Система для экологически чистого производства энергии из биогаза

Изобретение относится к области производства тепловой и электрической энергии из биогаза, образующегося при анаэробной ферментации различных сельскохозяйственных, пищевых, бытовых и прочих органических отходов.

Биогаз, образующийся при ферментации органических отходов содержит до 60-70% об. метана и в связи с этим представляет собой ценное сырье для получения тепловой и электрической энергии. Безусловным достоинством биогаза как топлива является его возобновляемость. В соответствии с положениями Киотского протокола использование биогаза для производства энергии вместо ископаемого природного газа является одной из приоритетных задач в области борьбы с глобальными изменениями климата. Однако, максимальный природоохранный эффект может быть получен в случае выделения СO ₂ из продуктов сгорания и его утилизации в виде товарных продуктов - жидкой двуокиси углерода или сухого льда. При сжигании биогаза эта проблема осложняется наличием значительных количеств диоксида углерода в самом биогазе (до 30-40% об.).

Для утилизации диоксида углерода в виде товарных продуктов (жидкой двуокиси углерода и/или сухого льда) требуется его выделение из продуктов сгорания и концентрирование. Такое концентрирование можно производить с помощью известной системы аминовой очистки, состоящей из абсорбера, где происходит селективная абсорбция СO₂ из газового потока водным раствором моноэтаноламина, и десорбера, где осуществляется регенерация абсорбционного раствора с выделением концентрированного СO ₂ (Справочник азотчика. М.: Химия, 1986, 512 с.)

Недостатком этой системы являются высокие капитальные и эксплуатационные затраты, которые делают применение этой системы для утилизации СO₂ нерентабельным.

Известна каталитическая система, состоящая из двух каталитических реакторов с движущимися слоями гранулированного оксидного катализатора (Патент США №5447024, МПК 7 F01K 3/18, F01K 21/04, F02C 1/08, F02C 3/20, F01K 3/00, F01K 21/00, F02C 1/00, F02C 3/20; опубл. 05.09.1995). В один из реакторов подают метан-содержащий газ, при этом происходит окисление метана с одновременным восстановлением катализатора по реакции

СН₄+4MeO _x+1CO₂+2Н₂O+4МеО _х

(где MeO_x+1 и МеО _х - окисленная и восстановленная форма активного оксида в катализаторе соответственно). В другой реактор подают воздух, при этом происходит реокисление катализатора

МеО _х+¹/₂O ₂MeO_x+1

Между реакторами организуют перенос катализатора, за счет которого окисленный катализатор непрерывно поступает из второго реактора в первый, а восстановленный катализатор - из первого реактора во второй, что обеспечивает непрерывную работу системы в целом. Выходящие из обоих реакторов горячие потоки газов используют для получения тепловой энергии, в том числе водяного пара высокого давления, который может использоваться для производства электроэнергии.

Основным достоинством этой системы является то, что газы, выходящие из первого реактора содержат только диоксид углерода и пары воды. Учитывая относительную простоту удаления водяных паров из этого потока, это открывает путь к получению концентрированного СО₂ и его последующей утилизации в виде товарных продуктов с минимальными затратами.

Недостатком этой системы является возможность переноса воздуха в первый реактор по линиям переноса катализатора между реакторами, приводящая к попаданию азота и кислорода в продуктовый поток первого реактора и существенно осложняющая последующее выделение из него СO₂. Кроме того, при переносе гранулированного катализатора в движущемся слое возникает проблема механического истирания катализатора, приводящая к снижению срока службы катализатора и росту его расхода, а также к попаданию катализаторной пыли в продуктовые газовые потоки. Эти недостатки существенно осложняют практическое применение известной системы и ухудшают экономические показатели ее эксплуатации.

Наиболее близкой к предлагаемой является система, включающая, по меньшей мере, два расположенных в одном общем корпусе параллельных каталитических слоя твердого гранулированного катализатора, способного восстанавливаться метаном и окисляться кислородом воздуха с выделением тепла, а также узел раздельной подачи в слои метан-содержащего газа и воздуха и узел утилизации тепла сгорания метана в виде тепловой или электрической энергии, и реализующая аналогичный принцип во вращающемся

сегментированном слое катализатора, в котором разные сегменты слоя поочередно подвергаются взаимодействию с метан-содержащим топливом либо воздухом (Патент Франции №2846710, МПК 7 B01J 19/24, B01J 19/28, F01K 3/18, F02C 3/14, B01J 19/24, B01J 19/28, F01K 3/00, F02C 3/00; опубл. 07.05.2004).

Достоинством известной системы является то, что гранулы в слое катализатора неподвижны, за счет чего исключаются проблемы, связанные с истиранием катализатора.

