ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЕНИЯ БИОГАЗА И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННЫХ КОТЛАХ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

ENERGY OF BIOMASS

Статья поступила в редакцию 10.12.13. Ред. рег. № 1902 The article has entered in publishing office 10.12.13 . Ed. reg. No. 1902

УДК 621.182.23:662.767.2:662.8.054

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЕНИЯ БИОГАЗА И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННЫХ КОТЛАХ

И.Я. Сигал, А. В. Марасин, А. В. Смихула, А.И. Сигал1, В.А. Колчев

Институт газа НАН Украины 03133, Украина, Киев, ул. Дегтяревская, д. 39 Тел. Факс (044) 456-62-59. [email protected] 'Институт технической теплофизики НАН Украины 03057, Украина, Киев, ул. Желябова, 2а Тел. (38 044) 453-28-62, тел./факс (38 044) 456-92-62. [email protected]

Заключение совета рецензентов: 15.12.13 Заключение совета экспертов: 20.12.13 Принято к публикации: 25.12.13

В лабораторных условиях проведены исследования горения смесей природного газа и диоксида углерода (имитация биогаза). Показано, что биогаз может быть использован в качестве котельного топлива и может замещать природный газ в существующих котлах при условии реконструкции или замены горелочных устройств.

В ходе эксперимента показано, что длина биогазового факела меньше, чем длина факела природного газа такой же тепловой мощности. Токсичность выброса продуктов сгорания биогаза меньше, чем природного газа. При балластировании природного газа диоксидом углерода уже в количестве около 12% и более авторами не наблюдалось классической тенденции изменения длины факела, которая характерна для природного газа при переходе из ламинарного режима горения в турбулентный. Таким образом, при сжигании биогаза, дополнительное внимание надо уделять стабилизации факела, из-за его склонности к отрыву, ввиду меньшей нормальной скорости распространения пламени, чем у природного газа.

Приведены примеры эксплуатации разработанных авторами мощных горелок на биогазе в промышленных паровых котлах.

Ключевые слова: котлы, горение, биогаз, оксиды азота, пламя.

UDC 621.182.23:662.767.2:662.8.054

EXPERIMENTAL STUDY OF BIOGAS BURNING AND IT USE IN INDUSTRIAL BOILERS

I.Y. Sigal, A.V. Marasin, A.V. Smihula, A.I. Sigal1, V.A. Kolchev

The Gas Institute of NAS of Ukraine 39 Degtyarevskaya str., Kiev, 03113, Ukraine Tel,/fax: 0444566259, e-mail: [email protected] institute of technical thermo-physics of NAS of Ukraine Tel. (38 044) 453-28-62, tel./fax (38 044) 456-92-62. [email protected]

Referred: 15.12.13 Expertise: 20.12.13 Accepted: 25.12.13

The investigation of the combustion of natural gas and carbon dioxide mixture (the simulation of the biogas combustion) was performed on laboratory-scale. It was shown that biogas can be used as fuel for exiting boilers and could substitute natural gas if burners are re-fitted or changed.

The experiment showed that for the same thermal power yield was characterized by the shorter length of biogas flame compared to the length of natural gas. Also the emission of biogas combustion was less toxic. The increase of the carbon dioxide proportion of in the natural gas to 12% and above didn't led to the elongation of the flame, which is an indicator of the transition from laminar to turbulent combustion. The additional attention should be drawn during the biogas combustion to the stabilization of the flame due its tendency for separation since the flame propagation velocity during the biogas combustion is less than the flame propagation velocity of natural gas.

Developed by the authors powerful burners for the biogas combustion, which are implemented in industrial steam boilers are also reviewed.

Keywords: boilers, burning, biogas, nitrogen oxides, flame.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Введение

Использование методов биологической конверсии органических отходов с целью получения газообразного или жидкого топлива в настоящее время является весьма перспективным. Для ряда предприятий, получение биогаза позволяет частично решить не только энергетическую проблему, но также экономическую и экологическую что привлекает внимание специалистов-экологов, энергетиков, экономистов, биотехнологов. Данная проблема особенно актуальна для сельского хозяйства, пищевой промышленности, коммунального хозяйства, где имеется большое количество органических отходов.

Оборудование для получения биогаза (метантен-ки) дает возможность получать горючий газ непосредственно на предприятиях, сжигать его в котлах предприятия для получения промышленного пара или употреблять его на другие нужды. О количестве биометана, которое можно получить этим способом, свидетельствуют следующие данные:

В среднем, на мелассно-спиртовом заводе образуется 500 м3 сточных вод в сутки. Это позволяет получить биогаз в количестве, эквивалентном 540 м3/ч природного газа.

