Celem osuszania biogazu w instalacji biogazowej jest nie tylko usunięcie z niego pary wodnej, ale również zmniejszenie zawartości zanieczyszczeń, takich jak: pyły, chlor i fluor, amoniak, siarkowodór oraz lotne związki organiczne.

Pomimo ostatnich informacji dotyczących zmian w polityce energetycznej Polski do 2040 roku i zapowiedzi Ministerstwa Energii o zmniejszaniu mocy zainstalowanej lądowej energetyki wiatrowej energia pochodząca z biomasy i biogazu nadal cieszy się sporym zainteresowaniem i poparciem ze strony rządu. Nie możemy co prawda spodziewać się w najbliższym czasie budowy ponad 2000 biogazowni w naszym kraju, jak to było zapowiadane kilka lat temu.

Biogazownie i taryfy gwarantowane

Jednak wprowadzenie zmian w aukcyjnym systemie wsparcia dla OZE pozwoliło pozytywniej spojrzeć w przyszłość inwestorom biogazowym. Chodzi tutaj przede wszystkim o wprowadzenie nowego mechanizmu taryf gwarantowanych – Feed-in-Tariff (FiT) oraz Feed-in-Premium (FiP) dla instalacji o mocy odpowiednio do 500 kW oraz od 500 kW do 1 MW.

Mechanizm ten polega na wprowadzeniu stałej ceny zakupu energii, która wynosić będzie 90% ceny referencyjnej dla danego typu instalacji. Z tego rodzaju wsparcia skorzystać będą mogli producenci energii z biogazu rolniczego, odpadowego i otrzymywanego z oczyszczalni ścieków oraz właściciele elektrowni wodnych.

Dodatkowo w ostatnim czasie dużą niewiadomą była forma wsparcia ciepła produkowanego w kogeneracji. Do tej pory właściciele biogazowni, zgodnie z obowiązującym w Polsce prawem, za produkcję energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji (przy jednoczesnym zagospodarowaniu ciepła) mogli korzystać z certyfikatów pochodzenia energii (tzw. żółtych certyfikatów). System ten funkcjonuje od 1 lipca 2007 r. Zgodnie z zasadami firmy obracające energią muszą legitymować się świadectwami pochodzenia (certyfikatami) pewnej części swojego obrotu z wysokosprawnej kogeneracji. Te, które ich nie posiadają, muszą wnieść tzw. opłatę zastępczą. W chwili obecnej wysokość tej opłaty wynosi 115 zł/MWh.

Biogazownie – system aukcyjny

Jednak rok 2018 był ostatnim rokiem obowiązywania tego systemu wsparcia. W związku z tym inwestorzy planujący budowę biogazowni z niepokojem czekali na informacje docierające z mediów, a dotyczące założeń nowego systemu. Pod koniec listopada 2018 roku Rada Ministrów przyjęła projekt ustawy o promowaniu energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji, który przygotowany został przez Ministerstwo Energii.

Nowe rozwiązania miały wejść w życie 1 stycznia 2019 roku. System ten ma być oparty w znacznej mierze na procedurze aukcyjnej. Proponowany mechanizm ma gwarantować inwestorom, którzy wygrali w aukcji, stałą premię do ceny energii elektrycznej. Wsparcie ma być udzielane na okres 15 lat. Przewiduje się, że nowe regulacje pozwolą na uzyskanie pozytywnego bilansu ekonomicznego inwestycji biogazowych, o czym świadczy duże zainteresowanie ze strony inwestorów oraz przygotowywane nowe projekty instalacji.

Biogaz i jego składniki

Produkcja energii w wysokosprawnej kogeneracji wymaga dostarczenia do procesu odpowiedniego jakościowo paliwa. W przypadku biogazowni mówimy tutaj o biogazie produkowanym w wyniku procesu fermentacji metanowej z materii organicznej. Zgodnie z definicją zawartą w Ustawie o odnawialnych źródłach energii z dnia 20 lutego 2015 roku biogaz to „gaz uzyskany z biomasy, w szczególności z instalacji przeróbki odpadów zwierzęcych lub roślinnych, oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów” (Dz.U. 2015 poz. 478).