Недостатком известной системы является сложность герметизации вращающегося слоя в одном общем корпусе (особенно с учетом высоких и переменных температур в слое) и вытекающая отсюда вышеописанная возможность попадания кислорода и азота воздуха в поток продуктов окисления метана.

Перед автором ставилась задача разработать систему для экологически чистого производства энергии из биогаза, позволяющую получать поток диоксида углерода, не содержащий примесей кислорода и азота, при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.

Поставленная задача решается тем, что в системе для экологически чистого производства энергии из биогаза, включающей, по меньшей мере, один герметичный корпус с хотя бы двумя расположенными в нем параллельными каталитическими слоями твердого гранулированного катализатора, способного восстанавливаться метаном и окисляться кислородом воздуха с выделением тепла, узел раздельной подачи в слои биогаза и воздуха, узел утилизации тепла сгорания биогаза в виде тепловой или электрической энергии, слои катализатора сформированы в виде неподвижных вертикальных засыпок в отдельных герметичных корпусах, а узел раздельной подачи

биогаза и воздуха состоит из комплекса переключающих клапанов с системой управления, обеспечивающей чередование раздельной подачи указанных потоков в каждый из слоев через равные промежутки времени в диапазоне 3-100 минут.

Предлагаемая система может также дополнительно включать блоки выделения диоксида углерода, его последующей осушки и производства из него жидкой двуокиси углерода и/или сухого льда, а также блок для производства тепловой и/или электрической энергии из очищенного биогаза. Кроме того, система может дополнительно включать в себя блок предварительной очистки биогаза от сероводорода (например, по Патенту РФ №2286202).

Технический эффект заявляемого изобретения заключается в возможности осуществления полного сжигания биогаза с получением двух высокотемпературных газовых потоков, пригодных для производства энергии (в частности - электроэнергии, водяного пара высокого давления, тепловой энергии и пр.) в сочетании с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами, при этом один из газовых потоков содержит только диоксид углерода и пары воды и не содержит трудно-конденсируемых компонентов (азот, кислород), что, с учетом относительной простоты удаления воды, обуславливает возможность относительно легкой утилизации СO₂ в виде товарных продуктов (жидкой двуокиси углерода и/или сухого льда). Дополнительным достоинством системы является экологическая чистота газовых выбросов, которые не содержат токсичных примесей (оксида углерода, сажи, оксидов азота).

Заявляемая система поясняется блок-схемой, приведенной на фиг.1, где 1, 2 - корпуса со слоями катализатора, 3-10 - клапаны для переключения газовых потоков, 11 - газоход для подачи исходного биогаза, 12 - газоход для подачи воздуха, 13 - газоход для отвода высокотемпературного отработанного воздуха, 14 - газоход для отвода высокотемпературного СO₂-содержащего потока.

Система состоит из двух 1 и 2 герметичных корпусов, в которых сформированы два параллельных вертикальных слоев твердого гранулированного катализатора, а также узла раздельной подачи в реакторы биогаза и воздуха выполненного с возможностью чередования раздельной подачи потоков биогаза из газохода 11 и воздуха из газохода 12 в каждый из корпусов, состоящего из комплекса газовых клапанов 3-10. Раздельная подача обеспечивается противофазным открытием и закрытием групп клапанов: при закрытых клапанах 4-6-7-9 клапана 3-5-8-10 открываются и наоборот. Комплекс также включает в себя систему управления клапанами, которая обеспечивает указанное переключение групп клапанов через равные интервалы времени в диапазоне от 3 до 100 минут.

Принцип действия системы заключается в следующем. Поток биогаза из газохода 11 подается через клапан 10 в предварительно нагретый слой окисленного катализатора в корпусе 1. В этом слое происходит окисление метана, содержащегося в биогазе, кислородом катализатора с образованием диоксида углерода и паров воды с одновременным восстановлением катализатора. Высокотемпературные продукты реакции выходят из корпуса 1 через клапан 3 и

поступают в газоход вывода CO₂-содержащего потока 14. Тепло потока в газоходе 14 используется для получения тепловой энергии и/или водяного пара высокого давления, который в дальнейшем может использоваться для производства электроэнергии. Поток в газоходе 14 содержит только диоксид углерода и пары воды, соответственно, после осушки этого потока получается практически чистый диоксид углерода, который может утилизироваться в виде товарных продуктов (жидкой двуокиси углерода и/или сухого льда). Одновременно в корпус 2 через клапан 8 подается поток воздуха из газохода 12. При этом в корпусе 2 происходит реокисление находящегося там катализатора кислородом воздуха. Нагретый воздух выходит из корпуса 2 через клапан 5 и поступает в газоход вывода отработанного воздуха 13. Тепло потока в газоходе 13 также может использоваться для производства энергии.

