70 УДК 628.5 ОЧИСТКА БИОГАЗА ДО ТОВАРНОГО ПРОДУКТА Канд. техн. наук ЛОСЮК Ю. А., магистр техн. наук ОРЕНДАРЕНКО Г. В. Белорусский национальный технический университет В условиях постоянного роста цен на импортируемые энергоресурсы Бе- ларуси приходится пересматривать топливно-энергетический баланс и искать местные источники замещения ввозимых энергоресурсов. Согласно постановлению Совета Министров от 9 июня 2010 г. № 885 в Республике Бе- ларусь к 2012 г. будет введено в эксплуатацию 39 биогазовых установок (БГУ) суммарной мощностью 40,4 МВт. Общий объем финансирования меро- приятий программы составит около 200 млн дол., включая иностранные инве- стиции, кредиты банков, собственные средства организаций, инновационных фондов республиканских органов государственного управления и местных бюджетов, целевых бюджетных местных фондов охраны природы. Строительство биогазовых установок на базе сельскохозяйственных и промышленных производств, а также на базе очистных сооружений городов позволит ежегодно вырабатывать около 340 млн кВтч электриче- ской энергии и замещать импортируемый природный газ в объеме более 71 145 тыс. т у. т. При этом снизится экологическая нагрузка на окружающую среду, уменьшится засоренность посевных площадей непереработанной органикой, а сельхозпредприятия получат высококачественные органические удобрения [1, 2]. Большинство животноводческих хозяйств сооружают биогазовые установ- ки для получения электроэнергии и теплоты. Из 1 м3 биогаза можно получить порядка 2,4 кВтч электроэнергии при сжигании в когенерационной установке. Сама биогазовая система весьма экономна: потребляет всего от производимой энергии 10–15 % зимой и 3–7 % летом. В некоторых случаях выгоднее не сжигать весь полученный биогаз, огра- ничиваясь только своими нуждами потребления, а производить очистку до биометана, полного аналога природного газа с концентрацией метана в пределах 95–99 %. В дальнейшем его можно использовать как топливо в сжатом или сжиженном состоянии или сбрасывать в городскую сеть. Подобные проектные решения целесообразны для объектов с уже имеющейся инфраструктурой или объектов, для которых прокладка газопровода будет экономически выгодной. К таким объектам относятся городские очистные сооружения, свалки ТБО, предприятия пищевой промышленности в черте го- рода. В результате работы, выполненной компанией InterForest Energy Ltd, были получены расчеты, наглядно обосновывающие перспективу внедрения биога- зовых энергокомплексов [3] (рис. 1). Качество биогаза определяется соотно- шением между метаном и балластной двуокисью углерода. Двуокись углерода разбавляет биогаз и вызывает потери при его хранении. Поэтому важно стре- миться к высокому содержанию метана и как можно более низкому содержа- нию двуокиси углерода в получаемом биогазе. Годы Рис. 1. Рост стоимости биометана в сопоставлении с природным газом: 1 – природный газ; 2 – биометан; 3 – биогаз Содержание метана в биогазе в первую очередь определяется следующими критериями:  технологией процесса (соблюдением условий метагенеза, отсутствием вредных и ядовитых соединений в субстрате);  количеством внесенных веществ и их составом;  температурой процесса сбраживания (при более высокой температуре выход метана меньше, это происходит из-за различия в растворимости и образования газообразной двуокиси углерода: чем большее количество CО2 1 2 3 С то и м о с ть , д о л . С Ш А 72 перейдет в газообразную форму, тем меньшей будет процентная доля CH4 в биогазе) [4]. Обогащение биогаза до биометана подразумевает удаление сероводорода (H2S), диоксида углерода (СО2) и воды. Сероводород (содержание в биогазе достигает 3 %) является агрессивным газом, провоцирующим кислотную коррозию; содержание же в биогазе СО2 достигает 50 %. Содержание воды в биогазе зависит от влажности субстрата и режима сбраживания, этот компонент также снижает теплоту сгорания биога- за. К настоящему времени широкое применение в области очистки биогаза нашли: физическая абсорбция водой и растворами моноэтаноламина (МЭА); хемосорбция на водных растворах Na2CO3, K2CO3, NaOH, KOH, Ca(OH)2; ад- сорбция на оксидах алюминия и цеолитах [5]. Каждый из методов имеет свои положительные и отрицательные свойства. Метод очистки биогаза до биометана путем растворения сопутствующих газов в воде – один из наиболее распространенных на сегодняшний день. Био- газ при этом барботируют в колонне навстречу потоку холодной воды. Во второй колонне эта вода нагревается, и растворенные газы удаляются и соби- раются для дальнейшей утилизации. Вода вновь охлаждается и подается в первую колонну. Этот метод применим только для больших объемов биогаза, так как в ходе очистки в воде накапливаются растворенные серные и уголь- ные кислоты, которые могут вызвать коррозию оборудования и трубопрово- дов. К тому же вода является хорошим поглотителем метана, что приводит к потерям горючей части биогаза. Если разорвать цикл и осуществить процесс по открытой схеме, то возникает проблема большого расхода холодной воды, что приводит к значительным эксплуатационным затратам. Кроме того, в воде растворяется не только диоксид углерода, но также сероводород и аммиак. Такая вода по экологическим нормам уже не может быть просто утилизирова- на, а должна пройти обеззараживание. Основным препятствием для обоих методов является необходимость пода- вать биогаз для барботирования под большим давлением. Для создания боль- шего давления биогаза, чем