Zamienność paliw gazowych (gazu ziemnego)

Zamienność paliw gazowych (gazu ziemnego)
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Przemysł gazowniczy nie zawsze i nie w każdym miejscu może zapewnić dostawy gazu ziemnego w wystarczającej ilości. Przerwanie lub ograniczenie dostawy gazu może być groźne dla bezpieczeństwa publicznego oraz spowodować wymierne straty ekonomiczne.

Streszczenie

Przemysł gazowniczy nie zawsze i nie w każdym miejscu może zapewnić dostawy gazu ziemnego w wystarczającej ilości. Przerwanie lub ograniczenie dostawy gazu może być groźne dla bezpieczeństwa publicznego oraz spowodować wymierne straty ekonomiczne.

Dlatego też w ostatnim czasie obserwuje się wzrost zainteresowania gazami zamiennymi, które w pełnym zakresie lub częściowo mogłyby zastąpić gaz ziemny rozprowadzony w sieci lub instalacji gazowej. W artykule podano kryteria wymienności dla odbiorców komunalnych i przemysłowych oraz metody uzupełniania dostaw gazu do sieci dystrybucyjnej poprzez wprowadzania do niej gazów zamiennych.

1. Wprowadzenie

Wraz z rosnącym zużyciem gazu ziemnego przemysł gazowniczy nie zawsze i nie w każdym miejscu może zapewnić jego dostawy w wystarczającej ilości. Szczególnie dotyczy to pokrywania szczytowych poborów gazu. Przerwanie lub ograniczenie dostawy paliwa może spowodować zatrzymanie produkcji i poniesienie w wyniku tego znacznych strat ekonomicznych [1].

Dlatego w niektórych zakładach wymagane jest posiadanie alternatywnego źródła energii na wypadek zaistnienia ryzyka przerwania dostawy tego rodzaju energii [12].

Pokrywanie szczytowych poborów gazu tzw. metodą PSS (z ang. Peak Shaving System) [10,22], polegającą na uzupełnianiu paliwa gazowego w sieci gazowej lub w gazociągu zasilającym zakład przemysłowy, może odbywać się przez:
• instalacje regazyfikujące skroplony gaz ziemny (LNG), Skroplony gaz ziemny najczęściej dostarczany jest środkami transportu drogowego lub kolejowego do instalacji regazyfikujących.
lub
• przez wprowadzanie do sieci gazowej mieszanin gazowych.

Rozwiązania takie nie niosą za sobą konieczności przewymiarowania sieci gazowej na etapie projektowania lub jej późniejszej rekonstrukcji w celu zwiększenia jej przepustowości. Zwiększona przepustowość gazociągów niewykorzystywana poza szczytowym poborem gazu, co zwiększa w sposób oczywisty koszty eksploatacji sieci.

W związku z koniecznością pokrywania szczytowych poborów gazu obserwuje się w ostatnim czasie wzrost zainteresowania gazami zamiennymi, które w pełnym zakresie lub częściowo (dodawania do gazu ziemnego gazu zamiennego) mogłyby zastąpić gaz ziemny rozprowadzony w sieci lub instalacji gazowej [3].

Takim gazem mogłaby być zarówno mieszanina gazów palnych jak i mieszanina gazów płynnych z powietrzem (SNG - syntetyczny gaz ziemny, z ang. Synthetic Natural Gas).

Gazy zamienne z gazem ziemnym mogą być :
• wymienne W tym przypadku proces spalania przebiega w urządzeniu zasilanym gazem zamiennym podobnie jak w przypadku gazu ziemnego.

Uwaga: jeżeli dwa różne paliwa gazowe o tej samej wartości liczby Wobbego spalamy w tym samym urządzeniu, to uzyskamy podobne obciążenia cieplne.

Jednakowa wartość liczby Wobbego nie daje jednak gwarancji prawidłowego spalania wprowadzonego gazu. Przy spalaniu gazu ważne są takie parametry jak: stabilność płomienia określona skłonnością do przeskoku płomienia lub jego odrywania, zapotrzebowanie powietrza, jakość spalania wyrażona w tworzeniu się tlenku węgla i sadzy.

Paliwa gazowe o różnym składzie, które spełniają wszystkie podane kryteria określa się jako wymienne [4] .

• niewymienne W tym przypadku konieczne jest przystosowanie urządzenia do nowego rodzaju paliwa gazowego lub zastosowanie urządzeń tzw. dwupaliwowych (dwa różne palniki zamontowane w danym urządzeniu, które w zależności od zastosowanego gazu są przełączane w sposób ręczny lub automatyczny) Z punktu widzenia zamienności podzielono paliwa gazowe na pięć grup (wg PN-C-04750 [8]).

Są to:
I. Gazy sztuczne (S) o cieple spalania Ho = 16,75÷20,93 MJ/m3, liczbie Wobbego 22,19÷36,01 MJ/m3 i zawartości wodoru H2 = 40%÷60%.

II. Gazy ziemne (L, E) zawierające jako główny składnik metan, o cieple spalania Hs = 35,59÷46,05 MJ/m3, liczbie Wobbego 46,969÷58,62 MJ/m3. Wymagania jakościowe dla gazu ziemnego grupy II przedstawia tabela 1.

III. Gazy płynne składające się głównie z propanu i butanu (P, B), o cieple spalania Ho = 100,48÷133,9 MJ/m3, liczbie Wobbego 81,64÷92,11 MJ/m3.

