Свойства биогаза как моторного топлива

 

В процессе переработки органических отходов в биогазовых установках получают два основных продукта – биоудобрение и биогаз, которые можно использовать в сельскохозяйственном производстве и в быту [11].

Биогаз – это смесь из 50…80% метана СН, 20…50% углекислого газа СО₂, 1% сероводорода (H₂S) и незначительных следов азота N₂, кислорода О2, и водорода Н₂, а также продуктов метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп (табл. 1.1). Энергия, заключенная в 1 м³ биогаза (20…25 МДж), эквивалентна энергии 0,6 м³ природного газа, 0,74 л нефти или 0,66 л дизельного топлива. Соотношение CH₄ и СО₂ зависит от исходного субстрата и характеристики процесса брожения (температуры, времени пребывания массы в реакторе и загрузки его рабочего пространства).

Теплотворная способность биогаза составляет 22...19 МДж/м² и 1 м² его эквивалент – 0,7–0,8 кг условного топлива. В результате брожения из 1 т органического вещества (по сухой массе) получается 350...600 м³ биогаза, при этом КПД превращения энергии органических веществ в биогазе равен 80...90% [12,13,14].

По своему химическому составу биогаз напоминает природный газ и может применяться в автотракторных двигателях внутреннего сгорания.

Таблица 2.1 - Основные характеристики компонентов биогаза

Показатели	Компоненты				Биогаз
	СН4	СО2	Н2	Н2S
Объемная доля, %	≥ 50	50 ≤	1 ≤	3 ≤	100
Объемная теплота сгорания, МДж/м^3	35,8	–	10,8	22,8	21,5
Продолжение таблицы 2.1
Пределы воспламенения при содержании газов в смеси с воздухом, %	5…15	–	4…80	4…445	6…12
Температура воспламенения, ºС	650…750	–	585	–	650…750
Критическая температура, ºС	–82,5	31,0	–	100	12,5
Критическое давление, МПа	4,7	7,5	1,3	8,9	7,5…8,9
Плотность при нормальных условиях, г/л	0,72	1,98	0,09	1,54	1,2
Критическая плотность, г/л	102	408	31	349	320
Плотность относительно воздуха	0,55	2,5	0,07	1,2	0,83

 

По данным шведских и швейцарских ученых, биогаз может использоваться в ДВС, так как по экологическим характеристикам он на 75% чище дизельного топлива и на 50% – бензина. Токсичность биогаза для человека на 60% ниже традиционного топлива. Продукты его сгорания практически не содержат канцерогенных веществ. Влияние отработавших газов двигателей, работающих на биогазе, на разрушение озонового слоя на 60…80% ниже, чем у нефтяных видов топлива [15].

Однако создание ДВС, работающих на газе с такой же низкой теплотой сгорания, как у биогаза, представляет определенные трудности. Они обусловлены необходимостью сохранения мощности и экономичности работы базового двигателя на эксплуатационных режимах, сохранения его надежности, обеспечения устойчивости на всех режимах, минимальных конструктивных доработок базового двигателя и т.д. В связи с этим целесообразно использовать не биогаз, а получаемый из него биометан. Для этого из биогаза удаляют СО₂, водяной пар, сероводород и другие примеси [11].

Очистка биогаза от двуокиси углерода (СО₂) может производиться различными способами. К наиболее распространенным методам относятся:

– промывка газов через жидкие поглотители (например, воду),

– вымораживание, адсорбция при низких температурах, после чего полученный газ имеет практически однородный состав, содержащий 90...97 % СН₄ с теплотой сгорания 35...40 МДж/м³ [16,13,17,18].

Биогаз является возобновляемым источником энергии. Метан хорошо сгорает и может быть использован для выработки тепла и электроэнергии.

Например, в Рейкьявике (Исландия) с загородной свалки органических отходов собирают до 500 м /ч газа. После очистки, обогащения и компремирования газ, содержащий до 98% метана, заправляется в баллоны до давления 260 атм. и доставляется к потребителю для заправки автомобилей [11].

В значительных объемах биогаз добывается в развитых странах. Так, в США объем его добычи составляет 500 млн. м³/год, в Германии – 400 млн. м³/год, в Великобритании – 200 млн. м³/год, в Нидерландах – 50 млн. м³/год, во Франции – 40 млн. м³/год, в Италии – 35 млн. м³/год, в Дании – 5 млн. м³/год.

