Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие

Подождите немного. Документ загружается.

давлением

Высокое

200 - 300 0,1 – 0,5 Стальной

баллон

Таблица 5.1: типичные конструкции, размеры и уровни давления для газгольдеров

сельскохозяйственных биогазовых установок.

Поскольку качество газа и его производство колеблются, то целесообразно

выравнять эти колебания достаточным перемешиванием в газгольдере. Кроме того,

в случае необходимости ремонта генератора не придется сжигать газ факелом или

выпускать его в окружающую среду. Этого, конечно же, можно также избежать при

помощи запасного генератора. Все это показывает, что существуют разные

возможности при выборе размеров газгольдера. Как минимум газгольдер должен

иметь накопительный объем на 2 часа последовательного производства газа

одинакового качества. Чем больше разница в выработке газа и его качестве, тем

лучше, если есть в запасе большое пространство для накопления (как минимум на 8

часов).

5.1.1 Накопители под низким давлением

Накопители под низким давлением до настоящего времени получили

наибольшее распространение со времен 1-го и 2-го биогазового движения

преимущественно в виде газометров с погружными сосудами. Однако, со времен

большего распространения биогазовой технологии, начиная с 1995 года появились

также другие виды накопителей под низким давлением, так что газометры с

погружными сосудами на сельскохозяйственных биогазовых установках можно

встретить очень редко. Ниже приводится краткое описание разных вариантов.

 Газометр с погружными резервуарами

 Внешние пленочные накопители (пленочные мешки, пленочные трубы,

пленочные подушки)

 Внутренние пленочные накопители из EPDM, ПВХ или П/Е

 Ферментаторы с свободнонесущими пленочными колпаками

 Ферментаторы с двойной пленкой

 Ферментаторы с пленочной крышей и центральной опорой

• Газометр с погружными сосудами

Газометр с погружными сосудами (мокрый газгольдер) состоит из железного

колокола, который окунают в наполненный жидкостью резервуар (Изобр. 5.1).

Жидкостью может выступать как сам субстрат, это когда газовый колокол плавает на

ферментаторе или складской емкости. Для внешних газометров применяют воду или

смесь из воды и антифриза. В зависимости от наполнения газгольдера, колокол

может на разную глубину погружаться в жидкость. Газометры с большими

погружными сосудами напрвляются роликами.

Главным преимуществом газометра с погружными сосудами является то, что газ

накапливается для хранения при относительно одинаковом давлении. Высоты

давления достаточно, чтобы использовать газ для газовых плит и котлов с

атмосферными горелками (5 - 10 мбар = 50 - 100 мм ВС) непосредственно, тоесть

без дополнительного компрессора. Паяльные горелки требуют существенно более

высокого давления (15 - 20 мбар = 150 - 200 ммВС), которого можно достичь лиш

при помощи очень тяжелого газового колокола.

Газовые колокола, плавающие в субстратае хорошо себя зарекомендовали на

небольших биогазовых установках в теплых странах (смотр. Раздел 12: «Взгляд

зарубеж»). В наших условиях они вызывают слишком большие тнпло- и газопотери,

кроме того существует опасность замерзания при очень низких температурах.

• Пленочные накопители

Газометры с погружными сосудами требуют очень высоких затрат на

строительство, поскольку застраивать приходится в 2,2 больше от объема

газгольдера. Поэтому из-за упомянутых недостатков в настоящее время у нас строят

практически исключительно пленочные газгольдеры, либо в виде пленочного

колпака на ферментаторе или отдельно как внешний резервуар (Изобр. 5.1, 5.2 и

4.17). Преимуществом является то, что путем предварительной подготовки или

сваривания пленки на месте можно изготовить на месте почти любую форму и

размер недорого. Экземпляры до 1000 м

, в отдельных случаях также до 2000 м

можно изготовить при помощи существующей техники. Покрытое пленкою

пространство можно использовать почти на 100%. Не возникает никаких проблем с

коррозией, также плотность достаточна для работы с метаном.

Биогазовые установки с

бетонным перекрытием имеют в

основном ферментаторе лишь

очень небольшое хранилище для

газа. Установки с открытым

складом конечного хранения без

дображивателя имеют

дополнительные возможности по

установке газгольдеров. Для

установок с дображивателем (с

бетонным перекрытием)

достаточно будет иметь

газгольдера на дображивателе. Но если оба ферментатора наполнены субстратом,

то также необходимо позаботиться о дополнительном внешнем газгольдере.

