WEC REGIONAL ENERGY FORUM – FOREN 2008 Neptun, 15-19 June 2008
Reference Reference no: S1-60-ro -r o
TITLUL LUCRĂRII SISTEME DE COGENERARE A ENERGIEI ELECTRICE ŞI TERMICE UTILIZÂND BIOGAZ *Predescu Ioana **Chisega Negrila Ciprian Gabriel.*** Persu Ioana*** *OVM-ICCPET Bucureşti
Rezumat
Articolul prezintă cercetările referitoare la cogenerarea energiei electrice şi termice folosind biogazul ca sursă regenerabilă de energie. După alegerea unei soluţii generale, se tratează procesul de desulfurare al diogazului, pentru a preveni coroziunea prematură a motorului cu ardere internă. Au fost experimentate două metode şi s-a făcut o comparare finală.
1.INTRODUCERE Multe ţări promovează această tehnologie pentru a obţine energie regenerabilă, folosind unele deşeuri poluante într-un effort general al limitării încălzirii globale. De curând preşedinţii statelor din Uniunea Europeană au aprobat obiectivul strategic de a avea un procent de 20% din totalul de energie generată sub formă de energie regenerabilă până în anul 2020. Tema proiectului nostru se înscrie pe linia acestor eforturi, ţinând cont de situaţia specifică din România. Proiectul SAPETBIO are ca obiectiv principal dezvoltarea unui sistem autonom avansat de conversie a energiei biogazului în energie termică şi electrică. La final, va fi conceput un proiect pentru un sistem de cogenerare cogenerare alimentat cu biogaz, care va avea o putere de 30kW. 30kW. În figura 1 este prezentată schema de ansamblu a sistemului complex investigat. Sunt evidenţiate trei părţi: generarea, tratarea şi stocarea biogazului, motorul cu ardere internă şi recuperarea de energie termică, respectiv generarea şi livrarea energiei electrice. Toate aceste activităţi sunt supervizate şi verificate de un sistem în timp real de monitorizare, reglare şi diagniză. Biogazul este produs în digestor şi, de aici, după un tratament de desulfurare este stocat pentru a fi folosit pentru generarea de energie electrică şi termică. Utilizarea biogazului pe post de combustibil este posibilă după evaluarea compoziţiei sale. Biogazul netratat nu poate fi utilizat pentru alimentarea motorului cu ardere internă. De aceea este necesară uscarea, desulfurarea şi purificarea preliminară a biogazului.
WEC REGIONAL ENERGY FORUM – FOREN 2008 Neptun, 15-19 June 2008
Figura1. Schema bloc a sistemului de cogenerare care utilizează biogaz drept combustibil. Motorul cu ardere internă foloseşte biogaz desulfurat drept combustibil, iar energia termică produsă după procesul de combustie este recuperată şi folosită pentru încălzirea digestorului sau pentru alte scopuri. Energia mecanică produsă este convertită în energie electrică de către un generator şi livrată către reţea după o condiţionare electronică.
2.PARAMETRII FIZICO-CHIMICI ŞI ENERGETICI AI BIOGAZULUI. Biogazul poate fi caracterizat prin: a) Proprietăţi fizice: gaz fără culoare, cu miros specific de ouă clocite (datorită hidrogenului sulfurat); fără gust b) Compoziţia aproximativă - metan (60-62%), dioxid de carbon (36-38%), hidrogen sulfurat (max. 2%), mici cantităţi din alte elemente (hidrogen, azot, oxigen, vapori de apă, particule solide, etc.) c) Putere calorifică - 5400 – 7200 Kcal/m3; d) Densitate (CH4 -60%, CO2-38%, altele-2%) – 1.21 kg/m3; e) Index Wobbe (CH4 -60%, CO2-38%, altele-2%) – 19.5 MJ/m3; f) Viteza maximă de ardere (CH4 -60%, CO2-38%, altele-2%) – 0.25 m/s; g) Aer necesar teoretic (CH4 -60%, CO2-38%, altele-2%) – 5.71 m3air/m3gaz; h) Concentraţie maximă de CO2 în gazele de ardere (CH4 -60%, CO2-38%, altele -2%) – 17.8%;
3. SOLUŢIA TEHNICĂ PENTRU DESULFURAREA BIOGAZULUI Au fost investigate două tehnologii: una care utilizează ioni Fe3+ şi alta care utilizează carbon activ. După documentare şi experimentare s-a concluzionat că varianta care foloseşte absorbţia chimică într-o soluţie EDTAFe3+ este foarte performantă. În acest caz, ionii Fe3+ sunt folosiţi pentru a reduce hidrogenul sulfurat la sulf atomic. Ionii de fier sunt introduşi în soluţia de contact sub formă de chelaţi ai EDTA (acid etilendiaminotetraacetic) pentru a preveni precipitarea ionilor activi din soluţie. Pe post de stabilizator al soluţiei de contact este folosită o zaharidă – sorbitolul; EDTA este introdus ca formă disodică sau tetrasodică iar sursa de ioni Fe3+ este reprezentată de Fe2(SO4)3·5H2O. Raportul dintre Fe3+: stabilizator = 1 : 1.5 2. Raportul dintre Na2EDTA : Na4EDTA = 1 : 0.56 0.7, iar raportul molar este de 36:64. Este indicat ca pH-ul soluţiei să se situeze în intervalul 8 8.5.
