PL195071B1

PL195071B1 - Sposób wykorzystywania gazów zawierających metan

Info

Publication number: PL195071B1
Application number: PL349798A
Authority: PL
Inventors: Robert Rautenbach; Suleyman Yuce; Joachim Gebel; Alexander Schmitt
Original assignee: Green Gas Germany Gmbh
Priority date: 2000-09-23
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2007-08-31
Also published as: DE50113464D1; PL349798A1; DE10047262A1; PT1191215E; HU0103766D0; EP1191215A3; EP1191215A2; CA2357646A1; ATE383509T1; ES2299454T3; HUP0103766A3; US20020069754A1; CZ302535B6; DE10047262B4; US6595001B2; MXPA01009433A; HUP0103766A2; EP1191215B1; CZ20013389A3

Abstract

1. Sposób wykorzystywania gazów zawiera- jacych metan, zwlaszcza gazu kopalnianego, gazu pochodzacego z wysypisk smieci i bio- gazu z instalacji fermentacyjnych oraz proce- sów gnilnych w oczyszczalniach scieków, w którym gaz doprowadza sie dla wytwarzania pradu do silnika gazowego, nalezacego do zestawu zlozonego z silnika gazowego i gene- ratora, znamienny tym, ze zawartosc gazu obojetnego w doprowadzanym do silnika gazo- wego powietrzu do spalania redukuje sie za pomoca usytuowanej przed silnikiem gazowym, membranowej instalacji rozdzielczej. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykorzystywania gazów zawierających metan, zwłaszcza gazu kopalnianego, gazu pochodzącego z wysypisk śmieci i biogazu z instalacji fermentacyjnych oraz procesów gnilnych w oczyszczalniach ścieków, przy czym gaz doprowadza się dla wytwarzania prądu do silnika gazowego, należącego do zestawu złożonego z silnika gazowego i generatora.

Na niektórych wysypiskach śmieci zainstalowane są zestawy złożone z silnika gazowego i generatora, napędzane gazem pochodzącym z wysypiska. Gaz odsysany z bryły wysypiska zawiera metan w ilości około 50% objętościowych. Reszta składa się w zasadzie z CO2 i niewielkiej ilości azotu. Jeżeli wysypisko zostaje zamknięte, wówczas produkcja gazu przez bryłę wysypiska zamiera powoli przez okres około 10 lat. Zainstalowany system wychwytywania gazu zasysa wówczas coraz więcej powietrza do bryły wysypiska, czego rezultatem jest spadek zawartości metanu w odsysanym gazie wysypiskowym. Jeżeli zawartość metanu spada poniżej 40%, wówczas silnik gazowy nie może już pracować, zaś gaz wysypiskowy trzeba usuwać w procesie spalania palnych gazów odpadowych lub spalania katalitycznego.

Gaz kopalniany jest gazem składającym się w zasadzie z metanu, ulegającego rozrzedzeniu pod działaniem powietrza. Zawartość metanu w gazie kopalnianym leży w przedziale od 30 do 50% objętościowych, przy czym nieuniknione są wahania eksploatacyjne. Przy zawartości metanu poniżej 40% objętościowych silniki gazowe zostają wyłączone, zaś wykorzystanie gazu kopalnianego w ramach znanych środków staje się niemożliwe.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wykorzystania gazu zawierającego metan w ilości wahającej się wokół 40% objętościowych lub mniejszej do wytwarzania prądu.

Zadanie to rozwiązano według wynalazku w odniesieniu do opisanego na wstępie sposobu tak, że zawartość gazu obojętnego w doprowadzanym do silnika gazowego powietrzu do spalania redukuje się za pomocą usytuowanej przed silnikiem gazowym membranowej instalacji rozdzielczej.

Korzystnie silnik gazowy napędza się gazem ubogim o zawartości metanu poniżej 40% objętościowych.

