Wilgotność względna biogazu i jej wpływ na proces kogeneracji
- Szczegóły
Produkcja energii w wysokosprawnej kogeneracji wymaga dostarczenia do procesu odpowiedniego jakościowo paliwa. W przypadku biogazowni mówimy tutaj o biogazie produkowanym w wyniku procesu fermentacji metanowej z materii organicznej. Zgodnie z definicją zawartą w Ustawie o odnawialnych źródłach energii z dnia 20 lutego 2015 r. biogaz to „gaz uzyskany z biomasy, w szczególności z instalacji przeróbki odpadów zwierzęcych lub roślinnych, oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów” (Dz.U. 2015 poz. 478).
Powstający gaz jest przeważnie mieszaniną metanu (50 - 80% obj.) i dwutlenku węgla (20 - 40% obj.). W większej ilości zawiera jeszcze azot (0 - 5% obj.), tlen (0 - 3% obj.), wodór (0 - 2% obj.) i wodę. Mniejszościowymi składnikami biogazu są następnie siarkowodór (0,1 - 1% obj.), amoniak (ilości śladowe), lotne substancje organiczne C2 - C6 i inne związki, na przykład na bazie krzemu (tzw. siloksany).
Biogaz, który wykorzystywany jest jako paliwo w silnikach kogeneracyjnych musi spełniać ściśle określone parametry. Podawane są one przez producenta, najczęściej w dokumentacji DTR konkretnego agregatu. To właśnie te niewielkie ilości pozostałych gazów mogą powodować problemy w pracy układu kogeneracyjnego.
Wpływ siloksanów na silniki kogeneracyjne
Jednym ze związków, których zawartość w biogazie ma duże znaczenia dla efektywnej pracy silnika kogeneracyjnego są siloksany. Są to związki organiczne, które poza węglem zawierają atomy wodoru, krzemu i tlenu. Siloksany i ich pochodne stosuje się powszechnie w środkach kosmetycznych, czyszczących oraz pianotwórczych, których odpady trafiają na składowiska albo do kanalizacji ściekowej.
Dlatego najwięcej siloksanów zawiera biogaz składowiskowy, następnie ten z oczyszczalni ścieków komunalnych, a najmniej biogaz rolniczy. Przyjmuje się, że koncentracja siloksanów w biogazie powstającym w trakcie procesu fermentacji metanowej, w zależności od rodzaju wykorzystywanej biomasy może wynosić od 3 do 300 mg/m3. Dodatkowo stężenie tego rodzaju związków zależy od wilgotności oraz temperatury.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Dlatego badania produkowanego biogazu, zarówno na etapie rozruchu, jak i w trakcie eksploatacji biogazowni są bardzo istotne. Jednak niewielu eksploatatorów stosuje się do tych zaleceń, co w konsekwencji ma wpływ na szybsze zużycie niektórych elementów silnika.
W wyniku spalania lotnych związków krzemu (siloksanów) w silnikach, powstaje osad, który pokrywa powierzchnię różnych elementów silnika. Warstwa osadu może niekiedy osiągać grubość kilku milimetrów a jej usunięcie jest bardzo uciążliwe. Należy również pamiętać, że warstwa osadzających się siloksanów działa jak izolator. W efekcie często dochodzi do przegrzewania elementów silnika w wyniku braku prawidłowego chłodzenia.
Do najbardziej zagrożonych, negatywnym działaniem lotnych związków krzemu, elementów zalicza się: komorę spalania, korony i ściany cylindrów, korony tłoków, zawory oraz ich gniazda, a także panewki. Warto zauważyć, że są to części silnika osiągające najwyższe temperatury, w związku z tym są one również najbardziej narażone na przegrzanie.
