Skomentuj 
Podziel się!
Udostępnij
Twittnij
Wyślij
Drukuj
W artykule przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych na urządzeniach domowych służących do przygotowywania posiłków, które były zasilane mieszaninami biogazu rolniczego z LNG lub z LPG. Badane urządzenia przystosowane były do spalania gazów ziemnych grupy E lub grupy Lw.
Przygotowane mieszanki miały parametry energetyczne odpowiadające minimalnym parametrom dla gazów drugiej rodziny grupy E i grupy Lw. W artykule scharakteryzowano biogaz oraz potencjał produkcyjny biogazu rolniczego w Polsce.
Wstęp
W dokumencie „Polityka energetyczna Polski do 2030" [8] podstawowymi kierunkami tej polityki są m.in.:
• poprawa efektywności energetycznej,
• wzrost bezpieczeństwa dostaw paliw i energii,
• rozwój wykorzystania odnawialnych źródeł energii, w tym biopaliw,
• rozwój konkurencyjnych rynków paliw i energii,
• ograniczenie oddziaływania energetyki na środowisko.
Do głównych celów tej polityki zaliczyć należy:
• wzrost udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) w finalnym zużyciu energii co najmniej do poziomu 15% w 2020 roku oraz dalszy wzrost tego wskaźnika w latach następnych,
• osiągnięcie 10% udziału biopaliw w rynku paliw transportowych w 2020 roku
• większą dywersyfikację źródeł energii oraz opracowanie optymalnych warunków dla rozwoju energetyki rozproszonej opartej na lokalnie dostępnych surowcach.
Kolejnym dokumentem, który dotyczy bezpośrednio biogazu rolniczego jest przyjęty przez Radę Ministrów dnia 13 lipca 2010 r. a opracowany przez Ministerstwo Gospodarki we współpracy z Ministerstwem Rolnictwa i Rozwoju Wsi dokument pod nazwą „Kierunki rozwoju bio-gazowni rolniczych w Polsce w latach 2010 -2020". Zapisano w nim, że główne cele rozwoju biogazowi rolniczych to:
• zabezpieczenie dostaw tego nośnika energii dla mieszkańców wsi i małych miasteczek oddalonych od gazowych sieci przesyłowych i dystrybucyjnych;
• poprawa bezpieczeństwa energetycznego poprzez dywersyfikację źródeł energii i miejsc ich wytwarzania [11].
W dokumencie zapisano, że w gestii in -westorów pozostanie kwestia sposobu wykorzystania tego gazu - czy przez wtłoczenie do krajowej sieci dystrybucyjnej lub infrastruktury dystrybucyjnej gazu administrowanego przez
samorządy lokalne, czy przez wytworzenie energii elektrycznej lub ciepła [1].
W przypadku zatłaczania biogazu do krajowej sieci dystrybucyjnej, biogaz powinien zostać oczyszczony do parametrów gazu ziemnego rozprowadzanego tą siecią.
Dlatego oprócz usunięcia z biogazu związków siarki, wilgoci oraz innych zanieczyszczeń szkodliwych dla pracy urządzeń konieczne jest także usunięcie CO2.
W pracy zaproponowano rozwiązanie polegające na mieszaniu wstępnie oczyszczonego biogazu rolniczego (pozbawionego związków siarki, wilgoci oraz innych zanieczyszczeń szkodliwych dla pracy urządzeń bez eliminacji CO2) z gazem z regazyfikacji LNG lub z gazem LPG w takich proporcjach aby parametry powstałych mieszanin odpowiadały parametrom energetycznym wymaganym dla gazów drugiej rodziny grupy E i grupy Lw. Po analizie uzyskanych wyników badań na wytypowanych urządzeniach użytku domowego można będzie ocenić, czy zaproponowane mieszanki nadają się do spalania w urządzeniach przystosowanych dla gazów grupy E i Lw bez potrzeby ich modyfikacji.
