Wykorzystanie biogazu do produkcji energii elektrycznej i ciepła w układach CHP (ang. Combined Head and Power) jest obecnie najbardziej popularnym i promowanym rozwiązaniem szczególnie w zakresie gospodarki wodno-ściekowej ze szczególnym uwzględnieniem procesu stabilizacji osadów ściekowych. Niemniej jednak, spalenie biogazu w agregacie prądotwórczym jest mocno skorelowane z badaniem oraz wymianą oleju smarnego, który podczas eksploatacji mechanicznej ulega procesowi starzenia, zmieniając swoje parametry fizykochemiczne, a także pojawiają się w nim liczne zanieczyszczenia. Podstawowym problemem biogazu powstającego w wyniku procesów fermentacyjnych różnego rodzaju osadów sieciowych jest jego zanieczyszczenie przez nadmierną wilgoć, siarkowodór, związki chlorowcopochodne, pył, amoniak czy siloksany. Z drugiej strony, gazy takie zawierają względnie wysoką zawartość metanu (50÷65%), co sprawia, że stanowią kalorycznie atrakcyjne paliwo do procesów spalania w jednostkach CHP.
Oleje płynne do silników spalinowych (w tym także jednostek CHP) w trakcie pracy podlegają nadzwyczaj dużym obciążeniom mechanicznym i termicznym. W wysokiej temperaturze pracy tulei cylindrowych smar płynny nie powinien wyparować, lecz tworzyć odpowiednio lepką, niezmniejszającą się, dobrze przylegającą warstwę smaru, zwaną potocznie filmem. Natomiast w niższej temperaturze olej smarny powinien być na tyle płynny, aby umożliwić uruchomienie wychłodzonego agregatu, a jednocześnie dawać gwarancję pokrycia filmem powierzchni ślizgowych przy ponownym uruchomieniu silnika.
Patrząc ogólnie na jakość olejów smarnych dedykowanych dla jednostek CHP, powinny charakteryzować się one następującym właściwościami:
- stabilną warstwą filmu w każdej temperaturze pracy;
- optymalną lepkością w każdej temperaturze zakresu pracy;
- wysoką stabilnością termiczną;
- dużą odpornością na procesy starzenia;
- neutralizującym działaniem na substancje korozyjne;
- względnie niskim stosunkiem substancji popiołotwórczych – na ogół nieprzekraczającym 1%;
- dużym buforem bezpieczeństwa w celu zachowania długich interwałów wymiany.
O dopuszczeniu stosowania danego oleju w układzie CHP decyduje producent jednostki prądotwórczej, określając dopuszczone klasy płynów smarnych w okólniku technicznym będącym integralną częścią DTR kogeneratora. Dopuszczony do obiegu olej musi spełniać konkretne wymagania. Do tych podstawowych można zaliczyć: kompatybilność z dodatkami uszlachetniającymi, odporność na utlenianie, odporność na nitrację, termostabilność, krótki czas rozdziału emulsji olej–woda, niską skłonność do pienienia, odpowiednie właściwości reologiczne w niskich i podwyższonych temperaturach oraz zdolność do niwelowania zanieczyszczeń w postaci jonów, ferrocząstek metali pochodzących z różnych źródeł oraz ich nanoopiłków.
Szczegółowa analiza parametrów oleju jest idealnym narzędziem diagnostycznym badania stabilności zużycia płynu smarnego. Wykonywanie badań oleju oraz właściwa ich interpretacja pozwalają na kontrolę zmieniających się jego parametrów, a ich właściwe skorelowanie z typem wsadu biogazowego oraz jakością biogazu pozwala na staranne i precyzyjne sterowanie procesem fermentacji, co w sposób jednoznaczny przekłada się na wydłużenie obowiązkowych interwałów wymiany oleju. Badania oleju oraz poziomu jego zużycia powinny być wykonywane przy udziale wyspecjalizowanego laboratorium oraz opatrzone właściwym komentarzem. W celu ułatwienia interpretacji jakości oleju w tab. 1 zostały zamieszczone szczegółowe znaczenia parametrów wraz z informacjami wynikającymi z badania.
