Энергетика. Газообразное топливо

Биогаз

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

7. Использование биогаза

7.1. Используемые аппаратура и машины

Средняя теплота сгорания биогаза, содержащего около

60%   метана,   равна   22  МДж/м3.   Поскольку   горючая

часть биогаза состоит из метана, его можно причислить

к семейству газов «П»  (природные газы).   И без того

очень низкая скорость распространения пламени в ме-

тано-воздушной смеси (примерно 43 см/с), характерная

для природного газа,  при  использовании  биогаза сни-

жается еще больше из-за высокой доли С02 (эта ско

рость для смеси воздуха и светильного газа равна 65 см/с,

для воздушно-водородной смеси — 265 см/с). Метан

имеет также самую высокую — около 645°С — темпера

туру воспламенения по сравнению с другими горючими

газами. Во всех сферах применения биогаз ведет себя

аналогично природному газу, но дает несколько худшие

показатели. В стандарте ФРГ DIN 3362 перечислены раз

личные   подвергаемые   стандартным   испытаниям   газы,

на которые ориентируется промышленность. Так, напри-

мер, вся аппаратура, рассчитанная на применение лю-

бого газа, должна быть приспособлена к работе на пе-

речисленных в стандарте газах или образцовых газовых

смесях. Собственно биогаз не входит в этот перечень.

Ближе всего он подходит к образцовой газовой смеси

627, состоящей из 82% метана и 18% инертного N2. Ниж

нее значение числа Воббе, которое служит для сравнения

взаимозаменяемости газов, составляет для биогаза с теп-

лотой сгорания 22 МДж/м3 около 24,5.

Газы с таким же числом Воббе и равным давлением  истечения  обычно

могут использоваться один вместо другого без замены горелки или форсунки. Правда, этот показатель не охватывает такой характеристики, как возможность обратного удара пламени. Наиболее исчерпывающие характеристики горючих газов можно найти в инструкции DVGW G 260.

В общем рабочее давление биогаза должно приближаться к нижней границе минимального давления, необходимого для работы аппаратуры, т. е. примерно к 0,7... 1 кПа. Современные сети природного газа работают с давлением у газового прибора 2 кПа. Это означает, что биогаз по сравнению с природным газом обладает несколько худшей способностью к воспламенению, меньшей устойчивостью пламени и поэтому представляет большие трудности при регулировании последнего, например при установке крана на «малый огонь» в кухонных плитах. Пламя в этом случае может срываться Б сторону.

Все это соответствует также более ранним исследованиям по использованию биогаза. Теплоту сгорания и рабочее давление можно без особых трудностей поддерживать на относительно постоянном уровне, например с помощью балластного груза в газгольдере или при слишком большом предварительном давлении газа путем включения в магистраль промежуточного газового регулятора. Следовательно, при переходе на биогаз необходимы лишь незначительные изменения в аппаратуре, чтобы приспособить ее к метану (например, замена форсунок), но в принципе не существует сколько-нибудь серьезных проблем при использовании биогаза в аппаратуре для природного газа. Первые переговоры с изготовителями газоаппаратуры подтвердили это мнение, несмотря даже на отсутствие опыта применения биогаза в традиционных газовых приборах. В ближайшее время несколько фирм собираются провести испытания в целях подтверждения гипотез о горючих свойствах биогаза. Поэтому цены на биогазовую аппаратуру в значительной мере будут аналогичны ценам на приборы для природного газа. Из-за небольших переналадок и отсутствия крупносерийного выпуска они могут быть даже несколько более высокими.

Если стоимость производства биогаза относится к удельной стоимости других энергоносителей так же, как соответствующие значения энергии в единицах, принятых при ее отпуске, то цену биогаза можно считать приемлемой с экономической точки зрения.

Коммуникации между газовыми приборами должны устанавливать квалифицированные специалисты с учетом     «Технических    правил     монтажа    газопроводов»

 Газовые приборы должны удовлетворять требованиям «Закона о технических средствах труда» (закон о защитных устройствах для машин) с приложением А и В. Для большинства газовых приборов уже изданы стандарты DIN или инструкции по эксплуатации (DVGW—VFG).

По поводу отдельных приборов, в которых можно использовать биогаз, необходимо сказать следующее.