Korzystnie powietrze atmosferyczne spręża się i doprowadza do modułu przepuszczania gazów, stanowiącego część membranowej instalacji rozdzielczej, którego membrany wykazują korzystną przepuszczalność w odniesieniu do tlenu, przy czym z modułu przepuszczania gazów odciąga się permeat o zawartości gazu obojętnego zredukowanej w porównaniu do powietrza atmosferycznego oraz doprowadza się go do silnika gazowego jako powietrze do spalania.

Korzystnie stosunek tlenu do azotu w powietrzu do spalania dobiera się tak, sterując pracą membranowej instalacji rozdzielczej, że silnik gazowy przy użyciu gazu ubogiego o zawartości metanu poniżej 40% objętościowych, pracuje przy współczynniku nadmiaru powietrza, optymalnym ze względu na pracę silnika i spaliny.

Korzystnie silnik gazowy pracuje przy współczynniku nadmiaru powietrza, wynoszącym λ = 1,5 do 1,8, korzystnie λ = 1,6.

Zastosowanie według wynalazku membranowej instalacji rozdzielczej pozwala zmieniać stosunek tlenu do azotu w powietrzu do spalania, doprowadzanym do silnika gazowego. W powietrzu do spalania ustala się wyższa zawartość tlenu i odpowiednio niższa zawartość azotu, względnie zawartość gazu obojętnego. W wyniku redukcji doprowadzanej wraz z powietrzem do spalania ilości gazu obojętnego można tak kompensować odpowiednio wyższą zawartość gazu obojętnego w zawierającym metan strumieniu gazów, że silnik gazowy może stale pracować w optymalnych warunkach. Pozwala to na stosowanie tak zwanych gazów ubogich o zawartości metanu poniżej 40% objętościowych i odpowiednio wyższej zawartości składników obojętnych, zwłaszcza azotu i/lub CO2.

W korzystnej postaci realizacji sposobu według wynalazku powietrze atmosferyczne spręża się i doprowadza do modułu przepuszczania gazów, stanowiącego część membranowej instalacji rozdzielczej, którego membrany wykazują korzystną przepuszczalność w odniesieniu do tlenu. Z modułu przepuszczania gazów odciąga się permeat o zawartości gazu obojętnego zredukowanej w porównaniu do powietrza atmosferycznego oraz doprowadza się go do silnika gazowego jako powietrze do spalania. Rozumie się, że stosowanie do ilości powietrza do spalania i żądanego zmniejszenia ilości azotu można również połączyć ze sobą równolegle i/lub szeregowo kilka modułów przepuszczania gazów. Stosunek tlenu do azotu w powietrzu do spalania można dobierać tak, sterując pracą membranowej instalacji rozdzielczej, że silnik gazowy przy użyciu gazu ubogiego o zawartości metanu poniżej 40% objętościowych pracuje przy współczynniku nadmiaru powietrza, optymalnym ze względu na

PL 195 071 B1 pracę silnika i spaliny. Korzystny jest współczynnik nadmiaru powietrza, wynoszący λ = 1,5 do 1,8, zwłaszcza λ = 1,6. Przy tej wartości współczynnika praca silników gazowych o typowej konstrukcji charakteryzuje się dużą sprawnością i niską emisją spalin.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia sposób wykorzystywania gazów zawierających metan, na przykładzie gazu wysypiskowego, fig. 2 - zastosowanie sposobu do wykorzystania gazu kopalnianego, fig. 3 - bilans materiałowy silnika gazowego napędzanego gazem ziemnym oraz fig. 4 - bilans materiałowy silnika gazowego napędzanego gazem wysypiskowym.

W sposobach przedstawionych na fig. 1 i 2 gaz zawierający metan, który jako gaz ubogi może zawierać mniej niż 40% objętościowych metanu, doprowadza się celem wytwarzania prądu do silnika gazowego 2, należącego do zestawu 3 złożonego z silnika gazowego i generatora.

W zastosowaniu sposobu przedstawionym na fig. 1 gaz ubogi stanowi gaz wysypiskowy 7, odsysany z bryły 1 wysypiska i składający się w zasadzie z metanu, CO2 i azotu.