Внешние газгольдеры изготавливаются либо как горизонтальные, либо в виде

висящей трубы или в виде подушки. Кроме того возможно изготовление также

других геометрических форм (Изобр. 5.1). Они могут иметь размер до 2000 м

. Если

они больше, то затраты на необходимые сооружения будут также выше. В качестве

строений можно также использовать контейнеры для морских грузоперевозок,

старые склады для навоза или пустые силоса для зерна. Внешние накопители по

сравнению с пленочными колпаками имеют то преимущество, что в случае

потребности можно заходить в ферментатор не сливания

его содержимого. Внешний

накопитель может также пригодиться, когда применяется внешняя очистка от серы.

Под внутренним пленочным накопителем имеют ввиду накопление биогаза в

пленочном газгольдере, размещенном над открытым ферментатором. Этот метод

имеет то преимущество, что дает возможность большого объема для накопления

биогаза, а с другой стороны делает возможным отказ от бетонного перекрытия

. При

отсасывании биогаза генератором пленочный накопитель образовывает

естественную систему безопасности: если газгольдер незаполнен, то двигатель

даже в газожидкостном режиме работы не будет всасывать воздух с вне в

газгольдер. Конечно, следует также учесть недостатки пленочных газгольдеров.

Необходимо установить защиту от неблагоприятных погодных условий и

преднамеренного нанесения вреда. Выработка давления для эксплуатации

оборудования является проблематичной без компрессоров; размещение

соответствующих тяжелых предметов на пленке на практике себя не

зарекомендовало. Для принятой на сегодняшний день переработки биогаза этот

недостаток не имеет значения, поскольку газовый двигатель всасывает газ из

накопителя, для этого достаточно иметь лишь небольшое превышение давления от

0,05 до 0,1 мбар (0,5 до 1 мм ВС), в зависимости от веса пленки или брезента.

Техническая проблема состоит в том, чтобы установить предохранитель чрезмерно

высокого давления настолько точно, чтобы превышение давления от 0,5 до 2 мбар

(5 - 20 мм ВС) в зависимости от материала и модели можно было избежать

наверняка (смотр. Раздел 5.2).

Подробное описание пленочного колпака, самонесущей конструкции крыши и

пленочной крыши с телескопической опорой можно найти в Разделе 4:

Процессуальная техника.

5.1.2 Накопители со средним и высоким давлением

Накопители среднего давления из металла, работают с давлением 5- 20 бар.

Они применяются одинично, когда по причинам нехватки места невозможно

использовать накопители низкого давления. В сегменте среднего давления биогаз

при уплотнении себя ведет почти как идеальный газ, это значит, что помещенное в

резервуар количество почти пропорционально увеличивает давление. При

уплотнении до 10 бар таким образом можно хранить в раз больше по сравнению с

обычным давлением. Уплотнение в таких пределах можно проводить при помощи

одноступенчатых компрессоров. Для забора газа необходимо применить регулятор

давления.

Уплотнение под высоким давлением биогаза, иными словами его

прессование до более чем 200 бар и хранение в стальных баллонах было

множество раз испробовано для эксперимента, но до последнего времени не

нашло широкого распостранения из-за слишком большой стоимости. С технической

точки зрения сжимание биогаза до 200-300 бар при помощи компрессора проблем

не представляет. Для этого теоретически необходимо потратить около 5%

содержащейся в биогазе энергии. На практике это значит, что около 20% биогаза,

который планируется уплотнить, необходимо будет использовать для работы

компрессора, поскольку при производстве электроэнергии происходят

дополнительные потери КПД.

В пределах этого давления биогаз себя больше не ведет как идеальный газ, а

существенно лучше. Это значит, что около 40-50% биогаза будет размещено в

единице объема по сравнению с тем, что возможно для идеального газа. Биогаз

перед прессованием высоким давлением обязательно необходимо очищать от серы

и воды чтобы избежать коррозии балонов и вентили ограничения подачи замерзали

при вытекании газа.

Сжижжение биогаза не возможно при обычной температуре. Чтобы он стал

жидким при обычном давлении, необходимо его охладить до - 160˚С.Этот метод еще

более затратный чем уплотнение под высоким давлением.

5.2 Очистка и обработка газа

Очистка от воды (обезвоживание)

Биогаз, поступающий только что из ферментатора, почти на 100% насыщен

водяной парой и преимущественно имеет высокое содержание сероводорода, что

вызывает коррозию трубопроводов, арматуры, газовых счетчиков и

газопотребляющего оборудования. При интенсивном перемешивании млгут

образовываться также аэрозоли, - мелких капель жидкости из субстрата,

переносящихся вместе с газом, которые осаждаются и образовывают отложения.

Первичная общая очистка биогаза от воды происходит при охлаждении до

уровня температуры окружающей среды в газгольдере и трубопроводах. Поэтому

трубопровод должен пролегать в непромерзающей среде или иметь хорошую

изоляцию. Кроме того, нельзя чтобы в нем образовывались углубления.

