1. . Пряме спалювання біогазу

В багатьох країнах світу, зокрема в Німеччині, США та інших, біогаз, який одержують зі стічних вод, а також зі сміттєзвалищ та сільськогосподарських відходів, безпосередньо спалюється в котлах опалювальних систем будівель та промислових приміщень. Для нормальної роботи пальників потрібен тиск витікання біогазу на вході в пальник порядку 1-1,5 кПа. Пряме спалювання біогазу з метою одержання теплової енергії має свої особливості, зумовлені впливом домішок (H₂S, CO₂ та інших газів). Такий процес потребує спеціального обладнання, використання нержавіючих сталей (у зв’язку з наявністю в біогазі сірководню ). Існуючі пальники не забезпечують потрібну стабілізацію горіння і можливість регулювання виробництва тепла в необхідному діапазоні режимів. Попередні дослідження котлів при роботі на біогазі (до переобладнання) виявили, що ККД котла дорівнював не більше 79-80%. Має місце викид до атмосфери великої кількості СО (до1400мг/м³ ) і NO_x (40-60мг/м³), що перевищує норми. Окрім цього , ці пальники мають такі суттєві недоліки:

• не дозволяють проводити зміну навантаження котла, бо має місце відрив факелу;

• через корозію металу колектор пальника та сопла декілька раз на рік виходять з експлуатації та потребують заміни.

Спеціальні щілинні пальники розроблено з врахуванням специфічних особливостей біогазу – зменшення межі стійкості горіння, тому вони можуть працювати у широкому діапазоні режимів: від 180 до 954 м³/год. біогазу. Ці пальники виготовляють зі спеціальних сталей, вони мають з’ємні сопла, які не зазнають сірководневої корозії, та пристрій для стабілізації полум’я.

З метою зменшення надлишку повітря щілинні пальники оснащуються спеціальними смугами, які спрямовують повітря до кожного з 400 сопел, та не допускають великої кількості зайвого повітря. Розроблені пальники мають достатньо велику потужність – 318 м³/год. біогазу та працюють без вентиляційного дуття.

Пусконалагоджувальні дослідження котла ДКВР-6,5-13 показали, що при використанні таких пальників:

• зросла продуктивність котла на 20%;

• різко зросла межа регулювання продуктивності котла (зі 100% до 40% та нижче);

• ККД котла зріс з 79-80% до 89-91%, що дає економію палива тільки на 3-х котлах ДКВР-6,5-13 – 1,5 млн. м³/рік природного газу, або більш 600 тис.грн./рік;

• викид СО від недопалу біогазу знизився у 40 разів та зараз дорівнює 20 мг/м³, що нижче норми у 5 разів;

• викид N_ox становить 50 мг/м³, що у 4 рази нижче норми, і у 2,5 рази нижче, ніж у котлах на природному газі. Це свідчить, що при спалюванні біогазу (при низькому вмісті або відсутності сірководню) екологічні характеристики викиду у повітря котлами у 2 рази кращі, ніж при спалюванні природного газу;

• пальники працюють з коротким (менш 1 м) прозорим полум’ям, без шуму чи вібрації.

Тому для прямого спалювання біогазу застосовують спеціальні методи стабілізації горіння, що дозволяє розширити діапазон регулювання виробництва тепла пальниками. Але при цьому не вирішуються екологічні проблеми.

Одним із перспективних методів одержання теплової енергії являється безполум’яне каталітичне спалювання біогазу на стаціонарних шарах каталізаторів. Використання каталітичного методу спалювання дозволяє зменшити втрати тепла з продуктами згоряння, за рахунок проведення процесу без значного надлишку повітря і при відносно низьких температурах (400 – 600 С). Окрім цього, використання каталізаторів, які мають високі ступені конверсії, забезпечує повне згоряння газу, що виключає або значно зменшує утворення шкідливих сполук в продуктах згоряння.

Окислення біогазу проводиться на нанесених каталізаторах, отриманих методом просочення носія азотнокислими солями металів змінної валентності(Co,Cr,Fe). Основним чинником проникнення повітря в шар каталізатора є повздовжнє перемішування, яке виникає при турбулентній (вихровій) дифузії. Окислення біогазу досліджено на змішаних каталізаторах із збільшенням вмісту платини і паладія. В якості оксидної фази використано кобальтохромову шпінель Со(СоСr)₂О₄. Результати окислення біогазу (СО₂-10%) при товщині шару змішаних каталізаторів показано в таблиці 4.3 .

Таблиця 4.3. Основні характеристики процесу окислення біогазу в дифузійному пальнику на змішаних каталізаторах.

V біогазу л/год	Co-Cr(4.4%) Pt(1.5%)SiO2			Co-Cr(7%) Pd(1.5%)SiO2
	Tmax, С		W103, см3/сг	Tmax, С		W103, см3/сг
2,0	485	0,84	84,2	---	---	---
4,0	589	0,91	184,0	570	0,89	177
6,0	571	0,90	270,0	580	0,84	250
8,0	553	0,87	281,0	563	0,80	273

Ефективність змішаних каталізаторів можна збільшити ,якщо використовувати два джерела подачі повітря в зону горіння газу, Частина повітря (біля 50%) подавати разом з горючим газом, а решту шляхом дифузії. Горіння газу в цьому випадку починається на вході в шар каталізатора за рахунок кисню, яикй присутній в початковій суміші, а догоряння залишків газу проходить на виході з шару за рахунок кисню, який поступає дифузійним шляхом. В таблиці 4.4 наведено результати окислення біогазу (СО₂-10%) в таких умовах.

Таблиця 4.4 Характеристики процесу окислення біогазу в дифузійному пальнику на змішаному каталізаторі Co-Cr(4.4%) Pt(1.5%)SiO₂ при використанні двох джерел подачі повітря в шар каталізатора.

V біогазу л/год.	Співвідношення СН4 : повітря	Tmax, С		W103, см3/сг	Теплове навантаження випромінювальної поверхні, Вт/см2
4,0	1 : 0,4	500	0,95	191,6	1,58
6,0	1 : 0,5	520	0,97	294,0	2,30
6,6	1 : 0,5	650	0,98	325,0	2,60
7,0	1 : 0,5	610	1,00	350,0	2,77
8,0	1 : 0,5	603	0,99	349,0	3,21