Горелка для отопительных установок. Используется в системе отопления жилых помещений как в виде обычных горелок с забором атмосферного воздуха, так и в виде горелки с дутьем, кроме того, для подогрева воздуха в различных сушилках, кондиционирования воздуха в помещениях и в винокуренном производстве. Некоторые предприниматели уже используют горелки на газе, получаемом при очистке сточных вод (например, для отопления общественных плавательных бассейнов) как с забором атмосферного воздуха, так и с подачей воздуха под давлением. В принципе здесь не ожидаются какие-либо трудности, если .использовать аппаратуру в варианте для природного газа. Другие фирмы  готовы   провести   исследования процессов   горения биогаза, чтобы соответствующим образом приспособить свои горелки к переходу на этот вид топлива. Из-за меньшей, чем у природного газа, скорости горения в газовых котлах, очевидно, следует несколько уменьшить нагрузку горелок во избежание срыва пламени. Поэтому максимальные значения тепловой мощности горелок будут несколько ниже. Для нормальной работы горелок с дутьем требуется давление истечения газа на входе в горелку порядка 1 ... 1,5 кПа. Это не приведет к существенному удорожанию аппаратуры. Серийный выпуск аппаратуры для биогаза требует специального разрешения DVGW. Впрочем промышленность уже поставляет двухтопливные горелки для .работы как на газе, так и на котельном топливе.

Водонагреватели. Здесь не следует ожидать каких-либо трудностей в эксплуатации. Так называемые универсальные газовые приборы подходят для работы на всех перечисленных в стандарте DIN 3362 газах и газовых смесях.

Газовые плиты с горелками на верхней поверхности и с духовками. Здесь тоже идет речь в общем об использовании «универсальных» газовых приборов. При использовании биогаза в духовках никаких трудностей не предвидится. Часть предпринимателей придерживаются мнения, что кухонные газовые плиты должны работать на биогазе с теплотой сгорания 22 МДж/м3 и рабочем давлении 0,4 кПа при условии переделки горелок для получения так называемого ползущего пламени. Это позволит обеспечить работу плиты с открытыми горелками в положении «малый огонь». Другие изготовители считают, что давление газа должно быть не менее 0,75... 0,8 кПа, иначе вследствие недостаточного подсоса воздуха нельзя гарантировать полное сгорание в соответствии с гигиеническими требованиями. Такое давление можно обеспечить в любом случае. Как следует из приведенных выше данных, использование газовых приборов с давлением до 5 кПа (в пропановых установках) не представляет каких-либо затруднений. Представляется целесообразным выбрать единое базовое значение предварительного давления газа, на которое могут ориентироваться все фирмы-изготовители при конструировании биогазовой аппаратуры. В противном случае придется устанавливать газовые редукторы, что связано с неоправданным удорожанием аппаратуры.

Холодильные установки. Здесь речь идет о холодильных машинах абсорбционного типа. Будет изготавливаться «универсальная» газовая аппаратура. Необходимо провести соответствующие эксперименты с биогазом. Компрессорных установок малой мощности, приводимых в действие газовым двигателем, пока не существует. Принципиальных трудностей при создании соответствующих газовых двигателей не должно возникнуть, хотя вряд ли возможно крупносерийное производство двигателей для упомянутых небольших мощностей. Проблемы могут появиться при разработке автоматического пуска. Сейчас ведутся работы по проектированию "абсорбционных тепловых насосов с непосредственным использованием газа для подогрева. Такие насосы задуманы как для тепло-, так и для холодоснабжения климатических установок

Инфракрасные излучатели. Все инфракрасные излучатели подлежат обязательной приемке соответствующими институтами, занимающимися проблемами использования горючих газов, и пользоваться ими можно лишь с ведома DVGW. Один из изготовителей «универсальных» газовых излучателей считает, что путем замены нагреваемой газом керамической пластины и форсунки можно обеспечить удовлетворительную работу прибора на биогазе. Другие предприниматели придерживаются мнения, что инфракрасные излучатели, предназначенные для использования сжиженного газа, на биогазе работать не будут, так как эти излучатели рэх-считаны на маленькое пламя и высокие скорости горения, а это принципиально не подходит для биогаза. В подобной ситуации только опыты по практическому использованию биогаза могут дать достоверную информацию о необходимости тех или иных изменений вплоть до переделки конструкции горелки. Самый важный критерий для получения разрешения DVGW на использование биогазовых инфракрасных излучателей — это отсутствие СО в газообразных продуктах сгорания. В принципе «универсальные» газовые инфракрасные излучатели должны быть пригодными для этой цели. Предложенное ранее решение — использовать для зажигания горелки сжиженный газ, а затем переключать ее на питание биогазом — представляется нежелательным.

