News » Wpływ współspalania gazu składowiskowego na sprawność układu…

Wpływ współspalania gazu składowiskowego na sprawność układu mikrokogeneracyjnego z gazowym silnikiem tłokowym

12 Cze 2017 Możliwość komentowania Wpływ współspalania gazu składowiskowego na sprawność układu mikrokogeneracyjnego z gazowym silnikiem tłokowym została wyłączona Share 'Wpływ współspalania gazu składowiskowego na sprawność układu mikrokogeneracyjnego z gazowym silnikiem tłokowym' on Facebook Share 'Wpływ współspalania gazu składowiskowego na sprawność układu mikrokogeneracyjnego z gazowym silnikiem tłokowym' on Email Share 'Wpływ współspalania gazu składowiskowego na sprawność układu mikrokogeneracyjnego z gazowym silnikiem tłokowym' on Print Friendly

Gaz składowiskowy, będący produktem ubocznym dekompozycji materii na składowisku odpadów, stanowi gaz palny, charakteryzujący się wysoką zawartością metanu w porównaniu z innymi gazami procesowymi. W jego skład wchodzą także substancje inertne i toksyczne, w zmiennych udziałach. Z tego względu jego zagospodarowanie może być obligatoryjne, a energetyczne wykorzystanie może przynieść szereg korzyści. W celu określenia wpływu jego współspalania na pracę układu energetyki rozproszonej, sporządzono matematyczny model układu μCHP z silnikiem tłokowym, który poddano analizie w warunkach zasilania gazem składowiskowym.

Gaz składowiskowy (gaz wysypiskowy, LFG) stanowi lotną mieszaninę związków organicznych i nie-organicznych, będących produktami ubocznymi rozkładu materii na składowisku odpadów. Skład gazu wysypiskowego może się istotnie zmieniać, w zależności od rodzajów składowanych odpadów, udziałów poszczególnych frakcji (szczególnie substancji mineralnej), warunków atmosferycznych oraz czasu rozkładu [1,2]. Analizując wpływ czasu na procesy destrukcji materii, wyróżnia się pięć faz rozkładu odpadów na składowisku [1]. Ponadto, skład gazu jest zależny od głębokości punktu jego poboru na składowisku. Spowodowane jest to dyfuzją tlenu i azotu z powietrza atmosferycznego do warstw przypowierzchniowych. Jednakże, pomimo opisanej zmienności, można stwierdzić, że podstawowymi składnikami gazu są: metan, dwutlenek węgla, azot, tlen, siarkowodór, amoniak i lotne związki organiczne (w tym organiczne pochodne chloru).

Gaz wysypiskowy charakteryzuje się wysoką zawartością metanu w porównaniu z innymi alternatywnymi gazami palnymi, co stanowi o możliwości jego realnego wykorzystania jako paliwa w układach energetyki rozproszonej. Istotny problem technologiczny i ekonomiczny stanowi znaczna zawartość toksycznych związków chemicznych (np. siarkowodoru, amoniaku, siloksanów i związków chloru), których wprowadzenie do układu grozi jego uszkodzeniem, a emisja wiąże się ze znacznymi kosztami. Prowadzi to do konieczności jedno- lub wielostopniowego oczyszczania gazu przed jego wykorzystaniem w układzie energetycznym. Ze względu na zawartość metanu i substancji niebezpiecznych dla środowiska, zagospodarowanie gazu składowiskowego może stanowić obowiązek narzucony prawnie [1,3].

Wykorzystanie LFG w układach energetyki rozproszonej może prowadzić do szeregu korzyści dla lokalnych społeczności, zarządców składowisk odpadów oraz systemu elektroenergetycznego [2]. Podstawową technologią, użytkowaną do pozyskania energii elektrycznej przy wykorzystaniu LFG, stanowią silniki tłokowe. Fakt ten jest spowodowany ich obniżonymi wymaganiami co do jakości paliwa oraz doświadczeniem w zakresie ich eksploatacji z wykorzystaniem paliw alternatywnych.

W niniejszej pracy przeanalizowano wpływ współspalania gazu składowiskowego w układzie kogeneracyjnym, opartym o gazowy silnik tłokowy, na sprawność konwersji energii. Dla celów porównawczych, przeanalizowano kilka wariantów zasilania układu, ze zmiennym udziałem gazu składowiskowego w mieszance paliwowej.

Matematyczny model układu

W celu przeprowadzenia analizy, przy pomocy środowiska EBSILON® Professional 12.0 przygotowano matematyczny model układu CHP z silnikiem tłokowym.

Przygotowany model reprezentuje uproszczony układ przystosowany do wytwarzania energii elektrycznej oraz wody na potrzeby sieci ciepłowniczej. Na układ składają się: moduł gazowego silnika tłokowego, wyposażony w dwa wymienniki ciepła, dedykowane do wytwarzania gorącej wody; prądnicy; doprowadzenia gazu składowiskowego; doprowadzenia gazu ziemnego; mieszalnika paliwa; odprowadzenia spalin; rozdzielacza wody powrotnej z sieci c.o. oraz mieszalnika wody zasilającej sieć c.o. W celu uwiarygodnienia modelu, parametry modułu silnika tłokowego skonfigurowano na podstawie danych komercyjnie dostępnego silnika, przystosowanego do spalania paliw alternatywnych. Schemat przygotowanego modelu przedstawiono na rys. 1.1.

