Krav til gaskvalitet. Bilagsrapport til: Afsætning af renset og opgradere biogas via naturgasnettet. Klientrapport Juni 1994

Transkript

1 Krav til gaskvalitet Bilagsrapport til: Afsætning af renset og opgradere biogas via naturgasnettet Klientrapport Juni 1994

2 Krav til gaskvalitet Bilagsrapport til: Afsætning af renset og opgraderet biogas via naturgasnettet Jan Jensen Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 1994

3 Titel Rapport kategori Forfatter Dato for udgivelse Copyright Krav til gaskvalitet, bilagsrapport Klientrapport Jan Jensen Juni 1994 Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer Sag navn ISBN Afsætning af biogas til naturgasnettet For ydelser af enhver art udført af Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) gælder: - at DGC er ansvarlig i henhold til "Almindelige bestemmelser for teknisk rådgivning & bistand (ABR 89) ", som i øvrigt anses for vedtaget for opgaven. - at erstatningsansvaret for fejl~ forsømmelser eller skader over for rekvirenten eller tredjemand gælder pr. ansvarspådragende fejl eller forsømmelse og altid begrænses til 100% qf det vederlag, som DGC har modtaget for den pågældende ydelse. Rekvirenten holdet DGC skadesløs for alle tab, udgifter og erstatningskrav; der måtte overstige DGC's hæftelse. - at DGC skal- uden begrænsning-omlevere egne ydelser i forbindelse medfejl ogforsømmelser i DGC's materiale. Juni 1992

4 DG C-rapport 1 INDHOLDSFORTEGNELSE SIDE l Indled ni n g Gaskvalitet - biogas og naturgas DGP' s krav vedrørende biogas som supplement til naturgasforsyning 5 4 Nuværende krav til dansk naturgas Sammenfatning ved krav til renset biogas Kontrol af gaskvalitet Krav til gaskvalitet JI<J\jkt\RAPPORT\KRAV.R

5

6 DG C-rapport 2 1 Indledning Danmarks Gasmateriel Prøvning (DGP) har fastsat krav vedrørende gaskvalitet for gasleverancer til de danske forbrugere. Disse krav skal sikre, at godkendte gasapparater og gasinstallationer samt gasdistributionssystemet i øvrigt fungerer sikkerhedsmæssigt tilfredsstillende. Der stilles således specifikke krav vedrørende gassens wobbetal (forhold mellem brændværdi og massefylde), massefylde, vand- og kulbrintedugpunkt, støv, svovlbrinte- og totalt svovlindhold. De danske krav til gaskvalitet ligger på linie med kravene i de fleste øvrige europæiske lande. Biogasinstallationer er omfattet af lov nr. 250 af 8. juni 1978 om gasinstallationer og skal, for så vidt angår stikledninger og forbrugerinstallationer, være omfattet af bestemmelser i Gasreglementet Biogasinstallationer skal følge de grundlæggende bestemmelser i: - Gasreglementets afsnit A, installationer < 135 kw, - Gasreglementets afsnit B-4, installationer > 135 kw, og - Gasreglementets afsnit C-1 og C-2, overensstemmelsesvurdering og krav til gasmateriel, for så vidt disse bestemmelser kan finde anvendelser. Mens DGP skal fastsætte bestemmelser for stikledninger og forbrugerinstallationer, skal Arbejdstilsynet og Statens Brandinspektion fastsætte forskrifter for produktions- og lageranlæg for biogas. DGP skal endvidere godkende alle erstatningsgasser for naturgasforsyning, jf. Gasreglementets afsnit A, bilag 1-A. Gasleverandøren skal kunne dokumentere, at den leverede gas overholder de specificerede krav vedrørende gaskvalitet Der planlægges pt justeringer i Gasreglementets kravspecifikationer, idet fælleseuropæiske retningslinier er under udarbejdelse.

