بخشی از مقاله
بررسي فني و اقتصادي و شبيه سازي فرآيند شيرين سازي بيوگاز
چکيده
در راستاي سياستهاي کنترل انتشار آلاينده ها و گازهاي گلخانـه اي بـه محـيط زيسـت و در جهـت اسـتفاده از انرژيهاي تجديد پذير بجاي سوختهاي فسيلي، استفاده از بيوگاز جايگاه ويژه اي را به خود اختصـاص داده اسـت .
اما آلاينده هاي موجود در بيوگاز شامل سولفيد هيدروژن و دي اکسيد کربن علاوه بر اثـرات زيسـت محيطـي از لحاظ بهره برداري نيز مشکلاتي نظير خوردگي سيستم و کاهش ارزش حرارتي بيوگـاز را بـه دنبـال دارن د. لـذا استفاده از سيستم تصفيه بيوگاز از اهميت خاصي برخوردار است . در اين مقاله پـس از بيـان روشـهاي مختلـ تصفيه بيوگاز به بررسي روش جذب با حلال آلي پرداخته شده است . جهت تخمين ميزان سرمايه گذاري واحـد جذب ابتدا فرآيند مربوطه با نرم افزار HYSYS شبيه سازي شده و اطلاعات مربوط به دسـتگاههاي فرآينـدي بدست آمده براي تخمين قيمت استفاده شده اند. ميزان کل سرمايه گـذاري واحـد حـدود ٨٠,٠٠٠ دلار بـرآورد شده است .
کلمات کليدي
بيوگاز، تصفيه بيوگاز، شبيه سازي، سرمايه گذاري کل
مقدمه
درسال هاي اخير به دليل مشکلات ناشي از وابستگي گسترده به نفت و محدوديت منابع تجاري انرژي، به استفاده از بيوگاز بيشتر توجه شده است . بيوگاز بر اثر واکنش هاي تجزيه اي بي هوازي ميکروارگانيسم هاي زنده در محيطي که مواد آلي وجود دارد، توليد مي شود. از اين قبيل محيط ها مي توان به landfill ها(زمين هاي دفن زباله )، لجن هاي فاضلابي، تصفيه خانه ها، دامداري ها، زمين هاي حاوي ضايعات کشاورزي، باتلاق ها و مرداب ها اشاره کرد. بيوگاز توليدي در صنايع مذکور معمولا بطور مستقيم به مشعل ارسال ميگردد که نه تنها اتلاف انرژي را به دنبال دارد بلکه ترکيبات بسيار سمي به محيط منتشر مينمايد. ترکيبات موجود در بيوگاز در جدول (١) آمده است [١].
جدول ١: ترکيب درصد کلي بيوگاز
بيوگاز مي تواند مستقيماً براي توليد انرژي استفاده شود، اما حجم زياد دي اکسيد کربن موجود در آن باعث کاهش گرماي سوختن گاز ميشود. سولفيد هيدروژن علاوه بر دارا بودن اثرات سوء بر سلامت ، باعث ايجاد خوردگي اجزاي مکانيکي مشعل ، بوي نامطلوب و در مواردي باعث انتشار SO٢ در گاز خروجي توربين ها و مشعل مي شود. تصفيه بيوگاز، امکان تنوع بيشتر استفاده آنرا هم براي استحصال گرما و الکتريسيته و هم براي سوخت وسايل نقليه فراهم ميسازد. همچنين در موارد استفاده از بيوگاز، تصفيه به منظور تضمين سلامت پرسنل ، مناطق مسکوني اطراف صنايع الزمي بنظر ميرسد[٢].
فرآيندهاي تصفيه به دو دسته ي اساسي تقسيم مي شوند. دسته اول فرآيندهاي فيزيوشيميايي دسته دوم فرآيندهاي بيولوژيکي ميباشند[٢].
الف - فرآيندهاي فيزيوشيميايي[٢]:
.1 شستشو و تصفيه با آب : شستشو و تصفيه با آب براي حذف دي اکسيد کربن و سولفيد هيدروژن از بيوگاز، بدليل انحلال پذيرتر بودن اين گازها در آب نسبت به متان استفاده مي شود. فرآيند شستشو و تصفيه کاملاً فيزيکي است .
.2 جذب در محلول هاي آبي: حلال ها در اين روش معمولاً يا محلول هاي آبي آمين ها (مانند مونو، دي يا تري اتانول آمين ) يا محلول آبي نمک هاي قليايي (مانند سديم ، پتاسيم و کلسيم هيدروکسيد) مي باشند.
.3 جذب روي جاذب هاي جامد: اين فرآيندها بر مبناي جذب انتخابي سولفيد هيدروژن روي جاذب هاي جامد مي باشند که چون مشمول هيچگونه فاز مايعي نمي شوند به آن روش خشک نيز گفته ميشود.جاذب ها در اين روش ميتوانند اکسيدهاي آهن ، کربن هاي فعال و زئوليت ها باشند.
.4 جذب سطحي گردشي فشار (pressure swing adsorption): در اين روش ، مواد جاذب سطحي خاص (مانند زئوليت ها و کربن فعال ) به عنوان يک غربال ملکولي عمل مي کنند که به طور انتخابي گونه هاي گازي مورد نظر را در فشار بالا جذب مي کنند.