IV. Mieszaniny węglowodorów z powietrzem (GP), V. Biogazy (BG).

Gazy zakwalifikowane do różnych grup nie są między sobą wymienne.

Jakość gazów palnych określają normy: PNC- 04752 [5], PN-C-04753 [6]. PN-C-04750 [8], PN-C-04751 [9] i Rozporządzenie [7] 2. Wymienność paliw

Przyjmuje się, że gazy są wymienne (gaz podstawowy i zamienny) między sobą, jeżeli spalają się bez zakłóceń w tych samych urządzeniach, przy tym samym ciśnieniu i gdy zachowane są poniższe warunki: 1) obciążenie cieplne przyboru gazowego nie ulega zmianom, 2) płomień pali się stabilnie, nie wykazuje skłonności do odrywania się lub przeskakiwania do wnętrza palnika (cofanie płomienia), 3) spalanie powinno być zupełne i całkowite (w spalinach zawartość tlenku węgla nie powinna przekraczać ilości dopuszczalnych oraz nie powinna pojawiać się sadza), 4) W spalinach nie są przekroczone normy dotyczące powstałych podczas procesu spalania substancji szkodliwych dla otoczenia np. SO2, dioksyny, 5) sposób przekazywania ciepła (przez konwekcję lub promieniowanie), 6) podobna długość płomienia w komorze spalania, Uwaga: Ostatnie dwa warunki dotyczą wyłącznie urządzeń przemysłowych takich jak np. piece przemysłowe.

Skład gazu, a także ilość zasysanego powietrza pierwotnego, ma istotny wpływ na dotrzymanie powyższych warunków. Zachowanie pierwszego warunku jest spełnione w przypadku, gdy liczba Wobbego dla obu gazów ma tę samą wartość. Dopuszcza się odchylenia w granicach ± 5% (dla odbiorców komunalnych) do ±10,0% (dla odbiorców przemysłowych) [2].

Stabilność płomienia zależy od maksymalnej szybkości spalania gazu oraz współczynnika nadmiaru powietrza. Przy wzroście szybkości spalania gazu zamiennego w stosunku do gazu podstawowego może dojść do przeskoku płomienia do wnętrza palnika (cofanie), natomiast przy jej zmniejszeniu może nastąpić oderwanie płomienia. Podobnie im wyższy współczynnik zassania powietrza, to płomień jest b. stabilny i nie dochodzi do niecałkowitego spalania.

Niecałkowite i niezupełne spalanie objawia się występowaniem w spalinach tlenku węgla oraz żółtymi końcami płomieni (pojawienie się w spalinach sadzy). Dopuszczalne stężenie tlenku węgla w nierozcieńczonych spalinach wynosi 0,1÷0,05% obj. Graniczną wartość tego gazu określa się również stosunkiem stężeń tlenku węgla do dwutlenku węgla, który nie powinien przekraczać wartości 0,01.

2.1. Kryteria wymienności gazów dla odbiorców komunalnych Sposoby określające wymienność gazów charakteryzują dany gaz w odniesieniu do opisanych wyżej zjawisk przy pomocy wskaźników liczbowych lub za pomocą diagramów wymienności, na których gaz jest scharakteryzowany przez położenie punktu.

Najbardziej znaną metodą określenia zamienności gazów jest metoda Delbourga [16], w której gaz scharakteryzowany jest przez: a) skorygowaną (rozszerzoną) liczbę Wobbego (kW), (1.1) gdzie: p - ciśnienie gazu, N/m2, b) potencjał spalania, D, c) współczynnik tworzenia się sadzy, Ich, d) współczynnik powstawania żółtych końców, Ij.

Dwa ostatnie współczynniki zależą od ilości węglowodorów zawartych w gazie. Przykładowy diagram wymienności Delbourga dla gazów I, II i III grupy pokazuje rys.1.

Diagram ten obejmuje gazy wszystkich grup. Używane gazy przemysłowe znajdują się w środku płaskiej figury, w której wyszczególnione są trzy obszary. Poszczególne strefy obejmują następujące gazy: Strefa I - gazy sztuczne, Strefa II - gazy ziemne i mieszaniny gazów płynnych z powietrzem o tej samej liczbie Wobbego co gaz ziemny, Strefa III - gazy płynne.

Punkt znajdujący się wewnątrz każdej strefy odpowiada gazowi odniesienia. Jeżeli punkty odpowiadające gazom określonym odpowiednimi wskaźnikami znajdują się w obrębie danej strefy, to gazy te są zamienne z gazem odniesienia i z gazami tej grupy. Gazy leżące poza obszarem zamienności spalają się wadliwie w danym przyborze gazowym. W zależności od położenia punktu, czyli miejsca, jakie na takim diagramie zajmuje gaz, ma miejsce niezupełne spalanie, odrywanie płomienia lub jego przeskakiwanie do wnętrza palnika (cofanie).

Uniwersalnym sposobem określenia zamienności gazu jest metoda rachunkowa Weavera [16]. Zamienność gazów określa się przez obliczenie sześciu wskaźników dla dwóch gazów, z których jeden przyjmuje się jako gaz odniesienia (podstawowy), a drugi zamienny.

Jeżeli wskaźniki zamienności gazów, z których:
• dwa dotyczą obciążenia cieplnego przyboru gazowego,
• dwa - stabilności płomienia oraz
• dwa - jakości spalania, czyli tworzenia się sadzy i tlenku węgla mieszczą się w podanych przez Weavera granicach, to gazy są zamienne względem siebie.