Biogaz rolniczy
Biogaz w tym biogaz rolniczy to gaz składający się głownie z metanu i dwutlenku węgla oraz w mniejszej ilości z azotu, siarkowodoru, tlenku węgla, amoniaku i tlenu. Zawartość najbardziej pożądanego składnika, czyli metanu w biogazie zawiera się w dość szerokich granicach bo od ok. 40% do nawet 75 %. Metan determinuje wartość kaloryczną biogazu, im więcej metanu, tym ta wartość jest wyższa.
Biogaz rolniczy może być uzyskiwany:
• w procesie beztlenowej fermentacji biomasy pochodzącej z upraw energetycznych, pozostałości z produkcji rolniczej i odchodów zwierzęcych;
• w procesie beztlenowej fermentacji biomasy pochodzącej z odpadów w rzeźniach, browarach i pozostałych branżach żywnościowych.
Skład biogazu zależy od procesu technologicznego jak również od zastosowanych substratów do jego produkcji. Obecnie w większości działających w Polsce biogazowniach rolniczych produkowany biogaz wykorzystywany jest do skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła w układach kogeneracyjnych opartych na silnikach iskrowych. Oprócz tego biogaz rolniczy może być wykorzystany:
• do produkcji energii elektrycznej w turbinach gazowych,
• do produkcji ciepła w przystosowanych kotłach gazowych;
• jako paliwo do zasilania pojazdów samochodowych;
• do zatłaczania do sieci gazowych po uprzednim uzdatnieniu go do parametrów gazu rozprowadzanego tą siecią;
• do wykorzystania w procesach technologicznych np. w produkcji metanolu [11].
Wybór sposobu zagospodarowania biogazu rolniczego uzależniony jest od wielu czynników, z których najważniejsze to:
• możliwość sprzedaży nadwyżek wyprodukowanej energii elektrycznej do sieci;
• możliwość wykorzystania wytworzonego ciepła na cele technologiczne lub socjalne;
• odległość źródła biogazu od zakładów przemysłowych, osiedli mieszkaniowych [11].
Jak już wcześniej wspomniano biogaz rolniczy oprócz metanu oraz dwutlenek węgla zawiera również szereg zanieczyszczeń, które podano w tabeli 1. Dodatkowo biogaz może zawierać szereg innych zanieczyszczeń, niewystępujących w typowych gazach ziemnych, a które mogą negatywnie wpływać zarówno na infrastrukturę transportową gazu, jak i bezpieczeństwo jego odbiorców. Tego typu zanieczyszczeniami są m.in.: siloksany, chlorowcopochodne węglowodorów, amoniak czy mikroorganizmy [10]. Powstały np. w reakcji z tlenem i parą wodną
kwas siarkowy działa niszcząco na poszczególne elementy instalacji [4]. Dlatego przed użytkowaniem biogazu należy go oczyścić. Pozbawiony pary wodnej i siarkowodoru oraz innych zanieczyszczeń biogaz to mieszanina metanu i dwutlenku węgla, którą można już spalać w adoptowanych do tego celu układach kogeneracyjnych lub kotłach gazowych. Przyjmuje się, że biogaz - zawartości metanu powyżej 40% można już wykorzystywać energetycznie.
Zakładając, że para wodna, siarkowodór oraz inne zanieczyszczenia szkodliwe dla pracy urządzeń zostaną usunięte, po uśrednieniu składów podanych w tabeli 1 otrzymujemy biogaz składający się w przybliżeniu w 65% z metanu oraz w 35 % z dwutlenku węgla. Biogaz o takich parametrach można wykorzystywać poprzez spalanie w urządzeniach energetycznych natomiast w przypadku planowanego wprowadzenia gazu do sieci lub zastosowania go, jako paliwa transportowego konieczne jest uzdatnienie biogazu do biometanolu, czyli usunięcie także dwutlenku węgla [5].
W tabeli 2 zamieszczono minimalne parametry gazu ziemnego wysokometanowego E
• zaazotowanego Lw oraz skład i parametry biogazu rolniczego oczyszczonego do minimalnych parametrów dla gazów ziemnych grupy E i Lw.
