Газопоршневые установки на биогазе: как получить энергию из отходов

Газопоршневая установка на биогазе — это электростанция, которая использует в качестве топлива продукты разложения органических субстратов: сельскохозяйственных отходов (навоз, помёт, силос, трава, листья), осадка сточных вод, пищевых отходов, свалочного газа. Установка предназначена для выработки электрической энергии, а при интеграции системы утилизации тепла (СУТ) — для обеспечения когенерационного цикла с получением тепловой энергии в виде сетевой воды для отопительных и технологических контуров. Предприятие получает собственную энергию и одновременно решает вопрос с отходами, которые всё равно пришлось бы утилизировать.

Разбираем, чем биогазовая установка отличается от станции на природном газе и в чём выгода для бизнеса. В каталоге ПСМ представлен весь модельный ряд газопоршневых электростанций, включая ГПУ на биогазе.

Биогазовая установка с собственной генерацией (ГПУ)

Принцип работы ГПУ на биогазе

Электростанция на биогазе работает по тому же принципу, что и установка на природном газе. В другой статье мы приводили подробный разбор цикла работы ГПУ.

Отличия определяются составом топлива и, как следствие, параметрами организации рабочего процесса. Объёмная доля метана в природном газе составляет порядка 95 %, в биогазе — 50–80 %. Основную часть балласта занимает диоксид углерода (CO₂), не участвующий в реакции окисления, но проходящий через камеру сгорания и газовоздушный тракт совместно с топливом.

Присутствие углекислого газа снижает низшую теплоту сгорания топливной смеси, уменьшает коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом и изменяет показатели процесса сгорания — скорость тепловыделения, максимальное давление цикла и температуру продуктов сгорания:

• Пониженная объёмная теплота сгорания. Низшая теплотворная способность биогаза примерно вдвое ниже, чем у природного. Объём рабочей камеры двигателя постоянен, поэтому для той же мощности через газовый тракт нужно прокачать заметно больший объём топлива.
• Замедленное горение. Углекислый газ поглощает тепло и замедляет распространение фронта пламени. Чтобы сгорание успело завершиться к нужному положению поршня, искру подают раньше. Поэтому угол опережения зажигания на биогазе отличается от настройки для природного газа.
• Повышенная детонационная стойкость. Углекислый газ подавляет самовоспламенение несгоревшей смеси, поэтому метановое число (характеризующее детонационную стойкость топлива) у биогаза выше, чем у природного газа.
• Режим непрерывной адаптации. Соотношение газа и воздуха, угол опережения зажигания и пределы антидетонационного регулирования задают при пусконаладке по анализу топлива, а в процессе эксплуатации их корректирует автоматика.

Схема производства и генерации на биогазе

Состав и подготовка биогаза

Биогаз из двух разных источников — это фактически два различных топлива. Доля метана, влажность и набор примесей в нём зависят от сырья и способа сбора. При этом у двигателя ГПУ есть паспортные требования к топливу, поэтому проект начинают с анализа состава биогаза и газоподготовки.

Из чего состоит биогаз и как его получают

Двигателю нужен газ стабильного состава, укладывающийся в паспортные требования по теплотворной способности, давлению и содержанию примесей. Биогаз в исходном виде этим требованиям не отвечает: параметры меняются вместе с сырьём, вместе с метаном в тракт поступают влага и агрессивные соединения.

Каждая примесь влияет на оборудование по-своему.

Вода. Из ферментера (резервуара, в котором органика перегнивает без поступления воздуха) или скважины газ выходит насыщенным влагой. При остывании она выпадает конденсатом, вызывает коррозию трубопровода и арматуры, смывает масляную плёнку со стенок цилиндра и нарушает работу газовой рампы.

Сероводород. При сгорании соединения серы образуют кислоты. Они ускоряют старение масла и разрушают детали цилиндропоршневой группы и выпускного тракта.

Силоксаны. Соединения кремния попадают в газ из бытовой химии и косметики, поэтому характерны для свалочного газа и газа очистных сооружений. При сгорании они образуют твёрдые отложения на клапанах, свечах, поршнях и в теплообменнике: растёт износ, снижается теплосъём.

Механические частицы. Пыль и аэрозоли действуют как абразив и забивают элементы газовой рампы.