Wskaźniki Weavera oblicza się z następujących zależności: a) Wskaźnik zamienności dla obciążenia cieplnego - IH (1.2) gdzie: Ho, d, W - ciepło spalania, gęstość względna gazu, liczba Wobbego dla gazu odniesienia, H'o, d', W' - te same wielkości co wyżej, ale dla gazu zamiennego.

Optymalna wartość wskaźnika IHopt = 1,0 Wartość graniczna IHgr = 0,95÷1,05 ± 20%; b) Wskaźnik wymienności dla zassania powietrza pierwotnego - IA (1.3) gdzie: Pt i P't - teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania gazu odniesienia i zamiennego.

Optymalna wartość wskaźnika IAopt = 1,0 Wartość graniczna IHgr = 0,95÷1,05 ± 20%; c) Wskaźnik wymienności dla cofania płomienia IF (1.4) przy czym: U i U' - współczynnik szybkości spalania (dla gazu odniesienia i zamiennego). obliczany ze wzoru: (1.5) ν - udział składnika w gazie Pt - teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania, m3/m3, B - składniki bierne w gazie wyznaczone z formuły: (1.6) przy czym: CO2 i N2 - podstawia się w % obj.

F1 - współczynnik do obliczania szybkości zapłonu, który dla gazów prostych posiada wartości przedstawione w tab. 2.

Optymalna wartość wskaźnika IF = 0 Wartość graniczna IF = 0,08; d) Wskaźnik wymienności dla odrywania się płomienia - IL (1.7) przy czym: O2 - zawartość tlenu w gazie Optymalna wartość wskaźnika IL = 1,0 Wartość graniczna IL = 0,64; e) Wskaźnik wymienności dla tworzenia tlenku węgla - II (1.8) Współczynniki R,R’ (odpowiednio dla gazu odniesienia i zamiennego) stosunku liczby atomów wodoru i węgla w węglowodorach, określany jak niżej: (1.9) przy czym: ri - udziały objętościowe danego składnika w gazie, F3 - liczba atomów węgla w związku wchodzącym w skład gazu, F4 - liczba atomów wodoru w związku wchodzącym w skład gazu.

Optymalna wartość wskaźnika II = 0 Wartość graniczna II < +0,1; f) Wskaźnik wymienności dla występowania żółtych końców - IY (1.10) N, N’ - współczynnik (odpowiednio dla gazu odniesienia i zamiennego) zależny od zawartości w gazie poszczególnych węglowodorów nasyconych przy czym: F3 - liczba atomów węgla w węglowodorze.

Optymalna wartość wskaźnika IY = 0 Wartość graniczna IY < +0,14.

Znane dotychczasowe metody określania zamienności gazów w przyborach gazowych oparte są na liczbie Wobbego, która decyduje o obciążeniu cieplnym przyboru i szybkości spalania, z którą z kolei związana jest stabilność płomienia. Przekroczenie liczby Wobbego o pewną wartość powoduje wzrost ilości tlenku węgla w spalinach ponad dopuszczalne stężenie.

2.2. Kryteria wymienności gazów dla odbiorców przemysłowych Kryteria wymienności gazów w praktyce dotyczą spalania gazów w przyborach gazowych, czyli odbiorców komunalnych. W przypadku wymiany gazu w piecach przemysłowych kryteria te są zazwyczaj mało przydatne z powodu innych warunków spalania i sposobu wymiany ciepła.

W przemysłowych piecach grzewczych gaz spala się w zamkniętych komorach spalania.

Dopływ powietrza jest regulowany. Spaliny odprowadzane są kanałami i kominem do atmosfery.

Różnica temperatur nagrzewanego wsadu i płomienia jest dużo mniejsza niż w przypadku przyborów gazowych domowego użytku.

W piecach wymiana ciepła odbywa się głównie przez promieniowanie w 85% do 95%. Wartość strumienia cieplnego płynącego od gazu do ogrzewanego wsadu nie jest proporcjonalna do obciążenia cieplnego palników. Ciepło dostarczane przez promieniowanie w przybliżeniu wzrasta proporcjonalnie do czwartej potęgi temperatury źródła promieniowania. Na wynik procesu wygrzewania ma w piecach zasadniczy wpływ kalorymetryczna temperatura spalania dostarczanego do pieca gazu oraz emisyjność płomienia.

Ta różnica warunków spalania gazu wyklucza przy jego zamianie w piecach przemysłowych stosowanie kryteriów zamienności opracowanych dla przyborów gazowych.

Utrzymanie niezmiennego obciążenia palników przy zamianie gazów zarówno przez utrzymanie tej samej liczby Wobbego obu gazów, jak i przez odpowiednią zmianę przekroju dysz palników nie ma w piecu decydującego znaczenia.

Liczba Wobbego nie uwzględnia specyfiki przekazywania ciepła z przestrzeni roboczej do ogrzewanego wsadu, wynikającej z różnicy temperatury płomienia i jego emisyjności w zależności od rodzaju spalanego gazu. Czasem istotną przeszkodą na zastosowanie paliwa zamiennego w danej komorze spalania może być długość płomienia. Jeżeli po zastosowaniu paliwa zamiennego okaże się, że płomień jest zbyt duży w stosunku do wymiaru komory, to może to doprowadzić do przegrzania tylnej ściany komory.