Głównymi składnikami biogazu są: metan, dwutlenek węgla oraz śladowe ilości pary wodnej, siarkowodoru, chloru, amoniaku oraz lotnych związków krzemu (siloksanów). To właśnie te niewielkie ilości pozostałych gazów mogą powodować problemy w pracy układu kogeneracyjnego. Biogaz, który wykorzystywany jest jako paliwo w silnikach kogeneracyjnych musi spełniać ściśle określone parametry. Podawane są one przez producenta, najczęściej w dokumentacji DTR konkretnego agregatu. Utrzymanie ich na odpowiednim poziomie jest istotne dla bezawaryjnej eksploatacji silników kogeneracyjnych.

Siloksany i ich wpływ na pracę silników

Związkami, których zawartość w biogazie ma duże znaczenie dla efektywnej pracy silnika kogeneracyjnego, są siloksany. Są to związki organiczne, które poza węglem zawierają atomy wodoru, krzemu i tlenu. Siloksany i ich pochodne stosuje się powszechnie w środkach kosmetycznych, czyszczących oraz pianotwórczych, których odpady trafiają na składowiska albo do kanalizacji ściekowej.

Dlatego najwięcej siloksanów zawiera biogaz składowiskowy, następnie ten z oczyszczalni ścieków komunalnych, a najmniej biogaz rolniczy. Przyjmuje się, że koncentracja siloksanów w biogazie powstającym w trakcie procesu fermentacji metanowej, w zależności od rodzaju wykorzystywanej biomasy może wynosić od 3 do 300 mg/m3. Dodatkowo stężenie tego rodzaju związków zależy od wilgotności oraz temperatury. Dlatego badania produkowanego biogazu, zarówno na etapie rozruchu, jak i w trakcie eksploatacji biogazowni są bardzo istotne.

Niewielu jednak eksploatatorów stosuje się do tych zaleceń, co w konsekwencji ma wpływ na szybsze zużycie niektórych elementów silnika. Zgodnie z zaleceniami producentów silników zawartość siloksanów w biogazie dostarczanym do agregatu nie powinna przekraczać wartości 20 mg/m3 CH4.

Siloksany i zagrożenie dla instalacji

W wyniku spalania lotnych związków krzemu (siloksanów) w silnikach powstaje osad, który pokrywa powierzchnię różnych elementów silnika. Warstwa osadu może niekiedy osiągać grubość kilku milimetrów, a jej usunięcie jest bardzo uciążliwe. Należy również pamiętać, że warstwa osadzających się siloksanów działa jak izolator. W efekcie często dochodzi do przegrzewania elementów silnika w wyniku braku prawidłowego chłodzenia.

Biogazwnia-Glowica-silnika-i-tlok-silnika-z-warstwa-siloksanow
Biogazownia – zanieczyszczona głowica silnika i tłok w wyniku oddziaływania siloksanów

Do elementów najbardziej zagrożonych negatywnym działaniem lotnych związków krzemu zalicza się: komorę spalania, korony i ściany cylindrów, korony tłoków, zawory oraz ich gniazda, a także panewki. Warto zauważyć, że są to części silnika osiągające najwyższe temperatury, w związku z czym są one również najbardziej narażone na przegrzanie. Innym niekorzystnym wpływem siloksanów na agregaty kogeneracyjne jest przyspieszenie degradacji oleju silnikowego, czego konsekwencją są jego częstsze wymiany.

Osuszanie biogazu

Innym czynnikiem mającym wpływ na sprawność działania silników kogeneracyjnych jest wilgotność produkowanego biogazu. Producenci agregatów w dokumentacji technicznej przedstawiają odpowiednie wartości tego parametru, jakimi powinien charakteryzować się gaz podawany do kogeneratorów.

Zgodnie z wytycznymi na nitce doprowadzającej biogaz z komór fermentacyjnych do silników nie powinno dochodzić do jakiejkolwiek kondensacji. W związku z tym przyjmuje się, że wilgotność względna biogazu powinna być niższa niż 80%. Jednak w praktyce gaz powstający w fermentorach charakteryzuje się wilgotnością względną wynoszącą 100% oraz temperaturą (w zależności od stosowanej technologii) między 30 a 50°C.

Usuwanie zanieczyszczeń

Jednak celem osuszania biogazu w instalacji biogazowej jest nie tylko usunięcie z niego pary wodnej, ale również zmniejszenie zawartości zanieczyszczeń, takich jak: pyły, chlor i fluor, amoniak, siarkowodór oraz lotne związki organiczne. Proces ten polega na schłodzeniu gazu do temperatury ok. 10-15°C i kondensacji zawartej w nim pary wraz z wyprowadzeniem kondensatu z układu instalacji.

