регенерация очистного раствора, может выполняться со значительно меньшей затратой энергии и значительно меньшими потерями метана, поскольку основная часть примесей уже была удалена из биогаза.
Затем к первому очистному этапу, очистной колонне, подается пресная вода при температуре до 65°С, предпочтительно, до 20°С. В качестве пресной воды может быть использована грунтовая вода при 10-15°С.
Чем меньше температура очистного раствора, тем выше отделительная способность диоксида углерода. При высоких температурах окружающей среды, очистной раствор, следовательно, должен охлаждаться до его направления в газоочиститель. Отделительная способность диоксида углерода, растворенного в очистном растворе, может задаваться посредством таких параметров, как количество очистного раствора/ч и температура очистного раствора в очистной колонне. Большее количество очистного раствора и меньшая температура очистного раствора приводят к более высокой отделительной способности.
Следует заметить, что в том, что касается количества аэрирующего воздуха, подаваемого к двум испарительным колоннам, что только небольшое количество аэрирующего воздуха подается в первую испарительную колонну для отделения метана от очистного раствора, при этом значительно большее количество подается ко второй испарительной колонне для удаления СО2.
Соотношения зависят от размеров испарительных колонн и содержания метана в биогазе (сыром газе).
Отношение количества аэрирующего воздуха к количеству биогаза (сырого газа) на первом испарительном этапе должно, таким образом, составлять 1:50-1:1000, предпочтительно, 1:100. Более высокая концентрация метана в аэрационном газе (отработанном газе) достигается при малом соотношении 1:50, чем при больших соотношениях. В то же время следует иметь в виду, что может возникнуть эмульсия метана. Соотношение количества аэрационного воздуха к количеству биогаза (сырого газа) на втором испарительном этапе должно составлять 1:0,3-1:10, предпочтительно 1:2.
Чем выше соотношение, тем больше остаточное содержание растворенного СО2 в очищенном очистном растворе. Соотношение количеств аэрирующего воздуха «на первом очистном этапе: на втором очистном этапе» должно составлять 1:200-1:3000. В качестве аэрационного воздуха, предпочтительно следует использовать обычный воздух, хотя подходят как кислород, так и азот, либо раздельно, либо в виде смеси.
Содержания серы подаваемого биогаза должно быть доведено до <5 ppm перед его направлением на этап очистки или в газоочиститель. Это может производиться посредством известной установки десульфуризации в биореакторе, или посредством отдельной установки предварительной десульфуризации. Если содержание серы в загрязненном очистном растворе очистного этапа слишком высоко, например, более 30 ppm, то может быть необходимо частично или полностью заменить пресной водой циркулирующий в контуре очистной раствор. Для того, чтобы избежать этого, часть очистного раствора, отбираемая из основания второй испарительной колонны, может быть удалена из контура, и к указанному очистному раствору можно добавить реагент, связывающий сероводород, например, хлорид железа (III) или оксид железа (III), посредством чего растворенный сероводород химически связывается, и очистной раствор возвращается в контур после выпадения в осадок дисульфида железа (II). При концентрациях сероводорода в биогазе, превышающих 30 ppm, газоочистка может одновременно использоваться для внешней десульфуризации, в этом случае вниз по потоку аэрационного газа от второй испарительной ступени должна быть размещена соответствующая установка десульфуризации, например, с использованием биофильтров.
Предложенная система осуществления способа имеет простую и недорогую конструкцию и более подробно описана ниже.
В графическом материале содержится следующее:
Фиг.1 - начальный вариант осуществления системы для осуществления способа, представленный упрощенно,
Фиг.2 - второй вариант осуществления очистной установки А, представленный упрощенно.
Система, показанная на фиг.1, включает очистительную установку А согласно изобретению для извлечения метана из биогаза и факультативно подсоединяемую установку В для последующей аминовой очистки известным способом. Основные составные элементы установки В для аминовой очистки включают абсорбционную установку АЕ для дальнейшего удаления диоксида углерода из биогаза, предварительно очищенного в очистной установке А и регенерационной установке RE для регенерации накапливающегося загрязненного очистного раствора, содержащего амины, пропускаемый через контур.