Стационарные двигатели внутреннего сгорания. Опыт работы с газовыми двигателями,  использующими  биогаз в качестве топлива, имеется на различных предприятиях по очистке стоков, где двигатели служат для привода вентиляционных установок и генераторов, как правило, большой мощности.

В других местах также применяют стационарные или автомобильные двигатели, работающие на пропане или метане.

Фирмы-изготовители газовых двигателей: Р1енбахер верке, Йенбах-Австрия  (серийный выпуск газовых двигателей эффективной мощностью 30...2200 кВт); Машиненверке,    Манхейм     (серийные    двигатели     на 65... 1200 кВт);

Машиненфабрик, Аугсбург-Нюрнберг (двигатели на природном газе мощностью 99-.. 130 кВт); Даймлер-Беиц, Штутгарт (двигатель на приоодном газе M407hG);

Фордверке (15... 36 кВт, сконструированный для небольших нагрузок).

В 50-е годы многие сельскохозяйственные тракторы работали на сжатом (до 35 МПа) биогазе, помещавшемся в баллонах. Высокое сжатие газа необходимо для перевозки его на тракторе, чтобы можно было запасать в баллонах необходимое количество этого топлива. Но такое применение биогаза неэкономично, во-первых, из-за необходимости в многоступенчатой компрессорной установке, во-вторых, из-за очень жестких требований к технике безопасности. Это значит, что сегодня речь может идти о применении газа только в стационарном газовом двигателе низкого давления, например для привода вентиляторов, насосов, транспортеров, генераторов и др. Для уменьшения повреждений от коррозии необходимо удалять H2S.

Биогаз имеет октановое число 100... ПО (ROZ>100; CZ<10; метановое число 135), т. е. он хорошо подходит для двигателей с выской степенью сжатия, но обладает очень низкой способностью к самовоспламенению. Обычная степень сжатия — от 8 до 11.

В основном речь может идти об использовании газа в одном из двух циклов сгорания, характерных для газовых двигателей: в газовом цикле Отто (с искровым зажиганием) и газодизельном цикле (с впрыскиванием небольшой дозы запального дизельного топлива).

Обычные двигатели, работающие по циклу Отто (карбюраторные двигатели),  относительно  легко  перевести на газ: достаточно лишь заменить карбюратор на смеситель (так переоборудуют в отдельных случаях двигатели    легковых    и    малых    грузовых    автомобилей).

Газодизельный цикл осуществляется без принудительного зажигания. Около 10.-. 15% необходимого полного топливного заряда впрыскивается в виде дизельного топлива в цилиндр для воспламенения топливо-воздушной смеси, поскольку точка вспламенения газовоздушной смеси выше точки воспламенения распыленного дизельного топлива. Если не имеется достаточного количества биогаза, можно воспользоваться вариантами работы с переменой цикла по газодизельному или чисто дизельному циклу. Однако следует отметить, что самый экономичный из них — газовый цикл Отто.

При переводе дизелей, например от старых тракторов, на газовое топливо рекомендуется (по данным промышленности) проделать следующие операции.

При переводе на газовый цикл Отто:

—        заменить головку цилиндров и свечи;

—        поставить новые поршни, обеспечивающие уменьшение степени сжатия и изменение конфигурации камеры сгорания;

—        снять топливный насос;

—        снять   механизм   опережения   подачи   топлива;

—        поставить новый корпус привода для регулятора и прерывателя-распределителя зажигания;

—        поставить новый газовый смеситель, который обычно монтируется на всасывающем патрубке дизеля и представляет собой простой смеситель с дроссельной заслонкой;

—        установить перед газовым смесителем газовый редуктор (регулятор давления газа);

—        поставить новый предельный регулятор частоты вращения, предотвращающий разнос двигателя посредством дополнительной дроссельной заслонки во всасывающем патрубке;

—        поставить новую систему зажигания (бобину, прерыватель-распределитель, провода, свечи).

При переводе на газодизельный цикл:

—        заменить поршни, обеспечивая изменение степени сжатия;

—        поставить новый смеситель;

—        установить новые регулирующие органы (на впускном и выпускном патрубках);

— поставить новый газовый редуктор, гарантирующий постоянное предварительное давление газа. Переоборудование дизелей, например от старых тракторов, используемых на стационаре, тоже возможно, но до сих пор ни одна из фирм не выпускает необходимые для этого наборы деталей. Интерес к производству таких наборов может появиться лишь при увеличении возможностей их сбыта, в противном случае от этого варианта придется отказаться в пользу новых специализированных газовых двигателей. Естественно, что переоборудование возможно лишь в больших, хорошо оснащенных специальных мастерских или на завода: самой фирмы-изготовителя. Затраты на переоборудова ние пока еще не определены.

