ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ ПРИРОДНОГО ГАЗА И БИОГАЗА

Биогаз в отличие от природного газа относят к возобновляемым источникам энергии, что является важным аспектом, при дальнейшем его производстве и использовании, в качестве топлива для выработки тепловой, электрической и механической энергии. Биогаз не добывают из недр Земли, как в случае с природным газом, а получают при анаэробном разложении органической биомассы. Его особенностью является пониженное (55–75%) содержание метана (в природном газе 90–99% CH₄), что связано с наличием значительного количества (25–45%) диоксида углерода [1]. Содержание метана в биогазе зависит от исходного вида сырья (см. таблицу 1) [2].

Таблица 1. – Содержание метана в биогазе при использовании различных видов сырья

Главной составляющей большинства газовых приборов является горелка, в которой и происходит сжигание топлива. В свою очередь, основным компонентом биогаза, как и природного газа, является метан, поэтому возникает вопрос, возможно ли для сжигания биогаза использовать стандартное газогорелочное оборудование.

Взаимозаменяемость газов – это возможность устойчивого сжигания их в тепловых установках без изменения конструкции газогорелочных устройств, при сохранении номинальной тепловой мощности. Устойчивая работа газогорелочных устройств характеризуется работой горелок без отрыва и проскока пламени при полноте сгорания газа, близкой к 100 %. Для определения взаимозаменяемости газов рассчитывают число Воббе, которое характеризует постоянство теплового потока при постоянном давлении в процессе сжигания газа. Стандарты допускают отклонение числа Воббе у взаимозаменяемых газов не более чем на 5% [1].

Число Воббе газообразного топлива (низшее или высшее) – это отношение объемной (соответственно, низшей или высшей) теплоты сгорания к корню квадратному из относительной плотности газообразного топлива (то есть из отношения его плотности к плотности воздуха при нормальных условиях) [3].

Произведем расчет числа Воббе для биогаза и природного газа.

Принимаем процентный состав биогаза по объему [1]:

CH₄ = 66,12%, CO₂ = 32,72%, N₂ = 0,55%, H₂S = 0,03%, O₂ =0,46%, H₂ =0,12%.

Низшая теплота сгорания топлива Q_н, ккал/м³ (кДж/м³), по [3]:

где Q_Н2S, Q_CO и т. д. – теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав газообразного топлива, ккал/м³ (кДж/м³).

Определим плотность газообразного топлива с, кг/м³:

где с_i – плотность отдельных газов, входящих в состав газообразного топлива, кг/м³ .

Определим число Воббе:

W_н = , МДж/м³

где с_в – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³.

W_нб == 25,35 МДж/м³

Природный газ месторождения Медвежье имеет следующий характеристики [4]:

Процентный состав газа по объему: CH₄ = 99 %, C₂H₆ = 0,1%, C₃H₈ = 0,005 %, СO₂ = 0,095 %, N₂+редкие газы = 0,8 %;

Низшая теплота сгорания Q_н= 35128 кДж/м³;

Плотность с= 0,723 кг/м³.

Число Воббе для природного газа:

W_нп == 46,98 Мдж/м³

В результате расчетов получилось расхождение между двумя значениями числа Воббе W_нб = 25,35 Мдж/м³ и W_нп = 46,98 Мдж/м³ на 46%. Максимальное расхождение у взаимозаменяемых газов 5 %. Это свидетельствуют о том, что биогаз нельзя сжигать с помощью горелки, предназначенной для работы на природном газе.

Заключение

Если стоит вопрос о переводе газового прибора с природного газа на биогаз, то его газогорелочное устройство требует конструктивных изменений. Для устойчивой работы газогорелочного устройства нужно обеспечить правильную пропорцию газовоздушной смеси, а также скорость потока газа. Скорость потока газа задается давлением газа на входе и диаметром отверстия форсунки для подачи газа[5]. Значительное содержание (25 – 40%) CO₂ в биогазе влияет на количество требуемого воздуха для полного сгорания топлива. Для сгорания 1м³ биогаза в среднем требуется в 1,5 раза меньше воздуха, чем для сгорания 1м³ природного газа [6]. Теплотворная способность биогаза меньше, чем у природного газа в несколько раз. Это сказывается на расходе подаваемого топлива. Следует учитывать, что характеристики биогаза напрямую зависят от вида исходного субстрата, поэтому конструкция и настройка горелок для работы на биогазе должны определяться экспериментально для каждого индивидуального случая.

1. Сигал И.Я. Особенности использования биогаза, получаемого на очистных сооружениях, в качестве топлива для котлов / И.Я. Сигал, А.В. Марасин, А.В. Смихула, А.И. Сигал, В.А. Колчев // Экология и промышленность. – 2014. – №2 (39). – С. 17 – 21.
2. Выход газа и содержание метана в биогазе [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://rosbiogas.ru/literatura/rukovodstvo-po-biogazovim-texnologiyam/vixod-gaza-i-soderzhanie-metana-v-biogaze.html – Загл. с экрана.
3. ГОСТ 31369-2008. Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава. – Введ. 01.01.2010. – М.: Стандартинформ, –2009. – 54 с.
4. Ионин А.А. Газоснабжение: Учеб. для вузов. – 4–е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, –1989. – 439 с., ил.
5. Павел Северилов – Переделка бытовых газовых плит под биогаз [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.libfox.ru/399209-pavel-severilov-peredelka-bytovyh-gazovyh-plit-pod-biogaz.html – Загл. с экрана.
6. Рамазанов Р.С. Определение объема кислорода и воздуха для сжигания биогаза / Р.С. Рамазанов, Д.Ю. Суслов // Молодежь и научно-технический прогресс: cб. докл. VII межд. науч.–практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. В 3-х томах. – 2014. – С. 375-378 .

Все статьи автора «Жигалов Дмитрий Алексеевич»