Очистительная установка А включает три очистные колонны, соединенные последовательно, очистная колонна (газоочиститель) К1, первая испарительная колонна К2 и вторая испарительная колонна К3, с такими компонентами, содержащимися в биогазе (сыром газе), как диоксид углерода, соединения серы, аммиака, и других водорастворимых веществ, удаляемых в очистной колонне К1. Очистная колонна К1 содержит очистную башню с фильтрующим слоем или набивкой фильтра F1, выполненными из полиэтиленовых частиц с площадью поверхности 200-850 м2/м3, и высотой слоя 2-16 м в зависимости от требуемой степени удаления СО2.
Первая испарительная колонна К2 и вторая испарительная колонна К3, каждая включает башню с фильтрующим слоем F2 или F3, выполненным из полиэтиленовых частиц. Первая испарительная колонна К2 содержит частицы полипропилена с площадью поверхности 250-900 м2/м3, предпочтительно 300-790 м /м и высотой слоя 2-4 м. Во второй испарительной колонне К3 высота слоя составляет 2-8 м, при этом полипропиленовые частицы, имеющие площадь поверхности 100-480 м2/м3, используются в качестве набивки фильтра. Очистные колонны К1, К2 и К3 соединены между собой посредством циркуляционной линии 04, 05, 06, при этом в линию 04 встроен насос Р1. Насос Р1 обеспечивает циркуляцию подаваемого очистного раствора, забираемого из скважины или городской сети водоснабжения, или собранной дождевой воды.
Очищаемый биогаз направляется в очистную колонну К1 через линию 01 ниже фильтрующего слоя F1. Очистной раствор подается в голову очистной колонны К1 через линию 04 и протекает через фильтрующий слой или набивку фильтра F1 в противоток подаваемому биогазу. Очищенный биогаз (метановый газ) отбирается у головы очистной колонны К1 через линию 02. Загрязненный очистной раствор отбирается у основания очистной колонны К1 через линию 05 и направляется к голове первой испарительной колонны К2. Первый поток аэрирующего воздуха входит в испарительную колонну К2 ниже фильтрующего слоя F2 указанной испарительной колонны через линию 09. Образующийся аэрационный газ (отработанный газ) отбирается у головы испарительной колонны К2 через линию 10. Загрязненный очистной раствор, накапливающийся у основания испарительной колонны К2, отбирается через линию 06 и направляется к голове второй испарительной колонны К3. Второй поток аэрирующего воздуха подается ниже фильтрующего слоя F3 второй испарительной колонны КЗ через линию 07. Накапливающийся аэрационный газ (отработанный газ) отбирается у головы испарительной колонны К3 через линию 08. Очищенный очистной раствор, накапливающийся у основания этой испарительной колонны К3, откачивается через линию 04 к голове первой очистной колонны К1. Контакт между аэрационным газом и очистным раствором в очистных колоннах К2 и К3 осуществляется посредством противотока. Аэрационный газ, содержащий метан, может подаваться к линии 02 через параллельную линию 11, встроенную в линию 01. Очистительные процессы осуществляются под стандартным давлением.
Если оператору необходимо дальнейшее обогащение метаном метанового газа, отбираемого через линию 02, этот газ может подаваться на находящуюся ниже по течению аминовую очистку (составной элемент В). Метановый газ высокой степени чистоты отбирается у головы абсорбционной установки АЕ через линию 03 после аминовой очистки. Также очистная установка А может работать без последующей аминовой очистки. Единственная разница между очистной установкой А, показанной на фиг.2, и очистной установкой А, показанной на фиг.1, состоит в том, что индивидуальные очистные этапы К1-К3 в первой установке размещены в одноступенчатой башне, и испарительная колонна К2 сконструирована в виде двух частей, разделенных на верхнюю секцию колонны К2А и нижнюю секцию колонны К2В, каждая из которых имеет фильтрующий слой F2A или F2B.
Кислород подается в секцию колонны К2А через линию 09b и воздух подается в секцию колонны К2 В в качестве аэрирующей среды через линию 09а.
Если, например, только 0,5 м3/ч кислорода при нормальных условиях подается в секцию колонны К2А, 4 м3/ч растворенного метана при нормальных условиях удаляется из очистного раствора. Метановый газ с высоким содержанием кислорода, используемый в качестве источника кислорода для биологической десульфуризации биогаза (сырого газа), отбирается через линию 10b.
Остаточный метан, по-прежнему содержащийся в загрязненном очистном растворе, удаляется при помощи воздуха из указанного очистного раствора в расположенной ниже по течению секции колонны К2 В. Топливный газ, отводимый через линию 10а, подается в систему термической утилизации.