W zastosowaniu sposobu przedstawionym na fig. 2 gaz ubogi stanowi gaz kopalniany 7', składający się w zasadzie z CH4, O2 i N2. Wentylacja szybów kopalni 10 węgla kamiennego powoduje rozrzedzenie gazu powietrzem, przy czym zawartość metanu może zmniejszyć się do wartości poniżej 40% objętościowych. Nieuniknione są przy tym eksploatacyjne wahania zawartości metanu.

W sposobach przedstawionych na fig. 1 i 2 usytuowana przed silnikiem gazowym 2 membranowa instalacja rozdzielcza 4 powoduje redukcję zawartości gazu obojętnego w doprowadzanym do silnika gazowego 2 powietrzu do spalania. Jak widać na figurach, powietrze atmosferyczne 5 spręża się i doprowadza do modułu przepuszczania gazów, stanowiącego część membranowej instalacji rozdzielczej 4, którego membrany wykazują korzystną przepuszczalność w odniesieniu do tlenu. Z modułu przepuszczania gazów odciąga się permeat 6 o zawartości tlenu zwiększonej w porównaniu do powietrza atmosferycznego i odpowiednio zredukowanej zawartości gazu obojętnego oraz doprowadza się go do silnika gazowego 2 jako powietrze do spalania. Stosunek tlenu do azotu w powietrzu do spalania można tak dobrać, sterując pracą membranowej instalacji rozdzielczej 4, że silnik gazowy 2 przy użyciu gazu ubogiego o zawartości metanu poniżej 40% objętościowych pracuje przy współczynniku nadmiaru powietrza, optymalnym ze względu na pracę silnika i spaliny. Wynika to wyraźnie z porównania bilansów materiałowych, przedstawionych na fig. 3 i 4.

Na figurze 3 ukazany jest bilans materiałowy silnika gazowego, napędzanego gazem ziemnym, dla współczynnika nadmiaru powietrza wynoszącego X = 1,6, optymalnego ze względu na pracę silnika i spaliny. W modelu obliczeniowym przedstawionym na fig. 3 do silnika gazowego doprowadza się 1,0 m³/h CH4 w postaci gazu ziemnego i 15,2 m³/h powietrza do spalania. Przy zawartości tlenu w powietrzu atmosferycznym równej 21% objętościowych do silnika gazowego doprowadza się 3,2 m3/h tlenu, zaś resztę stanowi gaz obojętny w postaci azotu i CO2. W związku z tym w silniku gazowym powstaje mieszanina gazu do spalania i powietrza o następującym składzie:

CH4 = 6,2%

O2 = 19,7%

N2 + CO2 = 74,1%

W modelu obliczeniowym przedstawionym na fig. 4 silnik gazowy jest napędzany zgodnie ze sposobem według wynalazku przy użyciu gazu ubogiego, którego zawartość metanu wynosi jedynie 20% objętościowych. Do silnika gazowego doprowadza się łącznie 5 m3/h gazu ubogiego o udziale gazu obojętnego wynoszącym ogółem 4,0 m3/h. Do spalania w silniku gazowym potrzebne jest 3,2 m3/h tlenu, który doprowadza się z powietrzem do spalania. Praca membranowej instalacji rozdzielczej zgodnie z wynalazkiem pozwala tak dobrać stosunek tlenu do gazu obojętnego w powietrzu do spalania, że silnik gazowy może również pracować przy współczynniku nadmiaru powietrza λ = 1,6. Jest to osiągane tak, że do membranowej instalacji rozdzielczej wprowadza się 4,0 m3/h gazu obojętnego. Z porównania fig. 3 i 4 wynika, że redukcja doprowadzanej z powietrzem do spalania ilości gazu obojętnego, pozwala na kompensację wysokiego udziału gazu obojętnego w strumieniu gazu, zawierającym metan.