Это позволяет замещать биогазом часть природного газа, используемого на предприятии, или полностью замещать все используемое топливо [1].

При горении газов с повышенным содержанием балласта-биогаза (смесь, содержащая 60-70% CH4, 30-40% CO2 и некоторые примеси) главными вопросами, требующими решения, являются: а) размеры факела; б) стабилизация пламени; в) полнота горения; г) экологические показатели продуктов горения, очистка или сжигание токсичных и кородирующих металл примесей, таких как H2S и др.

Физико-химические свойства биогаза, отличные от природного газа, не позволяют сжигать его в газо-горелочных устройствах, предназначенных для сжигания природного газа [2, 3].

Исследования длины факела и пределов устойчивого горения были проведены на лабораторном стенде в Институте газа НАН Украины.

Особенности биогаза как топлива

Для сравнения природного газа с биогазом спиртового завода в табл. 1 приведены данные по составу и некоторые характеристики городских очистных сооружений и молочной фермы (где в качестве сырья для загрузки в биоректоры используют мелассная барда, осадок сточных вод и коровий навоз соответственно). Состав биогаза и природного газа (из городской сети) определялся в Институте газа НАНУ на хроматографе Agilent 6890N). Содержание в природном газе прочих углеводородов составляло: C3H8 - 0,7%, C4H10 - 0,2%, прочих - менее 0,1%.

Состав природного газа и биогаза С omposition of natural gas and biogas

Таблица 1 Table 1

Наименование % Расчетные величины

СН4 с2н6 CO2 n2 О2 H2S ин, см/с рг, кг/нм3 бнр, кДж/нм3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Природный газ 98 2 0,84 1,05 - - 38 0,77 36757

Городские очистные сооружения1 67,75 - 31,75 0,48 0,425 - 21 1,05 22412

Спиртзавод2 69,3 - 30,2 0,2 0,3 - 23 1,1 24890

Животноводческая ферма3 69,44 - 30,36 0,09 - 0,11 23 1,1 24941

1Бортническая станция аэрации ПАО «Киевводоканал». 2Молочная ферма с. Большая Крупель (Киевская обл.). Экспериментальный спиртзавод г. Лужаны (Черновицкая обл.)

По сравнению с природным газом, особенностью биогаза является пониженное содержание метана СН4. В биогазе содержится 50-75% метана по сравнению с 90-99% содержания метана в природном газе за счет присутствия больших количеств углекислого газа С02 (25-50%). Соответственно использовать существующие горелочные устройства, разработанные для природного газа нельзя, т.к. для достижения такой же мощности через сопловой аппарат

горелочных устройств биогаза нужно подать больше, чем природного газа, что невозможно без существенного увеличения давления перед горелкой. Увеличение же скорости истечения биогаза нарушит оптимальное соотношение скоростей газ-воздух. Это изменит глубину проникновения струй биогаза в поток воздуха, что приведет к нарушению режима работы горелочного устройства и увеличит вероятность срыва факела. Для большинства конструкций

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

горелочных устройств факел все равно будет неустойчив и склонен к отрыву, даже если увеличить диаметр отверстий для прохода биогаза и соблюсти соотношение скоростей газ-воздух, рассчитанного в соответствии с рекомендациями Ю.В. Иванова [4]. Это происходит из-за того, что у биогаза ниже максимальная нормальная скорость распространения пламени - иб.г = 15-25 см/с - по сравнению с ип.г. = 38 см/с при горении природного газа. В первом приближении для практических задач максимальную нормальную скорость распространения пламени для биогаза ( = 20 °С, р = 101,325 кПа) можно определить по эмпирической формуле:

мб.г. = 38 - 0,5CO2 см/с,

(1)

При сжигании в котлах И28 будет образовывать сернистый ангидрид 802, количество которого можно определить по интегральной реакции:

2H2S + ЗО2 = 2SO2 + 2H2O.

(2)

где СО2 - концентрация диоксида углерода в биогазе, % (при наличии азота N не более 5%, его суммируют с СО2).

Чем ниже нормальная скорость распространения пламени исходного биогаза, которая уменьшается с увеличением концентрации диоксида углерода, тем большее внимание надо уделять стабилизации факела (устраняя вероятности его срыва на всем рабочем диапазоне регулирования горелочного устройства) [5].

К прочим особенностям биогаза следует отнести присутствие И28, содержание которого зависит от продукции, из которой получают биогаз (табл. 1).

Количество образуемого 802 невелико и сравнительно неопасно для котельных поверхностей нагрева. Однако элементы транспорта и особенно горе-лочных устройств, при наличии в биогазе более 0,01% И28, должны быть защищены от коррозии.

