Цеолит наполнитель фильтра для очистки биогаза

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.6.028 О. П. Семенова

ЦЕОЛИТ - НАПОЛНИТЕЛЬ ФИЛЬТРА ДЛЯ ОЧИСТКИ БИОГАЗА

Существенной проблемой при эксплуатации автотранспорта является разработка мероприятий по защите окружающей среды от токсичных компонентов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). От ДВС на жидких топливах агрессивных выбросов получается намного больше, чем от газовых ДВС. Таким образом, использование газового топлива в ДВС является весьма актуальной задачей. Газовое топливо бывает естественного и искусственного происхождения. К искусственному виду можно отнести биогаз - альтернативный источник топлива.

Как известно, в результате использования биогазовой технологии получаются качественное удобрение и сопутствующий продукт в виде биогаза, являющегося горючим газом и применяемого в котлах отопления, газовых плитах для приготовления пищи, двигателях внутреннего сгорания.

Предложен метод очистки биогаза от вредных примесей с помощью природного цеолита для применения в двигателях внутреннего сгорания. Приведена характеристика природного цеолита. Проведен анализ способов очистки биогаза. Выполнены экспериментальные исследования по очистке биогаза фильтрами с различными наполнителями. Приведен анализ результатов эксперимента. По результатам экспериментов дана рекомендация по очистке биогаза от вредных примесей с помощью фильтров с наполнителями из природного цеолита.

Ключевые слова: биогаз, фильтр, древесная стружка, активированный уголь, гидроксид железа, водяной затвор, метан, очистка, моторное топливо, цеолит.

O. P. Semyonova

Zeolite - the Filter Filler for Biogas Cleaning

The main problem during motor transport exploitation is the development of measures of the environment protection from toxic emissions of internal combustion engines (ICE). The using of fuel gas ICE is preferred by the reason that the amount of liquid fuel ICE offensive emissions is much more than of fuel gas ICE. So, the usage of the fuel gas in ICE is a very actual issue. There are two broad classes of fuel gases: manufactured fuel gas and natural gas. Biogas refers to manufactured fuel gas. It is an attractive alternative energy source.

Biogas is used to power motor vehicles, for heating, electricity and many other operations that use an internal combustion engine. Furthermore the by-product can be used as a fertilizer since it contains high amounts of nutrients such as phosphate and nitrogen.

The article gives valuable information on using zeolite in order to clean biogas from methane to natural gas standards and further use in ICEs. The authors analyze the methods of biogas cleaning and give characteristics of natural zeolite. The article gives the detailed analysis of research works held in biogas cleaning with the use of different extenders. In conclusion authors give recommendations on the use of zeolite based membranes in biogas cleaning.

Key words: biogas, filter, excelsior, absorbent carbon, iron hydroxide, hydraulic valve, methane, cleaning, motor fuel, zeolite.

СЕМЕНОВА Ольга Пантелеймоновна - ст. преп. кафедры эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса Автодорожного факультета Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. E-mail: cemolgapant@mail.ru

SEMYONOVA Olga Panteleymonovna - Senior Teacher of Motor Transport Exploitation and Car Service Department, the Faculty of Road Construction, the North Eastern Federal University named after M. K. Ammosov. E-mail: cemolgapant@mail.ru

Введение

Из государственного доклада о состоянии и охране окружающей среды Республики Саха (Якутия) на 2012 год следует, что на административной территории ГО «Город Якутск» выбросы в атмосферу загрязняющих веществ от автотранспорта составили 34,2 тысяч тонн [1, 2].

Продолжающийся рост спроса жителей и хозяйствующих субъектов Российской Федерации на транспортные услуги и прежде всего на автомобильные, обостряет экологические проблемы, связанные с загрязнением воздуха, шумом и изъятием земель из продуктивного оборота [3].

Цеолиты - кристаллические нанопористые твердые тела с диаметром пор приблизительно 1 нм, являются хорошими сорбентами для многих органических и неорганических веществ. Высокие молекулярно-ситовые свойства позволяют использовать их в различных сферах деятельности человека: в очистке воды, производстве минеральных удобрений, земледелии, животноводстве и птицеводстве, в качестве дезодоранта животноводческих помещений, при производстве цемента [4].

Биогаз как предмет моторного топлива

Одним из научных направлений кафедры эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса Автодорожного факультета Северо-Восточного федерального университета имени М. К. Аммосова являются исследования по разработке технологий получения альтернативных моторных топлив, не уступающих по своим параметрам традиционным видам топлива.

Одним из альтернативных видов моторного топлива является биогаз, продукт разложения органических отходов. Сырье для производства биогаза можно разделить на шесть основных групп:

• природная растительность (дерево, древесные отходы, опилки, торф);

• растительная биомасса (солома, растительные масла, силос и др.);

• твердые бытовые отходы (бытовые отходы, отходы промышленного производства и свалки);

• сельскохозяйственные отходы (навоз, куриный помет, ботва и др.);

• отходы аграрного перерабатывающего производства (отходы картофеля, отходы от производства мяса и молока и т. д.);

• специальные быстрорастущие сельскохозяйственные растения и деревья.