Tab. 1 Szczegółowe znaczenia parametrów oleju wraz z informacjami wynikającymi z badania
| Parametr | Znaczenie parametru | Informacje wynikające z badania |
| Lepkość w temp. 40°C i 100°C | Lepkość to podstawowy parametr oleju smarnego. Jest miarą oporu płynięcia. Zmiana lepkości jest reakcją na wiele czynników. Zbyt niska lepkość oleju powoduje brak ochrony elementów trących (zbyt cienki film olejowy); zbyt duża może skutkować niedosmarowaniem szybko poruszających się części mechanizmu agregatu. | Istotna zmiana lepkości oleju w 40°C lub 100°C (silnikowe) daje informację na temat potencjalnej oksydacji lub ścinania się oleju w danych warunkach pracy (co w połączeniu z innymi badaniami pozwala wykryć mechanizm degradacji oleju). Znaczna zmiana lepkości oleju w zadanej temperaturze klasyfikuje olej „do wymiany” lub zamiany oleju na ten o lepszych parametrach. |
| Zawartość wody | Woda jest jednym z najbardziej niekorzystnych zanieczyszczeń w każdym rodzaju oleju serwisowego, prowadzi do degradacji oleju oraz pogarsza ochronę antykorozyjną. Pomiaru poziomu wody zazwyczaj dokonuje się techniką FTIR. | Zbyt duża zawartość wody (>0,1%) może wskazywać na nieefektywną pracę separatorów wody lub nieszczelność układu smarowania; w silniku – na przecieki z układu chłodzenia (analiza równoległa w połączeniu z badaniem zawartości glikolu w oleju). |
| TAN / Liczba kwasowa | Liczba kwasowa jest miarą zakwaszenia oleju. Substancje kwaśne pojawiają się w oleju w wyniku jego oksydacji (każdy olej pod wpływem temperatury, wody, katalizatorów, np. cząstek miedzi itp.) lub sulfatacji. W procesach utleniania i nitrowania mogą powstawać słabe kwasy organiczne. Są one częściowo zobojętniane dzięki alkalicznym właściwościom smaru płynnego. Jeśli smar płynny ma jeszcze wystarczającą rezerwę alkaliczną, to liczba kwasowa AN obejmuje tylko słabe kwasy. | Zwiększanie zakwaszenia oleju jest procesem nieodwracalnym chociaż czasami można je znacznie ograniczyć. Liczbę kwasową bada się zawsze w stosunku do świeżego oleju. Niewielkie wzrosty tego parametru są normalne w trakcie eksploatacji surowca, natomiast istotny skok TAN daje zazwyczaj rekomendację do wymiany oleju. Zalecane jest badanie liczby kwasowej systematycznie i należy obserwować trend (zazwyczaj co 250÷600 mth). |
| TBN / Liczba zasadowa | Liczba zasadowa jest miarą rezerwy alkalicznej oleju, czyli jego zdolności do pochłaniania kwaśnych produktów oksydacji lub sulfatacji. Najczęściej jest badana dla oleju silnikowego. Liczba zasadowa TBN oznacza alkaliczną rezerwę smaru płynnego i charakteryzuje chemiczną zdolność do neutralizacji. Jest to właściwość smaru płynnego niezbędna do kontroli zużycia korozyjnego. W trakcie użytkowania smaru płynnego rezerwa alkaliczna zmniejsza się na skutek wchodzenia w reakcje z kwasami. Kwasy są końcowymi produktami reakcji zachodzących w procesie spalania oraz reakcji starzenia/utleniania i nitrowania. Podczas pracy z paliwami gazowymi wytwarzającymi kwasy (szczególnie gaz wysypiskowy, gnilny i biogaz) należy liczyć się z szybkim obniżaniem się liczby zasadowej. | Podobnie jak w przypadku TAN, wartość TBN badana jest w stosunku do oleju świeżego. Przeważnie wymiana oleju powinna nastąpić, jeśli TBN spadnie poniżej połowy wartości dla oleju świeżego. |
| TAN / TBN |   | Gdy obniża się całkowita liczba zasadowa (TBN), rośnie liczba kwasowa (TAN). Ponieważ zgodnie z listą wartości granicznych liczba kwasowa zawsze musi być mniejsza niż liczba zasadowa, dlatego w obszarze A nie jest dopuszczalna praca silnika.Obszar A: Niedopuszczalny okres eksploatacjiPozycja 1-5: Data analizy smaru płynnegoPozycja 5: Data kolejnej wymiany smaru płynnego |
| Zawartość metali poszycia wewnętrznych części agregatu | Nie ma w użyciu idealnych środków smarnych, gdyż nawet przy najlepszej ochronie dochodzi do mikrokontaktu powierzchni trących, w wyniku którego powstaje mikro-metaliczny ścier. Jego skład pierwiastkowy wskazuje które z elementów podlegają szczególnemu zużyciu, natomiast po wielkości cząstek wnioskuje się o zaawansowaniu zużycia. | Dla każdego rodzaju oleju określone są limity zawartości jonów metali lub cząstek metalicznych każdego rodzaju. Ich nadmiarowa obecność wskazuje na pogorszenie właściwości smarnych płynu rekomendując wymianę oleju. Każdy z elementów wewnętrznych poszycia agregatu wykonany jest z osobliwych stopów metali. Po składzie pierwiastkowym ścieru można ustalić, które z elementów mechanizmu ulegają nadmiernemu zużyciu. |
| Metale poszycia: Fe, Cr, Ni, Al, Cu, Pb, Sn, Cd, Ag, V | ||
