Принцип довольно простой: влагу из биогаза не удаляют химически, а заставляют превратиться из водяного пара в жидкую воду. Для этого биогаз специально охлаждают ниже температуры, при которой влага начинает конденсироваться. После этого образовавшуюся воду отделяют от газа и отводят из системы.
Это типичный способ удаления основного количества влаги: биогаз охлаждают чиллером, водяной пар конденсируется, конденсат удаляется в сепараторе, а охлажденный газ затем при необходимости снова подогревают.
В упрощенном виде весь процесс обработки биогаза, после его получения, выглядит так:
Отдельно работает холодильный контур:
Этапы работы системы осушения биогаза
1. Из ферментера выходит теплый биогаз со 100% относительной влажностью
Биогаз после ферментера обычно содержит значительное количество водяного пара (близко к 100% относительной влажности). Пока газ теплый, значительная часть воды находится в нем в виде невидимого пара.
Если такой газ без осушения направить дальше по трубопроводу, он постепенно будет охлаждаться. Вода в виде конденсата начнет выпадать уже внутри:
- трубопроводов;
- газодувки;
- фильтров;
- компрессора;
- газового двигателя;
- другого оборудования.
Эта сконденсированная вода приведет к быстрому выходу дорогостоящего оборудования из строя.
Поэтому задача системы осушения заключается фактически в том, чтобы принудительно сконденсировать воду в специально предусмотренном месте, а не позволить ей выпадать дальше по системе.
2. Чиллер охлаждает промежуточный хладоноситель
Сам чиллер обычно не контактирует непосредственно с биогазом.
Он охлаждает промежуточную жидкость (антифриз), которая циркулирует между чиллером и газовым теплообменником. Это может быть:
- вода;
- водно-гликолевая смесь.
Гликоль особенно целесообразен при низких температурах теплоносителя или когда существует риск замерзания.
Таким образом образуются два отдельных контура:
В теплообменнике биогаз и гликоль не смешиваются. Они проходят разными каналами или трубами, а тепло передается через металлическую стенку.
3. Биогаз поступает в теплообменник-осушитель
Условно можно представить, что на вход поступает биогаз: +40 °C, а чиллер подает в теплообменник хладоноситель: +5 °C.
Это лишь пример. Конкретные температуры определяются расчетом в зависимости от:
- расхода биогаза;
- температуры газа;
- его давления;
- состава;
- необходимой степени осушения.
В теплообменнике биогаз отдает тепло хладоносителю:
Сначала происходит обычное снижение температуры газа. Затем начинается главный процесс – конденсация воды.
4. Водяной пар превращается в жидкую воду
Процесс работает на том принципе, что теплый газ способен содержать в себе больше водяного пара, чем холодный.
Когда биогаз охлаждается, количество влаги, которое он может удержать в себе, уменьшается. Эта разница в количестве влаги, которую способен удержать в себе биогаз, и выпадает в виде конденсата:
Именно это и является основой холодильного осушения биогаза.
Как пример реальной промышленной системы охлаждения биогаза в цифрах: при охлаждении биогаза с +40 °C до +10 °C конденсируется более 80% воды, содержавшейся в газе. Это пример конкретной системы, а не универсальное значение для каждого проекта.
5. Что происходит внутри теплообменника
Одновременно происходят несколько процессов:
| Процесс | Объяснение |
| Охлаждение биогаза | хладоноситель забирает тепло |
| Конденсация воды | водяной пар превращается в жидкость |
| Образование капель | вода оседает на холодных поверхностях |
| Стекание воды | капли собираются в нижней части оборудования |
При этом холод нужен не только для того, чтобы снизить температуру газа. Значительная часть холодопроизводительности расходуется именно на конденсацию водяного пара – до двух третей тепловой нагрузки приходится именно на конденсацию воды, а остальное – на охлаждение самого газа.
Это принципиально важно при подборе чиллера. Нельзя определять необходимую мощность чиллера только по расходу биогаза и разнице температур.
Необходимо также учитывать:
- состав биогаза;
- давление биогаза на входе в систему осушения;
- допустимую потерю давления в системе осушения;
- количество воды, которое должно сконденсироваться.
6. Образовавшаяся вода отделяется от биогаза
После охлаждения на выходе из холодной части системы имеем:
Эту воду необходимо отделить от газового потока.
Для этого применяют сепаратор-каплеотделитель (demister) в комплекте с конденсатосборником.
7. Конденсат необходимо вывести из системы осушения
Вода собирается в нижней точке и отводится. Типовая логика:
При этом система отвода должна быть построена так, чтобы вода выходила, а биогаз не выходил наружу через дренаж.
Поэтому просто оставить открытую сливную трубу нельзя.
8. Конденсат – это НЕ ЧИСТАЯ вода
Вместе с водяным паром в биогазе будет присутствовать:
- серная кислота, так как сероводород H₂S хорошо растворяется в воде;
- аммиак NH₃;
- силоксаны;
- другие примеси.
Нужно помнить, что система осушения не заменяет полноценную систему десульфуризации биогаза!
Поэтому конденсат необходимо рассматривать как технологическую жидкость, состав которой зависит от конкретного биогаза.
Это также объясняет, почему материалы теплообменника, труб и конденсатной системы нужно подбирать с учетом коррозионной активности среды.
9. После охлаждения биогаз становится практически сухим
При таких условиях для биогаза, имеющего состав 50% CH₄ / 50% CO₂, получаем относительную влажность 17%.
То есть в результате в самом газе остается значительно меньшее абсолютное количество воды (то есть меньшее количество молекул воды).