Chłodzenie często przeprowadzane jest w nitce gazowej. Instalacja biogazowa wykonywana jest pod odpowiednim kątem nachylenia, dzięki czemu kondensat zbierany jest w specjalnym zbiorniku umieszczonym w najniższym punkcie. Dla polepszenia efektu chłodzenia nitka gazowa prowadzona jest pod ziemią.

Ze względu na to, że powstający kondensat zawiera duże ilości niepożądanych składników, zbiorniki kondensatu muszą być regularnie opróżniane. Dlatego powinien być do nich zapewniony odpowiedni dostęp.

Należy również pamiętać o właściwym ociepleniu tzw. szachtów kondensacyjnych, co ograniczy ryzyko zamarznięcia zbiornika. Innym sposobem osuszania i schładzania biogazu jest zastosowanie chłodnic elektrycznych, które posiadają wyższą wydajność.

Biogazownia i instalacja osuszania biogazu

Cały system instalacji osuszania biogazu projektowany jest indywidualnie pod kątem każdej biogazowni, dlatego ich parametry pracy oraz budowa mogą się różnić w zależności od wymagań danego rodzaju silnika oraz gazu produkowanego w trakcie procesu fermentacji metanowej. Jednak do typowych elementów składających się na instalacje osuszania biogazu zalicza się:

  • system wymienników (wymienniki pojedyncze, wymienniki z dodatkowym rekuperatorem lub wymienniki wyposażone w rekuperator i dodatkowy podgrzewacz),
  • filtr odwadniający,
  • agregat wody lodowej,
  • kolektor zasilający,
  • kolektor wylotowy,
  • czujniki podstawowych parametrów biogazu,
  • konstrukcje nośną lub ramę.

Schładzanie – krok po kroku

W zależności od konstrukcji biogazowni i rozmieszczenia poszczególnych jej elementów pierwszy etap schładzania odbywa się w rurach sieci gazowej, którymi transportowany jest biogaz ze zbiorników gazowych do silnika kogeneracyjnego.

Następnie biogaz o wilgotności względnej ok. 100% trafia poprzez kolektor zasilający do schładzacza górnego (ekonomizera), w którym następuje jego schłodzenie o kilka stopni.

Potem gaz skierowany zostaje do chłodnicy dolnej, gdzie znajduje się wymiennik ciepła „biogaz-woda lodowa”. Na tym etapie następuje schłodzenie gazu do temperatury ok. 10-15°C. Podczas tego etapu następuje jednocześnie kondensacja pary wodnej zawartej w biogazie.

Kondensat spływa po ściankach rur do filtroodwadniacza, a następnie jest usuwany grawitacyjnie do studni kondensatu poprzez zamknięcie hydrauliczne. Kolejnym etapem jest skierowanie biogazu z filtroodwadniacza do zewnętrznej części ekonomizera, gdzie stanowi on medium chłodzące. Jednocześnie zostaje on ogrzany przez gaz nieodwodniony o wyższej temperaturze.

Wpływa to na obniżenie wilgotności względnej biogazu. Ostatnim etapem jest skierowanie biogazu do kolektora wylotowego, a następnie przy wykorzystaniu ssawo-dmuchawy do silników gazowych. Przepływ biogazu przez ssawo-dmuchawę powoduje jego podgrzanie o kilka stopni, co w konsekwencji pozwala dodatkowo obniżyć jego wilgotność względną.

Podsumowanie

Odpowiednie zaprojektowanie i wykonanie instalacji odwadniania i osuszania biogazu ma istotny wpływ na sprawność i żywotność silników kogeneracyjnych w biogazowniach. Prawidłowo funkcjonujący system pozwala obniżyć wilgotność względną biogazu produkowanego w komorach fermentacyjnych oraz dodatkowo usunąć niepożądane składniki biogazu, takie jak: amoniak, siarkowodór i siloksany.

Niemniej równie istotne jest wykonywanie regularnych badań jakościowych biogazu oraz ich prawidłowa interpretacja. Wyniki uzyskiwanych analiz zanieczyszczeń biogazu pozwalają ocenić, czy proces fermentacji metanowej przebiega prawidło, ale również czy mają one wpływ na planowanie budowy i montaż poszczególnych elementów instalacji oczyszczania gazu.

Kamil Kozłowski

Literatura:

Cars A., Ozols J., Vītiņš I. 2012. Getliņi Project, Gas Recovery and Power Production. Eco Getlini.

W innym artykule dowiedzą się Pańswo, jak dobrać kocioł do biogazowni…

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij