Опыт эксплуатации газопоршневых агрегатов на биогазе

Автор: Генрих БААС, компания DEUTZ Power Systems (MWM GmbH).

1. Введение

Задача современной энергетики – обеспечивать надежное и долгосрочное энергоснабжение при одновременном сохранении ископаемых топливных ресурсов и защите окружающей среды. Для этого необходим экономный подход к использованию существующих энергоресурсов и переход на возобновляемые источники. Исследование проведенное Еврокомиссией доказало, что это возможно.

При проведении исследования принимали во внимане только имеющиеся сегодня на рынке технологии, и предполагалось, что уровень жизни в европейских странах будет уравниваться. Так, к 2050 году 90% энергии, потребляемой европейскими странами, вполне может быть произведена с использованием возобновляемых энергоресурсов (рис. 1). При этом цена на электроэнергию увеличится в два раза, но в то же время и потребление энергоносителей уменьшится вдвое. Практически треть энергии будет производиться из биомассы.

Рисунок 1 — Потребление энергоносителей в Европе (исследование Еврокомиссии)

Биомасса — это общий термин для обозначения органических продуктов и отходов (жидкий навоз, зерновые остатки, масличные и сахаросодержащие культуры), промышленных и бытовых отходов, древесины, отходов пищевой промышленности и др. Сухую биомассу можно сразу использовать в качестве топлива, в других случаях ее можно преобразовать в биогаз путем «сбраживания», газификации или выпаривания (рис. 2).

Рисунок 2 — Использование биомассы

2. Образование биогаза

В природе биогаз образуется при разложении органических соединений в анаэробных условиях, например в болотах, на берегах водоемов и в пищеварительном тракте некоторых животных. Таким образом, физика естественных природных процессов показывает нам пути получения биогаза.

Для промышленного производства требуется разработка комплексной технологии, включающей в себя такие компоненты, как накопитель биомассы, биогазовый реактор (ферментатор), в котором происходит сбраживание, и резервуар для биогаза с системой очистки (рис. 3).

Рисунок 3 — Производство электрической энергии при использовании биогаза

Практически все органические вещества разлагаются путем ферментации. В анаэробных условиях микроорганизмы, участвующие процессе сбраживания 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 от 35 °С до 40 °С. При анаэробном брожении происходит 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.

4 НCOO H → CH₄ + 3 CO₂ + 2 H₂O

Одновременно содержание CO₂ уменьшается за счет водорода, в результате чего также образуется метан.

CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O

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, объем которого зависит от используемого субстрата (Таблица 1).

Таблица 1 — Выход биогаза для различных видов биомассы

3. Качество биогаза и его подготовка к использованию

Качество биогаза и подготовка топливного газа ни зависит от используемого исходного сырья и от скорости процесса. В Табл. 2 представлено сравнение состава различных видов газа.

Таблица 2 — Примерный сравнительный состав топливных газов

Поскольку биогаз содержит 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 MWM 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 зону газа в ферментаторе подается воздух. В результате окисления бактериями сероводорода отделяются сера и сульфат, которые удаляются с жидкими компонентами. Другой способ — это химическое осаждение. В этом случае 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.

4. Использование биогаза для ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей

Компания MWM GmbH (в прошлом Deutz Power Systems) производит газопоршневые агрегаты с турбонаддувом, работающие на обедненной смеси в диапазоне номинальной мощности от 400 до 4300 кВт (рис. 4). Эти двигатели адаптированы к колебаниям в компонентном составе биогаза и оптимизированы для работы на газах сложных составов.

Рисунок 4 — Диапазон мощности газовых двигателей MWM GmbH (бывший DEUTZ Power Systems)

Номинальные параметры указаны в соответствии с ISO 3046. Характеристики даны только для информации и не являются обязательными значениями.

Компания MWM GmbH 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) и использует накопленный опыт для дальнейего усовершенствования модельного ряда и повышения надежности выпускаемых когенерационных систем. (рис. 5)

Рисунок 5 — Развитие газопоршневых двигателей (за период 1988 - 2002 гг.)

Основная задача при этом — сделать двигатели более устойчивыми к воздействию вредных веществ, содержащихся в газе. Различные примеси образуют кислоты, негативно воздействующие на компоненты двигателей, в первую очередь на подшипники. Подобное негативное воздействие может быть устранено, с одной стороны, оптимизацией режима работы и изменениеми в технологии изготовления подшипников, с другой.

Если эксплуатировать установку с температурой смазочного масла около 95 °С (на входе двигателя) и избегать частых остановов и пусков, то можно уменьшить риск кислотообразования из-за возникновения в картере конденсата во время фазы охлаждения. В связи с вышесказанным, по мере возможности двигатель должен работать без остановов. Накопление газа в достаточном объеме в газохранилище обеспечит непрерывную подачу топлива, что необходимо для бесперебойной работы газового двигателя.

Опыт, полученный в ходе 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 (рис. 6).

Рисунок 5 — Сравнение пикового давления смазочной плёнки

Качество смазочного масла имеет существенное влияние на срок службы и износ двигателя. Следовательно, в процессе эксплуатации должны использоваться только те марки масла, которые производитель газового двигателя утвердил для данного вида газа. Интервалы замены масла определяются при вводе электростанции в эксплуатацию по результатам анализа качества масла. В процессе эксплуатации двигателя проводится постоянный мониторинг качества смазочного масла, после чего принимается решение о его замене. Первый анализ масла выполняется через 100 часов эксплуатации независимо от вида топливного газа. Интервалы технического обслуживания для клапанов определяется аналогично.

