Характеристики компонентов биогаза

Показатели	СН₄	СО₂	N₂	O₂	H₂	CO	H₂S
Молекулярная масса, кг/кмоль	16,04	44,011	28,013	32,00	2,016	28,011	34,08
Молекулярный объем, м³/кмоль	22,38	22,262	22,395	22,393	22,425	17,609	22,14
Плотность при 0°С и 101,3 кПа, кг/м³	0,717	1,977	1,251	1,429	0,900	1,25	1,536
Относительная плотность по воздуху	0,554	1,529	0,968	1,105	0,070	0,967	1,188
Низшая теплота сгорания, МДж/м³	35,76	–	–	–	10,83	12,68	23,65
Высшая теплота сгорания, МДж/м³	40,16	–	–	–	12,80	12,68	25,85
Число Воббе низшее, МДж/м³	48,23	–	–	–	41,03	12,9	21,70
Число Воббе высшее, МДж/м³	53,30	–	–	–	48,49	12,9	23,72
Теоретически необходимое количество воздуха для горения, м³/м³	9,52	–	–	–	0,5	2,38	2,38
Жаропроизводительность, °С	2045	–	–	–	2210	2370	–
Пределы воспламенения при содержании горючих газов в смеси с воздухом при н.у.
нижний, % об.	5,0	–	–	–	4,0	12,5	4,3
верхний, % об.	15,0	–	–	–	75,0	74,0	45,5
Температура воспламенения в смеси с воздухом, °С	545	–	–	–	510	610	290

Поскольку азот, кислород, водород и другие примеси содержатся в большинстве биогазов в малом количестве, и предполагается очистка газа от сероводорода, основные характеристики можно выразить в виде простых соотношений при допущении, что смесь состоит лишь из метана и диоксида углерода. Если объемное соотношение СО₂ обозначить х, то содержание СН₄ выразится величиной (1 – х). Тогда плотность биогаза, кг/м³, при нормальных условиях можно определить как:

. (3.1)

Относительная плотность по воздуху

. (3.2)

Зависимости нормальной и относительной плотности биогаза от содержания метана представлены на рис. 3.2.

r, кг/м³; d

СН₄, % об

Рис. 3.2. Плотность биогаза: а – при нормальных условиях; б – относительная по воздуху

Низшая теплота сгорания, МДж/м³ при нормальных физических условиях без учета теплоты от конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров, определится как:

. (3.1)

Высшая теплота сгорания биогаза, МДж/м³, (с учетом теплоты, выделяющейся при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания):

. (3.2)

Зависимость низшей и высшей теплоты сгорания биогаза от процентного содержания метана приведена на рис. 3.3.

СН₄, % об.

Q_н, Q_в, МДж/м³

Рис. 3.3. Высшая (1) и низшая (2) теплота сгорания биогаза

В большинстве тепловых установок теплота от конденсации водяных паров, входящих в состав продуктов сгорания, не используется, и расчёты ведутся на низшую теплоту сгорания. Однако при контактном нагреве воды в специальных контактных теплообменниках, где горячие продукты барботируют через нагреваемую воду, возможно полное использование высшей теплоты сгорания газа.

Концентрационные пределы воспламеняемости (взрываемости) газов характеризуют способность смесей горючего газа с окислителем в определенных пропорциях воспламеняться или взрываться. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний – максимальному процентному содержанию газа в газовоздушной смеси, при котором возможно воспламенение смеси и самопроизвольное распространение пламени.

Существование пределов воспламеняемости вызвано теплопотерями в окружающую среду при горении газа. Если содержание горючего газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости (бедная газовоздушная смесь), подожженная смесь воспламеняться, гореть и взрываться не может, т.к. выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты недостаточно для подогрева смеси до температуры воспламенения. Если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости (богатая газовоздушная смесь), то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа и, следовательно, выделяющееся количество теплоты ниже теплового эффекта реакции полного сгорания, так что горение может продолжаться при наличии постоянного источника поджигания, а при удалении его прекращается.

Если содержание газа в смеси с воздухом находится в диапазоне между пределами воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является горючей и взрывоопасной.

Значения пределов воспламеняемости смеси биогаз-воздух, % по объему, можно определить из соотношения:

(3.3)

где l _бг – верхний или нижний предел воспламеняемости биогаза, %; – верхний или нижний предел воспламеняемости метана в смеси с воздухом, %; х – доля балластных примесей в биогазе; а – коэффициент воспламеняемости: для нижнего предела а = 1,12; для верхнего а = 0,7.