7 DGC-rapport 3 2 Gaskvalitet - biogas og naturgas Såvel biogas som naturgas består væsentligst af metan, men komponentsammensætningen er alligevel så forskelligartet, at de 2 gasser normalt ikke kan erstatte hinanden. Krav til tilladelig variation i gaskvalitet anføres normalt i forhold til wobbetallet, som er den parameter, hvormed sikkerhedsmæssig forsvarlig gasanvendelse i vidt omfang kan sikres. Øvrige krav til gaskvalitet skal primært sikre korrekt funktion og holdbarhed af distributionsnettet. Tabel l viser de tekniske nøgletal for hhv. naturgas og biogas. Wobbetallet ses at variere med en faktor 2 for de 2 gasser, hvilket medfører, at gasserne ikke umiddelbart kan erstatte hinanden. Biogas ses endvidere at have et vist indhold af svovlbrinte (H 2 S) samt ammoniak (NH 3 ), som ønskes begrænset mest muligt af hensyn til korrosionsrisikoen i distributionssystemet og i de gasforbrugende apparater. For at undgå kondensation af vanddamp i distributionssystemet er det nødvendigt, at gassernes vanddampdugpunkt er lavt. Vanddampindholdet i biogas er sædvanligvis så højt, at en tørring af gassen er nødvendig.

8 DG C-rapport 4 Tekniske nøgletal Naturgas Biogas CH4 (metan) [vol %] C 2 H 6 (etan) [vol %] 5.1 o C 3 H 8 (propan) [vol %] 1.8 o C4HIO (butan) [vol %] 0.9 o Cs+ (pentan) [vol %] 0.3 o co2 (kuldioxid) [vol %] N2 (kvælstof) [vol %] H 2 S (svovlbrinte) ppm - l NH3 (ammoniak) ppm o Vanddugpukt [O C] <-5 mættet Nedre brændværdi [MJ/nm 3 ] [kwh/nm 3 ] [MJ/kg] Densitet [kg/nm 3 ] o Relativ densitet [-] Wobbetal (W ø) [MJ/nm 3 ] Metantal [-] 73 :::::: 135 Støkiometrisk forbrænding: Luftbehov [nm 3 /nm 3 gas] Flammetemperatur*) [O C] Røggas vanddugpunkt [O C] Røggas vanddampindhold vol% *) Beretningsforudsætning: adiabatisk uden dissociation. Tabel l. Tekniske nøgletal for dansk naturgas (1992) og urenset biogas. Indholdet af svovlbrinte og ammoniak i biogas varierer meget med produktionsforholdene. Ved beregning affysiske og forbrændingstekniske nøgletal er følgende sammensætning af biogas anvendt: CH 4 = 65%, C0 2 = 35%.

9 DG C-rapport 5 3 DGP's l<rav vedrørende biogas som supplement til naturgasforsyning Ved biogas forstås gas produceret ud fra gylle eller fast affald fra landbrugsbedrifter mv. samt gas fra lossepladser og andre affaldsanlæg. De tekniske anlæg med biogas kan i relation til deres formål opdeles i: o Rene biogasanlæg o Biogasanlæg med supplerende gasforsyning o Anlæg med renset biogas som supplement til naturgasforsyning I det følgende behandles alene krav til anlæg, der afsætter biogas til naturgasnettet. Det er muligt på forskellige måder at rense biogassen således, at den helt eller delvis kan indsættes i naturgasforsyningen. I disse tilfælde er systemkravene fastlagt i naturgassystemet, hvorved følgende faktorer bliver de kritiske: - Rensningsgraden af gassen set i relation til aggressive stoffer. - Rensning og bearbejdning af gaskvaliteten set i relation til at opnå stabile forbrændingstekniske forhold for alle brænder- og apparattyper. - Sikring imod overtryk og risiko for indtrængning af naturgas i biogassystemet Den rensede biogas skal således kunne indpasses i naturgassystemets grundlæggende tekniske filosofi, idet opblandingsforholdet mellem den rensede biogas og naturgassen vil blive bestemt af den mest følsomme gasinstallation i forsyningsområdet