Чтобы продлить интервалы замены смазочного масла, его количество в раме-основании двигателей должно быть увеличено. Для этой цели компания MWM предлагает своим клиентам агрегаты с увеличенным объемом масла в раме двигателя. Масло постоянно подается в смазочный контур, проходя через раму-основание по диагонали (рис. 10):

Рисунок 6 — Подача смазочного масла

Кроме конструкционный особенностей самих моторов, не последнюю роль в обеспечении безопасной и надёжной эксплуатации биогазовых агрегатов играет система контроля и управления TEM (Total Electronic Management компании MWM). Она определяет все рабочие состояния, показатели температуры, давления и т. д. и на основании полученных данных задает оптимальную выходную мощность двигателя при максимальном КПД, не выходя при этом за установленные пределы выбросов. В системе TEM 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. (рис. 7).

Рисунок 7 — Пример компоновки мини ТЭЦ (кликнуть на изображение для увеличения)

На рис. 8 показаны удельные капиталовложения и средние расходы на техобслуживание установок, работающих на биогазе. Данные обобщают опыт эксплуатации установок серии TBG 616 и TBG 620. Они включают затраты на газопоршневой агрегат, теплообменники для охлаждающей жидкости и отработавших газов, шумоглушители, а также расходы на распределительную установку, включая монтаж и систему трубопроводов. С 2005 года установки серии TBG были модернизированы в серию TCG 2016 C и TCG 2020, соответственно.

Рисунок 8 — Капиталовложения и затраты на техобслуживание

В 2009 году, после проведения очередной модернизации модельного ряда, для серии TCG 2020 удалось достичь электрического КПД равного 43,7% для когенерационного агрегата TCG 2020 V20, а электрическую мощность 12-ти и 16-ти циллиндровых газовых двигателей довести соответственно до 1200 и 1560 кВт. Серьезная модернизация коснулась также и агрегата TCG 2016 V08. Электрическая мощность данного агрегата увеличена до 400 кВт, а элекрический КПД вырос до 42,2%. Причем электрический КПД и выдаваемая мощность одинаковы как при использовании природного газа, так и для биогазов.

5. Практическое использование различных видов сырья для выработки энергии 

В г. Бранденбург (Германия) установлена электростанция, вырабатывающая биогаз из пищевых и бытовых отходов (фото 1). В год утилизируется около 86 000 тонн биоотходов.

Фото 1 — Биогазовая установка в Альтено

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, и сухой остаток снова проходит биологическую переработку в качестве компоста.

На биогазе работают два газопоршневых двигателя TBG 616 V16K 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.

Установка на биоагзе работает также в Айхигте на животноводческом хозяйстве компании Agrofarm 2000 GmbH. Компания обрабатывает 2200 гектаров пахотной земли и 1100 га пастбищ в Eichigt/Vogtland. Часть урожая выращиваемых сельскохозяйственных культурур используеться в качестве корма для 1550 коров, от которых получают 10 650 000 кг молока в год. При этом ежедневно образуется от 110 до 120 м³ жидкого навоза — он «сбраживается» в ферментаторе, в результате чего вырабатывается 4000…4400 м³ биогаза. К навозу добавляются остатки кормов (до 4 т/сут), за счет чего производство газа увеличивается на 20%.

Мини-ТЭЦ установлена в контейнере (фото 2), в качестве привода используется двигатель TBG 616 V16 K, электрическая мощность которого составляет 459 кВт, тепловая – 225 кВт. Электроэнергия подается в энергосеть, а тепло используется для нужд хозяйства. В качестве сырья для биогаза используется жидкий навоз.

Фото 2 — Когенерационный агрегат MWM (бывший DEUTZ Power Systems) в контейнерном исполнении с двигателем TBG 616 V16

Цикл утилизации биомассы практически безотходный. Остатки, образующиеся в процессе анаэробного «сбраживания», не имеют запаха, и их можно использовать на полях в качестве удобрения в течение всего года.

Выводы

• Использование сельскохозяйственных отходов в качестве биотоплива позволяет обеспечить замкнутый цикл сельскохозяйственного производства. Остаток от анаэробного сбраживания не имеет запаха и может быть вывезен на поля в виде удобрения. Такой вид удобрения сразу поглощается растениями без загрязнения почвы или грунтовых вод.
• Выработку энергии из биогаза, в свете регулярных энергетических кризисов, относят к перспективным возобновляемым источникам энергии. Биогазовые установки превращают солнечную энергию, накопленную растениями, в биогаз в ходе процесса биологического разложения. Этот процесс является нейтральным в отношении балланса CO₂, поскольку в атмосферу высвобождается только то количество диоксида углерода, которое ранее был поглощено растениями в процессе фотосинтеза.
• Выработка электрической и тепловой энергии в биогазовых установках является перспективной технологией, которая помогает человечеству стать независимым от ограниченных запасов ископаемого топлива, а также защищает окружающую среду.
• Компания MWM GmbH предлагает своим клиентам установки для выработки электроэнергии и тепла на базе современных, безопасных и надежных газовых двигателей.

Оригинал статьи был напечатан для: VIth International Scientific Conference GAS ENGINES 2003 in Poland, 02 - 06 June 2003

• Оборудование и технологии
• Законодательство