В современном Китае действует свыше 7 млн. малых биогазовых установок. Китай экспортирует двигатели, работающие на биогазе, и двигатели, работающие на двух видах топлива, а также сам биогаз более чем в 20 стран мира. В связи с идентичностью физико-химических и экологических свойств очищенного биогаза и природного газа (табл. 1.2), для этих топлив применяется одна и та же топливная аппаратура [12,14,19].

Таблица 2.2 - Сравнение физических характеристик природного газа и биогаза

Параметры	Природный газ	Биогаз
Объемная доля СН4, %	≥ 90	≥ 50
Объемная доля С2Н6, %	≤	0
Объемная доля С3Н8, %	2 ≤	0
продолжение таблицы 2.2
Объемная доля С4Н10, %	0,9 ≤	0
Объемная доля С5Н12, %	0,3 ≤	0
Объемная доля N2, %	0,32 ≤	2 ≤
Объемная доля CO2, %	0,61 ≤	50 ≤
Объемная доля H2S, %	10^-4 ≤	0,1 ≤
Объемная доля NH3, %	0	10^-2 ≤
Низшая теплота сгорания, МДж/нм^3	39,2	23,3
Низшая теплота сгорания, МДж/кг	48,4	20,2
Плотность при нормальных условиях, кг/м^3	0,81	1,16
Стехиометрическое соотношение, нм^3/нм^3	10,4	6,22
Температура адиабатного пламени, ºС	2040	1911

Биогаз считается одним из самых перспективных, экологически чистых и экономически удобных моторных топлив для транспортных установок. По данным шведских и швейцарских ученых, биогаз на 75% чище, чем дизельное топливо, и на 50% – чем бензин. Сравнение физических свойств биогаза с другими видами моторных топлив приведено в таблице 1.3 [20].

Таблица 2.3 - Свойства наиболее перспективных альтернативных топлив в сравнении с традиционными топливами

	Единица измерения	Бензин	Природный газ	Биогаз	Этанол	Метанол	Рапсовое масло
Низшая теплота сгорания	кДж/кг	44000	33802	29850	41900	21500	37100
Высшая теплота сгорания	кДж/м^3	34500-35600	32186	32300	–	26230	39500
Границы зажигания в смеси с воздухом по коэффициенту избытка воздуха	–	0,29…1,18	–	0,65…1,88	0,9… 1,1	0,7… 2,0	–
Температура самовоспламенения	°С	467… 527	640… 680	685… 747	423	464	329
Продолжение таблицы 2.3
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива	м^3/кг	12,35	9,52	–	6,53	6,45	12,6
Температура кипения	°С	33… 168	–	-161.3	365	338	–
Плотность при норм. условиях	кг/м^3	700… 760	0,717	0,71-0,74	0,75	0,791	0,877
Октановое число	–	76…98	110	126	125	125	–

 

Токсичные вещества, образующиеся при сгорании биогаза, влияют на организм человека на 60% ниже, чем продукты сгорания бензина. Продукты сгорания биогаза практически не содержат канцерогенных веществ. Представляя собой продукт, который получается с помощью анаэробных бактерий в процессах разложения и брожения органических веществ при определенной температуре, влажности, кислотности, а также в условиях отсутствия воздуха. Биогаз является практически неисчерпаемым возобновляемым видом моторного топлива. Основная составляющая биогаза – метан. Он выделяется на свалках, в болотах, в канализации, на рисовых полях, в силосных ямах и колонах, т.е. повсюду, где происходит микробиологическое разложение (брожение) фракций практически любых твердых и жидких органических отходов. Например, выход биогаза (м³) из 1 т сухого вещества для разных растительных масс составляет: для соломы пшеничной – 342, стеблей кукурузы – 420, подсолнечной лузги – 300, ботвы картофеля – 420, сорной растительности – 500. При этом коэффициент преобразования органических веществ в биогаз достигает 0,9 [21]. 

Перед применением в ДВС биогаз лучше подвергать обогащению до объемной доли метана не менее 95%, очистке, сушке и компремированию. Энергетический эквивалент биогаза составляет 9…10 (кВт·ч/м³). Физико-химические и экологические свойства обогащенного и очищенного биогаза и природного газа практически идентичны, поэтому для них может применяться одна и та же топливная аппаратура. Есть только одно отличие между природным газом и биогазом: при сгорании последнего в атмосферу попадает такое же количество СО₂, которое было из него удалено при переработке. Таким образом, биогаз является абсолютно сбалансированным биологическим топливом [22].

