Биогазовые и свалочные когенерационные установки: очистка газа, метановое число и ISO 8528

Газопоршневые КГУ на биогазе и свалочном газе: фильтрация силоксанов и H2S, метановое число (MN), утилизация тепла и непрерывная мощность ISO 8528 COP.

1. Проблемы качества газа при преобразовании биогенной энергии

Генераторные установки с поршневыми газовыми двигателями, работающие на биогазе анаэробных варочных котлов, канализационном газе или свалочном газе, сталкиваются с серьезными изменениями качества топлива по сравнению с трубопроводным природным газом. Высокая влажность (относительная влажность 100% на выходе из варочного котла), сероводород (от H2S до 5000 ppm) и летучие кремнийорганические соединения (силоксаны) вызывают быстрое разложение смазочного масла, образование абразивных кремнеземных отложений в цилиндрах (SiO2) и коррозию турбокомпрессора.

2. Метановое число, теплотворная способность и снижение мощности двигателя

Характеристика газаПриродный газ (трубопроводный)Сельскохозяйственный биогазСвалочный / канализационный газ
Содержание метана (CH4)90 - 98 об%50 - 65 об%38 - 52 об%
Нижняя теплотворная способность (LHV)36 - 38 MJ/Nm318 - 23 MJ/Nm314 - 18 MJ/Nm3
Метановое число (MN)70 - 85> 100 (CO2 ингибитор детонации)> 110
Требуется предварительная обработкаБазовая фильтрацияОсушение + биологическое H2SГлубокое охлаждение (+4°C) + Угольный слой
Номинальная нагрузка (ISO 8528-1)Базовая нагрузка/Пиковая нагрузкаНепрерывная рабочая мощность (COP)Непрерывная рабочая мощность (COP)

Выходная электрическая мощность потока газа рассчитывается по формуле:

Pe = ηe · V̇gas · LHVgas [kW]

Где:

  • ηe — электрический КПД двигателя, работающего на обедненной смеси (40% - 44% для современных агрегатов с турбонаддувом).
  • V̇gas — нормализованная объемная скорость подачи газа в Nm3/h.
  • LHVgas = (%CH4) / (100) · 35.8 MJ/Nm3.

3. Комбинированное производство тепла и электроэнергии (CHP) Тепловая интеграция

В установках когенерации биогаза общая энергоэффективность превышает 88% за счет рекуперации двух основных потоков тепла:

1. Высокотемпературный контур: Теплообменник выхлопных газов производит горячую воду (90/70°C) или пар низкого давления (180°C), восстанавливая ≈ 40% тепловой энергии топлива.

2. Низкотемпературный контур: Вода в рубашке двигателя, охладитель смазывающей пластины и промежуточный охладитель смеси первой ступени подают теплую воду (60/45°C) для обогрева бака варочного котла.

4. Требования к спецификациям для закупки газовых двигателей

  • Обязательный охладитель для осушения газа (точка росы +4°C) и фильтр с активированным углем перед дроссельной заслонкой двигателя.
  • Для поддержания NOx < 250 mg/Nm3 (TA-Luft 2021) требуется автоматизированное управление соотношением воздух-топливо (A/F) с быстродействующим кислородным датчиком (λ = 1.6 - 1.8 при сжигании обедненной смеси).
  • Проверьте класс изоляции генератора H с повышением температуры класса F (105 K) для непрерывной работы с базовой нагрузкой 24/7.
  • Для работы с агрессивными свалочными газами необходимо использовать антикоррозионные трубы из нержавеющей стали и никелированный газовый смеситель.

*Источники: ISO 8528-1:2018; ISO 3046-1; DVGW Code of Practice G 262; TA-Luft 2021.*