Особенности сжигания биогаза полигонов в котлах

Особенности сжигания биогаза полигонов в котлах.

И.Я. Сигал, А.В. Марковский, Э.П. Домбровская, Е.С. Кернажицкая

В городах Украины имеется свыше 650 крупных полигонов – свалок, из части которых, при условии наличия капиталовложений, может быть извлечен и полезно использован биогаз. По составу биогаз отличается от природного газа наличием (кроме 50¸70 % метана) балласта в количестве 30¸40 %, в основном СО2, а также некоторых других веществ, среди которых имеется небольшое количество сероводорода Н2S.

Примерный состав биогаза: СО2 – 30,2 %; СН4 – 69,3 %; N2 – 0,3 %; Н2S – 0,2 %;
g =1,02 кг/м3 ; Q= 5500ккал/нм3 (23 Мдж/м3).

Использование биогаза свалок позволяет заменить ним часть природного газа, используемого для выработки тепла и электроэнергии.

В связи с ратификацией Верховным Советом Украины Киотского протокола использование биогаза свалок как топлива является еще более необходимым, т.к. позволяет уменьшить выброс парникового газа – СН4 – в атмосферу. При сжигании метана биогаза полигонов в СО2 влияние газов на парниковый эффект снижается в 8-10 раз.

При использовании биогаза в качестве топлива приходится сталкиваться со следующими основными трудностями: а) из-за высокого содержания СО2 снижается нормальная скорость распространения пламени и его устойчивость, сужаются пределы регулирования горелок; б) из-за содержания сероводорода возникает проблема коррозии горелок, фронтовых плит котлов и т. д. (уменьшается срок службы котла).

Добываемый биогаз обычно подается в газгольдеры, а оттуда – на свечу дожигания для временного сброса избыточного биогаза, а также в котельную для выработки горячей воды и пара, или – в дизельные двигатели для выработки электроэнергии.

В Институте газа НАНУ проведены исследования сжигания биогаза, разработаны и изготовлены горелочные устройства котлов и свеча для временного дожигания биогаза.

На экспериментальном стенде Института Газа НАНУ проведено исследование сжигания биогаза с учетом возможного повышения содержания инертных примесей в топливе, отличительных особенностей его сжигания от сжигания природного газа, влияния примесей СО2 к метану на характеристики сжигания. Для имитации биогаза применялась смесь природного и углекислого газов.

К смесителю подавался природный газ из городской сети и углекислый газ (СО2) от баллонов (через редуктор и регулирующий клапан). Давление газа контролировалось водяным манометром, а его расход – газовым счетчиком, для регулирования применялся игольчатый вентиль.

Основным параметром при расчетах характеристик сгорания было выбрано содержание СН4 в газе-имитаторе, который варьировался от 55 до 85 % по объему. На лабораторном стенде также проведено визуальное исследование устойчивости пламени биогаза, которое показало необходимость предусмотреть в конструкторских разработках горелок повышенные требования к отрыву пламени.

В зависимости от содержания СО2 в биогазе процесс горения (окисление) метана можно записать в виде интегральных реакций типа:

0,7СН4 + 0,3СО2 + 1,4О2 + 5,27N2 ® СО2 + 1,4Н2О + 5,27 N2

На первом этапе добываемый биогаз полигонов (свалок), обычно, подается в свечу дожигания.

Разработанная Институтом газа НАНУ свеча имеет специальные устройства для дистанционного зажигания факела и защиты его от отрыва, проскока и потухания.

Для уменьшения длины факела в конструкции предусмотрена расширяющая насадка (оголовок). Выходное сечение насадки перекрыто сеткой малого живого сечения, которая обеспечивает защиту пламени от проскока, а также выравнивание скоростей газовых струй по всей выходной плоскости насадки.

Для дистанционного зажигания и поддержания ветроустойчивости основного факела по периферии насадки установлено 4 специальных электрогазовых запальника (типа ЗЗУ – запально-защитное устройство), которые подключены к основному трубопроводу биогаза свечи, а по электропитанию, через высоковольтные трансформаторы – к сети переменного тока напряжением 220 В.