Этапы очистки биогаза

Газоподготовка помогает удалить примеси из состава биогаза и привести его параметры к значениям, при которых станция будет работать в расчётном режиме. Схему подготовки подбирают под конкретный объект, но последовательность операций общая:

1. Осушка. Из газа удаляют воду и организуют отвод конденсата из нижних точек трубопровода.
2. Очистка от сероводорода. Метод выбирают по расходу и концентрации H₂S. Могут использоваться адсорбенты, биологическая или химическая очистка.
3. Фильтрация. Фильтры задерживают частицы и аэрозоли. Силоксаны фильтром не улавливаются, поэтому при их наличии в газоподготовку добавляют отдельную сорбционную ступень.
4. Стабилизация давления. Воздуходувка или компрессор поднимают давление газа до требуемого двигателем уровня, а регулятор удерживает его стабильным при изменении нагрузки станции.

Предельно допустимые концентрации примесей задаёт изготовитель двигателя, поэтому схему очистки проектируют по результатам анализа газа.

Что даёт ГПУ на биогазе бизнесу: экономика и экология

Применение газопоршневой электростанции (ГПЭС) на биогазе позволяет предприятию одновременно решить задачу утилизации отходов и обеспечить собственные потребности в электрической и тепловой энергии за счёт их энергетического использования.

При этом собственно топливо является побочным продуктом технологического процесса и образуется непосредственно на объекте, то есть его стоимость не входит в структуру затрат. Капитальные вложения приходятся на вспомогательное и основное оборудование: реактор-ферментер либо систему скважин для сбора газа на полигоне, газгольдер для аккумулирования, узел очистки, компрессорное оборудование, собственно электростанцию, присоединение к электрической сети и систему утилизации тепла.

Себестоимость выработанного киловатт-часа формируется из перечисленных капитальных затрат и эксплуатационных расходов: замены сорбентов, расхода масла, ремонтных работ и электроэнергии на собственные нужды станции.

Эффекты от внедрения:

• Снижение объёма покупной электроэнергии. ГПЭС принимает на себя базовую (постоянную) составляющую электрической нагрузки предприятия, уменьшая потребление из внешней сети.
• Отказ от отдельного источника теплоснабжения. Утилизируемая теплота двигателя покрывает потребности в отоплении и горячем водоснабжении, замещая котельную установку.
• Сокращение затрат на обращение с отходами. Сырьё направляется в ферментер, что исключает необходимость его вывоза и утилизации.
• Возможность реализации избыточной электроэнергии. При превышении выработки над собственным потреблением излишки могут быть отпущены в сеть.
• Снижение эмиссии метана в атмосферу. Метан является парниковым газом, и при разложении отходов он выделяется независимо от факта его сбора. В отсутствие утилизации газ либо сбрасывается, либо сжигается на факеле — то есть уничтожается без извлечения полезной энергии. ГПУ на биогазе преобразует тот же газ в электрическую энергию.

Когенерация: как тепло от ГПУ снижает расходы объекта

В электроэнергию превращается только около 40% энергии сожжённого газа. Остальная часть энергии выделяется в виде теплоты: происходит нагрев элементов конструкции двигателя, а отработавшие газы покидают цилиндры с высокой температурой. У станции без утилизации тепла эти 60% просто выделяются в атмосферу. Для биогаза такое особенно чувствительно: газа с объекта ограниченное количество, и потери половины подведённой энергии в виде теплоты экономически нецелесообразны.

Проблема решается когенерацией на биогазе — одновременным производством электроэнергии и тепла на одной установке. К двигателю добавляют систему утилизации тепла, и оно уходит потребителю. Общий коэффициент полезного действия поднимается примерно с 40% до 85–90%. Как считается этот показатель и что входит в общий КПД, мы показали в отдельном материале, где привели подробный расчёт КПД газовых станций.

Отбор тепла производится по двум направлениям: от системы охлаждения двигателя (теплоноситель, снимающий тепло с цилиндров, подаётся в контур потребителя вместо градирни) и от отработавших газов (в теплообменнике-утилизаторе с передачей теплоты в тот же контур горячей воды).

Полученное тепло направляют на подогрев ферментера, горячее водоснабжение, отопление помещений и другие технологические процессы.