10 DG C-rapport 6 Selve behandlingsanlægget for biogas skal projektgodkendes af DGP. Som supplement til Gasreglementets bestemmelser vil der blive fastsat: l. Krav til kvaliteten af den rensede biogas. 2. Krav om maksimal andel biogas i naturgassen eller indskrænkning i apparatbestanden og/eller indgreb fra gasleverandøren i apparaternes indregulering. 3. Krav om overvågning af koblingsfunktionen. ad 1: Krav til kvaliteten af den rensede biogas Den rensede biogas skal mindst renses til de værdier for naturgaskvalitet, der er angivet i bilag la til Gasreglementet Det må dog forventes, at yderligere acceptkriterier for rensning af reststoffer bliver præsenteret. ad 2: Krav om maksimal andel biogas i naturgassen Sammenhængen mellem relativ vægtfylde og øvre brændværdi for henholdsvis naturgas og biogas fremgår af vedlagte figur l. Den danske naturgas har - indtil videre - haft en stabil sammensætning med et højt wobbeindex. Af figur l fremgår det, at brændværdien for biogas renset til 95% metan villigge på MJ/m 3 Det betyder, at wobbetallet vil være højere end 90% af wobbetallet for naturgas. En fuldstændig erstatning mellem disse to gaskvaliteter ville intet betyde for almindelige atmosfæriske brændere i husholdningen, men for gasblæseluftbrændere og specielt procesudstyr vil dette medføre krav om ny indregulering af anlæggene. Det vil dog være muligt at finde et gasblandingsforhold med en mindre andel biogas i naturgas, som ikke vil medføre krav om ændring af forbrugernes følsomme installationer.

11 DG C-rapport 7 'f 'i '-{(;, 4Y YJ ~o~ 3'il.361 ~~&e,r-t-- H1/ 141 > p;r<-b~...j-i...,... l "' v"".; "' "',-'t~ " "' " " " "' "' / / / / / / x "' ~J lt.tuq a4..- ~ø..- "' ~w.. B;c r.s _, "" 9J ft; " x " / l l l,/ ezu l.., 1 l, J..,.., ] )!' G-2.S o.ss Figur l. Acceptabelt varia/ionsområde for naturgas som funktion af relativ massefylde og øvre brændværdi. Placeringen af dansk naturgas, biogas (renset til 95% CH-d samt en række testgasser er angiver i diagrammet.

12 DG C-rapport 8 ad 3: Krav om overvågning af koblingsfunktionen Selve koblingsfunktionen og gasrensningsanlægget skal sikres imod overtryk og indtrængning af naturgas. I forbindelse hermed stilles særlige krav til rørmaterialer og samlingsmetoder, samt om anvendelse af tilbageslagsventiler og evt. supplerende sikringer imod overtryk. Proceskontrol Inden den rensede gas afsættes til naturgasnettet skal der udføres en kvalitetskontrol som godtgør, at den rensede gas overholder kravene vedrørende kvalitet. Omfanget af kvalitetskontrollen afuænger af den forudgående rensningsproces. DGP vil fastsætte vilkårene for kvalitetskontrollen samt for rapporteringen heraf. Måling af gaskvaliteten kan foretages på principielt 2 måder: Kontinuerlig automatisk overvågning eller manuel stikprøvekontrol. DGP er indstillet på, at manuelle stikprøver kan anvendes, såfremt de anvendte rensningsteknikker er veldokumenterede. Endvidere skal selve stikprøveudtagningen indarbejdes i drift- og vedligeholdelsesrutinerne for biogas-/opgraderingsanlægget således, at kontrollen udføres i tilstrækkeligt omfang. En mere detaljeret beskrivelse af mulighederne vedr. kontrol af gaskvalitet er givet i afsnit 6.

13 DGC-rapport 9 4 Nuværende krav til dansk naturgas Gasreglement Kravene til den danske naturgas er overordnet fastlagt iht. Gasreglementet Der kan herudover være fastlagt supplerende bestemmelser i kontrakten mellem forbruger og gasselskab. De danske krav er i god overensstemmelse med leverancebetingelser i de fleste øvrige europæiske naturgasforsynede lande. Gasreglementets krav Kravene iht. Gasreglementets bilag la er som følger. De her anførte numre i parentes henviser til pågældende paragraf i Gasreglementet Wobbeindex (4.1): Under normale driftsforhold skal gassen iht. reglerne have et øvre wobbeindex mellem MJ/nm 3 Webbetallet bør dog holdes indenfor MJ/nm 3 og variationen på den aktuelt leverede gas bør ligge indenfor ±5%. (4.2): Det er tilladt at levere gaskvaliteter med et øvre wobbeindex ned til 46.9 MJ/nm 3 under vanskelige forsyningsforhold. Relativ massefylde (4.3): Den relative massefylde af naturgaskvaliteter skal være mindre end 0.7. Erstatningsgas (4.4): Enhver erstatnings- og spidslastgas for 2. gasfamilie (naturgaskvaliteterne) skal godkendes af DGP (Danmarks Gasmateriel Prøvning). Kulbrinter (3.2): Indholdet af umættede og aromatiske kulbrinter skal begrænses mest muligt. Af hensyn til kondensationsrisikoen skal indholdet og sammensætningen af kulbrinter vurderes iht. forekommende tryk- og temperaturforhold i ledningerne. Kulbrintedugpunktet ved driftstrykket skal være som angivet i tabel 2.

