Горючий газ й ефективність його використання в Україні. Частина 2: біогаз, біометан

У першій статті ми визначили, що для кожної групи горючих газів, що класифікуються за критерієм Воббе згідно ДСТУ ГОСТ EN 437:2018, потрібно використовувати індивідуальне, виготовлене лише для спалювання конкретної групи газів обладнання.
Для кожної групи газів установлено вид еталонного газу, на якому досягаються найбільш ефективні показники роботи газоспалювального обладнання Цього разу розглянуто результати розрахунків критеріїв взаємозамінності для природних газів різних родовищ та альтернативних видів штучних і синтетичних горючих газів, котрі утворюються в результаті виробничих процесів. Чому це важливо? Безпечний та безперешкодний перехід з основного горючого газу на газ-замінник можливий лише за умови збереження певних характеристик процесу горіння, таких як теплова потужність ( N, кВт); ефективності роботи (ККД роботи агрегату, n, %); умов порушення стабільної роботи газопальникового пристрою у вигляді: небажаного явища проскоку полум"я в корпус пальника; відриву полум"я від зрізу пальника та його згасання; повноти згоряння палива, мг/м3, або % об.; умов виникнення жовтих проблисків полум"я, що свідчить про перебіг піролітичних процесів та утворення сажистих частинок у полум"ї через недостатню кількість повітря на горіння. Наведемо розрахунок основних фізико-хімічних горючих властивостей і критеріїв (індексів) взаємозамінності для природних газів, що видобуваються на території України, подаються в газотранспортну систему і мають потенційну можливість у певний період часу попасти до газопальникових пристроїв споживачів. Таблиця 1.
Властивості природних газів родовищ України Для значної кількості газів індекс Воббе відрізняється за величиною більше за 5%.
Така відмінність свідчить про їх невзаємозамінність і невідповідність природному газу чисто газових родовищ групи L, який надходив донедавна магістральними газопроводами України з країни-агресора. Це призводить до зменшення ефективності спалювання газу, зміни теплової потужності та інших негативних наслідків. Також вбачається, що більшість газів, згідно з чинною класифікацією, належать до груп H і E.
їх подача на спалювання на обладнання виготовлене для іншої групи (наприклад L) призведе до непродуктивних втрат як показників ефективності, так і стабільності горіння. Нижче наведено відмінність між природними газами основних газових родовищ України та еталонним газом приладів за групою L.
Зокрема, відхилення критерія Воббе, відповідального за теплову потужність паливоспалювальних агрегатів становить 12-22%, що значно перевищує норматив, що матиме негативні наслідки, а робота агрегату буде супроводжуватись значним хімічним недопалом горючого газу, утворенням монооксиду вуглецю і сажі.
Іншими словами, взаємозамінність між такими газами відсутня. Таблиця 2.
Характеристики процесу горіння газів групи Н і Е на діючому газовому обладнанні, призначеному для спалювання газу групи L Для забезпечення ефективного і сталого використання природних газів з різних родовищ України необхідно постійно здійснювати контроль за їх фізико-хімічними властивостями і величинами індексів їх взаємозамінності.
Це можна робити згідно з даними, наведеними в паспортах якості газу.
Необхідно змінити тиск і витрати газу перед пальником, а також виконати переналаштування режимних параметрів роботи газоспалювального обладнання для забезпечення необхідного співвідношення «газ-повітря».
Вітчизняне котельне обладнання Колві, Eurotherm Technology для цього обладнують дуттьовими інтелектуальними пальниками, у яких є можливість не складної зміни тиску і витрат горючого газу.
Після переналаштування система автоматики пальника переналаштовує режимні параметри роботи і забезпечує оптимальне співвідношення. У разі якщо базовий горючий газ і газ замінник, який на поточний стан подається до пальників, не відповідають умовам змінності , то потрібно вносити конструктивні зміни у газоспалювальне обладнання, або його заміну. На нормативному рівні в Україні важливо визначити і розширити допустимі величинами діапазонів зміни критеріїв взаємозамінності, що дозволяють тому чи іншому горючому газу попасти до газотранспортної та газорозподільної системи.
В цьому зацікавлені постачальники горючих газів, однак необхідно пам’ятати, що досягнення високих показників безпеки використання, енергетичної ефективності й екологічної безпеки на етапі генерації теплоти, є основним завданням.
Ті ж гази, що не потрапили до допустимого інтервалу, можна спалювати у вигляді сумішей з іншими газами з досягненням нормованих показників взаємозамінності. БІОГАЗ, БІОМЕТАН Ще один вид горючого газу, котрий може потрапити до газотранспортних і газорозподільних мережі, відповідно до газоспалювального обладнання – це біогаз і біометан.
