Zespoły prądotwórcze napędzane gazem z biomasy wysypisk komunalnych

Wydobywane ze składowisk komunalnych gazy zawierają przeciętnie: 40–65% metanu, 30–45% dwutlenku węgla, 3–18% azotu oraz 0,5–3% tlenu [1]. Gazy te wykazują wartość opałową wynoszącą około 4,5–5,0 kWh/m³.

Zgodnie z danymi doświadczalnymi dotyczącymi eksploatacji instalacji gazowych na wysypiskach komunalnych krajów Unii Europejskiej energetyczne wykorzystanie gazu uzasadnione jest wtedy, kiedy na planowanym do odgazowania wysypisku deponuje się co najmniej 100 tys. ton degradowalnych odpadów w ciągu roku. Wynika z tego, że w każdym dniu roboczym powinno być deponowane (składowane) ok. 400 ton komunalnych odpadów w okresie 250 dni roboczych w roku.

Na rysunku 1 pokazano przestrzenne (aksonometryczne) rozplanowanie podstawowych instalacji i urządzeń zespołów prądotwórczych z wykorzystaniem energii elektrycznej i cieplnej wytwarzanej w silnikach gazowych, zblokowanych z generatorami prądu na terenie wysypiskakomunalnego.

Silniki na paliwo gazowe z wysypisk

W instalacjach aktywnego odgazowania wysypisk eksploatuje się następujące silniki gazowe do napędu zespołów prądotwórczych.

Silniki gaźnikowe typu Otto

W tych silnikach biogaz tłoczony jest rurociągiem ze studni wydobywczych gazu wysypiska bezpośrednio do urządzenia gaźnikowego, gdzie wytwarzana jest mieszanka powietrzno-gazowa. Przy czym gaz wysypiskowy jest odpowiednio oczyszczony, a zasysane do gaźnika powietrze pozbawiane jest pyłu na filtrze silnika. Powstała mieszanka zasysana jest do cylindrów silnika z zapłonem iskrowym, generowanym z akumulatora. Stosuje się zwykle tłokowe silniki gazowe 4- i 2-suwowe. Silniki 2-suwowe stosowane są tylko w zakresie dużych mocy mechanicznych. Mogą być dodatkowo wspomagane gazem ziemnym, gdy gaz wysypiskowy wykazuje zmniejszone parametry wartości opałowej, np. gdy zawartość metanu w gazie jest mniejsza od 40% objętości.

Wysokoprężne silniki gazowe typu Diesel

Stosowane są przede wszystkim na dużych wysypiskach komunalnych, na których deponuje się docelowo ponad 1,5 mln ton odpadów podczas 20-letniej eksploatacji wysypiska. Porównując z silnikami Otto, zapłonowa mieszanka gazu wysypiskowego z powietrzem w silnikach Diesla nie jest spalana przy pomocy zapłonu iskrowego, tylko za pomocą wtrysku specjalnego oleju zapłonowego. Ilość tego oleju wynosi ok. 5–10% ilości normalnego oleju zapłonowego. Sprawność mechaniczna silników Diesla jest dużo wyższa od sprawności silników Otto. W przypadkach spadku jakości gazu wysypiskowego silniki Diesla przełącza się na eksploatację olejem napędowym.

Turbiny gazowe

Stosowane w energetyce cieplnej, mają ograniczone zastosowane, tylko na bardzo dużych wysypiskach o pojemności powyżej 3 mln ton OK (odpadów komunalnych), przy czym gaz wysypiskowy musi być sprężany do 15 barów. Mieszanka gazowo-powietrzna spalana jest w specjalnych komorach wysokociśnieniowych. Sprawność mechaniczna tych turbin wynosi ok. 25% i jest mniejsza od sprawności osiąganych w ww. silnikach gazowych. Poza tym turbiny wymagają ciągłej specjalistycznej konserwacji. Awaryjne wyłączanie turbin z eksploatacji zwiększa znacznie koszty wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej.

Charakterystyki techniczne wybranych biogazowych zespołów prądotwórczych

Zespół prądotwórczy „PZL-Wola” SA o mocy elektrycznej 180 kW

Stosowany jest silnik gazowy zblokowany z prądnicą. Jest to silnik sześciocylindrowyz zapłonem iskrowym, doładowany turbosprężarką z chłodnicą sprężonej mieszanki paliwowej, o pojemności skokowej 13,3 dm3. Paliwem jest gaz wysypiskowy o wartości opałowej ok. 17 MJ/m³ (50% CH4) i gaz ziemny o wartości opałowej ok. 35 MJ/m³ (zużycie gazu wysypiskowego – ok. 117 m³/h, gazu ziemnego – ok. 61 m³/h). Temperatura spalin wynosi ok. 520°C. Prądnica asynchroniczna trójfazowa o mocy 180 W, napięciu 230/400 V, współpracująca z siecią energetyczną 400/230 V, 50 Hz.

