Горючий газ и эффективность его использования в Украине. Часть 2: биогаз, биометан

В первой статье мы определили, что для каждой группы горючих газов, классифицируемых по критерию Воббе согласно ДСТУ ГОСТ EN 437:2018, нужно использовать индивидуальное, изготовленное только для сжигания конкретной группы газов оборудование. Для каждой группы газов установлен вид эталонного газа, на котором достигаются наиболее эффективные показатели работы газосжигательного оборудования На этот раз рассмотрены результаты расчетов критериев взаимозаменяемости для природных газов различных месторождений и альтернативных видов искусственных и синтетических горючих газов, образующихся в результате производственных процессов. Почему это важно? Безопасный и беспрепятственный переход с основного горючего газа на газ-заменитель возможен только при условии сохранения определенных характеристик процесса горения, таких как тепловая мощность (N, кВт); эффективности работы (КПД работы агрегата, ƞ, %); условий нарушения стабильной работы газогорелочного устройства в виде: нежелательного явления проскока пламени в корпус горелки; отрыва пламени от среза горелки и его угасания; полноты сгорания топлива, мг/м3, или % об.; условий возникновения желтых проблесков пламени, что свидетельствует о протекании пиролитических процессов и образования сажистых частиц в пламени из-за недостаточного количества воздуха на горение. Приведем расчет основных физико-химических горючих свойств и критериев (индексов) взаимозаменяемости для природных газов, добываемых на территории Украины, подаваемых в газотранспортную систему и имеющих потенциальную возможность в определенный период времени попасть в газогорелочные устройства потребителей. Таблица 1. Свойства природных газов месторождений Украины Для значительного количества газов индекс Воббе отличается по величине более 5%. Такое отличие свидетельствует об их невзаимозаменяемости и несоответствии природному газу чисто газовых месторождений группы L, который поступал до недавнего времени по магистральным газопроводам Украины из страны-агрессора. Это приводит к уменьшению эффективности сжигания газа, изменению тепловой мощности и другим негативным последствиям. Также усматривается, что большинство газов, согласно действующей классификации, относятся к группам H и E. Их подача на сжигание на оборудование изготовленное для другой группы (например L) приведет к непроизводительным потерям как показателей эффективности, так и стабильности горения. Ниже приведены различия между природными газами основных газовых месторождений Украины и эталонным газом приборов по группе L. В частности, отклонение критерия Воббе, ответственного за тепловую мощность топливосжигающих агрегатов составляет 12-22%, что значительно превышает норматив, что будет иметь негативные последствия, а работа агрегата будет сопровождаться значительным химическим недожогом горючего газа, образованием монооксида углерода и сажи. Другими словами, взаимозаменяемость между такими газами отсутствует. Таблица 2. Характеристики процесса горения газов группы Н и Е на действующем газовом оборудовании, предназначенном для сжигания газа группы L Для обеспечения эффективного и устойчивого использования природных газов из различных месторождений Украины необходимо постоянно осуществлять контроль за их физико-химическими свойствами и величинами индексов их взаимозаменяемости. Это можно делать согласно данным, приведенным в паспортах качества газа. Необходимо изменить давление и расход газа перед горелкой, а также выполнить перенастройку режимных параметров работы газогорелочного оборудования для обеспечения необходимого соотношения "газ-воздух". Отечественное котельное оборудование Колви, Eurotherm Technology для этого оборудуют дутьевыми интеллектуальными горелками, у которых есть возможность не сложного изменения давления и расхода горючего газа. После перенастройки система автоматики горелки перенастраивает режимные параметры работы и обеспечивает оптимальное соотношение. В случае если базовый горючий газ и газ заменитель, который на текущее состояние подается к горелкам, не соответствуют условиям сменности, то нужно вносить конструктивные изменения в газосжигательное оборудование, или его замену. На нормативном уровне в Украине важно определить и расширить допустимые величинами диапазоны изменения критериев взаимозаменяемости, позволяющие тому или иному горючему газу попасть в газотранспортную и газораспределительную систему. В этом заинтересованы поставщики горючих газов, однако необходимо помнить, что достижение высоких показателей безопасности использования, энергетической эффективности и экологической безопасности на этапе генерации теплоты, является основной задачей. Те же газы, которые не попали в допустимый интервал, можно сжигать в виде смесей с другими газами с достижением нормированных показателей взаимозаменяемости. БИОГАЗ, БИОМЕТАН Еще один вид горючего газа, который может попасть в газотранспортные и газораспределительные сети, в соответствии с газосжигательным оборудованием - это биогаз и биометан. Закон Украины "О рынке природного газа" разрешает их подачу при условии, если он "по своим физико-техническим характеристикам соответствует нормативно-правовым актам на природный газ". Рассматривая такую возможность, основной вопрос