Використання та очищення біогазу; Фермерська енергія

Вступ

Біогаз, отриманий в результаті анаеробних процесів травлення, є чистим та екологічно чистим відновлюваним паливом. Але важливо очистити або модернізувати біогаз, перш ніж використовувати його, щоб збільшити його теплоту і зробити його придатним для використання в деяких газових приладах, таких як двигуни та котли.

Використання біогазу

Хоча більшість великих ферм використовують свій біогаз для тепла та електроенергії, варто розглянути всі варіанти, перш ніж вирішити, яким шляхом піти, включаючи прямий продаж біогазу поза покупцеві.

Сирий біогаз для тваринного гною містить від 55 до 65% метану (CH4), від 30 до 45% вуглекислого газу (CO2), сліди сірководню (H2S) і водню (H2), а також фракції водяної пари. Для анаеробного перетравлення мулу або процесів звалища в біогазі також можуть бути знайдені сліди силоксанів. Ці силоксани в основному походять із кремнійвмісних сполук, що широко використовуються в різних промислових матеріалах або часто додаються до споживчих товарів, таких як миючі засоби та засоби особистої гігієни. Ця стаття не стосуватиметься очищення біогазу від силоксанів.

Біогаз приблизно на 20% легший за повітря і має температуру займання в межах від 650 до 750 градусів С. (1200-1,380 градусів за Фаренгейтом). Це газ без запаху і кольору, який горить прозорим синім полум’ям, подібним до природного газу. Однак біогаз має теплотворну здатність 20-26 МДж/м3 (537-700 Бту/фут3) порівняно з комерційною якістю природного газу калорійністю 39 МДж/м3 (1028 Бту/фут3).

Біогаз потенційно може бути використаний у багатьох видах обладнання, включаючи:

Двигун внутрішнього згоряння (поршневий) - генерація електроенергії, потужність валу
Газотурбінний двигун (великий) - генерація електроенергії, потужність на валу
Мікротурбінний двигун (малий) - Виробництво електроенергії
Тепловий двигун Стірлінга - Виробництво електроенергії
Котельні (парові) системи
Системи гарячого водопостачання
Технологічні нагрівачі (печі)
Космічні або повітряні обігрівачі
Газовий охолоджувач - холодильне обладнання
Абсорбційний чилер - охолодження
Комбіноване тепло і електроенергія (ТЕЦ) - великі та малі масштаби - електроенергія та тепло
Паливні елементи - електрична потужність, трохи тепла

Існує цілий ряд кінцевих видів використання біогазу. За винятком найпростіших термічних застосувань, таких як спалювання запаху або деякі типи нагрівання, біогаз перед використанням потрібно очистити або переробити. За умови належного очищення або модернізації біогаз можна використовувати у всіх додатках, розроблених для природного газу.

Трьома основними кінцевими способами використання біогазу є:

виробництво тепла та пари
виробництво електроенергії
транспортне паливо

Виробництво тепла або пари

Найбільш пряме використання біогазу використовується для теплової (теплової) енергії. У районах, де палива мало, невеликі біогазові системи можуть забезпечувати теплову енергію для основного приготування їжі та нагрівання води. Системи газового освітлення також можуть використовувати біогаз для освітлення.

Звичайні газові пальники легко регулюються для біогазу, просто змінюючи співвідношення повітря та газу. Попит на якість біогазу в газових пальниках низький, потрібен лише тиск газу від 8 до 25 мбар і підтримка рівня H2S нижче 100 проміле для досягнення точки роси 150 градусів С.

Виробництво електроенергії або комбіноване тепло і електроенергія (ТЕЦ)

Комбіновані теплоенергетичні системи використовують як енергетичну здатність палива, так і неминуче відпрацьоване тепло. Деякі системи ТЕЦ виробляють насамперед тепло, а електрична енергія є вторинною (цикл видобутку). Інші системи ТЕЦ виробляють переважно електричну енергію, а відпрацьоване тепло використовується для нагрівання технологічної води (цикл доливання). У будь-якому випадку, загальна (комбінована) ефективність енергії та тепла, що виробляється та використовується, дає набагато вищу ефективність, ніж використання палива (біогазу) для виробництва лише енергії або тепла.

Окрім великих початкових вкладень, газові турбіни (мікротурбіни, 25-100 кВт; великі турбіни,> 100 кВт) із порівнянною ефективністю з двигунами із іскровим запалюванням та низьким рівнем технічного обслуговування можуть бути використані для виробництва як тепла, так і енергії. Однак двигуни внутрішнього згоряння найчастіше використовуються лише в ТЕЦ. Використання біогазу в цих системах вимагає видалення як H2S (нижче 100 ppm), так і водяної пари.

Паливні елементи вважаються маломасштабними електростанціями майбутнього для виробництва електроенергії та тепла з ефективністю понад 60% та низьким рівнем викидів. Один з найбільших агрегатів для розпалу/паливних елементів розташований у штаті Вашингтон. Паливна камера, розташована на Південній очисній станції в Рентоні, штат Вашингтон, може споживати близько 154000 футів 3 біогазу на день для виробництва до 1 мегават (1 000 000 Вт) електроенергії. Цього достатньо для живлення 1000 домогосподарств, але замість цього він використовується для роботи станції.

Автомобільне паливо

Бензинові транспортні засоби можуть використовувати біогаз як паливо за умови підвищення біогазу до якості природного газу в транспортних засобах, які були пристосовані до використання природного газу. Більшість транспортних засобів цієї категорії були додатково оснащені бензобаком та системою подачі газу на додаток до звичайної бензинової паливної системи. Однак спеціальні транспортні засоби (з використанням лише біогазу) ефективніші за ці модернізації.

Очищення або модернізація біогазу

Очищення біогазу важливо з двох причин: (1) для підвищення теплової цінності біогазу та (2) для задоволення вимог до деяких газових приладів (двигунів, котлів, паливних елементів, транспортних засобів тощо). Бажані цілі очищення або модернізації біогазу наведені на малюнку 1. "Повна обробка" означає, що біогаз очищається від СО2, водяної пари та інших слідів газів, тоді як "реформування" - це перетворення метану у водень.

Видалення CO2

Для багатьох простих застосувань біогазу, таких як нагрівачі або двигуни внутрішнього згоряння або генераторні системи, видалення вуглекислого газу (CO2) з біогазу не є необхідним, і CO2 просто проходить через пальник або двигун. Для більш вимогливих застосувань біогазу/двигунів, таких як транспортні засоби, що потребують палива з більшою щільністю енергії, CO2 регулярно видаляється. Видалення CO2 збільшує теплоту і призводить до стабільної якості газу, подібної до природного газу. Діоксид вуглецю може бути економічно виведений з біогазу за рахунок поглинання або адсорбції. Мембранні та кріогенні сепарації - інші можливі процеси.