Лабораторные исследования длины факела биогаза

Исследования некоторых характеристик горения биогаза, в том числе размеров факела, проведены на стенде в лаборатории Института газа НАН Украины (рис. 1).

Природный газ из магистрали 1 и диоксид углерода из баллона 2 подавался в ресивер-смеситель 3 в необходимой пропорции (процентное содержание газов в ресивере проверяли газовым хроматографом). Далее газ-имитатор биогаза подавался в горелку 5 через ротаметр 4, а воздух 6 подавался в факел за счет разряжения. Смесь поджигалась электрозапальником 7, после чего образовывался горящий факел 8, размеры которого определялись камерой 9 на фоне шкалы 10, а также анализом дымовых газов газоанализатором 11. Сгорание газа-имитатора биогаза проходило в камере 12.

Рис. 1. Лабораторный стенд для исследования процессов горения смеси природного газа и СО2 Fig. 1. Laboratory scale prototype for the study of the combustion of natural gas and СО2 mixture.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Некоторые расчетные характеристики биогаза приведены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики устойчивости горения биогаза

Table 2

Stability parameters of the biogas combustion

Показатель

ин, см/с

Тд, °С

L, %

Ьн, %

Lв/Lн

СО2, %

38,0

1221

15

3

20

28,3

1164

16

6,5

2,4

30

23,7

1 1 45

17

7,2

2,3

40

19,2

1131

18

2,25

50

14,6

1120

22

11

2

60

10,1

1112

22,4

14

1,73

ин - нормальная скорость распространения пламени; Тд - температура пламени биогаза; Ьв - концентрационная граница воспламенения биогаза верхняя; Ьн - концентрационная граница воспламенения биогаза нижняя; Ьв/Ьн - отношение концентрационных границ воспламенения биогаза.

700

Длина факела, мм

400

100

Л*

J i/ \ t4 г" л

г ш- •А

J ——*■

t

г г

1

10 16 22 Скорость выхода, мУс

Рис. 2. Зависимость длины факела от скорости выхода смеси (насадка d = 3 мм): 1 - природный газ; 2 - природный

газ с 11,7% СО2; 3 - природный газ с 22% СО2 Fig. 2. The dependence of the flame length on the exit velocity of the mixture (nozzle d = 3 mm): 1 - natural gas; 2 - natural gas containing 11,7% СО2; 3 - natural gas with 22% СО2

Результаты эксперимента приведены на рис. 2, 3.

В этих двух опытах сравнивались размеры факела: а) при одинаковой скорости истечения (рис. 2), б) при одинаковой тепловой мощности (рис. 3).

При разбавлении природного газа диоксидом углерода в количестве уже 11,7-22% СО2 длина факела не увеличивается, а уменьшается соответственно на 16-28% (рис. 2). При переходе из ламинарного режима горения в турбулентный изменение длины факела не имеет четко выраженного экстремума, а длина факела природного газа изменяется по зависимости близкой к полученной в работе Hottel H.C. и Howthorne W.R. [6]. При одной и той же тепловой мощности по мере увеличения содержания СО2 в смеси CH4 + СО2 длина биогазового факела становится меньше, чем факела чистого метана, при этом факел становится более прозрачным (рис. 3). Это совпадает с полученными данными [7]. То же явление отмечалось нами и в промышленных горелочных устройствах. Это связано, по-видимому, как с химическим воздействием СО2 на процесс горения, так и с некоторым увеличением инжекции окислителя струей топлива до начала горения (в случае отрыва струи от сопла).

В работах Galmiche B. и др., Liu F. и др., Н.А. Гу-ревича показано, что добавление СО2 к метану (природному газу) оказывает сильное влияние на температуру горения Тф и скорость распространения пламени ин не только вследствие теплового, но и химического воздействия, в том числе из-за связывания атомов водорода по реакции [8, 9, 10]:

H + CO2 ^ CO + OH.

(3)

Рис. 3. Зависимость длины факела от тепловой мощности (насадка d = 3 мм): 1 - природный газ; 2 - природный газ

с 11,7% СО2; 3 - природный газ с 22% СО2 Fig. 3. The dependence of the flame length on the thermal power (nozzle d = 3 mm): 1 - natural gas; 2 - natural gas with 11,7% СО2; 3 - natural gas with 22% СО2

В работе Н.А. Гуревича подробно рассмотрено химическое воздействие С02 на скорость горения стехиометрической смеси метана с воздухом с использованием теории Я.Б. Зельдовича и показано, что влияние С02 превышает влияние Н20 и двухатомных газов: Аг и Не в значительной мере из-за химической составляющей [10].