Накапливающийся загрязненный очистной раствор выходит через каждый из четырех сливов 11 из очистной колонны К1 в первую испарительную колонну К2 и из нее во вторую испарительную колонну К3.
Разделительные пластины, размещенные между индивидуальными колоннами, сконструированы так, чтобы технически защищать от утечки при газовой нагрузке и быть полностью проницаемыми при жидкостной нагрузке. Кроме того, теплообменник W1 для охлаждения очистного раствора встроен в циркуляционную линию 04 ниже по течению от насоса P1.
Способ работы систем объясняется при помощи представленных ниже примеров.
Пример 1
Биогаз, образованный в биореакторе биогазовой установки и уже очищенный от серы в биореакторе без добавления воздуха или кислорода, имеет следующий состав:
| Метан | 52% | по объему |
| Диоксид углерода | 44% | по объему |
| Вода | 3,4% | по объему |
| Водород | 0,1% | по объему |
| Кислород | 0,1% | по объему |
| Азот | 0,4% | по объему |
| H2S | 3 | ppm |
| NH3 | 20 | ppm |
Биогаз (500 м3/ч при нормальных условиях) при температуре 38-45°С подается непосредственно из биореактора очистной колонны К1 и протекает через фильтрующий слой (высота 6 м), контактируя при этом с очистным раствором, который забирается из городской сети водоснабжения, проходит по контуру и подается в направлении, противоположном потоку. Процесс очистки происходит при стандартном давлении (от -10 до +20 мбар) и расходе воды 400 м3/ч, исходя из количества подаваемого биогаза. После непродолжительной работы очистной раствор содержит остаточную загрязненность СО2 примерно 50 мг/л.
Во время газовой очистки без давления, СО2, H2S и NH3 удаляются из биогаза и растворяются в очистном растворе, при этом доля удаленного СО2 составляет примерно 80%.
Из головы очистной колонны К1 отбирается 333 м3/ч очищенного биогаза (метанового газа) при нормальных условиях, имеющего нижеследующий состав:
| Метан | 76,8% | по объему |
| Диоксид углерода | 13,2% | по объему |
| Вода | 9,15% | по объему |
| Водород | 0,1% | по объему |
| Кислород | 0,15% | по объему |
| Азот | 0,6% | по объему |
| H2S | <1 | ppm |
| NH3 | <1 | ppm |
Загрязненный очистной раствор, накапливающийся у основания очистной колонны К1, содержащий уловленный метан, растворенный в очистном растворе (так называемый эмульсия метана), проводится непосредственно в последующую вторую очистную ступень посредством первой испарительной колонны К2, в которой метан в противотоке частично удаляется из загрязненного очистного раствора, посредством добавления аэрирующего воздуха.
Небольшое количество подаваемого аэрирующего воздуха (5 м3/ч при нормальных условиях) обеспечивает то, что благодаря конструкции первой испарительной колонны (площадь поверхности фильтрующего слоя 790 м2/м3; высота слоя 2 м), более чем 98% примерно 6,8 м3/ч при нормальных условиях растворенного в загрязненном очистном растворе метана удаляется из указанного раствора посредством аэрирующего воздуха. Аэрационный газ (отработанный газ), отбираемый у головы первой испарительной колонны К2, все еще содержит СО2 (примерно 4 м3/ч при нормальных условиях). Накапливающийся аэрационный газ (отработанный газ) имеет содержание метана 43% по объему и имеет такое же качество, как у полноценного топлива с показателем калорийности 74,5 кВт.
Его можно использовать для обогащения метанового газового потока, забираемого из очистной колонны К1, или использовать в качестве топлива или газа для обогрева, как источник энергии. Второй этап очистки, следовательно, обеспечивает, чтобы общие потери метана, содержащегося в биогазе, сохранялись на относительно низком уровне, и не превышали значения 0,5%. Загрязненный, свободный от метана очистной раствор, накапливающийся в первой испарительной ступени К2, подается непосредственно на дальнейший этап очистки - вторую испарительную ступень К3, в которой СО2 удаляется из очистного раствора посредством аэрирующего воздуха, подаваемого в направлении противотока. Во второй испарительной ступени К3 используется значительно большее количество аэрирующего воздуха, чем в первой испарительной ступени К2. В испарительную колонну К3 (площадь поверхности фильтрующего слоя 480 м2/м3; высота слоя 4 м) подается 300 м /ч теплого аэрирующего воздуха (25°С) при нормальных условиях, поглощающего связанный в очистном растворе диоксид углерода. При таких условиях, загрязнение диоксидом углерода в очистительном растворе уменьшается с 915 г/л до 50 мг/л. Очищенный очистной раствор, накапливающийся в основании испарительной колонны КЗ, подается в очистную колонну К1 насосом Р1 через линию 04.