заключается в том, какие нормативно-правовые документы принимать к рассмотрению - устаревший ГОСТ а также "Кодекс....", которые не создают препятствий для зачисления альтернативных газов в элитную группу, или новые государственные нормативы, адаптированные к Европейским стандартам - актуальные ДСТУ ГОСТ EN 437:2018 и ДСТУ ISO 13686:2015 (подробнее о расхождениях - в первой статье). Относительно биометана в Украине принято ДСТУ EN 16723-1:2023. Природный газ и биометан для использования в транспорте и биометан для закачки в сеть природного газа. Часть 1: Технические характеристики биометана для закачки в сеть природного газа (EN 16723-1:2016, IDT). Но по параметрам качества биометана в этих нормативах указано лишь то, что они должны соответствовать требованиям, изложенным в другом ДСТУ -EN 16726:2019 (EN 16726:2015+А1:2018.IDT), который нормирует свойства горючих газов группы Н. Критерии взаимозаменяемости и повышения эффективности использования газосжигательного оборудования в зависимости от вида газа в этих документах не рассматриваются. Состав биогаза и биометана, как любого искусственного или синтетического газа, зависит от эффективности очистки газа. Таблица 3. Характеристики биометанов Как видно из таблицы 3, большая часть биометанов относится к газовой группе L, некоторое меньшинство - к группам Н и E, а один из них вообще выпадает из общей классификации. Сравнение критериев взаимозаменяемости биометанов и предельных газов группы L свидетельствует о сомнительности возможности использования газосжигательных агрегатов, выпускаемых для газов группы L, для того, чтобы сжигать все виды биометанов. Таблица 4. Результаты сравнения критериев взаимозаменяемости биометана Как видно из таблицы 4 для биометанов № 3......№7 будет характерным нарушение стабильности горения в виде отрыва пламени, а сжигание биометанов №6 и №7 на горелках, предназначенных для газов группы L, будет сопровождаться химическим недожогом и образованием сажи. Критерии взаимозаменяемости точно указывают на проблемы, которые возникают при переходе с базовых видов горючих газов на газы - заменители. Таким образом нельзя однозначно констатировать возможность подачи биометана в газотранспортные и газораспределительные сети. Не лучше ситуация и со сжиганием всех видов генераторных газов. Определение индекса Воббе для них показывает, что генераторные газы даже не относятся ко 2-му семейству горючих газов классификации EN 437. Следовательно для их сжигания необходимы специальные конструкции горелок. В них необходимо предусмотреть подачу нескольких видов газов - генераторного и природного. Существуют также другие горючие газы, которые образуются в ходе различных технологических процессов (переработки нефти, производства технического углерода и кокса, в металлургической промышленности). Горючие характеристики таких газов насколько низкие, что не обеспечивают даже необходимых условий для самовольного распространения пламени и горения.Одним из возможных способов сжигания горючих газов, состав которых существенно отличается от базового газа, для которого производится газосжигательное оборудование, может быть предварительная подготовка и сжигание смеси различных по составу газов.Невзаимозаменяемые горючие газы, предварительно, до процесса их сгорания в газогорелочном устройстве смешиваются путем регулируемой подачи в общий коллектор, с целью получения смеси газов, которая по своим характеристикам соответствует параметрам эталонного газа, для которого изготовлено газогорелочное устройство.Соответствующий контроль и регулирование состава смеси происходит с помощью электронного регулятора, который в случае изменения состава горючих газов передают соответствующий сигнал для изменения соотношения в расходах и таким путем достигается необходимая величина критерия Воббе смеси газов (более подробно о работе Схемы подготовки к горению невзаимозаменяемых газов смотри полный текст статьи по ссылке). В качестве одного из горючих газов может использоваться природный газ, а как другой горючий газ - один из многих низкокалорийных альтернативных видов искусственных и синтетических газов. Оснащение схемы автоматическими регуляторами расхода газов дает возможность эффективного сжигания смеси в одном газогорелочном устройстве без изменения режимных параметров его работы, однако приводит к удорожанию установки для сжигания газов. Таким образом, необходимо учитывать то, что производители всех видов искусственных и альтернативных видов горючих газов ставят себе основной целью получить разрешение на подачу его в газотранспортную систему и получение финансовой выгоды. При этом, как правило, остается без рассмотрения вопрос о качестве такого горючего газа и приемлемости его состава для имеющегося газосжигательного оборудования и газовых горелок, выпускаемых промышленностью. Приоритет регулирования должен быть не в отношении расширения диапазона горючих газов, подаваемых в газотранспортную и распределительную систему, а обеспечения возможности эффективного использования горючего газа и высокого КПД газоиспользующего оборудования. Авторы:Колиенко Анатолий Григорьевич, кандидат технических наук, профессор Национального университета "Полтавская политехника имени Юрия Кондратюка";Крошка Александр Викторович, доктор философии в области архитектуры и строительства, CEO ТМ КОЛВИ.