При переходе от горения метана (природного газа) к биогазу (СН4 + С02) оказывают влияние как химические, так и физические факторы.

0

5

8

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

В реальных промышленных установках в горе-лочных устройствах горение природного газа или биогаза начинается на некотором расстоянии от сопла горелочного аппарата, то есть, имеет место горение оторванных газовых струй, в которые до начала горения инжектирована часть воздуха, необходимого для сгорания. Для таких струй сокращение длины факела смеси (природный газ + СО2) в сравнении с факелом природного газа можно частично объяснить увеличением количества движения струй смеси газов (да^)бг. > (ш^)прг. и, соответственно, коэффициента инжекции воздуха (т.к. плотность биогаза больше, чем природного газа). Коэффициент инжекции струи биогаза является функцией количества движения струй газа и воздуха, а также геометрических размеров:

K = .Ддаб.г .W&r.Ar),

(4)

где кг - расстояние от газового сопла до стенки воздушного канала.

Примеры внедрения горелочных устройств для сжигания биогаза

Институтом газа НАН Украины в 2001-2012 гг. были разработаны и введены в эксплуатацию вихревые и подовые щелевые горелочные устройства промышленных котлов производительностью 6,5, 10, 16 т/ч пара для сжигания биогаза и для совместного одновременного сжигания биогаза и природного газа. Также разработано оборудование для обеспечения процесса подготовки и сжигания биогаза (огнепреградители, влагоотделители, свечи и печи аварийного дожигания и т.д.).

Например, на Бортнической станции аэрации ДКО «Киевводоканал», до того, как начали использовать биогаз в котлах, выбрасывалось в атмосферу или сжигалось в несовершенных устройствах с низким КПД до 3 млн м3/год биогаза, с содержанием СН4 - 60% (это эквивалентно 1,8 млн м3/год природного газа). При этом КПД котла был меньше, чем на природном газе на 15-18%, а выброс СО в атмосферу в 20 раз больше.

В результате исследований разработаны специальные подовые горелки 3-го поколения для сжигания биогаза в котлах - МПИГ-3Б (с расходом биогаза 318 м3/ч). Две таких горелки установлены в котле ДКВР-6,5/13 на Бортнической станции аэрации ДКО «Киевводоканал» в конце 2001 г., прошли испытание в промышленных условиях, сертификацию и успешно работают более 11 лет [5].

При сжигании биогаза выброс оксидов азота (NOx) в атмосферу уменьшены вдвое по сравнению со сжиганием природного газа. Горелки обеспечивают нагрузку котла от 44 до 100% номинальной мощности (соответственно расход биогаза составляет от 426 до 954 м3/ч). Максимальная концентрация в продуктах сгорания СО и NOx составляет:

СО - 46^50 мг/м3, NOx - 42^54 мг/м3. Экономия природного газа только на одном котле ДКВР-6,5/13 составляет 2-3 млн м3/год.

В 2006 г. в г. Электрогорск Московской области Институтом газа НАН Украины для фирмы «Брынцалов А» был введен в эксплуатацию котел ДКВР-10/13, переведенный на сжигание биогаза (на биогазе работают две горелки из трех с расходом биогаза 950 м3/ч) и природного газа (одна резервная горелка). В течение ряда месяцев в году котел работает только на биогазе. Изготовлены и введены в эксплуатацию влагоотделители, система автоматики, огнепрегради-тели и др. узлы.

Для Лужанского спиртзавода (Черновицкая обл.) был разработан и осуществлен проект перевода мощной вихревой горелки ГМ на совместное сжигание биогаза и природного газа в котле ДЕ-16/14 в одном горелочном устройстве мощностью 12 МВт.

Кроме того, был выполнен и осуществлен проект прокладки трубопроводов по территории завода и внутри цеха со вспомогательным оборудованием для дожигания биогаза в печи на случай остановки котла. С сентября 2006 г. реконструированный котел, в горелке которого одновременно сжигается биогаз и природный газ, находится в эксплуатации и котел работает при одновременно сжигании природного газа и биогаза в одном горелочном устройстве. При этом сжигание каждого топлива проводится в оптимальном для него режиме горения.

Выводы

1. Биогаз является хорошим топливом для котлов и может замещать полностью либо частично природный газ, при условии замены или реконструкции горелочного устройства.

2. В связи со склонностью к отрыву пламени био-газ имеет меньший диапазон регулирования горе-лочного устройства, чем при сжигании природного газа.