Отработанный газ, выходящий из испарительной колонны К3, может выбрасываться непосредственно в окружающую среду и без какой-либо дополнительной переработки.
Только 12,5 кВт электроэнергии требуется для контроля всего процесса очистных этапов К1, К2 и К3, что очень важно с точки зрения экономичной работы способа. Такое низкое потребление энергии означает удельное потребление 0,025 кВт/м3 при нормальных условиях исходя из количества вводимого биогаза (500 м3/ч при нормальных условиях).
Очищенный биогаз (содержание метана 76,8% по объему), отбираемый у головы очистной колонны К1, годен для непосредственного дальнейшего коммерческого использования или может быть далее очищен для увеличения в нем содержания метана, если требуется.
Дальнейшая очистка может, например, осуществляться посредством известной аминовой очистки, например, как описано в документах DE 10 200 051 952 В3 и WO 2008/034473 A1. После того, как отобранный у головы очистной колонны К1 метановый газ был очищен посредством аминовой очистки с очищающим агентом, содержащим амины, вырабатывается очищенный биогаз (метановый газ), имеющий следующий состав:
| Метан | 88,3% | по объему |
| Диоксид углерода | 0,3% | по объему |
| Вода | 10,3% | по объему |
| Водород | 0,17% | по объему |
| Кислород | 0,17% | по объему |
| Азот | 0,69% | по объему |
| H2S | 2 | ppm |
| NH3 | 1 | ppm |
Все еще содержащаяся в биогазе вода удаляется в расположенной вниз по течению разувлажняющей ступени, и очищенный биогаз доводится до температуры точки росы 2°С, после чего биогаз имеет следующий состав:
| Метан | 97,7% | по объему |
| Диоксид углерода | 0,38% | по объему |
| Вода | 0,78% | по объему |
| Водород | 0,19% | по объему |
| Кислород | 0,19% | по объему |
| Азот | 0,76% | по объему |
| H2S | 2 | ppm |
| NH3 | 1 | ppm |
Содержание метана может быть еще более увеличено дальнейшим охлаждением и удалением остаточного содержания воды и/или уменьшением содержания азота. Однако в этом не будет необходимости для большинства технических областей применения очищенного биогаза (метанового газа). Аминовая очистка (с регенерацией очистного раствора) может осуществляться при значительно меньшей затрате энергии, чем необходимо в остальных случаях для очистки биогаза как сырого газа. Это происходит потому, что содержатся только малые количества примесей, которые должны удаляться при последующей аминовой очистке, поскольку биогаз уже был предварительно очищен на очистных этапах К1-К3.
Тепловая энергия, требуемая для очистки очистного раствора, содержащего амины, следовательно, уменьшается с 250 кВт до 72 кВт. Требование удельной теплоты сгорания, исходя из количества биогаза, следовательно, может быть уменьшено с 0,5 до 0,144 кВт.ч/м3 при нормальных условиях. Дальнейшим преимуществом являются низкие потери метана (0,03%), по сравнению с традиционной аминовой очисткой (0,1%). Из использованных 72 кВт для аминовой очистки, примерно 85% тепловой энергии может быть сделано снова доступной посредством регенерации отходящего тепла для дальнейшего использования. Оно может использоваться для нагревания биореактора до температуры 58°С.
Пример 2
Газ сточных вод, имеющий представленный ниже состав, получаемый из башни гидролитического расщепления завода по переработке сточных вод, обрабатывается сходным с примером 1 образом:
| Метан | 65,4% | по объему |
| Диоксид углерода | 29,6% | по объему |
| Вода | 4,5% | по объему |
| Водород | 0,1% | по объему |
| Кислород | 0,1% | по объему |
| Азот | 0,3% | по объему |
| H2S | 2 | ppm |
| NH3 | 5 | ppm |
Вводимое количество: 500 м3/ч при нормальных условиях, температура 38-45°С;
Газовая очистка - очистная колонна К1.