Wilgotność biogazu a sprawność silników kogeneracyjnych
Innym czynnikiem mającym wpływ na sprawność działania silników kogeneracyjnych jest wilgotność produkowanego biogazu. Producenci agregatów w dokumentacji technicznej przedstawiają odpowiednie wartości tego parametru, jakimi powinien charakteryzować się gaz podawany do kogeneratorów. Zgodnie z wytycznymi, na nitce doprowadzającej biogaz z komór fermentacyjnych do silników nie powinno dochodzić do jakiejkolwiek kondensacji.
W związku z tym przyjmuje się, że wilgotność względna biogazu powinna być niższa niż 80%. Jednak celem osuszania biogazu w instalacji biogazowej jest nie tylko usunięcie z niego pary wodnej ale również zmniejszenie zawartości zanieczyszczeń takich jak: pyły, chlor i fluor, amoniak, siarkowodór oraz lotne związki organiczne. Proces ten polega na schłodzeniu gazu do temperatury ok. 10-15°C i kondensacji zawartej w nim pary wraz z wyprowadzeniem kondensatu z układu instalacji.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Chłodzenie często przeprowadzane jest w nitce gazowej. Instalacja biogazowa wykonywana jest pod odpowiednim kontem nachylenia, dzięki czemu kondensat zbierany jest w umieszczonym w najniższym punkcie - specjalnym zbiorniku lub studni. Dla polepszenia efektu chłodzenia nitka gazowa prowadzona jest pod ziemią. Ze względu na to, że powstający kondensat zawiera duże ilości niepożądanych składników, zbiorniki kondensatu muszą być regularnie opróżniane. Dlatego powinien być do nich zapewniony odpowiedni dostęp. Należy również pamiętać o właściwym ociepleniu tzw. szachtów kondensacyjnych, co ograniczy ryzyko zamarznięcia zbiornika.
Cały system instalacji osuszania biogazu jest projektowany indywidualnie pod kątem każdej biogazowni. Dlatego ich parametry pracy oraz bodowa mogą się różnić w zależności od wymagań danego rodzaju silnika oraz gazu produkowanego w trakcie procesu fermentacji metanowej.
W zależności od konstrukcji biogazowni i rozmieszczenia poszczególnych jej elementów pierwszy etap schładzania odbywa się w rurach sieci gazowej, którymi transportowany jest biogaz ze zbiorników gazowych do silnika kogeneracyjnego. Następnie biogaz o wilgotności względnej ok. 100% trafia poprzez kolektor zasilający do schładzacza górnego (ekonomizera), w którym następuje jego schłodzenie o kilka stopni. Następnie gaz skierowany zostaje do chłodnicy dolnej, gdzie znajduje się wymiennik ciepła „biogaz-woda lodowa”. Na tym etapie następuje schłodzenie gazu do temperatury ok. 10-15°C. Podczas tego etapu następuje jednocześnie kondensacja pary wodnej zawartej w biogazie.
Kondensat spływa po ściankach rur do filtroodwadniacza, a następnie jest usuwany grawitacyjnie do studni kondensatu poprzez zamknięcie hydrauliczne. Kolejnym etapem jest skierowanie biogazu z filtroodwadniacza do zewnętrznej części ekonomizera, gdzie stanowi on medium chłodzące. Jednocześnie zostaje on ogrzany przez gaz nieodwodniony o wyższej temperaturze. Wpływa to na obniżenie wilgotności względnej biogazu. Ostatnim etapem jest skierowanie biogazu do kolektora wylotowego, a następnie przy wykorzystaniu ssawo-dmuchawy do silników gazowych.
