Serwis biogazowni – lepiej zapobiegać niż leczyć cz.2

Pozyskiwanie biogazu oraz jego wykorzystanie w wysokosprawnej kogeneracji energii elektrycznej i ciepła przy udziale agregatu prądotwórczego daje wymierne korzyści, należy jednak pamiętać, że surowiec wykorzystywany jako paliwo w jednostkach prądotwórczych musi spełniać ściśle określone kryteria jego utylizacji, zgodne z wytycznymi producenta jednostki zawartymi w dokumentacji DTR agregatu.

Określenie wartości energetycznej surowca oraz poziomu zanieczyszczeń wraz z klasyfikacją biogazu stanowi istotną informację, na podstawie której możliwe staje się określenie jakości surowca, jakim dysponujemy. Ponadto pozwala stwierdzić czy proces fermentacji metanowej przebiega poprawnie oraz (w niektórych przypadkach) określa harmonogram obowiązkowych przeglądów serwisowych. W tabelach nr 1 i 2 przedstawiono szczegółowe wytyczne dotyczące jakości gazu pędnego podawanego na agregat dla jednostek prądotwórczych wiodących europejskich producentów. Badania surowca są obowiązkowe na etapie rozruchu biogazowni, o czym niewielu eksploatatorów pamięta, narażając się tym samym na dodatkowe wyjaśnienia i wymagania ze strony serwisu odpowiedzialnego za prawidłową eksploatację jednostki prądotwórczej.

Biogaz wykorzystywany jako paliwo musi spełniać ściśle określone kryteria jego utylizacji, zgodne z wytycznymi producenta zawartymi w DTR agregatu, gdzie bardzo szczegółowo opisano parametry biogazu dopuszczające surowiec do bezawaryjnej eksploatacji na danym typie agregatu. Co więcej wytyczne te kwalifikują biogaz jako paliwo danej kategorii: low, medium lub high. Kwalifikacja ta ma bezpośredni wpływ na czas pracy silnika pomiędzy obowiązkowymi przerwami technicznymi, wykazując jednocześnie pośredni, ekonomiczny charakter związany kosztochłonnością serwisu, wymianą eksploatowanych części czy oleju smarnego. Częstość obowiązkowego, technicznego serwisowania agregatu zależy głównie od producenta jednostki prądotwórczej, niemniej jednak większość producentów deklaruje, iż obowiązkowa przerwa techniczna powinna być wykonywana zgodnie z harmonogramem serwisowania, a musi być poprzedzona kompletnym badaniem biogazu wykonywanym raz na każde 4 miesiące nieprzerwanej pracy agregatu. W niektórych przypadkach okres obowiązkowej przerwy technicznej uzależniony jest w dużej mierze tylko od jakości surowca podawanego na silnik, odpowiednio wg poniższego zestawienia: low: obowiązkowy serwis co 2 tys. godzin pracy agregatu, medium: obowiązkowy serwis co 4 tys. godzin pracy agregatu, high: obowiązkowy serwis co 6 tys. godzin pracy agregatu.

Badania surowca są obowiązkowe na etapie rozruchu biogazowni, o czym niewielu eksploatatorów pamięta, narażając się tym samym na dodatkowe wyjaśnienia i wymagania ze strony serwisu

Tab.1.

Tab. 2.

Warto pamiętać, że oprócz swoich właściwości energetycznych, biogaz charakteryzuje się bardzo złożoną matrycą organiczną. Zawartość mniej lub bardziej problematycznych związków w biogazie pozostawia po sobie ślad w postaci zmniejszenia efektywności pracy agregatu, skrócenia czasu pomiędzy obowiązkowym serwisem czy przestojów w pracy instalacji wynikających z konieczności wymiany części wewnętrznych instalacji czy agregatu. Matryca biogazu zawiera w swoim składzie ponad 400 różnych związków pochodzenia organicznego – od prostych węglowodorów po skomplikowane pochodne terpenów. Z drugiej strony, obecność związków chemicznych, takich jak: siarkowodór, amoniak, chlorowcopochodne (halogeny), mgła olejowa (OM), silany, metylosiloksany czy trimetylosilanol ma istotny wpływ na wydajność produkcji energii z biogazu i koszty związane z serwisowaniem jednostki.