3. При сжигании биогаза выбросы оксидов азота (N0*) уменьшаются в среднем в 2 раза.

4. Использование биогаза при наличии в нем сероводорода И28 требует применение коррозиеустой-чивых материалов для изготовления деталей горе-лочного устройства.

5. Проведено лабораторное исследование и показано, что при замене части СН4 инертным газом СО2 и даже при сохранении постоянного расхода СН4 и добавлении СО2 длина факела не только не увеличивается, но даже сокращается.

6. Разработаны и введены в эксплуатацию вихревые и подовые горелочные устройства для котлов ДЕ-16, ДКВР-6,5/10, ДКВР-10 для работы на биогазе, а также горелки для одновременного сжигания природного газа и биогаза в одном горелочном устройстве производительностью 2-12 МВт.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Список литературы

1. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л.: Недра, 1988. С. 313.

2. Сигал И.Я., Гуревич Н.А., Хворов М.М., Дом-бровская Э.П. Источники выбросов метана в Украине и особенности утилизации биогаза в котлах // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2005. № 3. С. 33-40.

3. Некрасов В.Г. Технологическая схема очистки биогаза от примесей // Газовая промышленность. 1990. № 10. С. 30-31.

4. Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства: Монография. М.: Недра, 1972.

5. Сигал И.Я., Щекин А.Р., Домбровская Э.П. Марковский А.В., Куц В.П., Кернажицкая Е.С. Сжигание биогаза в промышленных котлах. // Экотехно-логии и ресурсосбережение. 2002. № 2. С. 15-19.

6. Hottel H.C., Howthorne W.R. Diffusion in laminar flame jets // Third symposium on combustion and flame and explosion phenomena. 1949. P. 254-299.

7. Карпов В.Л., Мостинский И.Л., Полежаев Ю.В. Ламинарный и турбулентный режимы горения водородных затопленных струй // Теплофизика высоких температур. 2005. № 1. С. 115-120.

8. Galmiche B., Halter F., Foucher F., Dagaut P. Effects of dilution on laminar burning velocity of premixed methane / Air flames // Energy and Fuels. 2011. Vol. 25. P.948-954.

9. Liu F., Guo H., Smallwood G. J. The chemical effect of CO2 replacement in air on the burning velocity of CH4 and H2 premixed flames // Combustion and Flame. 2003. Vol. 133. P. 495-497.

10. Гуревич Н. А. Химическое влияние добавки СО2 на скорость горения метана по теории Зельдовича // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2011. № 5. С. 3-10.

■о о.

in

References

1. Sigal I.Â. Zasita vozdusnogo bassejna pri sziganii topliva. L.: Nedra, 1988. S. 313.

2. Sigal I.Â., Gurevic N.A., Hvorov M.M., Dombrovskaâ È.P. Istocniki vybrosov metana v Ukraine i osobennosti utilizacii biogaza v kotlah // Ènergotehnologii i resursosberezenie. 2005. № 3. S. 33-40.

3. Nekrasov V.G. Tehnologiceskaâ shema ocistki biogaza ot primesej // Gazovaâ promyslennost'. 1990. № 10. S. 30-31.

4. Ivanov Û.V. Gazogorelocnye ustrojstva: Monografiâ. M.: Nedra, 1972.

5. Sigal I.Â., Sekin A.R., Dombrovskaâ È.P. Markovskij A.V., Kuc V.P., Kernazickaâ E.S. Sziganie biogaza v promyslennyh kotlah. // Èkotehnologii i resursosberezenie. 2002. № 2. S. 15-19.

6. Hottel H.C., Howthorne W.R. Diffusion in laminar flame jets // Third symposium on combustion and flame and explosion phenomena. 1949. P. 254-299.

7. Karpov V.L., Mostinskij I.L., Polezaev Û.V. Laminarnyj i turbulentnyj rezimy goreniâ vodorodnyh zatoplennyh struj // Teplofizika vysokih temperatur. 2005. № 1. S. 115-120.

8. Galmiche B., Halter F., Foucher F., Dagaut P. Effects of dilution on laminar burning velocity of premixed methane / Air flames // Energy and Fuels. 2011. Vol. 25. P.948-954.

9. Liu F., Guo H., Smallwood G. J. The chemical effect of CO2 replacement in air on the burning velocity of CH4 and H2 premixed flames // Combustion and Flame. 2003. Vol. 133. P. 495-497.

10. Gurevic N.A. Himiceskoe vliânie dobavki CO2 na skorost' goreniâ metana po teorii Zel'dovica // Ènergotehnologii i resursosberezenie. 2011. № 5. S. 3-10.

Транслитерация по ISO 9:1995

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013