Proces spalania gazu w zamkniętej przestrzeni pieca przemysłowego nie stwarza żadnych trudności przy zamianie gazów w obrębie tej samej grupy. Niewielkie zmiany składu chemicznego gazu należącego do jednej grupy nie wpływają decydująco na przebieg procesu technologicznego i energetycznego w piecu przemysłowym.

W praktyce przemysłowej przez wymienność gazów rozumie się konieczność zastąpienia używanego dotychczas do opalania gazu niskokalorycznego przez gaz bogaty z uwzględnieniem potrzeb technologicznych procesu, z pominięciem wielu teoretycznych postulatów, nieistotnych dla procesu spalania w zamkniętej przestrzeni pieca z odprowadzeniem spalin do atmosfery, a ważnych w przypadku przyborów gazowych.

Podstawowym warunkiem wymienności paliw gazowych w piecach przemysłowych jest zachowanie niezmienności strumienia cieplnego do wsadu i zachowanie ustalonej technologii nagrzewania (sposobu przekazywania ciepła do wsadu, przez promieniowanie, czy konwekcję).

Wobec powyższego, wymienność gazów w piecach przemysłowych można określić jako możliwość spalania nowego gazu (zamiennego) w piecu przewidzianym do spalania danego gazu (podstawowego) bez zmian w konstrukcji pieca i instalacji pomocniczych, natomiast może być konieczna modernizacja palnika (np. wymiana dyszy lub całego palnika).

3. Gazy wymienne z gazem ziemnym

Do dystrybucyjnej sieci gazowej, w której rozprowadzony jest gaz ziemny (gaz podstawowy) można wprowadzać taki gaz zamienny, który spełnia wymagania zawarte w polskich normach i rozporządzeniach:
• PN-C-04752: Gaz ziemny. Jakość gazu w sieci przesyłowej [5];
• PN-C-04753: Gaz ziemny. Jakość gazu dostarczanego odbiorcom z sieci rozdzielczej [6]; oraz
• Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 6 kwietnia 2004 r.w sprawie warunków przyłączenia podmiotów do sieci gazowych [7] Ponadto gaz powinien spełniać warunki dotyczące jakości procesu spalania (m.in.stabilność spalania, prawidłowe spalanie gazu w palniku).

Można wyróżnić następujące rodzaje gazów wymiennych z gazem ziemnym: a) gazy palne zmieszane w odpowiedniej proporcji z gazem ziemnym, b) gazy płynne zmieszane w odpowiedniej proporcji z powietrzem i gazem ziemnym (tzw. SNG - syntetyczny gaz ziemny; z ang. Synthetic Natural Gas) c) gazy uzdatnione do parametrów gazu ziemnego np biometan wytworzony z biogazu, Gazy palne zmieszane z gazem Wykorzystuje się tutaj możliwość dodawania do istniejącej sieci, instalacji gazowej gazu różniącego się własnościami od gazu ziemnego w takiej ilości, aby mieszanina była wymienna z gazem podstawowym.

Przykładem może być np. dodawanie do sieci, instalacji gazowej biogazu (po usunięciu szkodliwych substancji m.in. H2S, SO2, halogenki, siloksany.

Uwaga: Zgodnie z art. 2 pkt.20a) Prawa energetycznego [13] do sieci gazowej może być wprowadzony jedynie biogaz pochodzenia rolniczego. W innych krajach np. w Holandii dopuszcza się również biogaz z wysypisk (LFG - z j.

ang. Landfill Gas).

Przykładowo przeprowadzone obliczenia [4] wykazały, że do gazu ziemnego wysokometanowego grupy E o składzie: metan - 94,671% obj; węglowodory wyższe - 1,577 % obj; azot - 3,753% obj. oraz liczbie Wobbego równym 51,15 MJ/m3 można dodać ok. 7,5% biogazu o składzie 60% metanu i 40% ditlenku węgla.

O wymienności gazu zamiennego z gazem podstawowym świadczy spełnienie warunków wymienności dotyczących zachowania w dozwolonych granicach liczby Wobbego oraz wszystkich wskaźników wymienności wyznaczonych metodą Weavera według równań 1.2 - 1.9 tzn.: a) obciążenie cieplne IH = 0,952666 b) powietrze pierwotne IA = 0,932788 c) odrywanie płomienia IL = 0,918277 d) cofanie płomienia IF = 0,07854 e) liczba sadzy IY = -0,069441 f) liczba CO II = -0,067374 Podobnie w pracy [14] rozważono możliwość dodawania gazu ze złoża zlokalizowanego na wybrzeżu bałtyckim o składzie: metan - 52,4 % obj.; etan - 34,5 % obj.; propan - 8,3 % obj.; azot - 4,1 % obj.; oraz o liczbie Wobbego - 59,5215 MJ/m3 i gęstości względnej - 0,8366 do typowego gazu ziemnego wysokometanowego o składzie i własnościach jak w poprzednim przykładzie.

Z wyliczeń wykonanych w pracy [14] dotyczących zachowania kryteriów jakościowych wynika, że do gazu podgrupy E można dodać ok. 18% gazu bezpośrednio ze złoża.