Необходимо его прокладывать таким образом, чтобы конденсат мог обратно стекать

либо в ферментатор, либо в лагуну, либо в накопитель или же в сепаратор для

конденсата (Изобр. 5.3). Газопроводы, проложенные под открытым небом, могут

выполняться из искуственных материалов, внутри зданий необходимо применять

металлические трубы.

Путем охлаждения биогаза при помощи холодильного агрегата можно

выводить воду и вредные газы. Этот метод все чаще практикуют чтобы защитить

двигатели от преждевременного износа. На практике часто встречается, что

двигатели уже через несколько недель применения отказывают, преимущественно

из-за повреждений подшипников скольжения коленчатого вала, шатуна и поршневых

пальцев. Эти элементы изготавливаются из цветных металлов и разъедаются

веществами, содержащимися в биогазе в микроколичестве и влияние которых еще

мало исследовано. В первую очередь предполагают что это аммиак. Если биогаз

охлаждать при помощи теплообменника из нержавеющей стали до 0-5˚С, то

большее количество водяной пары конденсируется. Если температура газа 35˚С и

содержание влажности 100%, то из м³ биогаза можно отсепарировать около 35 гр

воды. Если производство газа составляет 200 м³ в день, то ежедневно будет

выделяться 7 л конденсата. Для этого необходима приводная мощность

холодильного агрегата около 700 Вт. Можно исходить из того, что вместе с водой

сепарируются растворимые в воде газы, содержащиеся в меньших количествах как

напр. аммиак и сероводород, а также аэрозоли. На практике в любом случае

доказано, что при применении этого метода можно существенно уменьшить

повреждения двигателей. Это и оправдывает цену в 1 750 Евро, именно столько

стоит установка такого типа для газового двигателя на 30 кВт.

Такие агрегаты изготавливаются разных размеров, самые большие могут

обеспечивать двигатели мощностью до 500 кВт высушенным газом. Но такой

обработки газа будет недостаточно, чтобы понизить от высокого до необходимого

для работы уровня содержание сероводорода. В комбинации с описанным выше

методом очистки от серы путем нагнетания воздуха в ферментатор или в газовую

камеру это был-бы лучший метод очистки газа. Все другие исследованные до этого

методы очистки газа, по сравнению с названным, были не столь эффективны.

Сепаратор для конденсата и предохранитель предельного давления

газа

Сепаратор для конденсата устанавливают в начале так называемого газового

штрека в помещении, которое не промерзает. Для биогазовых установок с внешним

газгольдером рекомендуется перед газгольдером и во второй раз перед замерением

количества газа и его перерработке в электричество проводить очистку от

воды.

Сепаратор для конденсата состоит из резервуара, из которого отс епарированный

конденсат может выводиться через сифон, без утечки биогаза. На сегодняшний день

уровень конденсата используют в качестве запаса воды для столь важного

предохранителя предельного давления (Изобр. 5.4). Глубина погружения

находящейся под давлением трубы погружения соответствует допустимому

высокому давлениею в ферментаторе и

газгольдере. Для пленочных колпаков,

которые эксплуатируются почти без давления необходимо очень точно

устанавливать глубину погружения путем поднятия и опускания трубки сифона, с

тем, чтобы предельно высокое давление не превышалось и таким образом слишком

не растягивало, разрывало или вырывало из крепления пленку. Для полиэтиленовой

пленки без укрепляющей ткани, толщиной 0,5 мм, глубина погружения

должна не

превышать 5-10 мм ВС, в зависимости от размера и крепления колпака или

накопителя. Полотна с укрепляющей тканью могут выдерживать большую нагрузку.

Верхняя граница нагрузки в этом случае ориентируется не столько на

прочность материала, сколько на прочность швов и крепежного зажима. До тех пор,

пока для эксплуатации не понадобится более высокое давление без привлечения

компрессора, глубина погружения даже для усиленных тканью материалов не

должна превышать 20 мм ВС.

Газовая труба, по которой в случае превышения допустимого внутреннего

давления газ выводится в окружающую среду или для сжигани к газовому факелу,

должна иметь большой диаметр. Потери давления при сливании газа должны

удерживаться на таком низком уровне, чтобы не слишком большое количество

конденсата выдавливалось из сифонного шланга. В противном случае, уровень

воды в сепараторе для конденсата может понизиться до такой степени, что даже

при понижении гранично высокого давления, труба погружения больше не будет

погружаться в воду и будет происходить постоянная утечка гааза. Предельно

высокое давление в газовой системе может произойти вследствие закачивания

слишком большого количества субстрата в ферментатор, но также при слишком

маленьком потреблении газа из газгольдера и при слишком больших перерывах

между циклами перемешивания. Через смотровое окно можно хорошо наблюдать

эффект таких действий.