14 DG C-rapport 10 Driftstryk Kulbrintedugpunkt 4-80 bar ~ ooc 0-4 bar ~ +5 C Tabel 2. Gasreglementets krav til kulbrintedugpunkt Vandindhold (3.3): Vandindholdet i gaskvaliteter, der distribueres ved høje tryk, skal holdes på et minimum af hensyn til kondensationsrisikoen. Af hensyn til kondensationsrisikoen må fugtigheden i gaskvaliteter, der distribueres ved et lavere tryk, ligeledes holdes på et minimum. Vanddugpunktet ved driftstrykket skal være som angivet i tabel 3. Driftstryk Vanddugpunkt 4-80 bar ~ ooc 0-4 bar ~ +5 C Tabel 3. Gasreglementets krav til vanddugpunkt Støv (3.4): Støv, der kan forårsage fejlfunktion ved efterfølgende regulatorer, skal filtreres fra. Ilt og kultveilte (3.5): Indholdet af 0 2 og C0 2 må af hensyn til korrosionsrisikoen begrænses mest muligt. (3.6): Af hensyn til korrosionsrisikoen må totalindholdet af svovl og især svovlbrinter begrænses mest muligt. Svovlforbindelser Indholdet af svovl (S) og svovlbrinte (H 2 S) må maksimalt være som angivet i tabel 4. DGP skal underrettes, hvis det gennemsnitlige indhold i længere perioder overstiger hhv. 50 mg/nm 3 for totalt svovlindhold og 3 mg/nm 3 for svovlbrinte.

15 DGC-rapport 11 Totalt svovlindhold incl. odorisering max. 150 mg/nm 3 Svovlbrinte H 2 S max. 5 mg/nm 3 Tabel 4. Gasreglementets krav vedrørende svovl og svovlbrinte Odorantstof (6.1): Enhver distribueret gaskvalitet skal indeholde et odariseringsstof i en sådan koncentration, at en person med normallugtesans er i stand til med sikkerhed at spore en gas-luftblanding svarende til høj s t 20% af gassens nedre eksplosionsgrænse. I Danmark benyttes odorantstoffet THT (Tetrahydrothiofen, C 4 H 8 S) som tilsættes naturgassen i henhold til DVGW 280. Kontrol af naturgassens sammensætning Dansk Naturgas A/S overvåger naturgaskvaliteten i det danske transmissionsnet Dels på gasbehandlingsanlægget i Nybro, og dels ved at analysere gassammensætningen vha. gaskromatografer forskellige steder i gasnettet I Nybro er der mulighed for at justere gaskvaliteten (afsvovling/tørring samt justering af kulbrintedugpunkt). Kontrol af gassammensætningen skal sikre, at naturgaskvaliteten opfylder de i Gasreglementet fastsatte krav. Evt. nye gasleverandører til naturgasnettet villigeledes skulle foretage en kontrol, som sikrer, at den leverede gas opfylder de nødvendige krav vedrørende gaskvalitet I afsnit 5 sammenfattes de krav, som af sikkerheds- og driftsmæssige årsager må stilles til biogas, der afsættes til naturgasnettet.

