Гидравлический расчет выхода биогаза

 

 

Гидравлический расчет разветвленной газовой сети системы сбора и утилизации биогаза на полигоне ТБО сводится к определению диаметров труб каждого участка газопровода на основе подсчета потерь давления газа по заданным расходам.

 

При гидравлическом расчете выбирается основное направление газопровода, соединявшее начальную наиболее удаленную точку и конечную точку магистрального трубопровода.

 

В связи с тем, что в разветвленной сети к любому узлу подают лишь один линейный расход, при заданных в конечных точках расходах определяют линейные расходы всех участков. По линейным расходам и скоростям движения биогаза определяют диаметры труб каждого участка.

 

Гидравлическим расчетом учитывают давление, создаваемое за счет разности отметок поверхности полигона и расположения вентиляторной установки.

 

Биогаз легче воздуха, поэтому стремится вверх, создавая дополнительное гидравлическое давление, определяемое по формуле (3.1)

 

Н г l (в б)

(3.1)

 

где Н _г - изменение давления газа при изменении высоты положения газопровода, Па; l - разность геометрических отметок, м; γ _в, γ _б - плотность воздуха и плотность биогаза, кг/м³.

 

Знак «плюс» относится к более высоким отметкам, знак «минус» - к более низким по отношению к исходной плоскости. Н_г=-10 Па.

 

	Основные	расчетные	формулы,	рекомендуемые СНиП	2.04.08-
	87 «Газоснабжение» (для турбулентного режима движения биогаза):

а) определение числа Рейнольдса:

 

Re 0,0354 Q / d

(3.2)

 

где Q - расход газа, м³/ч; d - внутренний диаметр газопровода, см; v - коэффициент кинематической вязкости, м³/с;

 

б) потери давления:

 

			d			0,25	Q	2
	n	1922							l	(3.3)
								5
H 69				Q			d
d

где H - потеря давления, Па; ρ - плотность биогаза, кг/м³; l - расчетная длина газопровода, м; n - эквивалентная абсолютная шероховатость, см; Q, d, v - обозначения те же, что и в формуле (3.2);

 

в) расчетная длина газопровода:

 

l l 1 ld

(3.4)

 

где l₁ - действительная длина газопровода, м; Σξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений участка; l d - эквивалентная длина прямолинейного участка газопровода, м;

 

г) эквивалентная длина участка газопровода:

 

ld			d
				d		0,25	(3.5)
		n	1922
11					Q
	d

д) диаметр газопровода:

d 0,036238	Q (273 t)	(3.6)
	P m V

 

где Q - расход газа, м³/ч, при температуре 0 °С и давлении 0,10132 МПа (760 мм рт. ст); t - температура газа, °С; Рm - среднее давление газа (абсолютное) на расчетном участке газопровода, МПа; V - скорость газа, м/с.

 

На рисунке 3.1 изображена расчетная схема полигона

 

310

 

	40	400
1	35
	40
2

3

 

4

 

5

 

6

 

7

 

53

 

8 9 10 11 12

 

Рисунок 3.1. Расчетная схема полигона

 

20

 

13

 

 

Располагая скважины через 30-40м, получаем 70 скважин с дебетом 17м³/ч.

 

Таблица 3.1. Гидравлический расчет системы сбора биогаза

 

					Длина					Наружный	Толщина		Потери
		Номер			участка			Расход
										диаметр, мм	стенки, мм		давления Р, Па
		участка			L, м			Q, м3/ч
	1-2.				40			17,0		140	12,7		0,010
	2-3.				40			34,1		140	12,7		0,035
	3-4.				40			51,1		160	14,6		0,038
	4-5.				40			68,2		160	14,6		0,063
	5-6.				40			85,2		200	18,2		0,032
	6-7.				40			102,3		200	18,2		0,044

 

	Длина		Наружный	Толщина	Потери
Номер	участка	Расход
			диаметр, мм	стенки, мм	давления Р, Па
участка	L, м	Q, м3/ч
7-8.	40	119,3	200	18,2	0,058
8-9.	80	238,6	280	25,4	0,079
9-10.	80	477,3	280	25,4	0,264
10-11.	80	715,9	280	25,4	0,537
11-12.	80	954,5	315	28,6	0,508
12-13.	80	1 193,2	355	32,2	0,425
				∑P=	2,094

 

               

Используются трубы ПНД (полиэтилен низкого давления) для газоснабжения.

