Опыт эксплуатации газопоршневых агрегатов на биогазе

Генрих Баас – компания Deutz Power Systems

Задача современной энергетики – надежное энергоснабжение при одновременном сохранении ископаемых топливных ресурсов и обеспечении защиты окружающей среды. Для этого необходим экономный подход к использованию существующих энергоресурсов и переход на возобновляемые источники.

Европейская энергетическая комиссия провела аналитическое исследование, которое показало, что надежное энергообеспечение при сохранении ископаемых топливных ресурсов возможно. При проведении исследования исходили из того, что стандарты уровня жизни в европейских странах будут уравниваться, при этом учитывались только те технологии, которые представлены на современном рынке.
К 2050 году 90% энергии, потребляемой европейскими странами, будет производиться с использованием возобновляемых энергоресурсов. При этом цена на электроэнергию увеличится в два раза, но в то же время и потребление невозобновляемых энергоносителей уменьшится вдвое. Практически треть энергии будет производиться из биомассы. Это органические продукты и отходы (жидкий навоз, зерновые остатки, масличные и сахаро-содержащие культуры), промышленные и бытовые отходы, древесина, отходы пищевой промышленности и др. Биомассу в сухом виде можно сразу использовать в качестве топлива, в других случаях ее можно преобразовать в биогаз путем брожения, газификации или выпаривания.

Образование биогаза

В природе биогаз образуется при разложении органических соединений в анаэробных условиях, например в болотах, на берегах водоемов. Для промышленного производства требуется разработка комплексной технологии, включающей в себя такие компоненты, как накопитель биомассы, ферментатор, в котором осуществляется брожение, и резервуар для биогаза с системой очистки.
В анаэробных условиях микроорганизмы, участвующие в процессе брожения или разложения, адаптируются к исходному субстрату. В связи с тем, что брожение происходит во влажной среде, биосубстрат должен содержать примерно 50% воды. Биологическое разложение осуществляется при температуре +35...40 °С.
Анаэробное брожение – это многоступенчатый процесс преобразования органических веществ из высокомолекулярных соединений в низкомолекулярные, которые можно растворить в воде. На одном этапе растворенные вещества разлагаются, образуя органические кислоты, низкоградусный алкоголь, водород, аммиак, сероводород и углекислый газ. На другом – бактерии преобразуют вещества в уксусную и муравьиную кислоты и в процессе метаногенеза расщепляют их, образуя метан
4НСОО Н =>СН4 + ЗСО2 + 2Н2О.
Одновременно содержание СО2 уменьшается за счет водорода, в результате чего также образуется метан
СО2 + 4Н2 =>СН4 + 2Н2О.
В качестве сырья для производства биогаза часто используется жидкий навоз. Для увеличения выхода газа можно добавить так называемые коферменты, за счет которых гомогенизируется производство биогаза – его объем зависит от используемого субстрата.

Качество биогаза и подготовка топливного газа

Состав и качество биогаза в значительной степени зависит от используемого исходного сырья и от скорости процесса получения биогаза.
Поскольку в составе биогаза содержатся такие вредные компоненты, как сера, аммиак (иногда кремний), а также их соединения, возможности его использования ограничены. Данные компоненты могут стать причиной износа и коррозии двигателей внутреннего сгорания, поэтому их содержание в газе не должно превышать установленных норм. Кроме того, отработавшие газы нельзя охлаждать до температуры менее 140... 150 °С – в противном случае, в теплообменниках и в нижней части системы каналов для отработавшего газа будет накапливаться кислотный конденсат.
Существует несколько способов удаления серы из топливного газа. При биологической очистке в ферментатор в зону газа подается воздух. В результате окисления бактериями сероводорода отделяются сера и сульфат, которые удаляются с жидкими компонентами. Другой способ – это химическое осаждение, когда в раствор в ферментаторе добавляется трихлорид железа. Эти методы хорошо зарекомендовали себя в установках очистки сточных вод.
Наиболее оптимальные результаты достигаются при очистке газа с использованием активированного угля, причем из газа удаляется не только сера, но и кремний. В этом случае качество биогаза соответствует качеству природного газа, а использование окислительного каталитического газонейтрализатора обеспечивает дополнительное снижение уровня эмиссии выхлопных газов.