Воспламенение смеси биогаз-воздух возможно при содержании метана в биогазе не менее 23,5% по объёму.

Изменения в составе газа влияют и на устойчивость горения, которая тесно связана со скоростью распространения пламени. Нормальная скорость распространения пламени – это скорость, отнесенная к холодной, еще не воспламенившейся смеси, с которой пламя перемещается по нормали к ее поверхности. Для биогазов скорость распространения пламени, см/с, можно найти как:

(3.4)

где СН₄ – содержание метана в биогазе, % об.

Нормальная скорость распространения пламени биогазов изменяется в диапазоне 19-28 см/с, это влечет за собой уменьшение скорости, при которой происходит отрыв пламени, почти вдвое по сравнению с природным газом. Поэтому при сжигании биогазов требуется применение надёжных методов стабилизации пламени.

3.3.2 Расчёты горения биогаза

Горение метана в воздухе описывается уравнением:

. (3.5)

На основе этого уравнения с учетом доли СО₂ в биогазе определяются потребность в воздухе для горения, количество и состав продуктов сгорания.

Теоретический расход сухого воздуха, м³/м³:

. (3.6)

Изменение расхода воздуха для сжигания биогазов при различных значениях коэффициента a показано на рис. 3.4.

a = 1 (L_Т)

a = 1,05

a = 1,3

a= 1,5

L_т, м³/м³

a= 1,2

a = 1,1

СН₄,% об.

Рис. 3.4. Расход сухого воздуха для сжигания биогаза при различных коэффициентах избытка воздуха

Объем влажных продуктов сгорания, м³/м³:

. (3.7)

Объем сухих продуктов сгорания равен нормальному объему продуктов сгорания 1 м³ газа после конденсации водяных паров:

. (3.8)

При сжигании биогаза с коэффициентом избытка воздуха a содержание СО₂ в сухих продуктах сгорания, % об.:

. (3.9)

Максимальное процентное содержание углекислого газа в сухих продуктах сгорания, % об.:

. (3.10)

Зависимости содержания СО₂ в продуктах сгорания биогаза от процентного содержания метана при содержании азота в биогазе 2 % по объему представлены на рис. 3.5.

CН₄, %

a = 1,6

a = 1,3

a = 1,0

СО₂,%

Рис. 3.5. Содержание СО₂ в сухих продуктах сгорания для газа, состоящего из смеси СН₄ и СО₂ с 2 % содержанием N₂ при различных a

3.3.3. Взаимозаменяемость биогаза и природного газа

Взаимозаменяемость газов – это возможность устойчивого сжигания их в тепловых установках и приборах без изменения конструкции газогорелочных устройств при сохранении номинальной тепловой мощности. Устойчивая работа газогорелочных устройств характеризуется работой горелок без отрыва и проскока пламени при полноте сгорания газа, близкой к 100 %. Такая работа горелок допускается при поддержании постоянства теплоты сгорания, скорости распространения пламени и других характеристик сжигаемого газа. Первые два показателя характеризуют тепловой поток в газогорелочном устройстве. Зависимость между теплотой сгорания газа и его плотностью характеризуется числом Воббе Wo.

Число Воббе низшее Wo _н или высшее Wo _в, МДж/м³, характеризует тепловую мощность и аэродинамические параметры горелки при постоянном давлении и определяется по формулам:

(3.11)

(3.12)

где – низшая и высшая теплота сгорания соответственно; d – относительная плотность газа по воздуху.

Горючие газы считаются взаимозаменяемыми, если число Воббе отличается не более чем на ± 5 %, а скорости распространения пламени близки.

Для биогазов низшее значение чисел Воббе определится из соотношения:

– низшее

; (3.13)

– высшее

. (3.14)

Если известно объемная доля метана ,%, и углекислого газа , %, то для расчёта низшего числа Воббе , МДж/м³ можно также использовать уравнение:

(3.15)

При содержании метана, характерном для биогазов, они не являются взаимозаменяемыми с природным газом, поэтому необходимо сжигать их в специальных биогазовых горелках, которые обычно дороже обычных газовых горелок. Лишь при малых добавках биогаза к природному газу (до 10 %) возможно сжигание такой смеси в существующих газогорелочных устройствах.

Обобщенная характеристика биогазов приведена в табл. 3.4.

Таблица 3.4