Innym sposobem wzbogacania pozbawionego wilgoci i siarkowodoru biogazu mogło by być jego mieszanie z gazem pochodzącym z regazyfikacji LNG lub z gazem LPG aby uzyskać mieszaniny o parametrach energetycznych odpowiadających minimalnym wymaganiom określonym dla gazów drugiej rodziny grupy E i Lw. Tak przygotowany gaz mógłby być rozprowadzany lokalnymi sieciami dystrybucyjnymi administrowanymi przez samorządy lokalne i użytkowany w urządzeniach przystosowanych dla tych grup gazów bez konieczności ich modyfikacji. Ocenę możliwości użytkowania tak przygotowanych mieszanek w urządzeniach użyt-
ku domowego przystosowanych do spalania gazów ziemnych drugiej rodziny grupy E i Lw przeprowadzono na wytypowanych gazowych urządzeniach użytku domowego wykorzystywanych do przygotowywania posiłków.
Potencjał produkcyjny biogazu rolniczego w Polsce
Biogaz rolniczy w Polsce posiada nadal skromny udział w bilansie energetycznym kraju. Według rejestru firm zajmujących się wytwarzaniem biogazu rolniczego (stan na dzień 14.10.2014 r.), prowadzonego przez prezesa Agencji Rynku Rolnego (ARR) zarejestrowanych było 56 biogazowni rolniczych
• zadeklarowanej, łącznej mocy 65,515 MWel oraz 67,260 MWt [6]. Według danych publikowanych przez ARR na 27.03.2014 r. w Polsce w 2013 r. wyprodukowano ok. 112 mln m3 biogazu rolniczego, z którego wyprodukowano ok. 228 GWh energii elektrycznej i ok. 249 GWh ciepła.
Potencjał produkcyjny biogazu rolniczego w Polsce stanowi najwyższy udział w całym oszacowanym potencjale biogazu w kraju. Mowa jest tu zarówno o odpadach hodowlanych, jak np. odchody zwierzęce, uprawy roślin, jak również o odpadach z upraw, odpadach z produkcji spożywczej jak również uprawach energetycznych, przeznaczonych do produkcji nośników energii.
Polska jest trzecim co do wielkości obszarem rolniczym w UE. Użytki rolne zajmują ok. 17 mln ha natomiast odłogi i ugory to kolejny
• mln ha [7]. Szacuje się, że do wytworzenia 10 mld m3 metanu potrzeba ok. 1,9 mln ha terenów rolnych, to przy 1 mln ha nieużytków oznacza [8], że Polska dysponuje odpowiednim areałem gwarantującym rozwój produkcji biogazu rolniczego.
Według różnych dokumentów i opracowań całkowity potencjał produkcyjny biogazu w Polsce przedstawia się następująco:
• W przyjętym przez Radę Ministrów w 2010 roku dokumencie „Kierunki rozwoju biogazowni rolniczych w Polsce w latach 2010-2020" potencjał teoretyczny oszacowano na 5 mld m3 biogazu rocznie, (osiągalny przy równoczesnym wykorzystaniu produktów ubocznych rolnictwa oraz wprowadzeniu celowych upraw energetycznych na substraty do biogazowni na powierzchni około 700 tys. ha); realny potencjał oparty na produktach ubocznych rolnictwa i przemysłu rolno-spożywczego - 1,7 mld m3 biogazu rocznie co odpowiada 850 ktoe (35,6 PJ) [1].
• W przyjętym przez Radę Ministrów w 2009 r. dokumencie „Polityka energetyczna Polski do 2030 roku"zapotrzebowanie na energię finalną z biogazu w Polsce do 2020 r. określono sumarycznie dla energii elektrycznej i ciepła na 847,6 ktoe (35,5 PJ) - odpowiednik 1,2 % w zużyciu energii finalnej [8].