 

 

Очистка биогаза

В биогазе содержится влага и компоненты, которые наносят вред оборудованию. Хлор- и фторсодержащие углеводороды представляют опасность из-за появления диоксинов и фуранов при недостаточно высоких температурах горения и вместе с сероводородом приводят к образованию соляной и плавиковой кислот, приводящей к коррозии.

 

На рисунке 4.1 приведена схема очистки биогаза. Предварительно биогаз очищается от механических примесей путем прохождения через циклонный сепаратор 5. При объемном потоке 22 м³/мин подходит циклонный сепаратор ZK 071 KAESER. Также циклонный сепаратор отделяет газ от конденсата.

 

Рисунок 4.1. Схема очистки биогаза.

 

1-запорная арматура, 3, 6, 11, 13-термозапорные клапаны, 4-компрессор, 5-циклонный сепаратор, 7-узел очистки биогаза с помощью моноэтаноламина, 8-фильтр с цеолитами, 9-одорант, 12-газгольдер, 13-котельная.

 

Биогаз из газосборной магистрали при открытом вентиле 1 поступает в центробежный сепаратор 5 для удаления влаги и пыли, откуда посредством компрессора 4 подается на дальнейшую очистку. Степень очистки с применением центробежной сепарации по результатам исследований в лаборатории ОАО «ПМЗ «Плава»» составляет до 99,9%. В целях обеспечения взрывопожарной безопасности при подаче газа вблизи сепаратора участки газопровода оснащаются термозапорными клапанами 3 и 6. Далее биогаз поступает в узел очистки от углекислого газа и сероводорода 7. Углекислый газ выбрасывается в атмосферу, а сероводород поглощается фильтром с оксидом железа (III). От галогенсодержащих углеводородов, остатков аммиака и прочих примесей газ очищается в фильтре 8, заполненном цеолитами (Ме2/nО·Аl2О3·хSiО2уН2О), степень очистки которого 98%. Очищенный биогаз одорируется этилмеркаптаном (СН₃SН) с помощью установки 9, затем подаётся в газгольдер 12, где после снижения давления газовым редуктором подаётся в котельную 16. В целях обеспечения взрыво-пожарной безопасности участки газопровода перед газгольдером и за ним также оснащаются термозапорными клапанами 11 и 13. Данная система является полу-автоматизированной и не требует постоянного вмешательства обслуживающего персонала, а большинство её элементов могут быть расположены в зданиях АХЗ полигонов ТБО. Водно-пылевая смесь, продукты взаимодействия подлежат захоронению на полигоне или переработке.

 

Используя водные растворы определенных химических соединений, можно обеспечить одновременную очистку биогаза от H₂S и CO₂. Моноэтаноламин, являясь слабым основанием, обратимо взаимодействует с

 

H₂S и CO₂:

 

200-250 HOCH2CH2NH2 + H2S →HOCH2CH2NH3 + HS−	(4.1)
1000-1100 HOCH2CH2NH2 + H2O + CO2 →HOCH2CH2NH3 + HCO3−	(4.2)

 

 

Равновесие обратимых реакций легко сдвигается изменением температуры. Способ моноэтаноламиновой очистки обеспечивает полное удаление из биогаза CO₂ и снижение концентрации H₂S до 0,001% об[29,32].

 

Он работает по принципу вытеснения абсорбента из горячей зоны в холодную за счет избыточного давления, возникающего благодаря выделяющимся газам. В холодной зоне барботирующий биогаз очищается от примесных газов.

 

Схема установки очистки с помощью моноэтаноламина (HOCH₂CH₂NH₂) приведена на рисунке 4.2.

 

Рисунок 4.2. Схема очистки газа от сероводорода и углекислого газа с регенерацией моноэтаноламина [3]: 1, 3 – газопроводы; 2 – абсорбер; 4, 6 – холодильники; 5 – теплообменник; 7 – выпарная колонна; 8 – сепаратор; 9, 11 – насосы; 10 – кипятильник.

После механической очистки газ по газопроводу 1 поступает в абсорбер 2 и выходит в газопровод 3. В абсорбер подается регенерированный раствор этаноламинов, поглощающий сероводород и углекислый газ. Продукты химической реакции через теплообменник 5 и поступают в выпарную колонну 7,где происходит их подогрев.Дополнительный подогрев проводится также вкипятильнике 10. В выпарной колонне 7 при температуре около 100°С происходит регенерация моноэтаноламина. В холодильнике 6 пары охлаждаются и в сепараторе 8 разделяются на газы и конденсат. Конденсат отсасывается насосом 9 и подаётся в выпарную колонну 7, а газы идут на

 

	дальнейшую			переработку			или	обезвреживаются	(сжигаются).