Перевод на газ влечет за собой уменьшение мощности двигателей. Соответствующие цифровые показатели несколько колеблются и достигают в сумме 30% (с дизельного на природный газ —около 20%; с природного газа на биогаз —около 10%). Минимально допустимое давление истечения биогаза, поступающего в двигатель, должно быть не меньше 0,4 кПа. Удельный расход топлива при работе на биогазе (60% метана) при полной загрузке двигателя составляет около 0,65 м3/(кВт-ч). Исходя из этого, для непрерывной работы двигателя мощностью 50 кВт требуется 32,5 м3 биогаза в час, а при средней загрузке — около 60 м3 на половину смены. 1 м3 биогаза соответствует примерно 0,5 кг дизельного топлива. Чистота биогаза способствует существенному уменьшению износа двигателя по сравнению с работой по дизельному циклу. По имеющимся данным, ежегодные расходы на техническое обслуживание и ремонт газовых двигателей составляют около 1 % от их стоимости

Получение электроэнергии с помощью стационарных газовых двигателей. Все чаще указывается на возможность использовать излишки биогаза из средних и малых установок для получения электроэнергии с помощью газовых двигателей. Для этой цели промышленность ФРГ (например, фирмы Йенбахер верке, Машиненверке-Манхейм) предлагает комплектные установки из газовых двигателей и генераторов на электрическую мощность 30...220 кВА. Насколько экономично такое получение электроэнергии, можно сказать, лишь проведя точный расчет затрат на производство 1 кВт-ч. В качестве нижней границы мощности агрегатов для рационального получения электроэнергии таким способом неоднократно называлась цифра 100 кВА. На рисунке 25 приведены значения средней удельной стоимости газовых двигателей и комплектных агрегатов, включающих в себя устройства для утилизации теплоты. С помощью этих данных можно проводить ориентировочные расчеты затрат.

Если допустить, что 1 м3 биогаза в зависимости от КПД дает 1,6... 1,9 кВт-ч электроэнергии, стоимость 1 кВт-ч сразу же возрастает на величину, равную 52 ...65% стоимости получения 1 м3 биогаза. Сюда прибавляется часть стоимости агрегата (газовый двигатель и электрогенератор), равная в зависимости от его годовой загрузки 0,02 ...0,07 марки ФРГ на 1 кВт/ч, а также часть расходов на оплату труда обслуживающего персонала и возможные расходы на резервный источник энергии, предоставляемый энергоснабжающей организацией. Использование отбросной теплоты двигателя, позволяющее повысить общий КПД установки до 70%, несколько снижает затраты. В каждом конкретном случае следует оговорить с энергоснабжающей    организацией     расход    вырабатываемой электроэнергии на собственные нужды и частичную отдачу ее в общественную энергосеть (параллельное использование энергии), а также виды и формы применения получаемой электроэнергии.

Возможны следующие варианты использования энергии.

1.         Стопроцентная передача ее энергоснабжающей организации для питания общественной энергосети (аналогично гидроэлектростанции). Соответствующий тариф в настоящее время составляет 0,05 марки ФРГ за 1 кВт-ч. Собственные потребности хозяйства в электроэнергии полностью покрываются, как обычно, энергоснабжающей организацией. Такие небольшие поставщики электроэнергии не очень ценятся энерго-снабжающими организациями из-за трудностей регулирования сети.

2.         Автономное производство. Полное обеспечение собственной электроэнергией. Никакого резервирования со стороны энергоснабжающей организации. При этом, однако, бывает трудно приспособиться к изменяющимся потребностям хозяйства в электроэнергии. При авариях или недостаточном выходе газа производство обесточивается.

3.         Обеспечение собственной электроэнергией или частичное обеспечение своей энергией с аварийным резервированием за счет энергоснабжающей организации. В связи с необходимостью заключения специального контракта это резервирование должно обойтись относительно дорого.

Отсюда следует, что производство электроэнергии из биогаза если и может быть целесообразным, то лишь при продолжительной эксплуатации генераторной установки. Однако для этого необходимо располагать соответствующим количеством газа (табл. 13). Производство электроэнергии для собственных нужд при хуторской системе и отсутствии общественных эпергосетей необходимо оценивать иным образом.