16 DG C-rapport 12 5 Sammenfatning ved krav til renset biogas Ud over de krav der stilles til selve gasinstallationerne (produktionsog lageranlæg), kan de væsentligste krav til gaskvaliteten af den rensede gas sammenfattes til: o Indholdet af svovlbrinte (H 2 S) må ikke overstige 5 mg/m 3 " (3.3 ppm). o Indholdet af ammoniak (NH 3 ) skal begrænses mest muligt. o Webbetallet i den gas der leveres til forbrugeren skal ligge i intervallet MJ/m 3 11 o Den rensede gas skal være tør ( vanddugpunkt <-5o C). Kravene betyder imidlertid ikke, at den rensede biogas skalleveres med det nævnte wobbetal. DGP er åbne over for muligheden af at blande naturgas - som har et wobbetal tæt ved den øvre grænse - med biogas, så længe blandingen overholder specifikationen. Et mindre indhold af N 2, 0 2 og C0 2 i den rensede biogas accepteres ligeledes. DGP vil forlange overvågning af gaskvaliteten (gasleverandørens ansvar), hvilket i praksis vil medføre måling af metankoncentration eller wobbetal samt svovlbrinte og ammoniak. Afhængig af hvilken nøjagtighed, der er nødvendig, med hensyn til afregningsforhold, kan metanindholdet i gassen fastlægges indirekte ved en C0 2 -analyse. Oversigt vedrørende mulige opblandingsforhold, som funktion af rensningsgrad er vist på figur 2.

17 DG C-rapport 13 Volumenet af biogas der kan afsættes afuænger således dels af rensningsgraden, dels af det naturgasvolumen, der er mulighed for at blande med. Det er således nødvendigt samtidigt at overvåge flowet i naturgasledningen samt flowet af biogas, der afsættes til naturgasnettet. Maximal andel af renset biogas i N G-net som funktion af rensningsgrad Øvre wobbeindex for blandgas: 51,9 MJ/nm3 Q ~ -aj = l ej z CIJ C':l bl) -aj CIJ = aj ~ 100 : l l i i ,,_...,..._.-..,--... _... c..._.,,_,_,..-.. ~ l =~--~-=~=1 ==:-~==-:~~~~~-~=i:=~~~= :::~...,..._,_.,.._.._,.,_.._ : l :.. l "_,_.._,...,..._,...,_... i '..... l o ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Metanindhold i renset gas [mol-%] 100 Figur 2. Muligt afsætningsvolumen af biogas til naturgasnettet som funktion af rensningsgrad. Opgraderes biogassen således til fx 90% CH % C0 1, vil det være muligt at distribuere gas til forbrugeren, som består af 25% biogas og 75% naturgas.

18 DG C-rapport 14 6 Kontrol af gasl<valitet Kontrol af gaskvalitet kan foretages på principielt 2 forskellige måder: enten ved et manuelt check, hvor gassen analyseres med mellemrum eller ved kontinuerlig overvågning af gaskvaliteten, hvor gassammensætningen automatisk analyseres. Der er overordentlig stor forskel på omkostningerne ved de 2 analysemetoder, idet udgiften til gasanalysatorer og tilhørende registreringsog reguleringsudstyr vurderes at beløbe sig til l - 2 mio. kr. for en fuldautomatisk overvågning. Udgiften i forbindelse med manuel overvågning er meget begrænset med hensyn til udstyr, men der må påregnes en del driftsomkostninger til gasanalyser og mandtid. Overvågningen af gaskvaliteten fordrer i begge tilfælde, at driftspersonalet har et vist kendskab til måleteknik Manuel overvågning Manuel overvågning af gaskvaliteten kan foretages ved, at driftspersonalet med mellemrum udtager gasprøver, som analyseres på et eksternt laboratorium. Fordelen herved er, at metoden ikke kræver investeringer i analyseudstyr, og at den er meget lidt tidskrævende. Afhængig af prøvefrekvensen må der påregnes en driftsudgift til gasanalysen. Ulempen ved metoden er, at reaktionstiden er lang, hvilket vil sige, at der går flere døgn før en evt. uacceptabel gaskvalitet opdages. Manuel gaskvalitet kan endvidere udføres af driftspersonalet ved hjælp af håndinstrumenter, fx Dragerrør. Metoden er enkel og rimelig præcis, men kræver nogen mandtid. Reaktionstiden er kort- analyseresultatet aflæses med det samme - så kontrollens effektivitet afhænger af prøvningsfrekvensen. Fordelen ved metoden er, at den har lave investerings- og driftsomkostninger. Reaktionstiden er kort, mens ulempen ved metoden er, at den binder driftspersonale til kontrol og rapportering.