- Площадь поверхности фильтрующего слоя: 740 м2/м3;
- Стандартное давление; количество очистного раствора: 350 м3/ч;
- Состав очищенного биогаза (метанового газа), отбираемого у головы очистной колонны К1 в количестве 333 м3/ч при нормальных условиях:
| Метан | 83,8% | по объему |
| Диоксид углерода | 8,8% | по объему |
| Вода | 6,6% | по объему |
| Водород | 0,15% | по объему |
| Кислород | 0,15% | по объему |
| Азот | 0,4% | по объему |
| H2S | <1 | ppm |
| NH3 | <1 | ppm |
Испарительная колонна К2.
- Площадь поверхности фильтрующего слоя: 840 м2/м;
- Количество подаваемого аэрирующего воздуха: 6 м3/ч при нормальных условиях;
- 4,9 м3/ч при нормальных условиях растворенного метана (=99,7%) удаляется из загрязненного очистного раствора;
- Отбираемый аэрационный газ (отработанный газ) содержит 4 м3/ч при нормальных условиях СО и паров воды согласно насыщению;
- Содержание метана аэрационного газа (топливного газа): 32,2% по объему;
- Показатель калорийности аэрационного газа (топливного газа): 54 кВт.
Испарительная колонна К3:
- Площадь поверхности фильтрующего слоя: 220 м2/м3;
- Количество подаваемого аэрирующего воздуха: 570 м3/ч при нормальных условиях;
- Загрязнение СО2 уменьшено с 845 г/л до 50 мг/л;
Отношения высот фильтрующих слоев колонн К1:К2:К3 составляет 3:1:2.
Потребление энергии К1-К3
Электрическая энергия: 10,5 кВт;
Удельное потребление энергии: 0,021 кВт·ч/м3 при нормальных условиях;
Потери метана составляют только 0,3%.
1. Способ очистки биогаза для извлечения метана, где компоненты, содержащиеся в биогазе, такие как диоксид углерода, соединения серы, аммиака и другие водорастворимые вещества удаляются в ходе многоэтапного процесса очистки, отличающийся тем, что процесс очистки осуществляют, по меньшей мере, в три этапа очистки, идущих сразу же один за другим, и при которых используют не содержащую добавок пресную воду, подаваемую через контур, при этом:
a) на первом очистном этапе очищаемый биогаз (сырой газ), забираемый из биогазовой установки, пропускают через очистную колонну (К1) с фильтрующим слоем при стандартном давлении или при избыточном давлении до 6 бар в противоток подаваемой пресной воде, и диоксид углерода, сероводород, аммиак и другие органические водорастворимые вещества, содержащиеся в сыром газе, связываются в пресной воде, и метановый газ с содержанием метана, по меньшей мере, 65% отбирают у головы очистной колонны (К1),
b) метан, растворенный в загрязненном очистном растворе, выводимом из очистной ступени (К1), почти полностью (по меньшей мере, на 90%) удаляют из указанного очистного раствора в первой испарительной колонне (К2), имеющей фильтрующий слой или набивку фильтра, посредством добавления 0,5-10% аэрирующего воздуха или аэрирующего воздуха и кислорода исходя из количества биогаза (сырого газа) и подачи под стандартным давлением в направлении противотока при температурах до 60°С, при этом получают кислородосодержащий аэрационный газ, имеющий качество топливного газа,
с) диоксид углерода, растворенный в загрязненном очистном растворе, выпускаемом из первой испарительной колонны (К2), удаляют до остаточного содержания менее 200 мг/л во второй испарительной колонне (К3), имеющей фильтрующий слой или набивку фильтра, посредством добавления, по меньшей мере, 25% аэрирующего воздуха исходя из количества биогаза (сырого газа), и подачи под стандартным давлением в направлении противотока, при этом отводят очищенный очистной раствор, подаваемый к очистной ступени (К1), и отработанный газ.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пропускаемая в контуре пресная вода имеет температуру до 65°С.