Решения ПСМ для работы на биогазе

В каталоге ПСМ биогазовые электростанции представлены моделью AGBa-700 Bio.

Станция комплектуется газовым двигателем Baudouin — 12-цилиндровом, V-образным, рабочим объёмом 39,2 литра, с частотой вращения 1500 оборотов в минуту. Электроэнергию вырабатывает бесщёточный синхронный генератор EvoTec с автоматическим регулятором напряжения, обеспечивающим стабилизацию выходного напряжения при изменении нагрузки. Работой двигателя управляет контроллер Woodward: он отвечает за зажигание, смесеобразование, дросселирование, поддержание частоты вращения и защиту от детонации.

Требования к топливу — по содержанию метана, теплотворной способности и давлению на входе — приведены в таблице ниже.

Указанные в таблице сервисные интервалы и ресурс двигателя действительны при условии соответствия газа установленным требованиям и замены масла по результатам лабораторного анализа.

При установке модуля СУТ станция также вырабатывает тепловую энергию. За счёт утилизации тепла суммарный КПД установки повышается более чем вдвое по сравнению с режимом без неё.

Газопоршневая электростанция производства ПСМ с усатновленной системой утилизации тепла

Электростанция AGBa-700 Bio поставляется в открытом исполнении либо в контейнере. ПСМ производит контейнеры на собственном заводе, поэтому компоновку, степень огнестойкости и схему окраски можно кастомизировать под требования объекта. Контейнерное исполнение включает системы пожаротушения, вентиляции, отопления, освещения и газовыхлопа. Станция полностью готова к эксплуатации и не требует размещения в отдельном здании. Дополнительно можно установить систему удалённого мониторинга.

Если вы тоже хотите установить биогазовую электростанцию на своём объекте, оставьте заявку. Инженеры ПСМ рассчитают, какую мощность закроет ваш объём газа, сколько электроэнергии и тепла даст станция и за какой срок окупятся вложения.

Где применяют ГПУ на биогазе

Станция на биогазе может использоваться на объектах, где газ образуется в стабильном объёме, а потребитель энергии при этом находится рядом с источником газа.

АПК и животноводство

В животноводческом комплексе непрерывно производится навоз и помёт. Их хранение и вывоз сопряжены с затратами и необходимостью соблюдения экологических нормативов. Ферментер обеспечивает переработку такого сырья в топливо, а электростанция — его преобразование в электрическую и тепловую энергию. Газгольдер обеспечивает сглаживание суточных колебаний газообразования, однако систематический дефицит газа не компенсирует — в этом случае станция эксплуатируется с недогрузкой. В связи с этим до выполнения расчётов формируют исходные данные по энергоснабжению агропромышленного предприятия: перечень нагрузок, режим работы сети и тепловую схему.

Полигоны твёрдых коммунальных отходов

На полигоне свалочный газ (СГ) образуется в результате анаэробного разложения отходов в их толще. Его сбор обязателен независимо от дальнейшего использования: в противном случае возрастает риск подземных возгораний и появления неприятного запаха. Как правило, отобранный газ просто сжигают на факельной установке. Утилизация свалочного газа в газопоршневой электростанции решает ту же задачу — но с полезным эффектом: полигон обеспечивается собственной электроэнергией, а её избыток можно отдавать в сеть.

Ключевая особенность газа на свалке — изменение объёма газообразования во времени. На участках, где отходы размещены недавно, газ выделяется более интенсивно по сравнению с участками, закрытыми десять лет назад. По этой причине мощность электростанции выбирают не по текущему объёму газа, а по кривой газообразования — прогнозной зависимости, определяющей выход газа на каждый год эксплуатации полигона.

Очистные сооружения

При очистке сточных вод образуется осадок, который сбраживают в закрытых резервуарах, при этом выделяется биогаз. Очистные сооружения потребляют много электроэнергии круглосуточно: воздуходувки и насосы работают непрерывно. Для станции это удобный режим — потребление почти не меняется в течение суток, недогрузки не возникает.

Схема получается замкнутой: тепло возвращают в тот же процесс сбраживания, а электроэнергия покрывает собственные нужды сооружений.

Типичные ошибки при выборе ГПУ для биогаза