Instalaţia experimentală este folosită pentru eliminarea hidrogenului sulfurat din biogazul sisntetic, acesta fiind produs prin amestecarea unor gaze pure. Compoziţia biogazului de sinteză: metan 30-85%, dioxid de carbon 10-63% iar hidrogenul sulfurat 70-620 ppm.
WEC REGIONAL ENERGY FORUM – FOREN 2008 Neptun, 15-19 June 2008
Hidrogenul sulfurat este monitorizat tot timpul, pentru respectarea limitei minime permise de legislaţia europeană (ex. 10 ppm). Au fost efectuate experimente de laborator utilizând două configuraţii experientale ale instalaţiei pentru cazurile menţionate mai sus – utilizarea carbonului activ şi utilizarea soluţiei EDTA-Fe3+. Reactorul experimental propus este descris în figura 1; este un reactor simplu şi eficace. Principalele rezultate sunt sintetizate în tabelul 1.Main comparative results are synthetized in the table 1.
Tabe1 1. Comparaţie între cele două procedee experimentale de desulfurare. Criteriu de comparaţie
EDTA-Fe3+
Carbon Activ
Regenerarea substanţei active
da
da
Reţinere H2S
totală
parţială
Reţinere CO2
nu
parţială
Canale preferinţiale
nu
da
Regenerare simplă
simplă, cu aer
complicată, prin încălzire
Stare de agregare
lichid
solid
Cost
ridicat
scăzut
Rezistenţă în timp
bună
redusă
Figure 2. Schema simplificată a coloanei de desulfurare.
WEC REGIONAL ENERGY FORUM – FOREN 2008 Neptun, 15-19 June 2008
În figurile 3 şi 4 sunt descrise concentraţiile de H 2S la intrarea, respectiv ieşirea din coloană.
Variatia H2S in timp inainte de coloana 800 %600 , S 400 2 H 200
0 1
7
13
19
25
31
37
43
49
55
61
67
73
79
85
91
97 103 109
Timp, min
Fig.3 Concentraţia de H2S la intrarea în coloană Variatia H2S in timp la ies ire a din coloana 0,6 m p 0,4 p , S 0,2 2 H 0 1
7
13
19
25
31
37
43
49
55
61
67
73
79
85
91
97 103 109
Timp, min
Fig.4 Concentraţia de H2S concentration la ieşirea din coloană 4.CONCLUZII FINALE Analiza sistemelor de cogenerare făcută doar din punct de vedere energetic – deşi acesta este un bun indicator sintetic – nu este suficientă. Asemenea sisteme integratoare au un comportament similar unui organism, aceasta însemnând că pentru buna funcţionare a ansamblului, fiecare parte trebuie să funcţioneze la cei mai ridicaţi parametrii. În acelaşi timp, relaţiile dintre părţi trebuie optimizate. Armonia părţilor este cheia succesului pentru funcţionarea îndelungată şi eficientă. Dintre soluţiile tehnice cunoscute pentru desulfurarea biogazului două au fost investigate practic şi comparate între ele. Acesta este rezultatul principal al cercetării. Sistemul de reglare şi monitorizare va asigura această sarcină de coordonare utilizând cei mai buni algoritmi de comandă. References 1.Popescu M.O., Predescu Ioana, Bitir I., Fetecau G. – Memoriu de cercetare SAPETBIO – Etapele 1, 2 2006, 2007 2.Thran D. u.a. – Sustainable Strategies for Biomass Use in the European Context, Doc. Institute for Energy and Environment Leipzig Germany 3.Hofman F., Scholwin F.,- Experience of German Companies involves in Biogas Production. - Doc. Institute for Energy and Environment Leipzig Germany