Закон України "Про ринок природного газу" дозволяє їх подачу за умови, якщо він "за своїми фізико-технічними характеристиками відповідає нормативно-правовим актам на природний газ". Розглядаючи таку можливість, основне питання полягає у тому, які нормативно-правові документи приймати до розгляду – застарілий ГОСТ а також "Кодекс….", які не чинять перешкод для зарахування альтернативних газів до елітної групи, чи нові державні нормативи, адаптовані до Європейських стандартів - актуальні ДСТУ ГОСТ EN 437:2018 і ДСТУ ISO 13686:2015 (детальніше про розбіжності - в першій статті). Стосовно біометану в Україні прийнято ДСТУ EN 16723-1:2023.
Природний газ і біометан для використання у транспорті та біометан для закачування в мережу природного газу.
Частина 1.
Технічні характеристики біометану для закачування в мережу природного газу (EN 16723-1:2016, IDT). Але щодо параметрів якості біометану в цих нормативах зазначено лише те, що вони повинні відповідати вимогам, викладеним в іншому ДСТУ -EN 16726:2019 (EN 16726:2015+А1:2018.IDT) , який унормовує властивості горючих газів групи Н.
Критерії взаємозамінності та підвищення ефективності використання газоспалювального обладнання залежно від виду газу в цих документах не розглядаються. Склад біогазу і біометану, як будь-якого штучного чи синтетичного газу, залежить від ефективності очищення газу. Таблиця 3.
Характеристики біометанів Як видно із таблиці 3, більша частина біометанів належить до газової групи L, деяка меншість – до груп Н і E, а один із них взагалі випадає із загальної класифікації. Порівняння критеріїв взаємозамінності біометанів і граничних газів групи L свідчить про сумнівність можливості використання газоспалювальних агрегатів, що випускаються для газів групи L, для того, щоб спалювати всі види біометанів. Таблиця 4.
Результати порівняння критеріїв взаємозамінності біометану Як видно із таблиці 4 для біометанів № 3……№7 буде характерним порушення стабільності горіння у вигляді відриву полум’я, а спалювання біометанів №6 і №7 на пальниках, призначених для газів групи L, буде супроводжуватись хімічним недопалом та утворення сажі.
Критерії взаємозамінності точно вказують на проблеми, котрі виникають під час переходу з базових видів горючих газів на гази – замінники.
Таким чином не можна однозначно констатувати можливість подачі біометану до газотранспортних і газорозподільних мереж. Не краща ситуація і зі спалюванням усіх видів генераторних газів.
Визначення індекса Воббе для них показує, що генераторні гази навіть не належать до 2-го сімейства горючих газів класифікації EN 437.
Отже для їх спалювання необхідні спеціальні конструкції пальників.
У них необхідно передбачити подачу декількох видів газів – генераторного і природного. Існують також інші горючі гази, котрі утворюються в ході різноманітних технологічних процесів (перероблення нафти, виробництва технічного вуглецю і коксу, в металургійній промисловості).
Горючі характеристики таких газів наскільки низькі, що не забезпечують навіть необхідних умов для самочинного поширення полум’я і горіння.Одним із можливих способів спалювання горючих газів, склад яких суттєво відрізняється від базового газу, для якого виробляється газоспалювальне обладнання, може бути попередня підготовка і спалювання суміші різних за складом газів.Невзаємозамінні горючі гази, попередньо, до процесу їх згорання в газопальниковому пристрої змішуються шляхом регульованої подачі у загальний колектор, з метою отримання суміші газів, яка за своїми характеристиками відповідає параметрам еталонного газу, для якого виготовлено газопальниковий пристрій.Відповідний контроль і регулювання складу суміші відбувається за допомогою електронного регулятора, який у разі зміни складу горючих газів передають відповідний сигнал для зміни співвідношення у витратах і таким шляхом досягається необхідна величина критерія Воббе суміші газів (більш детально про роботу Схеми підготовки до горіння невзаємозамінних газів дивись повний текст статті за посиланням). Як один із горючих газів може використовуватись природний газ, а як інший горючий газ - один із багатьох низькокалорійних альтернативних видів штучних і синтетичних газів. Оснащення схеми автоматичними регуляторами витрат газів дає можливість ефективного спалювання суміші в одному газопальниковому пристрої без зміни режимних параметрів його роботи, однак призводить до здорожчання установки для спалювання газів. Таким чином, необхідно враховувати те, що виробники усіх видів штучних і альтернативних видів горючих газів ставлять собі за основну мету отримати дозвіл на подачу його в газотранспортну систему і отримання фінансової вигоди.
При цьому, зазвичай, залишається без розгляду питання про якість такого горючого газу і прийнятність його складу для наявного газоспалювального обладнання і газових пальників, що випускаються промисловістю. Пріоритет регулювання повинен бути не щодо розширення діапазону горючих газів, що подаються в газотранспортну і розподільну систему, а забезпечення можливості ефективного використання горючого газу і високого ККД газовикористовуючого обладнання.
Автори:Колієнко Анатолій Григорович, кандидат технічних наук, професор Національного університету "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка";Крошка Олександр Вікторович, доктор філософії в галузі архітектури та будівництва, CEO ТМ КОЛВІ.