Сама свеча представляет собой трубу-стояк высотой 12 м, диаметром 325 мм, в верхнем ярусе обрештована металлическим каркасом с лестницей для подъёма и круговой площадкой на уровне насадки для обслуживания. Корпус насадки свечи, все её детали, в т.ч. защитная сетка, изготовлены из нержавеющей стали.

Свеча работает при давлении биогаза от 100 до 1000 мм в.ст. и обеспечивает расход временно сжигаемого биогаза в свече от 500 до 1600 м3/час с минимальным выбросом токсичных веществ в атмосферу. Содержание токсичных веществ в продуктах сгорания биогаза cоответствует Европейским нормам: NОх ≤ 100 мг/м3, СО ≤ 50 мг/м3, СnНm ≤ 10 мг/м3.

Горелки для сжигания биогаза были установлены в котле ДКВР-6,5, сертифицированы и эксплуатируются 2 года на биогазе городских очистных сооружений того же состава, что и газ свалок.

Сотрудниками Института газа НАНУ (рук. разработки д.т.н., проф. Сигал И.Я.) согласно заданию и при поддержке Госкомэнерго-сбережения, разработаны специальные щелевые подовые горелка для сжигания биогаза в паровых (ДКВР-6,5) и водогрейных котлах. При разработке конструкции горелок учтены специфические особенности горения биогаза (малые пределы устойчивости пламени и т.д.). Они могут работать в широком диапазоне режимов эксплуатации котла с расходом биогаза от 160 до 318 м3/ч. Горелки изготовлены из специальных сталей, имеют съемные сопла, которые не подвержены сероводородной коррозии, а также имеют специальные устройства для стабилизации пламени. С целью уменьшения коэффициента избытка воздуха горелки имеют специальные полосы, направляющие воздух к каждому из 400 сопел и не допускают большого избытка воздуха.

Разработанные горелки имеют достаточно большую производи-тельность – 318 м3/ч биогаза и работают без вентиляционного дутья или с дутьем.

Ранее в котле биогаз подавался в подовые горелки, расчитанные на сжигание природного газа. При этом они выходили из строя каждые 1-2 месяца, предельная мощность котла не превышала 4 т/ч пара, а КПД – 78-80 %, выброс СО в 30-50 раз превышал допустимые нормы.

В котле ДКВР-6,5-13 были установлены 3 специальные горелки МПИГ-3Б, разработанные и изготовленные в ИГ НАНУ. Испытания котла ДКВР-6,5-13 (ст.№ 1) с модернизированными подовыми щелевыми горелками нового поколения МПИГ-3 на биогазе показали:

- производительность котлов увеличилась на 20 %;

- значительно возросла граница регулирования производительности котла (от 100 до 40 % и ниже);

- КПД котла увеличился от 77¸82 % до 89¸91 %; при установке горелок на 3-х котлах ДКВР-6,5-13 и использовании биогаза вместо природного газа при том же КПД общая экономия природного газа составит » 1,5 млн.м3/год, (более 600 тыс. грн./год);

- выброс СО снизился в 40 раз и составляет 20 мг/м3, что ниже нормы в 5 раз.

Выводы

1. Проведены лабораторные и промышленные исследования сжигания биогаза и определены характеристики горения при различной степени балластирования метана углекислым газом. Показано, что при сжигании биогаза требуются специальные методы стабилизации пламени из-за сближения концентрационных границ воспламенения по сравнению с природным газом.

2. Показано, что при замене природного газа биогазом выброс оксидов азота и показатели токсичности продуктов сгорания снижаются на 40¸50 %.

3. Разработаны, испытаны и внедрены в котле ДКВР-6,5-13 специальные горелочные устройства для сжигания биогаза, которые обеспечивают КПД котлов 89¸91 %.

4. Разработаны автоматизированные свечи дожигания биогаза.

5. Горелочные устройства сертифицированы и могут быть рекомендованы для применения в других котлах.

Институт газа НАН Украины, г. Киев