.5 غشاء: اساس جداسازي غشايي اين است که فقط برخي از اجزاي گاز خام از ميان يک غشاي نازک عبور مي کنند.
نفوذپذيري تابع مستقيمي از حلاليت شيميايي جزء مورد نظر در غشاست .
.6 جداسازي برودتي ١: جداسازي برودتي بيوگاز در واقع جداسازي دي اکسيد کربن ، سولفيد هيدروژن و ديگر آلاينده
هاي بيوگاز از متان در دامنه مختلفي از درجه حرارت و فشار مي باشد.
ب - فرآيندهاي بيولوژيکي[٢]:
بيوفيلتر: فرآيندهاي بيولوژيکي به طور گسترده براي حذف سولفيد هيدروژن مخصوصاً در کاربردهاي بيوگاز به خدمت گرفته مي شوند. اين روشها اغلب مقرون به صرفه و دوستدار محيط زيست هستند و نسبت به روشهاي شيميايي ترجيح داده ميشوند.
در اغلب کشورهاي پيشرفته واحدهاي شيرين بيوگاز بطور وسيع استفاده ميشوند اما تاکنون چنين واحدي در کشور جهت جلوگيري از اثرات مضر آلاينده ها در بيوگاز توليدي صنايع مختلف اجرا نشده است . براي اين منظور در اين مقاله شيرين سازي بيوگاز جهت اجرا در تصفيه خانه هاي فاضلاب و دامداريها مورد بررسي فني قرار گرفته و هزينه سرمايه گذاري در اين بخش محاسبه شده است .
٢. شرح فرآيند جذب
حلال هاي شيميايي معمولاً يا محلول هاي آبي آمين ها مانند مونو اتانول آمين ، دي اتانول آمين و تري اتانول آمين ، يـا محلول آبي نمک هاي قليايي مانند سديم هيدروکسيد، پتاسيم هيدروکسيد و کلسيم هيدروکسيد مي باشند. استفاده از محلول آبي نمک هاي قليايي معمولا پيشنهاد نميشود زيرا اين روش داراي گزينش پذيري خيلي کمي براي سولفيد هيدروژن اسـت و همچنين بطور رقابتي دي اکسيد کربن جذب شده و واکنشگرهاي قليايي نسبتاً گران را مصرف مي کند.
آلکانول آمين هاي مورد استفاده در صنايع شيرين سـازي گـاز شـامل منـو اتـانول آمـين (MEA)، دي اتـانول آمـين (DEA)، تري اتانول آمين (TEA)، دي گليکول آمين (DGA)، دي ايزو پروپانول آمين (DIPA) و متيـل دي اتـانول آمـي (MDEA) هستند. تمام اين مواد را مي توان در دسته ترکيبات واکنش پذير با سولفيد هيدروژن جاي داد و بـه همـين دليـل است که کاربرد آنها در صنايع شيرين سازي گاز رايج شده است . بعضي آمين ها مانند متيل دي اتانول آمـين جـذب را بصـورت انتخابي بين سولفيد هيدروژن و دي اکسيد کربن انجام مي دهد و بعضي ديگر مانند منو اتانول آمين هر دو را جذب ميکنند.
آمين هاي داراي وزن ملکولي کمتر ظرفيت جذب دي اکسيد کربن و سولفيد هيدروژن بيشـتري در واحـد وزن دارنـد کـه در نتيجه براي جذب مقدار معين گاز اسيدي، آمين در گردش کمتري لازم است [٣].
سولفيد هيدروژن و دي اکسيد کربن با منو اتانول آمين به حالت محلول بر طبق واکنش هاي زير ترکيب مي شوند:
تجهيزات اصلي لازم براي فرآيند جذب با آمين شامل برج جذب ، برج دفع ، مبدل هاي حرارتي، پمـپ ، جداکننـده هـا و لوله کشي است . بيوگاز ترش از پايين وارد برج جذب آکنده مي شود و در جريان به سمت بالا در تماس غير همسـو بـا محلـول آبي مونواتانول آمين قرار ميگيرد. محلول آمين تازه از پايين برج احيا شده و با گذر از يک مبدل آمين - آمين و نيز يـک مبـرد آبي يا هوايي جهت ورود به برج از بالاي برج ارسال ميشود. آمين در برج جذب به سمت پايين جريان مي يابـد و در تمـاس بـا گاز ترش ، گازهاي اسيدي را جذب ميکند. محلول آمين غني شده از پايين برج جذب خارج شده و بـراي احيـا پـس از گـذر از مبدل آمين - آمين وارد بالاي برج تقطير مي شود[٣و٤].
مبدل حرارتي آمين – آمين به عنوان ابزاري براي صرفه جويي در انرژي عمل مي کند و انرژي مورد نياز براي فراينـد را کاهش مي دهد. بخشي از گازهاي اسيدي از محلول غني شده و گرم آمين جدا شده و در برج تقطير از بـالا خـارج مـي شـوند.
بقيه محلول غني آمين در برج احيا به پايين جريان مي يابد و در تماس متقابل با بخارات توليـد شـده در جـوش آور قـرار م ي گيرد. بخار اوليه ، گازهاي اسيدي را از محلول غني آمين خارج ميکند. گازهاي اسيدي و بخار آب از بالاي برج احيا خارج شـده و