Согласно европейским планам, биогаз будет использоваться прежде всего на автотранспорте, который обслуживает сельские и пригородные районы. В Западной Европе биогазом уже отапливается не меньше половины птицеферм, причем сырьем для отопительных установок являются обычные отходы этих же птицеферм. Благодаря биогазу нужды западноевропейского животноводства в топливе за последние 10 лет сократились более чем на треть [22].

Лидером по использованию биогаза является Китай, который еще в 1970-е гг. осуществил “великий биогазовый скачок”, в результате которого более чем 60% всего автобусного парка страны, в том числе в сельской местности, сейчас работают на биогазе. Производство биогазовых двигателей в Китае до конца 80-х гг. XX в. было засекречено. Сейчас Китай экспортирует их более чем в 20 стран мира [20].

Ученые подсчитали, что в мировом сельском хозяйстве за год накапливается столько отходов, что их энергопотенциал может дважды покрыть общемировой спрос на энергию [20].

Условия получения биогаза и наличие в его составе вредных и балластных примесей диктуют необходимость предварительной обработки и очистки биогаза перед использованием в тепловых установках и двигателях внутреннего сгорания. По этой причине биогаз подвергается очистке по различным технологиям. Сырой биогаз насыщен водяным паром и содержит наряду с метаном (СН₄) и двуокисью углерода (СО₂) существенные количества сероводорода (Н₂S) [20].

Сероводород является токсичным и имеет неприятный запах тухлых яиц. Из сероводорода и содержащегося в биогазе водяного пара образуется серная кислота, разъедающая детали биогазового двигателя и его топливной системы. Компоненты с содержанием серы также ведут к уменьшению производительности фильтров, очищающих биогаз от СО₂ [19].

В последние годы в очистке биогаза широко используется достаточно грубая фильтрация в гравийном фильтре. Иногда применяют тонкие фильтры из стекловолокна, но это связано с повышенными энергозатратами. В таблице 1.4 приведен обзор распространенных способов обработки биогаза, которые целесообразно использовать при получении биогаза в объемах до 100…3000 м³/ч [12].

Таблица 2.4 - Наиболее распространенные методы очистки биогаза от примесей

Примеси	Технология	Конструкции
Сероводород (Н2S)	Биологическое обессеривание в реакторе	Компрессор минимального размера или насос для аквариума с регулировочным клапаном после него и индикатором расхода для ручного управления потоком газа
	Наружное биологическое обессеривание	Колонны, котлы или контейнеры из пластмассы или стали, свободно стоящие, заполненные носителями, напр., с обратной промывкой взвеси микроорганизмов (очистка в биофильтрах)
	Биопромывка	Колонны или котлы из пластмассы, свободно стоящие, заполненные носителями, с обратной промывкой щелочью
	Внутреннее химическое обессеривание	Ручная или автоматизированная дозировка с использованием дополнительной техники подачи небольших размеров. Внесение в форме раствора или в форме прессованной массы/гранулята
	Активированный уголь	Колонны из пластмассы или нержавеющей стали, свободно стоящие, заполненные активированным углем
Диоксид углерода СО2	Химическая промывка аминами	Аминовые растворы
	Физическая промывка (Selexol, Genosorb)	Промывка под высоким давлением
Диоксид углерода СО2	Химическая промывка аминами	Аминовые растворы
	Физическая промывка (Selexol, Genosorb)	Промывка под высоким давлением
	Мембранный способ отделения СО2	Сжатие на мембранном модуле
	Короткоцикловая безнагревная адсорбция (КБА/PSA)	Применение активных углей, молекулярных сит (цеолитов) и углеродных молекулярных сит
	Промывка водой под давлением (ПВД)	Пропускание биогаза через скруббер или водяную колонну
Вода Н2О	Конденсационное просушивание	Просушка за счет оседания конденсата воды на трубках
	Адсорбционное просушивание	Просушка на адсорбенте в фильтре

 

Биогаз выходит из биореактора при температуре процесса брожения (30…40 ºС) в водонасыщенном состоянии. Чтобы защитить агрегаты газоподготовки от сильного износа и выхода из строя, необходимо выполнять требования последующих ступеней очистки: из биогаза нужно удалить водяной пар.