| Zawartość dodatków | Prawie każdy środek smarny, z nielicznymi wyjątkami, jest uszlachetniany dodatkami poprawiającymi konkretne parametry oleju. Dodatki te podlegają zużyciu w trakcie eksploatacji, zużycie to można stwierdzić na podstawie badań. | Stopień zużycia poszczególnych dodatków (antyutleniaczy, dodatków AW – przeciwzatarciowych i EP – przeciwzużyciowych, a także przeciwpiennych itp.) w trakcie eksploatacji, w powiązaniu z innymi badaniami, pozwala ustalić interwały wymiany płynu smarnego. |
| Metale zawartości dodatków: Mg, Ca, Ba, P, Zn | ||
| Zanieczyszczenia oleju | Oleje w trakcie eksploatacji mogą być zanieczyszczane wieloma innymi substancjami, które powodują pogorszenie właściwości smarnych (np. cząstki kurzu działające ściernie na powierzchnie metaliczne) i skracają okres obowiązkowej wymiany oleju. | Badanie obecności zewnętrznych zanieczyszczeń w postaci jonów i cząstek metali oraz zawartości komponentów niemetalicznych daje informację o skuteczności układów filtrowania oleju. Na tej podstawie można określić przyczynę przedostawania się zanieczyszczeń do układu, np. zanieczyszczone powietrze, słaba skuteczność flitrów przeciwpyłkowych, utrata szczelności układu olejowego czy znaczne zanieczyszczenie gazu pędnego – biogazu.Podwyższona zawartość metali, takich jak sód (Na) czy potas (K), zazwyczaj świadczy o nieszczelności układu chłodzenia i możliwym wycieku glikolu – tzw. kapkowaniu.Podwyższona zawartość krzemu (Si) w oleju, to skutek obecności w biogazie siloksanów. Metale pochodzące z innych źródeł są zazwyczaj związane z diagnozą prawidłowej pracy elementów trących, a ich obecność na etapie rutynowego badania płynu smarnego powinna być znikoma (0÷1 ppm) – podwyższone wartości świadczą o nieprawidłowym ścieraniu się elementów wewnętrznych kogeeneratora. |
| Metale zanieczyszczeń: Si, Na, K; oraz metale pochodzące z innych źródeł: Ti, Mo, Sb, Mn, Li, B | ||
| Oksydacja | Oksydacja (utlenianie) oleju jest naturalnym procesem jego zużycia w trakcie eksploatacji, pomiar dokonywany jest spektrometrem FTIR, a miarą jest wielkość zaabsorbowanego promieniowania przez produkty oksydacji (np. kwasy karbonylowe) w odpowiednim paśmie widma. | Zbyt duża oksydacja oleju powoduje jego degradację oraz utratę własności smarnych i ochrony antykorozyjnej. Wykazanie zbyt dużej oksydacji na długo przed planowanym okresem wymiany jest wskazaniem do zamiany oleju czy smaru na lepszy, a skok oksydacji (od pewnego momentu oksydacja postępuje lawinowo) pozwala ustalić optymalny okres wymiany. |
| Nitracja | Nitracja oleju to proces tworzenia się rozproszonych w oleju osadów w wyniku reakcji jego komponentów z tlenkami azotu (NOx) zawartymi w mieszance paliwowo-powietrznej, co z kolei prowadzi do powstawania szlamu olejowego. Pomiaru poziomu nitracji dokonuje się techniką FTIR. | Nadmierna nitracja oleju prowadzi do jego degradacji i utraty odpowiedniego smarowania. Znaczny ubytek właściwości antykorozyjnych oleju jest wskazaniem do jego wymiany Nitracja oleju jest szczególnym problemem dla silników wyposażonych w systemy EGR. |
| Zawartość cząstek stałych (pyłu) | Pył i sadza rozpraszają się w oleju w wyniku procesu spalania paliwa. Ilość pyłu zwiększa się wraz z wydłużaniem pracy oleju oraz ze wzrostem ilości spalanego paliwa. Mikrocząsteczki pyłu mają tendencję do tworzenia większych skupisk cząstek, dlatego pyły oznacza się zależnie od rozmiaru cząstek. | Zbyt duża ilość cząstek stałych w oleju powoduje przyrost jego lepkości, w efekcie obniżając efektywność smarowania szybko poruszających się elementów wewnętrznych agregatu, dając objawy m.in. w postaci spadku siły detergencyjnej i dyspersyjnej oleju, wzrostu temperatury na zapłonie (komora spalania) oraz świecach zapłonowych, finalnie prowadząc do spadku mocy pracującego agregatu. Taka sytuacja wymusza wymianę oleju w trybie pilnym. |
| Zawartość glikolu w oleju | Badanie wskazuje na obecność w oleju płynu chłodzącego (na bazie glikolu lub poliglikolu). | W oleju silnikowym nie powinno być w ogóle śladów glikolu, jego obecność wskazuje na wadę szczelności silnika (pęknięcie głowicy lub zużycie uszczelki pod głowicą). |
Podsumowując, badania oleju silnikowego stanowią o diagnozie zarówno jakości biogazu jak i kondycji wewnętrznej agregatu. Z drugiej strony, obowiązkiem eksploatatora jest badanie oleju, choć często widać praktyki, w których dostawca oleju jest jednocześnie podmiotem analizującym jego jakość. Warto, a nawet zaleca się, raz na jakiś czas zweryfikować poprawność dostarczanych analiz przez inne, niezależne laboratorium, które nie ma związku przyczynowo-skutkowego z wymianą płynu smarnego.
dr Grzegorz Piechota
GP CHEM
Laboratorium Badania i Analizy Biogazu & Inkubator Realizacji Technologicznych