O wymienności gazu zamiennego z gazem podstawowym świadczy spełnienie warunków wymienności dotyczących zachowania w dozwolonych granicach liczby Wobbego oraz wszystkich wskaźników wymienności wyznaczonych metodą Weavera tzn.: a) obciążenia cieplnego: IH = 1,022139 b) zapotrzebowania na powietrze pierwotne: IA = 0,987435 c) odrywania płomienia: IL = 1,007561 d) cofania płomienia: IF = 0,037951 e) liczby sadzy:IY = 0,114902 f) liczby tlenku węgla - CO: II = 0,000535 Gazy płynne Do pokrycia szczytowego zapotrzebowania na gaz ziemny można wprowadzić, do dystrybucyjnej sieci lub instalacji gazowej zasilającej odbiorcę przemysłowego, mieszankę zawierającą około 75% gazu ziemnego i 25% mieszaniny odparowanego gazu płynnego (LPG z ang.

Liquid Petroleum Gas) i powietrza, czyli tzw. tzw. SNG (wymieszanie gazu płynnego z powietrzem, najczęściej w stosunku ok. 45% powietrza i ok. 55% gazu, odbywa się za pomocą miksera LPG).

Uwaga 1: Syntetyczny gaz zwykle odnosi się do paliwa pochodzącego z odgazowania węgla, ale może również dotyczyć mieszaniny propanu.

Uwaga 2: W przypadku tworzenia mieszaniny propanu z powietrzem jako górną granicę dodawania SNG do gazu ziemnego firma Standby Systems Inc. podaje 50 %. Jest to spowodowane gęstością względną, która przy mieszaninie gazu ziemnego i SNG na bazie propanu jeszcze jest mniejsza niż 1.

Uwaga 3: nazwa zwyczajowa to gaz płynny, natomiast termin normowy to skroplone gazy węglowodorowe C3-C4 (PN-C- 96008 [19],, obecnie również LPG Uwaga 4: W Polsce przygotowywana jest zmiana przepisów dotycząca obecności tlenu w sieci gazowej (obecnie zawartość tlenu nie może przekraczać 0,2 %).

Na rys. 2 pokazano przykładowy schemat instalacji do pokrywania szczytowych poborów gazu przy zastosowaniu gazu zamiennego typu SNG, która składa się z:
• zbiornika na gaz płynny,
• pompy,
• parownika,
• miksera,
• kompresora powietrza.

Proces wtłaczania gazu zamiennego do sieci lub instalacji gazowej przebiega w następującej kolejności:
• gaz jest pobierany ze zbiorników w fazie ciekłej, a w razie potrzeby ciśnienie podnosi się za pomocą pompy.
• ciecz trafia do parownika, gdzie jest odparowywana przez podgrzewanie.
• pary LPG trafiają do miksera, który tworzy mieszankę LPG - powietrze. Mieszanina ta trafia do systemu dystrybucyjnego gazu.

Większość budowanych obecnie instalacji wykonywanych jest ze stali (niechłodzone, ciśnieniowe zbiorniki magazynowe). Jest dostępna szeroka gama wielkości zbiorników, które są budowane zgodnie z normami ASME i dostosowane do ciśnienia roboczego, co najmniej 250 psig (nadciśnienie 17,2 bar). Zbiorniki te podobne są w konstrukcji do dużych zbiorników LNG i pracują w pobliżu ciśnienia atmosferycznego, oferując bardzo dużą pojemność.

Aby umożliwić rozszerzenie płynnego LPG oraz jego odparowanie, zbiorniki nie są wypełniane w 100%. W temperaturze 15,5˚C (60˚F), maksymalne wypełnienie zbiorników wynosi około 85%. Wymagane wyposażenie zbiornika to: zawory bezpieczeństwa, nanometr, termometr, wskaźnik poziomu cieczy.

Zdalne lub automatyczne sterowanie zaworami jest często wymagane w celu zapewnienia odpowiedniej kontroli instalacji i bezpieczeństwa publicznego. W niektórych instalacjach może być wymagane zainstalowanie dodatkowo ochrony przeciwpożarowej np. zraszacze wodne.

Ciśnienie LPG w zbiorniku zależy od temperatury otoczenia i dlatego w celu zapewnienia odpowiedniej ilości gazu dostarczanego z parownika do mieszania w instalacjach SNG stosuje się pompy (rys.3).

Dostępny jest szeroki wybór tych urządzeń, które mogą być wyposażone dodatkowo w automatyczne uruchamianie, kontrolę pracy i eliminację par LPG. Pompowanie cieczy w warunkach termodynamicznych zbliżonych do punktu wrzenia gazu wymaga szczególnej uwagi i kontroli zarówno pompy jak i orurowania. Jest bardzo ważna skuteczna eliminacja pary.

W niektórych systemach jest wykorzystywana naturalna poduszka gazowa par LPG w zbiornikach w celu utrzymania odpowiedniego ciśnienia. Nowe instalacje nie wykorzystują tego zjawiska, stosując zautomatyzowane pompy sprzężone z systemem sterującym i monitorującym pracę wszystkich urządzeń.

Parowniki stosowane są do ogrzewania gazu płynnego, tworząc potrzebne ilości odparowanego gazu, który posłuży do mieszania z powietrzem. Parowniki są dostępne w szerokim zakresie wydajności od kilkunastu do kilku tysięcy litrów na godzinę. W najprostszym typie parownika, ciepło uzyskuje się spalając w palniku gaz ziemny lub LPG (rys.4). Ten typ urządzeń nosi nazwę "waterbath"(kąpiel wodna). Ciepło przenoszone jest za pomocą wody lub glikolu, a wymiana ciepła odbywa się między przepływającym w rurach LPG, a otaczającą go podgrzaną cieczą.

