БИОМАССА Как источник энергии

Сопутствующие процессы

Очистка газа. В зависимости от назначения газ очищается от части со­держащейся в нем серы. Очистка газа от серы может быть осуществле­на различными способами, например с помощью таких растворителей, как углеводы и амины, или путем охлаждения газа до 130-150°С на вы­ходе из газификатора. Последний способ используется в тех случаях, когда

- газ содержит небольшие количества смол и(или) нефтяных фрак­ций, и, следовательно, его тепло может быть использовано, или необхо­димо отделить конденсирующиеся материалы (в противном случае они будут загрязнять оборудование);

- конденсат, образующийся при охлаждении неочищенного газа, должен быть обработан для отделения органических веществ, аммиака и т. п.;

- в котельной, работающей на отходящем тепле, может быть полу­чен насыщенный (и, возможно, перегретый) пар высокого давления; теп­ловой баланс при 30°С (или более высоких температурах, при которых достигается необходимая разность температур для отделения газов от воды) будет определяться расходом пара и его параметрами.

Выбор способа очистки газа от H2S зависит от заданной глубины очистки, давления газа и других факторов [12]. В основе химического способа (с применением углеводных [13] и аминовых растворителей) ле­жит обратимая химическая реакция H2S и С02 с полярной группой рас­творителя; регенерация растворителя происходит в замкнутой системе десорбцией паром при низком давлении. В процессах гидроочистки в нефтеперерабатывающей промышленности для этих целей широко ис­пользуются растворители диизопропил - и метилэтиламин. Вообще го­воря, может быть достигнуто 99%-ное удаление H2S. Количество уда­ляемых COS и С02 зависит от отношения парциальных давлений H2S/C02, природы растворителя и других факторов.

Органические растворители при высоких давлениях поглощают кислые газы (H2S и С02); растворители регенерируются испарением при резком понижении давления. Многие системы основаны на различ­ной растворимости H2S и С02 или на селективной абсорбции H2S [14].

После очистки от H2S газ направляется на установку по извлечению серы, что отвечает требованиям предохранения от загрязнения окру­жающей среды. Однако большая часть биомассы содержит незначи­тельное количество серы, и поэтому использование установки для из­влечения серы вряд ли оправданно.

Если сырье, подаваемое на установку по очистке серы, содержит бо­лее 10-15 мол. % H2S, то для ее извлечения могут использоваться обыч­ные установки Клауса [15]. Если же концентрация H2S ниже 10%, то приходится использовать более дорогой способ очистки Стретфорда [16]. На установках Клауса обычно извлекают до 95-97% серы, связан­ной в газовом потоке с H2S. Выход серы зависит от концентрации H2S в потоке сырья, количества выбранных ступеней адсорбционной очистки и других факторов. Выделение серы путем окисления H2S происходит в результате следующих реакций [17]:

TOC \o "1-3" \h \z H2S + 3/202 -» Н20 + S02 (8а)

Суммарное 2H2S + SP2 (3/2x)Sx + 2Н20 (86)

Уравнение:

2H2S + 02 - 2S + 2Н20 . (8в)

Одна треть поступающего H2S окисляется с образованием S02, при взаимодействии которого с остаточным H2S образуется сера. Реакция (86) обратима и ограничивает конверсию H2S в серу на 95-97%. Для бо­лее полной очистки газов используют способ, описанный в работе [17], или способ, разработанный фирмой Shell [18].

С помощью мокрого процесса Стретфорда [19} можно снизить со­держание H2S в потоке обрабатываемого газа до 10 ч. на 1 мл по объему:

H2S + Na2CX)3 NaHS + NaHTO3, (9)

NaHS + NaHCOj + 2NaV03

S+ Na2V2Os + Na2C03 + H20, (10)

Na2V205 + l/202 (воздух) 2NaV03. (11)

Вследствие реакции (9) сероводород удаляется из газового потока, а в результате последующих этапов - окисления и восстановления с помощью катализатора на ванадиевой основе-получается элементная сера (урав­нения 10 и И). Низкие температуры (25-55°С) способствуют высокому выходу серы; чтобы предотвратить взаимодействие с бикарбонатом, парциальное давление С02 в подаваемом газе следует поддерживать на уровне ниже нескольких атмосфер.

Измененная конверсия. В тех случаях, когда требуется газ с опреде­ленным отношением Н2/СО, используется реакция

Н2о + со -> н2 + со2

С добавлением водяного пара для сдвига реакции вправо. Достигнутое в процессе конверсии отношение Н2/СО зависит от применяемого ката­лизатора, температуры процесса и отношения пар/уголь. Если полная конверсия в Н2 нежелательна, может использоваться высокотемпера­турный нечувствительный к сере катализатор. Для обеспечения сохран­ности установки и стабильности катализатора на выходе обычно под­держивают температуру газа не выше 455-480°С.

При необходимости получения большего количества водорода вво­дится дополнительная низкотемпературная ступень реакции при 200-400°С. Многие промышленные низкотемпературные катализаторы изготовляются на медной основе. Поскольку они теряют активность в присутствии серы, работе на них должна предшествовать очистка кис­лого газа. Даже при использовании низкотемпературных стойких к сере катализаторов типа SSK, изготовляемых фирмами Haldor Topsoe A/S и Exxon Research and Engineering [20], технологический газ должен иметь определенную минимальную концентрацию серы для поддержа­ния активности катализатора в сульфидизированном состоянии. Целе­сообразность применения катализатора типа SSK в процессе газифика­ции биомассы зависит от экономических и других факторов, в том числе и от содержания в газе H2S. В любом случае после низкотемпера­турного процесса с применением катализатора, стойкого к сере, по-ви­димому, необходима дополнительная ступень удаления кислого газа.