Предохранительное устройство, клапан которого полностью не

перекрывается необходимо установить возле ферментатора либо между

газгольдером и потребителем, если не была избрана описанная до этого

комбинация с сепаратором для конденсата. В качестве предохранителя предельного

давления можно

применять клапан механического действия, который однако

следует постоянно проверять на непропускаемость, легкое открывание и коррозию.

С точки зрения функциональности надежнее бедет гидравлический затвор с

погружной трубой или сифоном, похоже как для описанного ранее сепаратора для

конденсата. Это предохранительное устройство также необходимо регулярно

контролировать на водопотери из-за испарения или промерзание.

Предохранитель предельно низкого давления

Предохранитель предельно низкого давления предотвращает, чтобы в случае

слишком большого забора газа или если газгольдер пуст и в газовой системе

образовывается низкое давление, в нее не попадал воздух из окружающей среды,

напр. через шланг сифона на сепараторе для конденсата или через погружной сосуд

возле погружной моторной мешалки. Предохранитель предельно низкого давления

отключает все потребляющие газ приборы при помощи магнитного клапана до тех

пор, пока через пополнение газа из ферментатора не восстаноится рабочее

давление.

Предохранитель от возвратного воспламенения

Предохранитель от возвратного воспламенения (огненный фильтр) должен

для каждого потребляющего газ аппарата обеспечивать что даже в случае

образования горючей смеси из газа и воздуха в газопроводе, она не загорелась от

зажигания потребляющего оборудования и огонь не распространился в газопроводе.

Раньше дляя этого использовали так называемый гравиевый горшок, - устойчивый к

коррозии, наполненный мелким гравием резервуар, от которого возвратное

воспламенение охлаждается настолько сильно, что гаснет. Сегодня для этого

применяют арматуру, имеющую соответствующие разрешения, образующую сетку с

мелкими ячейками.

Очистка от серы

Очистка биогаза от серы вместе с

обезвоживанием биогаза являются важнейшимим

шагами по устранению коррозии. При этом

сероводород происходит преимущественно от

протеиносодержащих субстратов, в которых их

количество колеблется между 0,02 и 0,5 объемных

процента. (в отдельных чрезвычайных случаях до

1,5%). Можно принимать следующие меры по

очистке от серы:

1. Химико-физический метод.

а) добавление в бродильный субстрат солей

железа

б) адсорбирование железосодержащими

субстратами (сухой фильтр)

в) фильтр из активированного угля

2. Биологический метод

3. Комбинированный метод

Химико- физический метод

 Добавление солей железа

Путем добавления солей железа происходит образование тяжело растворимых

соединений сульфида жаелеза (сернистого железа), при чем в качестве коагулянта

применяют хлорид железа, сульфаты железа, гидроксид железа. При правильном

использовании можно получить хороший очищающий эффект и понизить

содержание H2S до уровня менее чем 50 ppm.

Поскольку соли железа часто образовываются как побочный продукт производства

стали или химической продукции, необходимо обратить внимание на содержание

тяжелых металлов. В отдельных случаях применение соли железа более

рационально из-за существенного уменьшения риска коррозии техники.

 Адсорбирование железосодержащими субстанциями (сухой фильтр)

Для установок эпохи 1 и 2 биогазового движения очистка от серы проводилась, если

вообще проводилась, при помощи гидроксида железа путем проведения химической

реакции. Таким до гранул спрессованым материалом наполнялись цилиндрические

резервуары, через которые пропускали биогаз. Благодаря реакции H2S с

гидроксидом железа образовывался сульфид железа. Его можно регенерировать

при помощи продувания несколько раз воздухом, при этом сепарируется

элементарная сера. Из-за проблем с утилизацией наполненных серой

цилиндрических резервуаров, по причине слишком высоких затрат и по причине

высоких затрат на обслуживание этот метод в настоящее время почти не

применяется.

 Фильтр из активированного угля

При использовании этого метода биогаз пропускают через реакционный резервуар с

йодированным активированным углум. Активированный уголь позволяет очищать до

уровня ниже 1 ppm H2S, хотя для этого и нужны предварительные ступени очистки

чтобы держать затраты на активированный уголь на низком уровне. Полностью

загрязненный уголь приходится удалять. Преимуществом является то, что кроме

2S, этот метод позволяет очистить от силоксанов и галогенных соединений.

Биологический метод

На сегодняшний день очистка от серы биологическим методом путем

направленного нагнетаниянебольшого количества воздуха в газовую камеру