Использование биогаза для ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей

Компания Deutz Power Systems производит газопоршневые агрегаты с турбонаддувом, работающие на обедненной смеси, в диапазоне мощности от 180 до 4000 кВт.
Номинальные параметры указаны в соответствии с ISO 3046. Характеристики даны только для информации и не являются обязательными значениями.
Компания имеет богатый опыт эксплуатации газопоршневых двигателей на газе мусорных свалок и сточных вод (первые такие модели начали работать почти 100 лет назад на газе сточных вод), используя его для дальнейших разработок.
Основная задача при этом – сделать двигатели более устойчивыми к воздействию вредных веществ, содержащихся в газе. Различные примеси образуют кислоты, негативно влияющие на компоненты двигателей, в первую очередь на подшипники. Если эксплуатировать установку с температурой смазочного масла около 95 °С (на входе двигателя) и избегать частых остановов и пусков, то в результате образования конденсата в картере во время фазы охлаждения можно уменьшить риск кислотообразования. Накопление газа в достаточном объеме в газохранилище обеспечит непрерывную подачу топлива, что необходимо для бесперебойной работы двигателя.
Опыт эксплуатации двигателей, работающих на биогазе, показал, что для подшипников необходимо использовать особые материалы. Поскольку КПД двигателя и рабочее давление увеличиваются, нужны подшипники с более высокой номинальной нагрузкой.
В настоящее время широко используются подшипники с напылением, которые обеспечивают все требования по надежности. Благодаря сплошной твердой поверхности, они более устойчивы к воздействию агрессивных веществ, содержащихся в газе и смазочном масле, чем традиционные шариковые подшипники с канавкой.
В процессе эксплуатации двигателя проводится постоянный мониторинг смазочного масла, после чего принимается решение о его замене и обслуживании клапанов. Чтобы продлить интервалы замены смазочного масла, его количество в раме-основании двигателя увеличено. Масло постоянно подается в смазочный контур, проходя через раму по диагонали.
Система контроля и управления ТЕМ (производство компании Deutz) обеспечивает безопасную и надежную эксплуатацию двигателя. Она определяет все рабочие состояния, показатели температуры, давления и т. д. На основании полученных данных система задает оптимальную выходную мощность двигателя при максимальном КПД, не выходя при этом за установленные пределы выбросов. В системе ТЕМ есть опция составления аналитических графиков изменения эксплуатационных параметров станции – это позволяет своевременно выявлять нарушения в работе и быстро на них реагировать.
Компания поставляет комплектные энергетические установки, работающие на биогазе. В их состав входят газопоршневой агрегат, котел-утилизатор, шумоглушитель, каталитические газонейтрализаторы, система очистки газа активированным углем и, если требуется, дополнительная система последующей очистки отработавших газов.
Удельные капиталовложения и средние расходы на техобслуживание установок, работающих на биогазе включают затраты на газопоршневой агрегат, теплообменники для охлаждающей жидкости и отработавших газов, шумоглушители, а также расходы на распределительную установку, включая монтаж и систему трубопроводов.

Практическое использование различных видов сырья для выработки энергии

В Бранденбурге (Германия) установлена электростанция, вырабатывающая биогаз из пищевых и бытовых отходов. В год утилизируется около 86 тыс. тонн биоотходов.
Процесс получения биогаза осуществляется в определенной последовательности. После удаления неутилизируемых компонентов биоотходы измельчаются и перемешиваются, полученная масса нагревается до 70 °С, чтобы убить патогенные организмы. Затем отходы направляются в два ферментатора, каждый из которых вмещает 3300 м3 биомассы. Микроорганизмы расщепляют биомассу (примерно за 20 дней), в результате чего образуется биогаз и остаточное количество жидкости, которое затем отжимается, а сухой остаток снова проходит биологическую переработку в качестве компоста.
На биогазе работают два газопоршневых двигателя TCG2016V16K производства Deutz Power Systems, электрическая мощность каждого из них составляет 626 кВт, тепловая – 834 кВт. Вырабатываемая электрическая энергия подается в энергосеть, а тепло используется для выработки газа. Уровни выбросов вредных веществ ниже граничных значений, указанных немецким стандартом TA-Luft (NOx и СО – 1000 мг/м3).
Установка на биоагзе работает также в Айхигте, где расположена крупная животноводческая ферма Agrofarm 2000 GmbH.
Мини-ТЭЦ установлена в контейнере, в качестве привода используется двигатель TCG2016V16K электрической мощностью 459 кВт, тепловой – 225 кВт. Электроэнергия подается в энергосеть, а тепло используется для нужд хозяйства. Сырьем для получения биогаза является жидкий навоз.
В животноводческом комплексе, имеющем 1550 голов рогатого скота, обрабатывается 2200 га земли и 1100 га пастбищ. Часть урожая идет на корм, при этом ежедневно образуется от 110 до 120 м3 жидкого навоза. Он направляется для брожения в ферментатор, в результате чего получается 4000...4400 м3 биогаза. К навозу добавляются остатки кормов (до 4 т/сут), за счет чего производство газа увеличивается на 20%.
Цикл утилизации биомассы практически безотходный. Образующиеся в процессе анаэробного брожения отходы не имеют запаха, и их можно использовать на полях в качестве удобрения в течение всего года. Турбины и Дизели