Innymi typami parownika pozwalającymi na zmniejszenie jego rozmiarów mogą być urządzenia z zewnętrznym źródłem ciepła lub podgrzewanego w sposób pośredni.

Sercem instalacji SNG, jest mikser LPG - powietrze.

Idea mieszania najczęściej oparta jest na zwężce Venturiego lub na zastosowaniu specjalnego tłoka.

W mikserach wykorzystujących zwężkę Venturiego (rys.5), pary LPG przepływają przez urządzenie, gdzie zgodnie z prawem Bernoulliego następuje wzrost prędkości płynu i spadek ciśnienia. Powoduje to zassanie powietrza na skutek powstałego podciśnienia. Wymagane jest, aby ciśnienie powietrza było wyższe niż ciśnienie gazu na zwężce, co może się wiązać z koniecznością zastosowania kompresora. Ciśnienie par LPG przed zwężką nie powinno być zbyt niskie, co wymaga doboru odpowiedniego parownika i ewentualnie pompy LPG. Mieszanka po wyjściu z miksera nie ma dużego ciśnienia co może być wadą w niektórych systemach SNG i determinować wybór innego typu mieszania.

Inny typ mikserów to tzw. przewody równoległe.

W skład takich urządzeń wchodzą różnorodne mechanizmy kontroli (np. przepływu masy) dla ciągu ze sprężonym powietrzem i odparowanym gazem płynnym. Na końcu, w pełni zautomatyzowany system zapewnia bardzo dokładną kontrolę jakości i składu gazu w zmiennych warunkach procesu.

Inną spotykaną mieszaniną jest mieszanka gazu ziemnego z parami eteru dimetylowego (DME- z ang. dimethylether). DME w postaci ciekłej może być również stosowany jako paliwo silnikowe - analogicznie jak LPG. Eter dimetylowy ma wiele zalet: obniża znacznie temperaturę zapłonu mieszaniny, poprawia efektywność spalania, obniża temperaturę płomienia przez co jest mniejsza emisja NOx. Stosowane są próby dodawania go bezpośrednio do sieci gazociągów niskiego ciśnienia.

Gazy uzdatnione Jednym ze źródeł energii odnawialnej jest biogaz [20,21]. Biogaz jest paliwem gazowym wytwarzanym przez mikroorganizmy z materii organicznej w warunkach beztlenowych. Może powstawać samorzutnie np. torfowiska, wysypiska śmieci lub może być produkowany celowo np. w oczyszczalniach ścieków, biogazowniach.

Głównymi składnikami biogazu są metan oraz dwutlenek węgla (ditlenek) Oprócz tych składników mogą występować: siarkowodór, tlenek węgla, tlen, para wodna itp. Źródłem biogazu mogą być odpady zwierzęce (np. odchody), rośliny (odpady lub uprawy roślinne np. kukurydza), odpady organiczne (wysypiska śmieci), osady ściekowe (oczyszczalnie), odpady przemysłowe np. spożywcze, papiernicze. Średni skład biogazu jest następujący: metan (CH4) - 40% - 80%, dwutlenek węgla (CO2) - 20% - 45%, siarkowodór (H2S) - 0,1% - 5,5, wodór (H2), tlenek węgla (CO), azot (N2), tlen (O2) - śladowo. Wartość opałowa biogazu wynosi w granicach: 4-8 kWh / Nm3.

Gaz ten po oczyszczeniu i uzdatnieniu może być wykorzystany jako zamiennik gazu ziemnego w procesach spalania zarówno przez odbiorców komunalno-bytowych jak i w przemyśle.

Przykładem może być instalacja (początkowo o wydajności 1.000 nm3/h i docelowo - 2.000 Nm3/h) dla utylizacji biogazu produkowanego z wysypiska śmieci w Tilburgu (Holandia) Uzyskanie wymienności gazu wysypiskowego z gazem rozprowadzanym w miejskiej sieci rozdzielczej gaz ziemny zaazotowany (gaz ze złóż holenderskich) wymagało wybudowania odpowiedniej instalacji, w której gaz poddawany jest następującym procesom technologicznym: - odsiarczanie; - usuwanie dwutlenku węgla; - osuszanie; - eliminacja chlorowco-węglowodorów.

Na rys. 6 przedstawiono schemat instalacji do uzdatniania gazu wysypiskowego do parametrów gazu ziemnego rozprowadzanego w sieci rozdzielczych [15,18,20,21].

Uwaga: Zgodnie z polskimi przepisami do sieci rozdzielczej nie wolno wtłaczać gazu wysypiskowego.

Gaz surowy sprężany jest z ok. 75 mbar do 10 bar przy pomocy sprężarki śrubowej z wtryskiem oleju. Wtrysk oleju ma potrójny cel: smarowanie, chłodzenie i ochronę przed korozją.

Przy większych strumieniach gaz spręża się wcześniej w dmuchawie do ok. 0,5 bar. Związki siarki, w rodzaju siarkowodoru i merkaptanów, usuwa się z gazu przez absorpcję dwutlenku węgla. Ze względu na to, że H 2 S winien być usunięty z gazu całkowicie, a CO 2 tylko częściowo, nie stosuje się wspólnego usuwania obydwu tych składników. Dla usunięcia niewielkich ilości H 2 S zawartych w gazie wysypiskowym stosuje się prosty sposób suchego odsiarczania na tlenkach żelaza. Siarka z gazu wiązana jest na nich w postaci siarczku, który następnie, dzięki tlenowi zawartemu w gazie, zostaje utleniony do siarki elementarnej. Instalacja składa się z dwóch adsorberów, pracujących na zmianę.