Zdecydowana większość organicznych zanieczyszczeń obecnych w biogazie powstaje w skutek rozkładu substancji zawartych w materii organicznej oraz charakteryzuje się różną polarnością, rozpuszczalnością w wodzie, lotnością czy prężnością par, co stwarza szczególne trudności podczas ich kontroli, oznaczania czy usuwania. Dlatego dobór odpowiedniego laboratorium analizującego biogaz odgrywa istotną rolę. Należy upewnić się, czy otrzymane wyniki badań będą wyrażone w takich samych jednostkach, jak zalecane przez producenta, co znacznie ułatwia interpretację jakości surowca przez serwis oraz zapewni komparatywne zestawienie jakości własnego biogazu ze składem i limitami zanieczyszczeń dopuszczonymi przez producenta agregatu.

Szczegółowa analiza biogazu jest niezastąpionym narzędziem pozwalającym na precyzyjny dobór parametrów technologicznych podczas planowania i efektywnej eksploatacji elementów instalacji do oczyszczania biogazu tj. dobór osuszacza, parametrów filtra węglowego czy filtra do usuwania siarkowodoru. Na etapie analitycznym można określić jakość gazu oraz dobrać parametry złoża wraz z oszacowaniem czasu jego efektywnej pracy.

Istotny problem niedotrzymania jakości biogazu jest związany z obecnością w gazie lotnych związków krzemu. To siloksany stwarzają bardzo poważne problemy operatorom agregatów prądotwórczych. Podczas utylizacji biogazu w komorze spalania agregatu zachodzi szereg reakcji chemicznych z udziałem lotnych związków krzemu – główną jest reakcja utleniania, w której produktem końcowym jest mikrokrystaliczny tlenek krzemu (IV), potocznie nazywany depozytem silnikowym lub nagarem. Mikrokrystaliczny depozyt pochodzący z komory spalania w składzie oprócz zdecydowanej przewagi SiO2 charakteryzuje się obecnością innych pierwiastków, takich jak: wapń, magnez, żelazo, bizmut, cynk pochodzących ze współspalania oleju silnikowego czy siarka będąca efektem wysokiego stężenia siarkowodoru w biogazie. Większość depozytów silnikowych posiada białą lub lekko szarą barwę. Struktura morfologiczna powierzchni jest różna, w zależności od miejsca jego powstawania. Wyróżniamy depozyty o różnych strukturach fizycznych – od idealnie gładkiej przez gronową, aż do całkowicie niejednorodnej. Mikrokrystaliczny SiO2 w swojej różnorodnej postaci idealnie pokrywa wewnętrzne części silnika, niekiedy kilkumilimetrową trudną do usunięcia warstwą. Tendencja do tworzenia się cienkiej warstwy mikrokrystalicznego zależy głównie od wewnętrznej temperatury w komorze spalania, ciśnienia wewnątrz komory, użytego katalizatora czy typu powierzchni narażonej na adhezję. Ponadto warstwa mikrokrystalicznego SiO2 osadzona na wewnętrznych częściach agregatu działa dodatkowo jak izolator, uniemożliwiając prawidłowe jego chłodzenie, co w konsekwencji powadzi do przegrzewania się elementów pracującego silnika. Najbardziej narażone na działanie mikrokrystalicznego osadu to: komory spalania, zawory, gniazda zaworów, korony cylindrów, ściany cylindrów, korony tłoków oraz panewki – są to jednocześnie najgorętsze części pracującego silnika. W tym samym czasie inne zanieczyszczenia obecne w biogazie, takie jak: mgła olejowa, halogeny, siarkowodór czy amoniak rozpuszczają się w wilgoci obecnej w biogazie, tworząc organiczne i nieorganiczne kwasy (H2Saq, HClaq, HFaq), które obecne w oleju silnikowym powodują drastyczne obniżenie jego właściwości smarnych, skracając interwały wymian. Mikrokrystaliczny depozyt pochodzący z biogazowego silnika wraz z jego analizą SEM-EDX przedstawiono na rysunku nr 1.

Rys.1. Mikrokrystaliczny depozyt silnikowy.

Wykonywanie badań jakościowych własnego biogazu oraz nauka ich właściwej interpretacji podnoszą świadomość w zakresie wykorzystania surowca oraz eksploatacji agregatu, na którym pracujemy. Komplet analiz zanieczyszczeń biogazu pozwala na diagnozę kondycji procesu fermentacji oraz dostarcza niezbędnych informacji, mających istotny wpływ przy planowaniu budowy i montażu elementów instalacji oczyszczania biogazu. Podsumowując, tylko kompletne zgodne z DTR agregatu badania oraz wyniki przeprowadzonych analiz wyrażone w odpowiednich jednostkach są dla serwisu dowodem na dotrzymanie norm jakościowych surowca podawanego na silnik.

Autor: Grzegorz Piechota, G.P. CHEM

Artykuł został opublikowany w „Magazynie Biomasa”, maj 2016 r.

Zdjęcie: pbsprojekt.cz, G.P. CHEM