• W ekspertyzie przygotowanej dla Ministerstwa Gospodarki (Wiśniewski G. (red.) 2007) maksymalny potencjał ekonomiczny na 2020 r. oceniono na 204 PJ, w tym kiszonki: 81 PJ oraz odpady 123 PJ (w tym przemysłowe: 26 PJ, odpady
rolnicze: 45 PJ) - razem równowartość ok. 6,6 mld m3 biogazu, odpowiednik 4,6% w zużyciu energii finalnej według ówczesnej prognozy zapotrzebowania kraju na energię finalną [2].
Uwaga: 1 tona oleju ekwiwalentnego (w skrócie toe) odpowiada 41,868 GJ - na podstawie danych Międzynarodowej Agencji Energetycznej
Określenie proporcji mieszania biogazu rolniczego z LNG lub LPG
W celu realizacji założeń niniejszej pracy określono proporcje mieszania wstępnie oczyszczonego biogazu rolniczego z gazem z regazyfikacji LNG lub z gazem LPG aby w końcowym efekcie uzyskać gaz o parametrach energetycznych odpowiadających minimalnym wymaganiom określonym dla gazów drugiej rodziny grupy E i grupy Lw zgodnie z normą PN-C-04753:201 1 (patrz tabela 2)
Poczynione założenie uzdatniania biogazu w celu uzyskania minimalnych parametrów energetycznych dla poszczególnych gazów, wynika z faktu, że takie gazy najtrudniej spalać w urządzeniach przystosowanych dla danej grupy gazu.
Na potrzeby pracy założono, iż mieszanki tworzone będą w oparciu o biogaz składający się w 65% z metanu oraz w 35 % z dwutlenku
węgla, do którego będą dodawane albo gaz z regazyfikacji LNG lub gaz płynny LPG o składach podanych w tabeli 3. Składy powstałych mieszanek oraz ich parametry energetyczne podano w tabeli 4.
Dla celów niniejszej pracy ograniczono skład gazu LNG do trzech składników (patrz tabela 3) a udział węglowodorów wyższych od propanu dodano do udziału propanu w gazie.
Oznaczenie gazów
• B+LNG(e) - mieszanka biogazu rolniczego i gazu z regazyfikacji LNG odpowiadająca minimalnym wymaganiom dla gazu drugiej rodziny grupy E
• B+LNG(Lw) - mieszanka biogazu rolniczego i gazu z regazyfikacji LNG odpowiadająca minimalnym wymaganiom dla gazu drugiej rodziny grupy Lw
• B+LPG(e) - mieszanka biogazu rolniczego i gazu LPG odpowiadająca minimalnym wymaganiom dla gazu drugiej rodziny grupy E
• B+LPG(Lw) - mieszanka biogazu rolniczego i gazu LPG odpowiadająca minimalnym wymaganiom dla gazu drugiej rodziny grupy Lw
Przyjęto również, że parametrami istotnymi ze względu na zmianę jakości gazu, których zmiany w urządzeniach należy zbadać, będą:
• obciążenie cieplne przy ciśnieniu nominalnym;
• stężenia CO przy ciśnieniu maksymalnym oraz przy obciążeniu cieplnym zredukowanym (minimalnym);
• zapłon, przenoszenie się i stabilność płomienia:
• zapłon i przenoszenie się płomienia przy ciśnieniu nominalnym
• odrywanie płomienia przy ciśnieniu maksymalnym,
• cofanie płomienia przy ciśnieniu minimalnym i nastawniku mocy ustawionym w położenie minimalne.
Procedury badawcze dobierane były z normy zharmonizowanej PN-EN 30-1-1 +A3:2013 „Domowe urządzenia gazowe do gotowania i pieczenia - Część 1-1: Bezpieczeństwo - Postanowienia ogólne"
Opis stanowisk i procedur badawczych stosowanych w badaniach palników płyt i kuchni gazowych
Pomiar obciążenia cieplnego
Pomiar znamionowego obciążenia cieplnego [9]
Weryfikację znamionowego obciążenia cieplnego każdego palnika przeprowadzano z użyciem gazów odniesienia G20 i G27, przy ciśnieniu próbnym 20 mbar z zastosowaniem odpowiednich dysz.
