alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2017.10-12.045-054alternative-1020Research ArticleЭНЕРГИЯ БИОМАССЫENERGY OF BIOMASSПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА БИОМЕТАНА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ СИНТЕЗА ВОДОРОДАINCREASE OF QUALITY OF BIOMETHANE USED FOR HYDROGEN SYNTHESISСадчиковА. В.SadchikovA. V.

канд. техн. наук, доцент

Ph.D. (engineering), Associate Professor

lyohantron@mail.ruФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» (ОГУ)РоссияOrenburg State UniversityRussian Federation201717052017010-124554Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20172017Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1020

В статье изучены особенности использования энергии биомассы, представлены основные направления применения биогаза. Показана связь основных показателей качества биогаза с возможностью его использования в различных технологических процессах. Обоснована актуальность повышения качества биометана для синтеза водорода высокой степени чистоты. Приведена классификация способов разделения и очистки метаносодержащих газовых смесей, проанализированы их преимущества и недостатки. Даны сравнительные характеристики представленных способов по качеству очистки, удельным энергетическим затратам, конструкционным особенностям. Для очистки биогаза предложен метод короткоцикловой безнагревной адсорбции как наиболее экономически целесообразный для установок небольшой производительности. Рассмотрены основные типы промышленных адсорбентов. Показана зависимость сорбирующих свойств от эффективных диаметров пор сорбирующих материалов. Отмечены отличительные особенности адсорбции в микропористых структурах, из которых наиболее существенной является высокое значение энергии адсорбции в сравнении с адсорбционными материалами, имеющими в структуре поры более крупных размеров. Среди микропористых адсорбентов выделены цеолиты как наиболее перспективные. Проведен анализ адсорбционных свойств синтетических и природных цеолитов. Рассмотрены теоретические основы процессов адсорбционной очистки, произведена оценка адсорбционной конкуренции основных макрокомпонентов очищаемой газовой смеси. Описана схема экспериментальной установки и процесс разделения и очистки биогаза с помощью природного цеолита в качестве адсорбента. Приведены результаты применения природного цеолита для получения биометана высокой степени чистоты за счет очистки от водяных паров, сероводорода и адсорбции углекислого газа. В качестве наиболее перспективного направления использования энергии биомассы отмечена конверсия биометана в водород, показаны преимущества использования природных цеолитов для получения биометана высокой степени чистоты.

The paper studies the features of biomass energy use and presents the main directions of biogas application. It is shown the connection between the main indicators of biogas quality and the possibility of its use in various technological processes. The relevance of improving the quality of biomethane used for synthesis of high purity hydrogen is substantiated. The classification of the methods for separation and purification of methane-containing gas mixtures is given, their advantages and disadvantages are analyzed. Comparative characteristics of the presented methods for cleaning quality, specific energy costs, and design features are given. A method of short cycle free adsorption for bio-gas purification is proposed as the most economically feasible for small capacity plants. The main types of industrial adsorbents are considered. The dependence of sorption properties on the effective pore diameters of sorbent materials is shown. The distinctive features of adsorption in microporous structures are noted. The most significant of these features is the high value of the adsorption energy in comparison with adsorption materials having larger pores in the structure. Among microporous adsorbents, zeolites are identified as the most promising. The adsorption properties of synthetic and natural zeolites are analyzed. The theoretical bases of the adsorption purification processes are considered, the adsorption competition of the main macrocomponents of the gas mixture being cleaned is evaluated. The scheme of the experimental installation and the process of separation and purification of biogas using natural zeolite as an adsorbent are described. The results of application of a natural zeolite for the production of high purity biomethane due to purification from water vapor, hydrogen sulphide and adsorption of carbon dioxide are presented. The conversion of biomethane to hydrogen was noted as the most promising direction of biomass energy use, the advantages of using natural zeolites for obtaining high purity biomethane are shown.