Stosowanie do wymaganej ilości powietrza do spalania i wymaganej zmiany stosunku tlenu do azotu można równolegle i/lub szeregowo połączyć ze sobą kilka modułów przepuszczania gazów. Próby przeprowadzone na silniku gazowym o mocy 50 kW, napędzanym gazem wysypiskowym, pokazały, że silnik ma pełną moc nawet przy zawartości metanu wynoszącej jedynie 25% objętościowych, jeżeli stosunek tlenu do azotu w powietrzu do spalania zmieni się w wyniku zastosowania membranowej instalacji rozdzielczej.

PL 195 071 B1

Jako moduły przepuszczania gazów można stosować dostępne na rynku moduły z membranami zwiniętymi spiralnie, membranami z włókien lumenizowanych lub membranami kapilarnymi. Jako materiał na membrany nadają się przykładowo polisulfony, zwłaszcza z powłoką silikonową, polieterosulfony, poliimidy, octan celulozy i inne. Wymienione materiały wykazują korzystną przepuszczalność w odniesieniu do CO2 i jedynie niewielką przepuszczalność w odniesieniu do N₂ i metanu.

Prądem 8, wytwarzanym przez zestaw złożony z silnika gazowego i generatora, można zasilać sieć elektryczną. Podobnie można wykorzystać powstające ciepło 9. Sposób według wynalazku umożliwia wydajną pracę pracujących na wysypiskach zestawów złożonych z silnika gazowego i generatora, napędzanych gazem wysypiskowym 7. Sposób według wynalazku pozwala zwłaszcza wydłużać czas pracy zestawów złożonych z silnika gazowego i generatora, znajdujących się na zamkniętych wysypiskach, których produkcja metanu zamiera.

W kopalniach 10 węgla kamiennego zastosowanie sposobu według wynalazku jest również korzystne, ponieważ do wytwarzania prądu można wykorzystać gaz kopalniany nawet o bardzo niskiej zawartości metanu. Sposób według wynalazku można stosować bez konieczności dokonywania zmian, na przykład w odniesieniu do wentylacji. Sposób według wynalazku jest niezależny od eksploatacyjnych wahań składu gazu. Inne korzystne zastosowania odnoszą się do wykorzystania biogazu pochodzącego z instalacji fermentacyjnych lub procesów gnilnych w oczyszczalniach ścieków.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wykorzystywania gazów zawierających metan, zwłaszcza gazu kopalnianego, gazu pochodzącego z wysypisk śmieci i biogazu z instalacji fermentacyjnych oraz procesów gnilnych w oczyszczalniach ścieków, w którym gaz doprowadza się dla wytwarzania prądu do silnika gazowego, należącego do zestawu złożonego z silnika gazowego i generatora, znamienny tym, że zawartość gazu obojętnego w doprowadzanym do silnika gazowego powietrzu do spalania redukuje się za pomocą usytuowanej przed silnikiem gazowym, membranowej instalacji rozdzielczej.

2. Sposób według zs^^sr^^. 1, znamienny tym, że siinik gazowy napędza się gazem ubogim o zawartości metanu poniżej 40% objętościowych.

3. Sposób według z£^^tr^^. 1 albo 2, tym, że powierzę spręża się i doprowadza do modułu przepuszczania gazów, stanowiącego część membranowej instalacji rozdzielczej, którego membrany wykazują korzystną przepuszczalność w odniesieniu do tlenu, przy czym z modułu przepuszczania gazów odciąga się permeat o zawartości gazu obojętnego zredukowanej w porównaniu do powietrza atmosferycznego oraz doprowadza się go do silnika gazowego jako powietrze do spalania.

4. Sposób według z£^^tr^^. 1 albo 2, albo 3, znam ienny tym, że stosunek tlenu do azotu w powietrzu do spalania dobiera się tak, sterując pracą membranowej instalacji rozdzielczej, że silnik gazowy przy użyciu gazu ubogiego o zawartości metanu poniżej 40% objętościowych, pracuje przy współczynniku nadmiaru powietrza, optymalnym ze względu na pracę silnika i spaliny.

5. Sposóbwedług zas^z. 4, znamienny tym, że sHnikgazowy pr'acujepr'zy współczynnikunadmiaru powietrza, wynoszącym λ = 1,5 do 1,8, korzystnie λ = 1,6.