 

Регенерированный раствор моноэтаноламина из выпарной колонны 7 подается насосом 11 в абсорбер 2. При этом раствор охлаждается в теплообменнике 5 и холодильнике 4. Основные достоинства этого способа заключаются в достаточно высокой степени очистки (до 99%), регенерируемости, незначительных потерях реагента, компактности установки, автоматизация процесса. Углекислый газ допускается выбрасывать в атмосферу, а сероводород требуется обезвредить. Процесс происходит под давлением 1МПа, для чего используется винтовой компрессор.

 

Затем газ поступает в фильтр с цеолитами для дальнейшей очистки от оставшихся примесей. Физическая основа метода адсорбции – способность некоторых твердых тел с ультрамикроскопической структурой (адсорбентов) селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси (адсорбтивы). В пористых телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется капиллярной конденсацией.

 

В качестве адсорбента применяются вещества с большой удельной поверхностью 10⁵...10⁶ м²/кг (активированный уголь, активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия Аl₂O₃, цеолиты).

С увеличением температуры происходит снижение адсорбционной способности адсорбента. На этом свойстве адсорбентов основан процесс их регенерации. Регенерацию осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей рабочую, либо продувкой его паром, либо горячим газом.

 

Расчет адсорбера состоит в определении массы адсорбента, конструктивных размеров и времени защитного действия адсорбера.

Минимальную необходимую массу сорбента определяют из уравнения материального баланса по улавливаемому компоненту:

 

Q(C0 - Cк)

τ

Q(C

- C) τ

ma =

=

0

к

kз

a д

a

(4.3)

где Q – объемный расход очищаемого газа, м³/с;

 

С₀ и С_к– начальная и конечная концентрации удаляемой примеси (адсорбтива), кг/м³;

 

τ– время процесса адсорбции, с; а _д–динамическая поглотительная емкость адсорбента в рабочих

условиях, кг/кг; а _∞–статическая(равновесная)поглотительная емкость адсорбента в

равновесных условиях, кг/кг;

 

k _з – коэффициент запаса, k_з=1,1..1,2

 

Динамическая адсорбционная емкость поглотителя меньше его равновесной адсорбционной емкости, поскольку в рабочих условиях при непродолжительном контакте твердой и газовой фаз адсорбционное равновесие не может установиться.

 

а д = а ∞ η,

(4.4)

 

где η – степень использования равновесной (статистической) адсорбционной емкости.

 

Динамическая сорбционная емкость (активность) а _д – количество адсорбтива, поглощенного слоем сорбента до момента его появления за слоем

(проскока),кг/м2.
а д =С0·w·τз,	(4.5)
где С0 – начальная концентрация адсорбтива в газовом потоке, кг/м3;
w – скорость газового потока, м/с;

τ_з – время защитного действия слоя адсорбента, с. Это время, прошедшее от начала пропускания парогазовой смеси через слой адсорбента до момента появления (проскока) адсорбтива за слоем адсорбента.

 

Время защитного действия слоя адсорбента определяется по уравнению Шилова:

 

 

τ_з = k_з (H_а – h_а); k_з ·h_а = τ₀; τ₃ = k_з ·H_а – τ₀; k_з = ^a, (4.6)

 

w C₀

где k_з – коэффициент защитного действия слоя адсорбента, выражающий время перемещения фронта сорбции на единицу высоты слоя поглотителя, с/м; Н_а – высота слоя адсорбента, м;

 

h_а– высота неиспользованного слоя адсорбента в условиях динамического опыта, м;

 

τ₀ – потеря времени защитного действия слоя сорбента, с. Геометрические размеры адсорбера подсчитывают по формулам:

Da =	4Q	;	Ha =	4ma	,
	π w			π Da2 ρнас

где ρ_нас – насыпная плотность адсорбента, кг/м³.

Минимальная необходимая масса цеолитов равно m_a=889кг.

 

Размеры адсорбера D_a=1,2м, Н_а=0,96м. Прохождение биогазом адсорбера просходит под давление 0,15МПа.

 

Газгольдер используется для хранения газа в сжатом состоянии. Устанавливается объемом 50 м³.