Znamionowe obciążenie cieplne Qn, wskazane przez producenta, określono na podstawie następującego równania [9] (wzór 1).
Strumień objętości Vn odpowiada pomiarom i przepływom gazu odniesienia w warunkach odniesienia, tj. przy przyjęciu gazu suchego w temperaturze 15°C i pod ciśnieniem 1013,25 mbar. W praktyce wartości uzyskiwane podczas badań nie odpowiadają tym warunkom odniesienia, dlatego powinny być skorygowane w celu sprowadzenia ich do wartości, które byłyby uzyskane, gdyby podczas badań te warunki odniesienia były uzyskane przy wylocie dyszy.
W przypadku gdy został zmierzony strumień objętości gazu V skorygowane obciążenie cieplne obliczano z następującego wzoru [9] (wzór 2)
Ponieważ w badaniach stosowany był gazomierz mokry, wartość d (gęstość względna gazu suchego względem powietrza suchego) zastąpiono wartością gęstości względnej gazu mokrego dh, określoną następującym równaniem [9] (wzór 3).
Ciśnienie pary nasyconej wody w temperaturze tg może być obliczone z równania (wzór 4).
Pomiary obciążenia cieplnego palników płyty grzejnej wykonywane były przy działającym palniku w następujący sposób:
• dla palników o znamionowym obciążeniu cieplnym nieprzekraczającym 4,2 kW garnek o średnicy 220 mm, napełniony wodą o masie 2 kg i temperaturze otoczenia stawia się nad palnikiem odkrytym.
• po osiągnięciu przez urządzenie temperatury otoczenia palnik zapala się i pozwala, aby działał przez 10 min;
• pomiar rozpoczyna się w końcu dziesiątej minuty i kończy się najpóźniej w końcu trzynastej minuty lub gdy osiągnięta zostanie największa liczba pełnych obrotów liczydła gazomierza, przed upływem trzynastej minuty. Pomiar powinien być wykonywany przez co najmniej jeden pełen obrót liczydła gazomierza.
Pomiar jakości spalania
Każdy kurek palnika płyty grzewczej zainstalowanej na stanowisku badawczym nastawiano w położenie strumienia maksymalnego a następnie ciśnienie zasilania podwyższano do maksymalnego ciśnienia jakie przewidziane jest dla danego gazu:
• w przypadku urządzeń przystosowanych do spalania gazu Lw do 23 mbar
• w przypadku urządzeń przystosowanych do spalania gazu E do 25 mbar).
Pomiar jakości spalin powtarzano ustawiając kurek sterujący palnikiem w położenie strumienia minimalnego a ciśnienie zasilania nastawiano na wartość 20 mbar. Badania wykonywano przy zasilaniu urządzeń wyposażonych w odpowiednie dysze gazami G20, G27 oraz wszystkimi opracowanymi mieszankami biogazu rolniczego z LNG lub LPG.
Sprawdzenie wymagania odnośnie dopuszczalnej zawartości tlenku węgla w spalinach wykonywano po 20 min od rozpoczęcia badania.
Maksymalne stężenie CO w spalinach suchych nierozcieńczonych powietrzem dla badań wykonywanych w ramach niniejszej pracy statutowej przyjęto na poziomie 1000 ppm.
Stężenie objętościowe CO w suchych i nie- rozcieńczonych powietrzem spalinach określano wzorem [9] (wzór 5).
Badanie zapłonu, przenoszenia się i stabilności płomienia
Prawidłowość zapłonu, przenoszenia się płomienia i stabilność płomienia każdego palnika działającego osobno sprawdzano gdy urządzenie miało temperaturę otoczenia.