3. Способ по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что аэрационный газ (отработанный газ), который отводят от первой испарительной колонны (К2), либо возвращают в биореактор биогазовой установки, либо подают в поток метанового газа, удаленный из первой очистной ступени, или используют в качестве топливного газа.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую испарительную колонну (К2) для удаления метана из загрязненного очистного раствора выполняют в виде двух ступеней, при этом кислород подают в первую ступень, а аэрирующий воздух подают во вторую ступень или наоборот, и производят два разных топливных газа с различным содержанием кислорода.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что топливный газ с высоким содержанием кислорода используют в качестве источника кислорода для биологической десульфуризации биогаза.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что метановый газ, забираемый из испарительной колонны (К1), подают на дальнейший этап обработки для увеличения содержания метана либо отдельно, либо вместе с аэрационным газом, забираемым из первой испарительной колонны (К2).
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержания серы в подаваемом биогазе доводят до <5 млн-1 перед тем, как его направляют в очистную ступень (К1).
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистной раствор, циркулирующий в контуре, частично или полностью заменяют пресной водой после определенного времени работы, если содержание серы в загрязненном очистном растворе, отводимом из очистной ступени (К1), превышает 50 млн-1.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть очистного раствора, забираемого у основания второй испарительной колонны (К3), удаляют из контура, добавляют к указанному раствору связывающий сероводород реагент и возвращают очистной раствор в контур после осаждения дисульфида железа (II).
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделительную способность диоксида углерода, растворенного в очистном растворе, регулируют посредством параметров: количества очистного раствора/ч и температура очистного раствора в очистной колонне (К1), при этом большее количество очистного раствора и меньшая температура очистного раствора приводят к более высокой отделительной способности.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что очищенный биогаз, отводимый от очистной колонны (К1), для увеличения концентрации метана и вместимости биогаза в биореакторе направляют непосредственно в биореактор биогазовой установки.
12. Система для осуществления способа согласно одному из пп.1-10, содержащая очистную колонну (К1), выполненную в виде газоочистителя для удаления компонентов, содержащихся в биогазе, таких как диоксид углерода, соединения серы, аммиака и других водорастворимых веществ, посредством очистного раствора, первую испарительную колонну (К2) для удаления растворенного в загрязненном очистном растворе метана, и вторую испарительную колонну (К3) для удаления диоксида углерода из загрязненного очистного раствора, накапливающегося у основания первой испарительной колонны, при этом очистная колонна и две испарительные колонны соединены последовательно, и очистная колонна (К1) имеет фильтрующий слой или набивку фильтра с площадью поверхности 300-900 мм2/м3 и высотой слоя 2-16 м, первая испарительная колонна (К2) имеет фильтрующий слой или набивку фильтра с площадью поверхности 350-900 мм2/м3 и высотой слоя 1-4 м, и вторая испарительная колонна (К3) имеет фильтрующий слой или набивку фильтра с площадью поверхности 100-300 мм2/м3 и высотой слоя 1-10 м, и основание второй испарительной колонны (К2) соединено с головой очистной колонны (К1) линией (04), несущей очистной раствор, при этом в эту циркуляционную линию встроен насос (Р1).
13. Система по п.12, отличающаяся тем, что в циркуляционную линию (04) встроен теплообменник (W1) для охлаждения очистного раствора.
14. Система по одному из пп.12 или 13, отличающаяся тем, что очистительная колонна (К1) и две испарительные колонны (К2, К3) имеют одинаковый диаметр колонны и разную высоту фильтрующего слоя с соотношением высот слоев - очистная ступень (К1): первая испарительная колонна (К2): вторая испарительная колонна (К3) - 3:1:2 до 3:0,5:1.
15. Система по п.12, отличающаяся тем, что отношение площадей поверхности фильтрующих слоев - первая испарительная колонна (К2): вторая испарительная колонна (К3) - 1:0,2-1:0,8, предпочтительно 1:0,5.
16. Система по п.12, отличающаяся тем, что первая испарительная колонна (К2) разделена на две колонные секции (К2А, К2В), при этом каждая колонная секция (К2А, К2В) оснащена фильтрующим слоем или набивкой фильтра, и верхняя колонная секция (К2А) соединена с линией (09b) подающей кислород, а нижняя колонная секция (К2В) соединена с линией (09а), подающей воздух.
17. Система по п.12, отличающаяся тем, что очистная колонна (К1) и две испарительные колонны (К2, К3) размещены в башне.
18. Система по п.12, отличающаяся тем, что разделительные пластины очистной колонны (К1) и испарительных колонн (К2, К3) сконструированы так, чтобы технически защищать от утечки при газовой нагрузке и быть полностью проницаемыми при жидкостной нагрузке.