Przewidywany czas pracy jednego wsadu adsorbera wynosi ok. pół roku.

Do usuwania CO 2 z gazu zastosowano metodę wymywania wodą w płuczce wodnej. Jej zaletą jest niskie zużycie energii, niezawodność rozpuszczalnika, jego dostępność, prostota procesu technologicznego i jego regulacji. Chociaż próby z absorpcją zmienno-ciśnieniową dały dobre wyniki, nie uznano tej metody za właściwą dla tego procesu, z uwagi na niekorzystne wskaźniki ekonomiczne.

CO 2 absorbuje się w płuczkach ciśnieniowych za pomocą wody (absorbery), która przepływa w przeciwprądzie do gazu przez pierścienie wykonane z tworzyw sztucznych.

Absorpcja przebiega w temperaturze otoczenia, pod ciśnieniem 10 bar. Z kolei ciśnienie wody ulega obniżeniu do 4 bar, przy którym następuje desorpcja rozpuszczonego w niej metanu. Zawracany jest on do wlotu kompresora.

Ciśnienie wody ulega dalszemu obniżeniu do ciśnienia atmosferycznego. W tym etapie wydziela się praktycznie sam dwutlenek węgla, który wykorzystuje się do regeneracji absorberów, usuwających z gazu chlorowcopochodne albo do przedmuchania przewodu pochodni. Następnie woda wpływa od góry do "strippera", w którym usuwany jest resztkowy dwutlenek węgla do poziomu równowagi z CO 2 znajdującego się w powietrzu. Równocześnie w “stripperze", który pracuje jako chłodnia kominowa, zostaje schłodzona woda, zasilająca pompy cyrkulacyjne zawracające ją na górną część absorbera.

Przewidywana do usunięcia ilość CO 2 regulowana jest przez dopływ wody do absorbera.

Regulacji tej dokonuje się przy użyciu przyrządu pomiarowego do określania liczby Wobbe’go (wobbomierz). Pomiar ma miejsce na wylocie gazu z instalacji uzdatniania przed zbiornikiem wyrównawczym. Przepustowość płuczki wodnej zależna jest od trzech parametrów: ilości gazu wysypiskowego, zawartości azotu i temperatury wody. Ostatni parametr jest funkcją temperatury otoczenia i ilości wody cyrkulacyjnej i nie jest regulowany automatycznie.

Po absorpcji dwutlenku węgla gaz przechodzi do instalacji osuszania, realizowanego przy pomocy TEG (glikol trójetylenowy).

TEG jest regenerowany przez ogrzewanie i rozprężanie. Po schłodzeniu zawraca się go do absorbera.

Ilość chlorowcowęglowodorów w gazie wysypiskowym waha się w dużych granicach.

W płuczce wodnej wymywa się tylko nieznaczną ich część. Do pełnego usunięcia służy adsorber wypełniony węglem aktywnym. Stosowana technologia przewiduje dwa adsorbery, przemiennie regenerowane podgrzanym gazem zawierającym CO 2 . Cykl zmieniany jest automatycznie co 24 godziny.

Włączony na końcu ciągu technologicznego zbiornik buforowy wyrównuje liczbę Wobbe’go, zanim gaz zostanie ostatecznie zbadany przy pomocy chromatografu. Wahania te są następstwem bezwładności regulacji płuczki wodnej. W trakcie uzdatniania gazu regulowana jest tylko zawartość dwutlenku węgla. Wynik analizy chromatograficznej decyduje o tym, czy gaz może być wprowadzony do sieci rozdzielczej, czy musi być spalony w pochodni.

Obecnie oferowane są różne instalacje do przetwarzania biogazu w biometan. Jedną z takich jest instalacja wyprodukowana przez firmę GtS bv [24], w której zastosowano metodę GPP (Gastreatment Power Package). Dostosowanie biogazu do jakości gazu ziemnego odbywa się w kilku etapach. Biogaz jest wstępnie sprężany do ciśnienia rzędu 16 do 25 bar, następnie schładzany do -250 C. Podczas tego etapu są usuwane wilgoć, H2S, SO2, halogenki, siloksany i inne zanieczyszczenia. Następnie oczyszczony gaz przepuszczany jest przez filtr koalescencyjny oraz przez katalizator typu SOXSIA dla usunięcia resztek zanieczyszczeń do akceptowalnego poziomu. Na końcu gaz jest schładzany do -780C, wykroplony w tej temperaturze CO2 jest oddzielony od gazu, który osiąga kaloryczność zbliżoną do wysokometanowego gazu ziemnego.

Zastosowanie tej metody pozwala na uzyskanie z biogazu biometanu o punkcie rosy na poziomie -250C przy ciśnieniu 16-25 bar.

W czasie produkcji biogazu występują wahania jego składu chemicznego oraz zmienia się ilość produkowanego gazu. Ponadto mogą pojawiać się okresowo zwiększone ilości składników, mogących mieć negatywny wpływ na rurociągi i urządzenia stosowane do transportu gazu. Wprowadzenie do sieci dystrybucyjnej gazu nie spełniającego warunków wymienności może spowodować duże zagrożenie dla zdrowia i życia odbiorcy gazu ze względu na zachodzące zjawiska podczas jego spalania takie jak odrywanie lub przeskok płomienia od palnika, powstawanie tlenku węgla w spalinach itp.