Odpowiednie zaprojektowanie i wykonanie instalacji odwadniania i osuszania biogazu ma istotny wpływ na sprawność i żywotność silników kogeneracyjnych w biogazowniach. Instalacja osuszania gazu pozwala usunąć wodę do poziomu ok. 7-10 g/m³ biogazu. Należy również podkreślić, że prawidłowo funkcjonujący system pozwala nie tylko obniżyć wilgotność względną biogazu produkowanego w komorach fermentacyjnych, ale również usunąć niepożądane składniki biogazu takie jak: amoniak, siarkowodór i siloksany.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Niemniej, nie należy zapominać, że równie istotne jest wykonywanie regularnych badań jakościowych biogazu oraz ich prawidłowa interpretacja. Biogaz jest mieszaniną gazów nasyconych parą wodną1 o względnej wilgotności 100%. W zależności od rodzaju technologicznych rozwiązań, część pary ulega kondensacji w odwadniaczu lub w chłodnicy.
Pozyskiwanie biogazu oraz jego wykorzystanie w wysokosprawnej kogeneracji energii elektrycznej i ciepła przy udziale agregatu prądotwórczego daje wymierne korzyści, należy jednak pamiętać, że surowiec wykorzystywany jako paliwo w jednostkach prądotwórczych musi spełniać ściśle określone kryteria jego utylizacji, zgodne z wytycznymi producenta jednostki zawartymi w dokumentacji DTR agregatu.
Analiza i jakość biogazu
Określenie wartości energetycznej surowca oraz poziomu zanieczyszczeń wraz z klasyfikacją biogazu stanowi istotną informację, na podstawie której możliwe staje się określenie jakości surowca, jakim dysponujemy. Ponadto pozwala stwierdzić czy proces fermentacji metanowej przebiega poprawnie oraz (w niektórych przypadkach) określa harmonogram obowiązkowych przeglądów serwisowych.
Biogaz wykorzystywany jako paliwo musi spełniać ściśle określone kryteria jego utylizacji, zgodne z wytycznymi producenta zawartymi w DTR agregatu, gdzie bardzo szczegółowo opisano parametry biogazu dopuszczające surowiec do bezawaryjnej eksploatacji na danym typie agregatu. Co więcej wytyczne te kwalifikują biogaz jako paliwo danej kategorii: low, medium lub high.
Kwalifikacja ta ma bezpośredni wpływ na czas pracy silnika pomiędzy obowiązkowymi przerwami technicznymi, wykazując jednocześnie pośredni, ekonomiczny charakter związany kosztochłonnością serwisu, wymianą eksploatowanych części czy oleju smarnego. Częstość obowiązkowego, technicznego serwisowania agregatu zależy głównie od producenta jednostki prądotwórczej, niemniej jednak większość producentów deklaruje, iż obowiązkowa przerwa techniczna powinna być wykonywana zgodnie z harmonogramem serwisowania, a musi być poprzedzona kompletnym badaniem biogazu wykonywanym raz na każde 4 miesiące nieprzerwanej pracy agregatu.
W niektórych przypadkach okres obowiązkowej przerwy technicznej uzależniony jest w dużej mierze tylko od jakości surowca podawanego na silnik, odpowiednio wg poniższego zestawienia:
- low: obowiązkowy serwis co 2 tys. godzin pracy agregatu,
- medium: obowiązkowy serwis co 4 tys. godzin pracy agregatu,
- high: obowiązkowy serwis co 6 tys. proc. rH proc.
Warto pamiętać, że oprócz swoich właściwości energetycznych, biogaz charakteryzuje się bardzo złożoną matrycą organiczną. Zawartość mniej lub bardziej problematycznych związków w biogazie pozostawia po sobie ślad w postaci zmniejszenia efektywności pracy agregatu, skrócenia czasu pomiędzy obowiązkowym serwisem czy przestojów w pracy instalacji wynikających z konieczności wymiany części wewnętrznych instalacji czy agregatu.
Matryca biogazu zawiera w swoim składzie ponad 400 różnych związków pochodzenia organicznego - od prostych węglowodorów po skomplikowane pochodne terpenów. Zdecydowana większość organicznych zanieczyszczeń obecnych w biogazie powstaje w skutek rozkładu substancji zawartych w materii organicznej oraz charakteryzuje się różną polarnością, rozpuszczalnością w wodzie, lotnością czy prężnością par, co stwarza szczególne trudności podczas ich kontroli, oznaczania czy usuwania. Dlatego dobór odpowiedniego laboratorium analizującego biogaz odgrywa istotną rolę.