Rys.1

Rys. 1.1 Schemat modelu układu; 1 – wlot powietrza, 2 – doprowadzenie gazu składowiskowego, 3 – doprowadzenie gazu ziemnego, 4 – wylot spalin, 5 – doprowadzenie wody z sieci c.o., 6 – wyprowadzenie wody do sieci c.o., a – mieszalnik paliwa, b – rozdzielacz wody powrotnej, c – mieszalnik wody zasilającej, S – moduł silnika tłokowego, G – moduł prądnicy.

W celu przeprowadzenia analizy układu, dokonano szeregu założeń. Składy chemiczne obu dostarczonych do układu paliw gazowych zostały przyjęte zgodnie z tab. 1.

Tab.1

Tab. 1. Skład paliw gazowych, przyjęty w dalszej analizie [1,4]

Należy nadmienić, że przyjęty skład gazu składowiskowego charakteryzuje się wysokim udziałem metanu, osiąganym jedynie w składowiskach, wykorzystywanych przez okres między 10 a 20 lat [1]. Założony skład gazu ziemnego stanowi typowy skład gazu wysokometanowego, dostępnego w gazociągu systemowym [4]. Założono, że oba paliwa nie zawierają wilgoci. Przyjęto także, że znajdują się one w temperaturze T=25°C i pod ciśnieniem p=101,3kPa.

Założono, że do silnika doprowadzone jest powietrze atmosferyczne, o temperaturze Ta=25°C i ciśnieniu pa=101,3kPa oraz wilgotności względnej φa=0,3. Przyjęto ponadto, że stosunek nadmiaru powietrza w mieszance paliwowo-powietrznej utrzymywany jest na stałym poziomie, a jego wartość oszacowano na podstawie parametrów pracy silnika w punkcie nominalnym i przyjęto równą λ=1,45. Założono, że strumień masowy paliwa gazowego, doprowadzonego do silnika z mieszalnika jest stały i wynosi f=0,287kg/s, co odpowiada strumieniowi gazu ziemnego w nominalnym punkcie pracy silnika. Przyjęto ponadto, że sprawność wytwarzania energii elektrycznej w silniku jest stała i równa sprawności nominalnej, tj. ηe=0,387. Założono, że układ wytwarzania gorącej wody na potrzeby c.o. podlega regulacji ilościowej, a parametry wody (temperatura doprowadzenia do układu: Tw,i=70°C, temperatura wyprowadzenia: Tw,o=105°C, ciśnienie: pw=150kPa) są stałe.

Zestawienie dokonanych założeń przedstawiono w Tab. 2.

Tab.2Tab.2

Tab. 2. Podsumowanie dokonanych założeń

W celu analizy wpływu współspalania gazu składowiskowego na sprawność modelowanego układu, założono, że parametry charakterystyczne układu zostaną wyznaczone w trzech punktach pracy, różniących się udziałem masowym gazu składowiskowego w mieszance paliwowej. Przyjęto, że udział LFG w kolejnych punktach będzie wynosił odpowiednio: 0,25; 0,50 oraz 0,75. W celu odniesienia otrzymanych rezultatów do stanu nominalnego, przeprowadzono również obliczenia dla przypadku zasilania układu wyłącznie gazem ziemnym.

W każdym z określonych punktów pracy, wyznaczono moc elektryczną na zaciskach generatora, a także moc cieplną układu (obliczoną jako iloczyn strumienia masowego wody grzewczej oraz różnicy entalpii wody zasilającej  i powrotnej; wg równania (1)), a także całkowity strumień energii chemicznej doprowadzony do silnika. Na podstawie powyższych danych obliczono wskaźnik EUF, reprezentujący sprawność układu kogeneracyjnego, obliczony wg wzoru (2), gdzie: – oznacza zmierzoną moc elektryczną,  – moc cieplną układu, – strumień energii chemicznej paliwa. Ponadto, w każdym punkcie pracy określono temperaturę spalin wylotowych oraz udział wybranych substancji, przeliczony na spaliny suche.

tab.3

W tab. 3 zaprezentowano podsumowanie wielkości wyznaczonych oraz obliczonych na podstawie rezultatów analizy.

