Первая задача, которая возникает после запуска биогазовой установки – это утилизация производимого биогаза. Самый простой способ утилизации – это сжигание. Но сжигать биогаз просто так для демонстрации себе и окружающим голубенького факела быстро надоедает, и возникает желание сжигать биогаз с пользой. Поэтому самое простое полезное применение – это нагрев емкости с водой и приготовление пищи. Делается это с использованием газовой плиты.
В Китае, например, выпускаются сразу адаптированные под биогаз газовые плиты. Но ехать в Китай или заказывать газовую плиту оттуда накладно и просто глупо. Проще самому переделать обычную газовую плиту таким образом, чтобы она стабильно и устойчиво сжигала биогаз.
Для пробной переделки возьмем недорогую плиту, изначально предназначенную для пропан-бутана. Конструкция горелки у такой плиты функционально такая же, как и у любых других бытовых газовых плит. Газ поступает к запорно-регулировочному крану, проходит через него и через форсунку выдувается в трубку, ведущую к горелке. Трубка входит в чашку горелки, прикрытую сверху крышкой. В начале трубки в районе форсунки есть окна для подсоса воздуха.
Когда газ с большой скоростью вытекает из форсунки, то вокруг струи газа создается разрежение (согласно закону Бернулли) и в область этого разрежения через окошки подсасывается воздух. Этот воздух смешивается в трубке с газом, газовоздушная смесь попадает в чашку горелки и выходит наружу через сопла. Там смесь сгорает.
То есть, в бытовой газовой плите происходит предварительное смешивание горючего газа в оптимальной пропорции с воздухом, поэтому горит уже смесь. Отсюда и возникают задачи, которые нам нужно решить, чтобы сделать плиту пригодной для сжигания биогаза.
Нам нужно обеспечить правильную пропорцию газовоздушной смеси, а также скорость потока газа, чтобы на выходе из сопел горелки пламя горело стабильно с максимально возможным КПД во всем диапазоне регулировки крана горелки.
Скорость потока газа задается давлением газа на входе в плиту и диаметром отверстия форсунки. Для стабильного горения крайне желательно обеспечить входное давление на уровне заданных стандартом для сетей низкого газового давления, т.е. 0,017 атм, или 17 см водяного столба. При меньших значениях давления газовый поток будет слишком слабым. Задача создания необходимого давления решается самой биогазовой установкой, а именно: либо газгольдером – регулятором давления, либо дополнительным компрессором с редуктором. Также задача упрощается увеличением диаметра отверстия форсунки.
Чтобы добраться до форсунки надо получить доступ к выходу крана регулировки пламени. Форсунка расположена в этом месте.
На фото видна вывинченная форсунка.
Методом постепенного просверливания отверстия в форсунке сверлом все большего диаметра и проб было определено, что форсунку нужно высверливать максимально. В данном конкретном случае даже форсунка была в конечном итоге полностью удалена.
Следующий шаг – обеспечить оптимальную газовоздушную смесь. Оптимальная смесь – это такая смесь, в которой количество окислителя точно соответствует количеству восстановителя, так что после реакции сгорания не остается ни того, ни другого. Восстановителем является метан, содержащийся в биогазе. А окислителем является кислород, содержащийся в воздухе. Реакция сгорания метана выглядит следующим образом:
CH4+2O2=CO2+2H2O
То есть, на одну молекулу метана приходится 2 молекулы кислорода. Поскольку молярный объем у всех газов одинаков, то это значит, что на один объем метана должно приходиться два объема кислорода. В воздухе содержится примерно 21% кислорода. Это значит, что на один объем природного газа (практически полностью состоящего из метана) должно приходиться 10 объемов воздуха.
Реакции сгорания пропана и бутана выглядят следующим образом:
C3H8+5O2=3CO2+4H2O
2C4H10+13O2=8CO2+10H2O
То есть, для сжигания одного объема пропана нужно пять объемом кислорода или 25 объемов воздуха, а для одного объема бутана – шесть с половиной объемов кислорода или 32,5 объема воздуха.
Биогаз же состоит из метана лишь частично. Обычно в биогазе примерно 60% метана. Соответственно, для сжигания одного объема биогаза нужно 6 объемов воздуха.
Подсчитывать аэродинамику подсоса воздуха к газовой струе очень сложно. Намного проще определить конфигурацию окошек подсоса воздуха экспериментально.
Это исходная трубка с дырками для подсоса воздуха. Кроме того, сама трубка одевается на кран с форсункой отнюдь не герметично.
Поэтому для определения оптимальной конфигурации окошек подсоса воздуха отверстия закрывались изолентой на различную глубину, и проводились пробы. Оказалось, что отверстия можно заклеить полностью:
Или почти полностью:
Далее трубка устанавливается на место.
Можно пускать биогаз и поджигать конфорку.
При освещении пламя плохо видно. Поэтому для точной настройки можно выключить свет.
Когда все настроено, на плиту можно ставить полезную нагрузку.