По мере завершения восстановления катализатора в корпусе 1 и завершения реокисления катализатора в корпусе 2 производится чередование подачи потоков биогаза и воздуха в корпуса 1 и 2. В этом случае закрывают клапаны 10 и 3 на линии прохождения биогаза через систему и открывают клапаны 7 и 6. При этом биогаз проходит через слой катализатора в корпусе 2, где повторяется ранее описанный для слоя катализатора в корпусе 1 режим восстановления катализатора. Напротив, на линии прохождения воздуха закрываются клапаны 8 и 5 и открываются клапаны 9 и 4, в результате чего воздух проходит через слой корпуса 1, обеспечивая реокисление катализатора аналогично описанному выше для слоя катализатора в корпусе 2. По мере восстановления катализатора в слое катализатора в корпусе 2 и реокисления катализатора в слое катализатора в корпусе 1 вновь производят чередование подачи потоков биогаза и воздуха в корпуса 1 и 2.

Такие чередования производят через каждые 3-100 минут в течение неограниченного времени, что обеспечивает непрерывную работу системы. Более частые чередования могут приводить к износу переключающих клапанов 3-10, более редкие - к перевосстановлению катализатора на линии прохождения биогаза, приводящему к неполному окислению метана, а также к возможному затуханию процесса.

Для выделения концентрированного диоксида углерода из потока в газоходе 14 достаточно произвести удаление из него паров воды, для чего могут применяться известные конденсационные и адсорбционные системы. Для

утилизации тепловой энергии потоков в газоходах 13 и 14 могут применяться теплообменники для получения тепловой энергии в виде горячей воды, паровые котлы для производства водяного пара высокого давления, а также известные комбинации (например, паровой котел - паровая турбина) для производства электроэнергии. Для предотвращения загрязнения продуктов переработки биогаза соединениями серы, а также для защиты катализатора от дезактивации этими соединениями, система может дополнительно включать в себя блок предварительной очистки биогаза от сероводорода.

Каталитическое окисление метана, содержащегося в биогазе, обуславливает глубокое окисление метана без образования вредных продуктов неполного превращения (СО, сажа). При этом использование в качестве окислителя кислорода, хемосорбированного на поверхности катализатора, позволяет избежать присутствия воздуха в потоке биогаза и получить в линии 14 смесь СО₂ и паров воды, не содержащую трудно-конденсируемых примесей (кислород и азот воздуха), что существенно облегчает дальнейшую утилизацию диоксида углерода в виде товарных продуктов. На обоих стадиях (восстановление и реокисление катализатора) процесс может быть реализован при относительно невысоких температурах (не выше 1000°С), что обеспечивает практическое отсутствие образование и попадание в сбрасываемые газы токсичных оксидов азота. По сравнению с известными абсорбционными системами выделения СO₂ из продуктов сгорания биогаза, предлагаемая система отличается существенно более низкими капитальными и эксплутационными затратами. Достоинствами предлагаемой системы по сравнению с системой, принятой за прототип, является возможность гарантированного обеспечения герметичности слоев катализатора и предотвращения проскоков воздуха в линию подачи биогаза, а также большая технологическая простота, отсутствие движущихся слоев катализатора и, соответственно, более высокая надежность.

Таким образом, предлагаемая система при невысоких капитальных и эксплуатационных затратах обеспечивает возможность экологически чистого производства энергии из биогаза без выбросов в окружающую среду традиционных вредных продуктов сжигания биогаза (оксиды азота и серы, СО, сажа), а также с возможностью утилизации диоксида углерода в виде товарных продуктов.

1. Система для экологически чистого производства энергии из биогаза, включающая, по меньшей мере, один герметичный корпус с хотя бы двумя расположенными в нем параллельными каталитическими слоями твердого гранулированного катализатора, способного восстанавливаться метаном и окисляться кислородом воздуха с выделением тепла, узел раздельной подачи в слои биогаза и воздуха, узел утилизации тепла сгорания биогаза в виде тепловой или электрической энергии, отличающаяся тем, что слои катализатора сформированы в виде неподвижных вертикальных засыпок в отдельных герметичных корпусах, а узел раздельной подачи биогаза и воздуха состоит из комплекса переключающих клапанов с системой управления, обеспечивающей чередование раздельной подачи указанных потоков в каждый из слоев через равные промежутки времени в диапазоне 3-100 мин.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена блоком выделения диоксида углерода из продуктов сгорания биогаза.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена блоком осушки выделенного диоксида углерода.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена блоком производства жидкой двуокиси углерода и/или сухого льда из осушенного диоксида углерода.

5. Система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена блоком предварительной очистки биогаза от сероводорода.