Tab.3.3

Tab. 3. Zestawienie wielkości wyznaczonych i obliczanych

Rezultaty analizy

Rezultaty przeprowadzonej analizy przedstawiono w tab. 4.

tab.4.1

Tab. 4. Zestawienie rezultatów analizy

Wykres zależności wartości wskaźnika EUF od udziału gazu składowiskowego w mieszance paliwowej przedstawiono na rys. 2.1. Na rys. 2.2 przedstawiono zależność temperatury wylotowej spalin oraz udziałów: CO2, O2, i N2 w spalinach w funkcji udziału gazu wysypiskowego w mieszance.

rys.2.1

Rys. 2.1. Zależność wartości wskaźnika EUF w funkcji udziału LFG w mieszance paliwowej

2.2

Rys. 2.2. Zależność temperatury spalin i udziałów substancji w spalinach w funkcji udziału LFG w mieszance paliwowej

Wnioski

Rezultaty przeprowadzonej analizy wskazują, że wzrost udziału gazu składowiskowego w mieszance paliwowej skutkuje wzrostem sprawności wykorzystania energii chemicznej paliwa, reprezentowanym przez wskaźnik EUF (rys. 2.1). Ponadto, zwiększenie udziału paliwa alternatywnego powoduje obniżenie temperatury spalin na wylocie z układu (rys. 2.2). Jednocześnie, wzrost udziału LFG nie wpływa na zmianę mocy elektrycznej i cieplnej układu. Zestawienie tych dwóch obserwacji pozwala stwierdzić, że obserwowany wzrost sprawności spowodowany jest znacznym obniżeniem strumienia energii chemicznej, dostarczanej do układu w kolejnych punktach pracy, czego dowodzą wartości zebrane w tab. 4.

Analizując rezultaty analizy dla punktu nominalnego pracy, należy zauważyć, że silnik wykazuje relatywnie niską sprawność konwersji energii dla układu CHP (EUF=0,6). Można stwierdzić, że obserwowany w kolejnych punktach pracy wzrost sprawności układu spowodowany jest obniżeniem straty wylotowej, poprzez redukcję temperatury spalin opuszczających modelowany układ przy znacznej elastyczności pracy modułu silnika tłokowego. Należy nadmienić, iż założona stała wartość sprawności wytwarzania energii elektrycznej przyczynia się do obserwowanego wzrostu sprawności. Stanowi to jednak istotne uproszczenie i nie ma miejsca w rzeczywistych układach.

Widoczny wzrost udziału dwutlenku węgla w spalinach, przy jednoczesnym spadku stężenia tlenu i azotu spowodowany jest doprowadzeniem paliwa o wzrastającym udziale dwutlenku węgla oraz malejącym udziałem metanu, co skutkuje obniżeniem strumienia powietrza, dostarczanego do silnika. Wpływ obecności śladów innych substancji palnych, dostarczonych wraz z gazem składowiskowym, nie wpływa istotnie na wymagany strumień powietrza.

Współspalanie gazu składowiskowego w układzie kogeneracyjnym, opartym o gazowy silnik tłokowy, prowadzi do wzrostu sprawności konwersji energii chemicznej paliwa w tym układzie, jeżeli współspalaniu towarzyszy istotna redukcja straty wylotowej (obniżenie temperatury spalin). Należy nadmienić, iż zagospodarowanie gazu składowiskowego może stanowić obowiązek sankcjonowany prawnie, a cena jego zakupu może być znacznie niższa od ceny gazu ziemnego. Ze względu na występujące w tym gazie toksyczne substancje chemiczne, wymagane jest jego oczyszczanie, co może przyczynić się do obniżenia rentowności inwestycji w układy nim zasilane.

Literatura

[1] Ocieczek L., Mniszek W., Analiza możliwości energetycznego wykorzystania biogazu składowiskowego ze składowiska odpadów komunalnych w Dąbrowie Górniczej; [w:] Zeszyty naukowe Wyższej Szkoły Zarządzania Ochroną Pracy w Katowicach, Wydawnictwo WSzOP, nr 1(6)/2010, s.80-99

[2] An Overview of Landfill Gas Energy in United States [dostęp dn.: 19.10.2016r], https://www.epa.gov/lmop/overview-landfill-gas-energy-united-states

[3] Landfill Gas Control – Guidance on the landfill gas control requirements of the Landfill Directive [dostęp dn.: 19.10.2016r], http://ec.europa.eu/environment/waste/landfill/pdf/guidance%20on%20landfill%20gas.pdf

[4] Gaz ziemny wysokometanowy typu E, opis produktu PGNiG Obrót Detaliczny Sp. z o.o., [dostęp dn. 19.10.2016r]; http://www.pgnig.pl/czym-jest-gaz-ziemny

[5] Willumsen H.C., Energy recovery from landfill gas in Denmark and worldwide [dostęp dn. 26.10.2016r], http://www.lei.lt/Opet/pdf/Willumsen.pdf

[6] Chin J., Waste in Asia. Issues for responsible investors, [dostęp dn. 26.10.2016r], http://www.sustainalytics.com/sites/default/files/waste_in_asiaissues_for_responsible_investors.pdf

Autor: inż. Krzysztof Grzywnowicz, Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, e-mail: grzywnowicz.krzysztof@gmail.com

 

Wpis został opublikowany 12 Cze 2017 w następujących kategoriach: News, Polecamy. Możesz śledzić komentarze przez RSS. Komentowanie i korzystanie z trackbacków zabronione.

Reklama

Wspieramy

Newsletter

Warto zobaczyć