давление воды на дне колонны, нужен компрес- сор, отвечающий требованиям взрывозащищенности и не допускающий уте- чек биогаза. Альтернативой водной абсорбции является хемосорбция на водных рас- творах этаноламинов (ТЭА, МЭА, МДЭА). В настоящее время наблюдается тенденция к использованию более эффективных абсорбентов на основе ме- тилдиэтаноламина (МДЭА). МДЭА имеет существенные преимущества по многим показателям в сравнении с другими абсорбционными способами очистки:  меньшее давление насыщенных паров (24 Па при 60 °C) и сущест- венно более высокая температура кипения (247–170 °C при давлении 0,1013 МПа) приводят к значительно меньшим потерям абсорбента при его регене- рации;  меньшая теплота химической реакции с СО2 дает заметную экономию теплоты на регенерацию раствора за счет меньшей теплоты десорбции; 73  меньшие расходы циркулирующего раствора абсорбента из-за увеличе- ния степени насыщения МДЭА позволяют снизить затраты электроэнергии на циркуляционные насосы системы;  меньшая коррозионная активность дает возможность использовать более концентрированные растворы без применения антикоррозионных добавок [4]. CO2 относится к кислотным оксидам, многие его химические свойства схожи со свойствами H2S. Диоксид углерода, так же как и сероводород, реа- гирует: со щелочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов H2S + NaOH = NaHS + H2O; CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O; с солями кислот Na2CO3 + H2S = NaHS + NaHCO3; CO2 + Na2CO3 + H2O = 2NaHCO3. В ходе реакций образуются растворимые соли. Растворы гидрокарбонатов нужно кипятить, что вызывает дополнительные трудности в техпроцессе. Ес- ли же применять безводные карбонаты, то возникает обычная проблема всех твердых фильтров – обеспечение однородности структуры при максимальной поверхности реагента. Одним из перспективных методов очистки биогаза являются искусственно синтезированные цеолиты (пермутиты), которые в настоящее время стали до- ступными по цене и качеству. Они приходят на смену активированному углю и оксиду алюминия как адсорбентов. Цеолиты проявляют отсутствие катали- тической активности, обладают химической инертностью к диоксиду углеро- да, достаточной механической прочностью, линейностью изотермы адсорб- ции. Следует отметить, что диоксид углерода как балластный компонент биога- за не является бесполезным продуктом. В пищевой промышленности диоксид углерода используется как консервант (производство пива, газированных напитков), а также в качестве разрыхлителя. Твердая углекислота также ис- пользуется как хладагент и рабочее тело в теплоэнергетических установках (холодильниках, морозильниках, солнечных электрогенераторах и т. д.). В условиях овощной теплицы одним из факторов, ограничивающих высокопродуктивный фотосинтез, является уровень обеспечения растений диоксидом углерода. Интенсивность и продуктивность фотосинтеза возрастают на 50 % при повышении концентрации диокисда углерода в воздухе теплицы с 300 до 900 ppm. Как видно из изложенного выше, при производстве биометана из биогаза можно получить не только теплоту, электричество и органическое удобрение, но и продукт, который может применяться во многих отраслях пищевой про- мышленности. При этом выбор того или иного проектного решения должен обусловливаться комплексной выгодой, которая образуется из многих источ- ников. Для городских очистных сооружений это не только замещение потреб- ляемых энергоресурсов, но и экологический эффект от анаэробной переработ- ки отходов. Для предприятий пищевой промышленности биогазовая установка с обогащением биогаза до биометана может дать промышленный продукт, который можно использовать в производственном процессе. 74 В Ы В О Д Ы Выполненный анализ позволяет сделать следующие выводы:  при обогащении биогаза до биометана получают не только теплоту, элек- троэнергию и органическое удобрение, но также продукт, который применя- ется в пищевой промышленности, тепличном хозяйстве и других технологи- ческих процессах;  выбор проектного решения использования биогаза должен учитывать не только традиционные положительные факторы. К примеру, переработка осад- ков городских очистных сооружений, органики полигонов ТБО, отходов со- держания скота с целью получения биогаза – это не только дополнительный энергоноситель, но и экологический эффект, оздоровляющий окружающую среду. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. В Б е л а р у с и до 2012 года будет введено в эксплуатацию около 40 биогазовых уста- новок [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://news.tut.by/economics/173136.html 2. Д е н ь г и из навоза [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www. solidwaste.ru/publ/view/444.html 3. Б и о г а з и современные тенденции технологического развития проектов. Предложения и перспективы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.energetische- biomassenutzung.de/fileadmin/user_upload/Steckbriefe/dokumente/Osteuropa/BE_Drozdowa_Tatjana .pdf 4. Б и о г а з о в ы е установки. Практическое пособие. Состав и качество биогаза [Элек- тронный ресурс]. – Режим доступа: http://futureenergy.ru/biogazovye-ustanovki-prak- ticheskoe-posobie-sostav-i-kachestvo-biogaza/ 5. П я т н и ч к о, А. И. Оптимизация состава растворов вода – амины как абсорбентов установки извлечения биометана из биогаза / А. И. Пятничко // Технические газы. – 2010. – № 3. – С. 26–29. Представлена кафедрой ПТЭиТ Поступила 25.04.2012