Badania prowadzono z garnkiem lub bez niego w zależności od sprawdzanego parametru. Metoda wykonywania badań wg [9]:
po 5 sekundach od zapalenia palnika kurek przekręca się z normalną prędkością (czynność wykonywana z prawie stałą prędkością w czasie ok. 1 s) w położenie strumienia zmniejszonego i sprawdza się czy palnik nie gaśnie. Następnie kurek przekręca się w położenie przepływu maksymalnego i sprawdza się stabilność płomienia.
Badanie zapłonu i przenoszenia się płomienia [9]
Prawidłowość zapłonu i przenoszenie się płomienia badano zasilając urządzenie mieszankami gazowymi B+LNG(E), B+LNG(Lw), B+LPG(E), B+LPG(Lw) przy nominalnym ciśnieniu próbnym (20 mbar) bez użycia garnka.
Palnik pracuje prawidłowo gdy:
• zapłon i przenoszenie się płomienia przebiegają łagodnie w ciągu 5 s od przekręcenia kurka palnika w położenie całkowitego otwarcia lub położenie zapłonu, jeżeli takie istnieje;
• po zapłonie, płomienie są stabilne i spokojne. Lekka tendencja do odrywania się płomienia jest dozwolona podczas zapłonu, lecz płomienie powinny być stabilne po upływie 60 s od zapłonu;
• jeżeli kurek palnika jest przekręcony w pozycję obciążenia zmniejszonego, płomienie palnika nie powinny się cofać ani gasnąć.
Badanie odrywania się płomienia [9]
Tendencję płomienia do odrywania się sprawdzano zasilając urządzenie mieszankami gazowymi B+LNG(E), B+LNG(Lw), B+LPG(E), B+LPG(Lw) przy maksymalnym ciśnieniu próbnym bez użycia garnka.
Palnik pracuje prawidłowo gdy:
• po zapłonie, płomienie są stabilne i spokojne. Lekka tendencja do odrywania się płomienia jest dozwolona podczas zapłonu, lecz płomienie powinny być stabilne po upływie 60 s od zapłonu;
Badanie cofania się płomienia [9]
Tendencję płomienia do cofania się sprawdzano zasilając urządzenie mieszankami gazowymi B+LNG,,, B+LNG, ,, B+LPG,,,B+LPG, ,
przy minimalnym ciśnieniu próbnym
• w przypadku urządzeń przystosowanych do spalania gazu Lw - 16 mbar
• w przypadku urządzeń przystosowanych do spalania gazu E - 17 mbar
z użyciem garnka przy nagrzanym palniku. Palnik pracuje prawidłowo gdy:
• po przekręceniu kurka w pozycję obciążenia zmniejszonego, płomienie palnika nie wykazują tendencji do gaśnięcia ani
nie następuje przeskok płomienia do wnętrza palnika.
Wybór palników do badań
Do badań wpływu składu gazu ziemnego wysokometanowego na jakość spalania w palnikach płyt czy kuchni gazowych zostały wytypowane urządzenia z palnikami kubełkowymi (2 urządzenia) oraz palnikami fajkowymi (jedno urządzenie).
Pierwszy typ palników kubełkowych reprezentowany był przez palniki zainstalowane w płycie gazowej nr 1. Palniki te w zasadzie składają się z trzech części: korpusu dyfuzora, pierścienia płomieniowego i pokrywki. Przykład tego palnika został pokazany na rysunku 1.
Powietrze pierwotne do spalania w tego typu palnikach zasysane było znad płyty palnikowej, stąd palniki te nie mogą być „utopione" w płycie a najlepiej pracują w modnych ostatnio szklanych lub ceramicznych płaskich płytach podpalnikowych. Regulacja dopływu powietrza pierwotnego ze względu na rodzaj gazu realizowana jest poprzez specjalne konstrukcje dysz (z podwójnym lub nawet potrójnym nawiercaniem i odpowiednio dobraną wysokością).
Drugi typ palników „kubełkowych" zamontowanych w płycie gazowej
19
KOMENTARZE (0)
Do artykułu: Współspalanie mieszanin biogazu rolniczego z LNG lub z LPG jako alternatywa dla zatłaczania biogazu do sieci