адсорбентадсорбционная конкуренцияанаэробное разложениебезнагревная адсорбциябиогазбиометанводородгазовая смесьметоды очистки и разделенияприродный цеолитсорбирующийся компоненттопливный элементadsorbentadsorption competitionanaerobic digestionpressure swing adsorptionbiogasbiomethanehydrogengas mixturepurification and separation methodsnatural zeolitesorbable componentfuel cellReferencesБеляев, Л.С. Исследование долгосрочных тенденций развития энергетики России и мира [Текст] / Л.С. Беляев, О.В. Марченко, С.В. Соломин // Известия РАН. Энергетика. − 2011. − № 2. − С. 3−11.Belyaev L.S., Marchenko O.V., Solomin S.V. Issledovanie dolgosrochnykh tendentsii razvitiya energetiki Rossii i mira. Izvestiya RAN. Energetika, 2011;2:3−11 (in Russ.).Садчиков, А.В. Дегазация полигонов твердых коммунальных отходов [Текст] / А.В. Садчиков // Фундаментальные исследования. − 2017. − № 2. − С. 72−76.Sadchikov A.V. Degazatsiya poligonov tverdykh kommunal'nykh otkhodov. Fundamental'nye issledovaniya, 2017;2:72−76 (in Russ.).Садчиков, А.В. Обеспечение энергетической независимости и экологической безопасности полигонов (ТКО) [Текст] / А.В. Садчиков [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). − 2016. − № 15−18. − С. 104−111.Sadchikov A.V. Obespechenie energeticheskoi nezavisimosti i ekologicheskoi bezopasnosti poligonov (TKO). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2016;(15−18):104−111 (in Russ.).Эфендиев, А.М. Возможности энергообеспечения фермерских хозяйств на базе малых возобновляемых источников энергии [Текст] / А.М. Эфендиев, Ю.Е. Николаев, Д.П. Евстафьев // Теплоэнергетика. − 2016. − № 2. − С. 38−45.Efendiev A.M., Nikolaev Yu.E., Evstaf'ev D.P. Vozmozhnosti energoobespecheniya fermerskikh khozyaistv na baze malykh vozobnovlyae-mykh istochnikov energii. Teploenergetika, 2016;(2):38−45 (in Russ.).Садчиков, А. В. Конверсия биометана в водород на биогазовой станции, использующей комбинированное загрузочное сырье [Текст] / А.В. Садчиков // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). − 2016. − № 19−20. − С. 62−68.Sadchikov, A. V. Konversiya biometana v vodorod na biogazovoi stantsii, ispol'zuyushchei kombiniro-vannoe zagruzochnoe syr'e. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2016;(19−20):62−68 (in Russ.).Дуников, Д.О. Перспективные технологии использования биоводорода в энергоустановках на базе топливных элементов [Текст] / Д.О. Дуников [и др.] // Теплоэнергетика. – 2013. − № 3. − С. 48−57.Dunikov D.O. Perspektivnye tekhnologii ispol'zovaniya biovodoroda v energoustanovkakh na baze toplivnykh elementov. Teploenergetika, 2013;3:48−57 (in Russ.).Григорьев, С.А. Энергоустановка с когенерацией электричества и тепла на основе возобновляемых источников энергии и электрохимических водородных систем [Текст] / С.А. Григорьев [и др.] // Теплоэнергетика. – 2015. − № 2. − С. 3−10.Grigor'ev S.A. Energoustanovka s kogeneratsiei elektrichestva i tepla na osnove vozobnovlyaemykh istochnikov energii i elektrokhimicheskikh vodorodnykh system. Teploenergetika, 2015;2:3−10 (in Russ.).Пономарев-Степной, Н.Н. Атомно-водородная энергетика [Текст] / Н.Н. Пономарев-Степной, А.Я. Столяревский // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2004. – № 3. – С. 5−10.Ponomarev-Stepnoi N.N., Stolyarevskii A.Ya. Atomno-vodorodnaya energetika. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2004;(3):5−10 (in Russ.).Чекалов, Л.Н. Диффузионные способы газоразделения на полимерных мембранах. / Л.Н. Чека-лов, О.Г. Галакин. – М.: ЦИНТИ Химнефтемаш, 1976. − С. 34.Chekalov, L.N. Diffuzionnye sposoby gazorazdeleniya na polimernykh membranakh. / L.N. Chekalov, O.G. Galakin. – Moscow: TsINTI Khimneftemash Publ., 1976, pp. 34 (in Russ.).Тиракьян, А.С. Разделение газовых смесей с помощью мембран из полых волокон [Текст] / А.С. Тиракьян, С.Ф. Макаренко, Ю.А. Костров // Химволокно. − 1988. − С. 26.Tirak'yan A.S., Makarenko S.F., Kostrov Yu.A. Razdelenie gazovykh smesei s pomoshch'yu membran iz polykh volokon. Khimvolokno, 1988, pp. 26 (in Russ.).Бриман, И.М. Эксергетический анализ технологических схем мембранного разделения газовых смесей [Текст] / И.М. Бриман, И.Л. Лейтес // Технология химической промышленности. − 1988. − № 8. − С. 462–466.Briman I.M., Leites I.L. Eksergeticheskii analiz tekhnologicheskikh skhem membrannogo razdeleniya gazovykh smesei. Tekhnologiya khimicheskoi promyshlennosti, 1988;8:462–466 (in Russ.).Шумяцкий, Ю.И. Адсорбционный процесс как единое целое [Текст] / Ю.И. Шумяцкий // Хим. пром. − 1988. − № 8. − C. 490−493.Shumyatskii Yu.I. Adsorbtsionnyi protsess kak edinoe tseloe. Khim. prom., 1988;8:490−493 (in Russ.).