При составлении теплового и материального баланса процесса с из­мененной конверсией используются таблицы констант равновесия для ю»
уравнения (7) или номограммы для бимолекулярных реакций с инфор­мацией относительно энтальпии (табл. 3).

Дополнительная переработка. Из синтез-газа, состоящего в основном из Н2 и СО, для получения которого обычно требуется газификация с применением кислородного дутья, с помощью катализаторов можно получить ряд продуктов, в том числе метан (синтетический природный газ), метанол, водород и аммиак.

При получении из синтез-газа синтетического природного газа, мета­нола и аммиака обычно используется технология со стационарным ка­тализатором, рециркулирующими потоками и охлаждением для отвода экзотермического тепла реакции. Для достижения желательной конвер­сии реагирующих компонент к рециркулирующему синтез-газу добав­ляют свежий газ. Увеличение температуры в слое катализатора устана­вливается с учетом изменения его активности и возможности спекания, а также удлинения срока его службы. Для обычного процесса с рецирку­ляцией составляют тепловой и материальный баланс. Тепло подводится с сырьем и паром (если он требуется), подача и рециркуляция сырья осуществляются компрессором, отвод тепла происходит с потоком продуктов.

Заменитель природного газа получается путем метанизации:

ЗН2 + СО СН4 + Н20. (12)

Образованию метана благоприятствуют высокие давления и низкие температуры. Молярные отношения Н2/СО на вводе в реактор обычно колеблются в пределах 3,10/1-3,15/1. Максимальная температура в реак­торе не превышает 480°С.

Константа равновесия реакции [12] определяется по формуле

(13)

Общее количество моделей"

_ (СН4)(Н2Р)

Абсолютное давление

ІЦавн - (СО)(Нг)з

В отличие от уравнения (7) константа равновесия для реакции метаниза­ции (уравнение (13)) чувствительна к давлению, поскольку в реакции участвуют три моля водорода. Примеры последовательных расчетов ре­акции метанизации можно найти в отчете Управления энергетических исследований и разработок [21], подготовленном фирмой Braun & Со. Промышленные катализаторы для реакции метанизации чувствительны к сере, и поэтому синтез-газ должен быть предварительно очищен от H2S.

Заменитель природного газа может быть получен с помощью ком­бинированного процесса метанизации, проходящего в адиабатических трубчатых реакторах. На таких установках можно получать перегретый пар высокого давления. В процессе по реакции Будуара возможно и образование свободного углерода. Для того чтобы предотвратить образование углерода, требуется подвод достаточного количества пара (для расчетов можно воспользоваться диаграммами С-Н-О) [22].

Метанол. Синтез-газ превращается в метанол каталитически в ре­зультате реакций

2Н2 + СО - СН3ОН

ЗН2 + С02 - СН3ОН + н2о.

Образованию метанола благоприятствуют низкие температуры и высокие давления. Для получения синтез-газа соответствующего со­става к нему добавляется избыточный водород до соотношения

Н,

= 1,1 до 1,2.

2СО + ЗСО

Применение активных катализаторов на медной основе (чувствительные к сере) позволяет проектировать установки по производству метанола под давлением 50-150 атм и температурой слоя в пределах 250-380°С. При этом значительное внимание уделяется эффективному использова­нию тепла реакции [23].

Фирма Electric Power Research осуществляет разработку синтеза ме­танола в жидкой фазе [24]. В систему с «кипящим» слоем катализатора, псевдоожиженного инертным, несмешивающимся углеводородом, вво­дится свежий синтез-газ (к рециклу). Благодаря поглощению метанола растворителем достигается его высокий выход. Улучшается возмож­ность регулирования температуры реакции. Предварительные данные теплового и материального баланса этого технологического процесса приводятся в работе [13]. Молярное отношение Н2 и СО в синтез-газе устанавливается равным 2/1.

Фирма произвела оценку стойкого к сере катализатора для синтеза метанола [25].

Аммиак. Синтез аммиака осуществляется в соответствии с реакцией

ЗН2 + N2 - 2NH3

И протекает при давлении 17200 - 24100 кПа. Если требуется получение жидкого аммиака, следует предусмотреть его охлаждение. Более под­робное описание этого процесса содержится в работе [19].

БИОМАССА Как источник энергии

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Комплекс по производству этанола, где полностью используется сырье (например, пшеничные зерна (рис. 4)), может дать положительный энер­гетический эффект. Такой комплекс включает установку для пронзвод- Ства этанола и промышленного типа хозяйство для откормки рогатого скота. В энергетическом балансе учитывается энергия, расходуемая на выращивание пшеницы, и энергия для производства пара.

Кислород

Микроорганизмы, ответственные за производство этанола фермента­цией, являются факультативными, так как они могут развиваться как при наличии кислорода, так и без него. В присутствии кислорода из на­чального субстрата образуется больше клеточной массы (в 5-10 раз больше, чем в анаэробных условиях), и скорость роста ее увеличивается. Другими словами, аэрацией можно увеличить выход клеточной массы и интенсивность процесса.

Тепловой и энергетический к. п. д

Для составления энергетического баланса необходимо точно опреде­лить границы рассматриваемой системы. Энергетический к. п.д. может быть использован для оценки к. п.д. различных систем по переработке биомассы. Однако в тех случаях, когда процесс переработки биомассы включает стадии производства энергии (например, водяного пара или электроэнергии), более полезным будет сравнение термодинамических к. п. д., поскольку последний дает возможность установить, какая из си­стем для производства работы (энергии) лучше по сравнению с идеаль­ной.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.