Сегодня биогаз является наиболее экологически чистым топливом для транспортных средств на рынке автомобиль [5]. Он дает наименьшее количество выбросов двуокиси углерода и твердых частиц среди всех видов автомобильного топлива на рынке. Выбросы окиси углерода, углеводородов, соединений серы и

оксидов азота меньше, чем тогда, когда бензин или дизельное топливо используются в качестве топлива. Газовый двигатель работает тише и вибрирует меньше, чем дизельный двигатель, что способствует улучшению условий труда для водителей [6].

Эффективность биогаза как моторного топлива зависит от содержания метана и отсутствия таких вредных примесей, как сероводород, аммиак, углекислый газ и влага. Содержание в биогазе вредных примесей способствует образованию коррозии металла, засорению и быстрому износу деталей и узлов агрегата. Именно по этой причине до начала применения в ДВС биогаз следует подвергнуть тщательной очистке.

Методы очистки биогаза

На сегодняшний день существует три основных способа очистки биогаза: метод жидкого и твёрдого химического поглощения примесей (абсорбционный и адсорбционный), метод мембранного разделения и вымораживания (криогенный метод). В первом методе часто используются жидкие химические поглотители СО2 - моно- и диэтаноламины. Они, не взаимодействуя с метаном, удаляют углекислый газ. Получается фактически чистый метан, однако жидкую фазу приходится менять. Для того чтобы освободить её от поглощённой углекислоты, её нужно нагреть. А это значит, что энергетически такая технология начинает проигрывать.

Столь же существенные потери энергии свойственны криогенному методу - для того чтобы заморозить углекислый газ, нужно потратить значительную часть энергии, произведённой установкой.

Мембранный метод разделения основан на пропускании через мембрану сжатого компрессором биогаза: давление биогаза при помощи компрессора повышают до 10 и более атмосфер и подают его в мембранный модуль. В итоге затраты на самообеспечение такой установки достигают до 30 процентов от выработанной энергии.

В лаборатории физикохимии мембранных процессов Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева разработан метод разделения биогаза - мембранно-абсорбционный. Эта технология объединяет в себе достоинства абсорбционного и мембранного методов разделения. Так же как в классическом методе химического поглощения, углекислый газ удаляется жидким абсорбентом. Жидкость и газ разделяет мембрана, изготовленная из нового материала политриметилсилилпропин. Материал, разработанный в лаборатории синтеза селективно-проницаемых полимеров, очень

проницаемый и позволяет газу проходить сквозь мембрану на скорости, достаточной для работы установки. Благодаря такой технологии не требуется повышать давление биогаза для подачи его на

О. П. Семенова. ЦЕОЛИТ - НАПОЛНИТЕЛЬ ФИЛЬТРА ДЛЯ ОЧИСТКИ БИОГАЗА

Рис. Различные виды фильтров с наполнителями из: 1 - древесной стружки; 2 - активированного угля; 3 - металлической стружки; 4 - природного цеолита

мембрану - газ поступает из биореактора самотеком под давлением чуть выше атмосферного. В итоге мембрану создали, но они не востребованы производством из-за дороговизны [7].

Также распространены фильтры с наполнителями из древесной стружки, активированного угля, гидроксида железа и водяной затвор.

Новизна нашего исследования заключается в том, что в качестве основного фильтрующего элемента предлагаем использовать природный минерал цеолит, добываемый на Хонгуринском месторождении Сунтарского района Республики Саха (Якутия) [8]. Результаты экспериментальных исследований Для очистки биогаза нами разработаны различные компактные фильтры. Они просты в изготовлении, материалы для них весьма доступны и недороги. Газ в

фильтры поступает самотеком.

Результаты проведенных экспериментов приведены в табл.

Как показали эксперименты, наивысшая степень очистки биогаза получилась при применении цеолита в качестве наполнителя. Концентрация метана после очистки биогаза природным цеолитом составила 93,3354 %, что на 22,7 % больше при использовании фильтров с металлической стружкой и активированным углем и на 29,1 % больше при использовании в качестве наполнителя древесной стружки. Таким образом, для очистки биогаза от вредных примесей рекомендуем использовать фильтры с наполнителем из природного цеолита.