Акулов, А.К. Особенности процессов в установках адсорбционного разделения воздуха [Текст] / А.К. Акулов // Технические газы. − 2006. − № 6. − С. 39−42.Akulov, A.K. Osobennosti protsessov v ustanovkakh adsorbtsionnogo razdeleniya vozdukha. Tekhnicheskie gazy, 2006;6:39–42 (in Russ.).Иванова, Е.Н. Адсорбенты для получения кислорода методом короткоцикловой безнагревной адсорбции: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – М.: 2016. − С. 11.Ivanova E.N. Adsorbenty dlya polucheniya kisloroda metodom korotkotsiklovoi beznagrevnoi adsorbtsii: Ph.D. Dissertation (engineering), Moscow, 2016, p. 11 (in Russ.).Шумяцкий, Ю.И. Типы и принципы организации безнагревных адсорбционных процессов очистки и разделения газовых смесей [Текст] / Ю.И. Шумяцкий // Хим. пром. − 1989. − № 8. − С. 586−590.Shumyatskii Yu.I. Tipy i printsipy organizatsii beznagrevnykh adsorbtsionnykh protsessov ochistki i razdeleniya gazovykh smesei. Khim. prom., 1989;8:586−590 (in Russ.).Mehrotra, A. Arithmetic approach for complex PSA cycle scheduling [Text] / A. Mehrotra, A.D. Ebner, J.A. Ritter // Adsorption. − 2010. − Vol. 16. − No. 3. − P. 113–126.Mehrotra A., Ebner A.D., Ritter J.A. Arithmetic approach for complex PSA cycle scheduling. Adsorption, 2010;16(3):113–126 (in Eng.).Agarwal, A. A superstructure-based optimal synthesis of PSA cycles for post-combustion CO2 capteffectively captureure [Text] / A. Agarwal, L. T. Biegler, S. E. Zitney // AIChE Journal. − 2010. − Vol. 56. − No. 7. − P. 1813–1828.Agarwal A., Biegler L.T., Zitney S.E. A superstructure-based optimal synthesis of PSA cycles for post-combustion CO2 capteffectively captureure. AIChE Journal, 2010;56(7):1813–1828.Mehrotra, A. Simplified graphical approach for complex PSA cycle scheduling [Text] / A. Mehrotra, A. D. Ebner, J. A. Ritter // Adsorption. − 2011. − Vol. 17. − No. 2. − P. 337–345.Mehrotra A., Ebner A.D., Ritter J.A. Simplified graphical approach for complex PSA cycle scheduling. Adsorption, 2011;17(2):337–345.Betlem, B.H.L. Optimal operation of rapid pressure swing adsorption with slop recycling [Text] / B.H.L. Betlem, R.W.M. Gotink, H. Bosch // Computers and Chemical Engineering. − 1998. − Vol. 22. – Suppl. 1. − P. S633–S636.Betlem B.H.L., Gotink R.W.M., Bosch H. Optimal operation of rapid pressure swing adsorption with slop recycling. Computers and Chemical Engineering, 1998;22(1):S633–S636.Алехина, М. Б. Промышленные адсорбенты: учебное пособие / М. Б. Алехина. − РХТУ им. Д.И. Менделеева, − 2007. − С. 113−115.Alekhina M.B. Promyshlennye adsorbenty: uchebnoe posobie. RKhTU im. D.I. Mendeleeva Publ., 2007. pp. 113−115 (in Russ.).Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита. / Д. Брек. − М.: Мир, 1976. − 781 с.Brek D. Tseolitovye molekulyarnye sita. Mos-cow: Mir Publ., 1976, 781 p. (in Russ.).Бибарсов В.Ю. Эффективность использования цеолита в рационах бычков при выращивании на мясо: Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук. – Оренбург, 2004. − С. 5.Bibarsov V.Yu. Effektivnost' ispol'zovaniya tseolita v ratsionakh bychkov pri vyrashchivanii na myaso: Ph.D. dissertation (agriculture). Orenburg, 2004, p. 5 (in Russ.).Skarstrom C. W. Method and Apparatus for Fractionating Gaseous Mixtures by Adsorption, US Pat. 1960. No. 2, 444, 627.Skarstrom C.W. Method and Apparatus for Fractionating Gaseous Mixtures by Adsorption, US Pat. 1960. No. 2, 444, 627 (in Eng.).Матвейкин, В.Г. Математическое моделирование и управление процессом короткоцикловой адсорбции / В.Г. Матвейкин [и др.] // М.: Издательство Машиностроение-1, 2007. − 140 с.Matveikin V.G. [et al.] Matematicheskoe modelirovanie i upravlenie protsessom korotkotsiklovoi adsorbtsii. Moscow: Izdatel'stvo Mashinostroenie-1 Publ., 2007, 140 p. (in Russ.).Nilchan, S. On the Optimisation of Periodic Adsorbtion Processes / S. Nilchan, C.C. Pantelides // Adsorbtion. − 1998. − № 4. – P. 113–147.Nilchan S., Pantelides C.C. On the Optimisation of Periodic Adsorbtion Processes. Adsorbtion, 1998;4:113–147.Шумяцкий Ю.И. Промышленные адсорбционные процессы. / Ю.И. Шумяцкий // М.: Колосс, 2009. − 183 с.Shumyatskii Yu.I. Promyshlennye adsorbtsionnye protsessy. Moscow: Koloss Publ., 2009, 183 p. (in Russ.).ООО «Аквахим» [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://him-kazan.ru/katalog/sinteticheskie-i-prirodnyie-czeolityi − (Дата обращения: 10.11.2016).Ltd “Akvakhim” [E-resource]. Available at: http://him-kazan.ru/katalog/sinteticheskie-i-prirodnyieczeolityi (10.11.2016) (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.