FASE Journal: Китайский профессор предлагает новый метод модернизации биогаза

Биогаз обычно производится путем анаэробного сбраживания органических отходов, таких как навоз и солома, и является типичным экологически чистым возобновляемым источником энергии, который может использоваться в качестве топлива для производства электроэнергии и тепла.

Китай обладает крупными масштабами производства биогаза, ежегодный объем которого составляет около 15 млрд м³ , и развитие и использование биогаза дает новый выбор для преодоления энергетического кризиса. Фактически биогаз содержит около 60% CH4 и около 40% CO2, а также другие примеси, такие как H2S и H2O. Наличие CO2 в биогазе значительно снижает эффективность сжигания, а H2S в биогазе также вызывает коррозию трубопроводов и оборудования. Поэтому для увеличения доли метана в продукте необходимо удалять эти примеси, а процесс удаления газов называется модернизацией биогаза.

Появление технологии модернизации биогаза может не только увеличить экономический доход от биогазовых установок, но и снизить выбросы парниковых газов. Теоретически, поскольку биогаз уже давно считается типичным углеродно-нейтральным топливом, улавливание, утилизация и хранение CO2 из биогаза должны привести к отрицательным выбросам углерода.

В настоящее время существует множество технологий переработки биогаза, включая очистку водой под давлением, адсорбцию под давлением, химическую абсорбцию, мембранное разделение и криогенную технологию. Водный скруббинг и адсорбция под давлением позволяют одновременно удалять из биогаза CO2 и H2S, но имеют такой фатальный недостаток, как большие потери CH4 (от 2% до 20%).

Хорошо известно, что парниковый эффект CH4 примерно в 21 раз превышает эффект CO2. Поэтому многие исследователи остановились на методе химической абсорбции, который отличается незначительными потерями CH4 и высокой скоростью реакции. В то же время, поскольку в результате химической реакции между абсорбентом и кислым газом может образовываться устойчивая соль, в процессе химической абсорбции существуют проблемы высокого энергопотребления системы и потери абсорбента CO2.

Для решения проблем вышеуказанного метода химической абсорбции профессор Шуйпин Янь и его сотрудники предложили использовать возобновляемый водно-аммиачный абсорбент из биогазовой пульпы (побочного продукта анаэробного сбраживания) в сочетании с принципом зеленой энергетики. Возобновляемый водный абсорбент аммиака, богатый CO2, может использоваться в качестве аммонийного азотного удобрения для непосредственного внесения в сельскохозяйственные угодья, что позволяет избежать проблем с традиционными химическими абсорбентами.

Кроме того, участники проекта добились эффективного одновременного удаления CO2 и H2S из биогаза с помощью водного растворителя из возобновляемого аммиака в газожидкостном мембранном контакторе. По сравнению с обычной физической абсорбцией (эффективность удаления H2S — 48%), водный растворитель возобновляемого аммиака 0,1 моль-л-1 NH3 позволяет удалить из биогаза 97% H2S, причем на эффективность удаления H2S меньше влияют примеси в этом абсорбенте.

При доведении концентрации водного раствора возобновляемого аммиака до 0,5 моль-л-1 NH3 биогаз может быть очищен до уровня трубопроводного биометана. Кроме того, были определены оптимальные условия работы для одновременного удаления CO2 и H2S в мембранном контакторе с полым волокном путем исследования влияния различных рабочих параметров, таких как температура и скорость газожидкостного потока в процессе мембранной абсорбции, что позволило создать определенную теоретическую базу и техническую поддержку для экологически безопасного развития процесса переработки биогаза.

Данное исследование опубликовано в журнале Frontiers of Agricultural Science and Engineering.

27.09.2023