Agregat prądotwórczy typu Abd3042 L1 z kogeneracją energii z gazu wysypiskowego CES-Kraków

Wykorzystuje silnik gazowy Otto 4-suwowy z turbodoładowaniem, 12-cylindrowy z zapłonem iskrowym. Moc silnika – 335 kW, zużycie gazu wysypiskowego – 235 m³/h, minimalna wartość opałowa gazu – 4 kWh/m³, zawartość metanu w gazie 40–60% obj. Prądnica synchroniczna, zblokowana z silnikiem o mocy znamionowej 440 kVA, 50 Hz, 1500 obr./min [2], [5].

Gazowe moduły prądowo-cieplne Jenbacher

• Na biogaz Leanox (biogaz ubogi: CH4 ? 35% obj.) – moduły 1500 obr./min [7].
• Typ modułu – JMS 208 GS-BL.
• Moc mechaniczna – 342 kW wg standardów ISO.
• Moc elektryczna wyjściowa – 330 kW, przy cos ? = 1 (prąd stały).
• Moc cieplna wyjściowa – 340 kW (przy temperaturze gazów spalinowych 180°C).
• Sprawność mechaniczna – 40,14%, elektryczna – 38,74%, cieplna – 39,91%.
• Temp. mieszanki powietrzno-gazowej – 50°C.
• Liczba metanowa gazu – 100.
• Gazowe agregaty prądotwórcze dostosowane są do poniższych danych:
• Wartość opałowa gazów – od 0,5 do 30 kWh/m3 gazu.
• Zachowanie elastyczności pracy – od 100 do 50% (nawet do 30%) obciążenia nominalnego.
• Przebieg pracy do remontu kapitalnego – 60 000 godzin.
• Dyspozycyjność pracy silnika – 8000 godzin w ciągu roku.
• Wysoka sprawność elektryczna agregatu – 38%, cieplna – 42%.
• Ogólna sprawność agregatu > 88%.
• Hałas 65 dBA w odległości 10 m od agregatu.

Specjalnością firmy Jenbacher są silniki gazowe pracujące na ubogich mieszankach gazowych (o wartościach opałowych pow. 0,5 kWh/m³ gazu).

Parametry gazów wysypiskowych wykorzystywanych do napędu zespołów prądotwórczych

• Zawartość metanu – minimum 40% objętości, maksymalnie 65% obj.
• Liczba metanowa charakteryzująca odporność silników na tzw. stukanie – 120–140.
• Podciśnienie gazu zasysanego ze złoża odpadów – minimum 50 mbarów, maksymalnie 80 barów.
• Prędkość zasysania gazu w pionowych studniach wydobycia gazu – ≤ 1 m/s.
• Ilość gazu zasysanego ze złoża odpadów do studni wydobywczej nie powinna przekraczać 2,5 m³/m wysokości (głębokości) studni. Dla maksymalnie 30 m głębokości studni można uzyskać maksymalnie 75 m³ gazu/godz.
• Dopuszczalne stężenie kondensatów wodnych w gazie – ≤ 25 g/m³ gazu.
• Rurociągi aktywnego odgazowania stosowane w instalacjach gazowych wysypisk powinny być tak rozplanowane, aby prędkość przepływu gazu po uwzględnieniu oporów tarcia nie przekraczała 6 m/s [8].
• Wymagania dotyczące podstawowych właściwości gazu wysypiskowego wykorzystywanego w celach energetycznych silników gazowych wykazano w tabeli 1. Natomiast w tabeli 2 określono szczegółowo skład gazu analizowanego na konkretnym wysypisku.

Wnioski

Przedstawione w artykule parametry techniczno- eksploatacyjne zespołów prądotwórczych eksploatowanych obecnie w instalacjach gazowych wysypisk oraz wykazane podstawowe wymagania dotyczące składu, jakości i właściwości energetycznych danych gazów wysypiskowych mogą być wykorzystywane do:

•  planistycznych opracowań dotyczących energii odnawialnej,
• inwestycyjnych programów gospodarki odpadami komunalnymi,
• projektowania wariantowych koncepcji doboru zespołów prądotwórczych w instalacjach aktywnego odgazowania wysypisk z energetycznym wykorzystaniem biomasy złoża odpadów.

Literatura

1.  Mook K., Umat-Deponiegas, Hanau 2004.
2. Stępniak S., Energia z gazu wysypiskowego, „Przegląd Energetyczny” nr 3/2004.
3. Stępniak S., Energetyczne efekty osiągane z biogazu wysypisk komunalnych na przykładach z Niemiec, „Przegląd Energetyczny” nr 1/2005.
4. Zespoły prądotwórcze, folder zakładów mechanicznych PZL-WOLA S.A., Warszawa 2004.
5. Moduły kogeneracji na bazie silników gazowych, folder Centrum Elektroniki Stosowanej, Kraków 2004.
6. Folder fabryki silników gazowych MAN/Gesco SC, Warszawa 2005.
7. Silniki gazowe, folder firmy Jenbacher AG, KWE Sp. z o.o., Bielsko-Biała 2004.
8. Folder PRO2, Lipsk.
9. TA-Luft/TA-SIEDLUNGSABFALL, Bundesanzeiger, Berlin 1993.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!