19 DG C-rapport 15 Omfanget af kvalitetskontrollen ved manuel overvågning må fastlægges i samarbejde med DGP og naturgasselskabet, idet behovet for kontrol vil afl1ænge af de valgte gasrensningsmetoder. Automatisk overvågning Automatisk overvågning af gaskvaliteten kræver store investeringer i udstyr, ligesom en væsentlig driftsomkostning til kontrol og kalibrering af udstyr må påregnes. Den store udgift til apparater skyldes, at de forskellige gaskomponenter ikke kan registreres med det samme instrument, samt at traditionelle måleteknikker som IR- eller UV-analysatorer ikke kan anvendes til kontrol af fx svovlbrinte og ammoniak. Ved automatisk overvågning er det ligeledes nødvendigt at etablere registreringsudstyr (dataopsamling) til dokumentation af gaskvalitet samt at etablere alarmer eller evt. automatisk flaring, hvis gaskvaliteten ikke overholder specifikationerne. Omkostningen ved fuldautomatisk overvågning er stort set uafhængig af biogasafsætningen, hvorfor etablering af kontinuerlig/automatisk kvalitetskontrol på mindre biogasanlæg næppe er økonomisk forsvarlig. K valitetskontmllens omfang De komponenter og fysiske parametre, som kvalitetskontrollen skal omfatte, er indirekte fastlagt ved de krav, som stilles til gaskvaliteten samt til afregningen. Metanindholdet i den rensede gas skal fastlægges dels for at bestemme rensningsgraden og dermed afsætningsmuligheden, dels for at fastlægge energiindholdet i den leverede gas. Metanindholdet kan fastlægges ved en direkte måling eller indirekte vha. en wobbetalsmåling eller en C0 2 -måling.

20 DG C-rapport 16 Svovlbrinte (H 2 S) Svovlbrinteindholdet i den rensede gas skal fastlægges således, at dokumentation for overholdelse af Gasreglementets krav foreligger. Ammoniak (NH 3 ) Ammoniakindholdet i den rensede gas skal fastlægges således, at dokumentation for et passende lave ammoniakindhold foreligger. Vanddamp Dugpunktskontrol kan sandsynligvis udføres ved registrering af gassens konditionering dvs. tryk og temperatur. Dugpunktet kan overholde kravet (-5 C, 1-4 bar) ved, at gassen afkøles ved højt tryk og evt. genopvarmes inden ekspansion til ca. 4 bar. Opblanding Hvis der skal ske en kontinuerlig overvågning af biogas-/naturgasforholdet, så kræves en samtidig registrering og analyse af flowmængder fra biogasproduktionen og den nærmeste MIR-station. Flowmåling af den leverede biogas skal alligevel etableres af hensyn til gasafregningen. Sammenfatning I praksis må overvågning af gaskvaliteten ske som en kombination af automatisk og manuel overvågning. I både Tyskland og Holland, hvor flere store rensningsanlæg afsætter lossepladsgas til naturgasnettet, lægges hovedvægten på kontinuerlig overvågning af wobbeindexet, mens sporstofferne kontrolleres ved hjælp af manuelt betjente målerør. Dette vurderes også af DGP at være tilstrækkeligt, når rensningsprocesserne er veldokumenterede. Der kan være specielle krav eller prioriteringer med hensyn til gaskvalitet afhængig af, hvor den opgraderede gas ønskes afsat til naturgasnettet. Årsagen hertil kan være fx en atypisk belastningskurve, netudformningen eller specielle gasforbrugere. Det vil derfor være vigtigt at

21 DG C-rapport 17 fastlægge vilkår for gaskvalitet og kvalitetskontrol på et tidligt stadium i planlægningen af et opgraderingsanlæg. Ligeledes bør biogasleverandøren og naturgasselskabet indgå et samarbejde om selve kvalitetskontrollen, idet det for naturgasselskabet er af vital betydning, at den leverede gas kan honorere kvalitetskravene.