Наличие полостей и каналов в микроструктуре цеолитов, а также достаточно большая свобода

Таблица

Компонентный химический состав биогаза после очистки

Наименование компонента Концентрация биогаза до очистки, об. % Концентрация после очистки с древесной стружкой, об. % Концентрация после очистки с активированным углем, об. % Концентрация после очистки с металлической стружкой, об. % Концентрация после очистки с природным цеолитом, об. %

двуокись углерода 33.8410 27.8580 14.228 27.8580 6.6646

метан 66.1420 72.1420 85.7720 72.1420 93.3354

этилен 0.0007 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

бутан 0.0120 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

гексены 0.0019 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

гексаны 0.0014 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

бензол 0.0019 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

движения катионов и молекул воды определяет уникальные свойства цеолитов. Обезвоженные путем нагревания цеолиты приобретают способность адсорбировать внутрь структуры молекулы различных веществ, которые по своим размерам не превышают диаметр входных пор-окон. В водной среде цеолиты легко обменивают свои катионы на другие, находящиеся в растворе. В процессах адсорбции и ионного обмена цеолиты проявляют тенденцию к избирательному поглощению одних ионов или молекул перед другими. При изменении внешних условий адсорбированные молекулы могут быть удалены из цеолитов, а обменные катионы заменены другими, в результате чего цеолиты регенерируются и могут работать в цикличном режиме [9].

Заключение

Следующим этапом исследований являлось уточнение наиболее оптимальных геометрических параметров фильтров с наполнителем из цеолита -диаметр и длина фильтра, размеры фракций цеолита.

В результате планируется получить следующие данные:

- зависимость результатов очистки от размеров измельчения цеолита;

- установить степень очистки при прохождении через цеолит в зависимости от скорости подачи биогаза;

- установление времени загрязнения цеолита вредными примесями;

- определение температуры высвобождения цеолита от вредных примесей.

Л и т е р а т у р а

1. Друзьянова В. П., Анисимов Е. Е. Автотранспорт и окружающая среда // Наука и мир. Международный научный журнал. - 2013. - № 2 (2). ISSN 2308-4804 - C. 52-53

2. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Республики Саха (Якутия). - Якутск: Компания «Дани Алмас», 2012. - 216 с.

3. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2012 году». 2012.

4. Цеолиты: теперь еще объемнее! [Электронный ресурс]. - URL http://www.nanometer.ru/2010/01/09/ ceoliti_162169.html (20.03.2014).

5. Петров Н. В. Методика расчета процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания при применении биогазово-

го топлива. // Вестник Северо-Восточного федерального университета. - 2013. - № 5 - С. 53-57

6. Производство биогаза в Республике Беларусь и Швеции. Обмен опытом. Отчет о выполнение проекта. CSD Uppsala. Uppsala Centre for Sustainable Development. 2012.

7. Доходы из отходов: как российские учёные получили энергию биомассы. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=221&d_no=40356#. UwgIzWJ_uNA (21.03.2014).

8. Друзьянова В. П., Петров Н. В. Цеолит и перспективы его использования при очистке биогаза // Технические науки — от теории к практике: материалы XVIII международной заочной научно-практической конференции. (20 февраля 2013 г.).

9. Обзор рынка природных цеолитов в СНГ. Издание 2-ое, дополненное и переработанное. - Москва, ноябрь, 2010.

R e f e r e n c e s

1. Druz'janova V. P., Anisimov E. E. Avtotransport i okruzhajushhaja sreda // Nauka i mir. Mezhdunarodnyj nauchnyj zhurnal - 2013. - № 2 (2). ISSN 2308-4804 - C. 52-53

2. Gosudarstvennyj doklad o sostojanii i ob ohrane okruzhajushhej sredy Respubliki Saha (Jakutija). - Jakutsk: Kompanija «Dani Almas», 2012. - 216 s.

3. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii i ob ohrane okruzhajushhej sredy Rossijskoj Federacii v 2012 godu». 2012.

4. Ceolity: teper' eshhe ob#emnee! [Jelektronnyj resurs]. -URL: http://www.nanometer.ru/2010/01/09/ceoliti_162169.html (20.03.2014).

5. Petrov N. V. Metodika rascheta processa sgoranija v dvigatele vnutrennego sgoranija pri primenenii biogazovogo topliva. // Vestnik Severo-Vostochnogo federal'nogo universiteta. - 2013. - № 5 - S. 53-57.

6. Proizvodstvo biogaza v Respublike Belarus' i Shvecii. Obmen opytom. Otchet o vypolnenie proekta. CSD Uppsala. Uppsala Centre for Sustainable Development. 2012.

7. Dohody iz othodov: kak rossijskie uchjonye poluchili jenergiju biomassy. [Jelektronnyj resurs]. - URL: http://www.strf. ru/material.aspx?CatalogId=221&d_no=40356#.UwgIzWJ_uNA (21.03.2014).

8. Druz'janova V. P., Petrov N. V. Ceolit i perspektivy ego ispol'zovanija pri ochistke biogaza // Tehnicheskie nauki — ot teorii k praktike: materialy XVIII mezhdunarodnoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. (20 fevralja 2013 g.).

9. Obzor rynka prirodnyh ceolitov v SNG. Izdanie 2-oe, dopolnennoe i pererabotannoe. - Moskva, nojabr', 2010.

^HSr^ir