Dlatego też jakość biogazu wprowadzanego do sieci dystrybucyjnej powinna być w sposób ciągły kontrolowana np. poprzez pomiar wartości liczby Wobbego, okresowe sprawdzanie zawartości składników mogących mieć negatywny wpływ na stan techniczny gazociągu lub innych urządzeń służących do transportu gazu i odbiorników gazu.

Wnioski końcowe

Przerwanie lub ograniczenie dostawy paliwa może być groźne dla bezpieczeństwa publicznego (np. doprowadzić do zapowietrzenia sieci gazowej) oraz spowodować wymierne straty ekonomiczne (np. ograniczenie lub przerwanie produkcji). Dlatego też w ostatnim czasie obserwuje się wzrost zainteresowania gazami zamiennymi, które w pełnym zakresie lub częściowo mogłyby zastąpić gaz ziemny rozprowadzony w sieci lub instalacji gazowej. Aby proces spalania przebiegał w urządzeniu zasilanym gazem zamiennym podobnie jak dla gazu ziemnego powinny być spełnione określone kryteria wymienności.

Obecnie w świecie można wyróżnić wiele metod uzupełniania gazu sieciowego szczególnie w okresach poborów szczytowych. Niektóre z nich można by było zastosować w gazownictwie polskim.

Literatura

1. Grzybczyk B, Łaciak M, Grela I.: Energetyka gazowa. Obsługa i eksploatacja urządzeń i sieci. Wyd. Tarbonus, Tarnobrzeg - Kraków 2008.
2. Łaciak M. Barczyński A. i in.: Instalacje i sieci gazowe. Wyd. Verlag Däshofer, Warszawa 2011.
3. Wojtowicz R.; "Dywersyfikacja dostaw gazu dla Polski a wymienność paliw - wymagania prawne odnośnie jakości gazów rozprowadzanych w kraju oraz możliwe kierunki dywersyfikacji", Wiadomości Naftowe i Gazownicze nr 1(53), s. 4-7, 2011;
4. Barczyński A.: "Możliwości wykorzystania biogazu w systemie dystrybucyjnym"- Konferencja PZiTS, Bydgoszcz, 2007
5. PN-C-04752: Gaz ziemny. Jakość gazu w sieci przesyłowej
6. PN-C-04753: Gaz ziemny. Jakość gazu dostarczanego odbiorcom z sieci rozdzielczej
7. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 6 kwietnia 2004 r. w sprawie warunków przyłączenia podmiotów do sieci gazowych (Dz. U. 105 poz.1113)
8. PN-C-04750: Paliwa gazowe. Klasyfikacja, oznaczenie i wymagania
9. PN-C-04751: Gaz ziemny. Ocena jakości
10. Eaton G. D.: "Peak Shaving with Synthetic Natural Gas", Ely Energy 2005.
11. Szablewski J.: "Rynek gazu płynnego w Polsce - ewolucja, regulacje prawne, zagrożenia", Nafta-Gaz, styczeń 2001.
12. Flekiewicz T.: "Alternatywne paliwa gazowe i korzyści wynikające z ich stosowania", Nowoczesne gazownictwo, 1 (IV) 1999,
13. Ustawa Prawo energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 r. (tekst ujednolicony na dzień 1 stycznia 2012 r.)
14. Barczyński A., Barczyński P: "Możliwości zastosowania gazu ziemnego z platformy wiertniczej ENERGOBALTIC do wymagań dystrybucyjnych". - Ekspertyza wykonana w roku 2010, Poznań
15. Barczyński A., "Zastosowanie gazu wysypiskowego do zasilania rozdzielczych sieci gazu ziemnego“, Sympozjum Gaz Bezpieczny i Ekologiczny, Kiekrz k/Poznania, marzec 1997 r.
16. Tallat J. "Ocena wymienności gazów“, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, Nr 3 Tom XLVI, s.96-100
17. Piaskowska-Wasiak J., Kowalik J.: "Pozyskiwanie, badanie parametrów oraz możliwości wykorzystania gazu wysypiskowego“ - Sympozjum Niekonwencjonalne Paliwa Gazowe w Gospodarce Narodowej, Warszawa, 1992r.
18. Van Wezel J.N., Scheepers M.J.J., Heijkoop G.: "Landfill gaz - an example of substitude natural gas" - VEG-Gasinstituut (materiały własne)
19. PN-C- 96008
20. Barczyński A.: Możliwości wykorzystania biogazu w systemie dystrybucyjnym. Czysta Energia nr2 /2009.
21. Andrzej Barczyński: "Wprowadzanie biogazu do sieci dystrybucyjnej-szanse i możliwości" - Międzynarodowy Kongres Energii Odnawialnej i Targi Green Power 2009 pt. "Perspektywy rozwoju energetyki odnawialnej na świecie, w Europie do roku 2030 i później w obliczu światowego kryzysu gospodarczego", 19 do 20 maja 2009 w Poznaniu
22. http://www.peakshaving.com
23. http://standby.com/propane/pdf/pps_ovw_ e4.pdf 24. Materiały z firmy GtS bv (www.gtsbv.com.)
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

SŁOWA KLUCZOWE I ALERTY

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Zamienność paliw gazowych (gazu ziemnego)

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!