Введение

Оценка современного состояния решаемой научно-технической проблемы. Биологическая переработка не является чем-то новым. Ее уже широко используют во всем мире, но в основном как способ утилизации большого объема отходов сельскохозяйственной, пищевой промышленностей, как альтернативного источника энергии, представляющего одним из возможных путей решения дефицита энергоресурсов [1-3].

Наиболее распространенный способ получения энергии из биомассы – анаэробное (без доступа кислорода) сбраживание отходов сельскохозяйственного производства[2-4]. Получающиеся в результате этого процесса продукты – биогаз и перебродившая полужидкая масса – представляют собой большую ценность как газообразное топливо и органическое удобрение.

Сооружаются биогазовые установки, рассчитанные на переработку навоза и сельскохозяйственных отходов[5,6]. Помимо самой установки, в которую входят бродильные камеры, газгольдер и хранилище для перебродившей массы (шлама), строятся насосная станция для перекачки шлама на поля и электростанция, работающая на биогазе. Не менее важная сторона применения биогазовых установок – предотвращение загрязнения воздушного и водного бассейнов, почвы и посевов благодаря утилизации и дезодорации навозных стоков крупных животноводче­ских ферм и комплексов, получению обеззараженных высокоэффективных органических удобрений.

В современном мире проявляется большой интерес к проблемам метанового сбраживания навозных стоков и других органических отходов. Суть метода заключается в анаэробным разложении органических отходов в основном с фермерских хозяйств, пищевых производств и канализационных стоков. В результате жизнедеятельности сообщества микроорганизмов, отходы перерабатываются с образованием смеси газов (так называемый биогаз) и уменьшаются в объеме. Биогаз, полученный анаэробным разложением отходов, содержит метан (≈60%(об.)) и диоксид углерода (≈40%(об.)). В газе присутствуют сероводород, аммиак, пары воды; теплотворная способность его невысока - 19,5-19,8 МДж/м³ и сжигание такого газа может покрыть лишь небольшую часть энергетических потребностей. После очистки и осушки газ должен содержать не менее 98%(об.) СН₄ (теплотворная способность не менее 33,0 МДж/м³), концентрация Н₂S не должна превышать (3-5) 10^{– 4} % (3-5 млн ^–1). Применение известных методов газоразделения [4-12] мембранным способом в этом случае малоэффективны и требует разработки новых конструкции газоразделительных аппаратов.

Большинство процессов и аппаратов очистки имеют ряд существенных недостатков - сложность и громоздкость аппаратуры и технологических схем, большие эксплуатационные затраты. Кроме того, в ряде случаев некоторые методы очистки и разделения оказываются вообще непригодными. Альтернативным путем решения такой задачи является совмещение мембранных и абсорбционных процессов.

Подобных недостатков в значительной мере лишены разработанные нами совмещенные мембранно-абсрбционные процессы очистки биогаза от различных газовых смесей. Предложенные нами технология и разработки по исследованию процесса мембранно-микробарботажной очистки биогаза, которая совмещает мембранно-абсорбционные процессы, на сегодняшний день является прорывной технологией в нетрадиционной энергетике и является наиболее сложной проблемой, возникающей на стыке двух фундаментальных процессов: мембранных и абсорбционных.

Основанием для разработки темы явилась необходимость в развитии нетрадиционных источников энергии, создании новых энергосберегающих технологий, проблема обеззараживания и утилизации огромных масс навозных стоков животноводческих ферм и комплексов, имеющая важнейшее природоохранное значение, требуют усиления внимания к современным способам переработки органических отходов. Обобщающий опыт исследований и эксплуатации биогазовых установок может принести немалую пользу специалистам, работающим в данной области. Хотя данные этого анализа относятся к условиям частных предприятий, научно-обоснованная методика расчетов и некоторые относительные показатели представляют определенный интерес, так как рентабельность эксплуатации биогазовых установок – многосторонняя проблема, имеющая определяющее значение при решении вопроса о сооружении таких установок в условиях конкретных регионов страны.

Исходными данными для разработки темы стали результаты анализа различных способов очистки биогаза с целью получения высококонцентрированного метана и опыта их эксплуатации в промышленности, а также результаты исследований ученых развитых стран Запада [13] и Японии [14, 15], сообщающих о том, что при диспергировании газа через пористые мембраны образуются микропузырьки [16-19], имеющие размеры от 0,5 до 150 мкм. Благодаря столь малым размерам микропузырьки обладают рядом уникальных свойств, таких как повышение поверхности контакта взаимодействующих фаз и могут найти широкое применение в химической [20,21], пищевой, фармацевтической [22,23] промышленностях, а также в нетрадиционной энергетике.

Обоснованием необходимости проведения научно-исследовательской работы явилась недостаточная изученность совмещенных мембранно-абсорбционных процессов вообще и отсутствие результатов исследований по этой проблеме в области концентрирования метана и очистки биогаза.

Сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки. Предложенные технологии мембранно-микробарботажной очистки биогаза обеспечат высокоэффективную концентрацию метана. Назначение, основные функциональные показатели мембранно-микробарботажных аппаратов и технологий базируются в составлений баланса сил поверхностного натяжения, сопротивления архимедовой силы, силы избыточного давления газа, инерционной силы, обусловленной движением пузырька и жидкости, силы давления звуковой волны, действующих на газовый пузырек, выходящий из нано-, микропоры. Она позволяет осуществлять процессы разделения, концентрирования и очистки смесей на молекулярном и надмолекулярном уровне с одновременной утилизацией ценных продуктов. Безреагентность, исключение фазовых переходов и применения растворителей, энергосбережение, экологическая чистота, сравнительная простота технологического оформления и относительно низкие температуры обуславливают высокую конкурентоспособность, а также широкое применение мембранных процессов при очистке биогаза и это свидетельствует о высоком научно-техническом уровне разработки.

Сведения о патентных исследованиях. Проведены патентные исследования отечественных и зарубежных авторов по способам получения биогаза на основании которых выявлены недостатки и сложности в проведении процессов мембранной очистки и разделения смесей. Эти данные носящие скудный характер позволяют считать актуальной задачей сегодняшнего дня исследования по разработке технологий очистки биогаза.