Szczegółowa analiza biogazu jest niezastąpionym narzędziem pozwalającym na precyzyjny dobór parametrów technologicznych podczas planowania i efektywnej eksploatacji elementów instalacji do oczyszczania biogazu tj. dobór osuszacza, parametrów filtra węglowego czy filtra do usuwania siarkowodoru.
Problemy związane z obecnością lotnych związków krzemu
Istotny problem niedotrzymania jakości biogazu jest związany z obecnością w gazie lotnych związków krzemu. To siloksany stwarzają bardzo poważne problemy operatorom agregatów prądotwórczych. Podczas utylizacji biogazu w komorze spalania agregatu zachodzi szereg reakcji chemicznych z udziałem lotnych związków krzemu - główną jest reakcja utleniania, w której produktem końcowym jest mikrokrystaliczny tlenek krzemu (IV), potocznie nazywany depozytem silnikowym lub nagarem.
Mikrokrystaliczny depozyt pochodzący z komory spalania w składzie oprócz zdecydowanej przewagi SiO2 charakteryzuje się obecnością innych pierwiastków, takich jak: wapń, magnez, żelazo, bizmut, cynk pochodzących ze współspalania oleju silnikowego czy siarka będąca efektem wysokiego stężenia siarkowodoru w biogazie. Większość depozytów silnikowych posiada białą lub lekko szarą barwę. Struktura morfologiczna powierzchni jest różna, w zależności od miejsca jego powstawania. Wyróżniamy depozyty o różnych strukturach fizycznych - od idealnie gładkiej przez gronową, aż do całkowicie niejednorodnej.
Mikrokrystaliczny SiO2 w swojej różnorodnej postaci idealnie pokrywa wewnętrzne części silnika, niekiedy kilkumilimetrową trudną do usunięcia warstwą. Tendencja do tworzenia się cienkiej warstwy mikrokrystalicznego zależy głównie od wewnętrznej temperatury w komorze spalania, ciśnienia wewnątrz komory, użytego katalizatora czy typu powierzchni narażonej na adhezję. Ponadto warstwa mikrokrystalicznego SiO2 osadzona na wewnętrznych częściach agregatu działa dodatkowo jak izolator, uniemożliwiając prawidłowe jego chłodzenie, co w konsekwencji powadzi do przegrzewania się elementów pracującego silnika.
Najbardziej narażone na działanie mikrokrystalicznego osadu to: komory spalania, zawory, gniazda zaworów, korony cylindrów, ściany cylindrów, korony tłoków oraz panewki - są to jednocześnie najgorętsze części pracującego silnika.
W tym samym czasie inne zanieczyszczenia obecne w biogazie, takie jak: mgła olejowa, halogeny, siarkowodór czy amoniak rozpuszczają się w wilgoci obecnej w biogazie, tworząc organiczne i nieorganiczne kwasy (H2Saq, HClaq, HFaq), które obecne w oleju silnikowym powodują drastyczne obniżenie jego właściwości smarnych, skracając interwały wymian.
Wykonywanie badań jakościowych własnego biogazu oraz nauka ich właściwej interpretacji podnoszą świadomość w zakresie wykorzystania surowca oraz eksploatacji agregatu, na którym pracujemy. Komplet analiz zanieczyszczeń biogazu pozwala na diagnozę kondycji procesu fermentacji oraz dostarcza niezbędnych informacji, mających istotny wpływ przy planowaniu budowy i montażu elementów instalacji oczyszczania biogazu.
Autor: Grzegorz Piechota, G.P. Zdjęcie: pbsprojekt.cz, G.P.
tags: #wilgotność #względna #biogazu #wpływ #na #proces
