Газогенераторы прямого процесса газификации

Основным преимуществом газогенераторов прямого процесса газификации является возможность газифицировать в них высокозольные шлакующиеся сорта топлив, не содержащих смол.

В этом типе газогенераторов влага топлива не попадает в зону горения, поэтому воду подводят в нее специально, путем предварительного испарения и смешения с поступающим в газогенератор воздухом.

Так как реакции образования водяного газа протекают с поглощением тепла, то это вызывает понижение температуры и в зоне восстановления.

На фиг. 15 приведены кривые изменения состава газа, его теплотворности и мощности двигателя в зависимости от количества воды, подаваемой в газогенератор. С увеличением подачи воды растет количество прореагировавшего водяного пара, в силу чего количество водорода в газе увеличивается, а процент содержания окиси углерода уменьшается.

Взаимно противоположное положение кривых двух горючих компонентов газа СО и Н₂ обусловливает наличие максимума на кривых теплотворности газа и мощности двигателя. Значение максимума (для всех режимов работы двигателя) соответствует расходу 0,4 кг пара на 1 кг топлива (фиг. 16).

При подаче пара мощность повышается на 12—15%. Так, например, при работе газогенератора прямого процесса газификации на антраците без подачи пара двигатель развивал мощность 33,7 л. с. при n = 1400 об/мин (фиг. 17); подача пара в количестве 20% расхода топлива дала повышение мощности до 38,5 л. с. при 1600 об/мин. При этом удельный расход топлива снизился с 630 до 490 г/л. с. ч.

Особенно сильное влияние подача пара оказывает при разжиге газогенератора, работающего на антраците. В этом случае происходит обогащение газа образовавшимся водородом, в результате чего резко сокращается время разжига (в 3—5 раз) и создается возможность устойчивой работы двигателя на газе. 

После стоянки свыше 1 часа работа двигателя на газе без подачи пара в газогенератор зачастую оказывается вообще невозможной.

Кривая температуры (t) в зоне горения (фиг. 15) и данные, приведенные в табл. 14, показывают, что даже при больших количествах подаваемого в газогенератор водяного пара температура в камере все же значительно превышает температуру плавления золы.

Однако при подаче водяного пара структура образующегося шлака изменяется, шлак становится более пористым и уменьшается сопротивление шлаковой подушки проходу воздуха, что позволяет сохранить нормальную мощность двигателя в течение более длительного времени.

На фиг. 18 показано изменение мощности двигателя и сопротивления газогенератора прямого процесса газификации при работе на антраците с подачей и без подачи пара.

При работе без подачи пара шлак, растекаясь по колосниковой решетке, плотно пристает к ней, и через небольшой промежуток времени (1,5—2 часа) прекращается доступ воздуха в камеру газификации, в результате чего мощность двигателя снижается до нуля. Очистка колосниковой решетки от такого шлака крайне затруднена.

При подаче воды в газогенератор в количестве 5,5 кг/час (36% расхода топлива) шлак образуется в виде отдельных кусков, которые накапливаются на расстоянии 15—20 мм выше верхней плоскости колосниковой решетки. Этот шлак не препятствует проходу воздуха в камеру газификации, поэтому и сопротивление газогенератора, а следовательно и мощность двигателя, остается с течением времени почти постоянной. Пои чистке газогенератора шлак может быть легко удален. Приведенный пример наглядно иллюстрирует необходимость подачи воды в газогенератор при работе на шлакующихся топливах с высокой концентрацией углерода.

Подача водяного пара в газогенератор должна производиться пропорционально количеству сжигаемого в газогенераторе топлива. Следовательно, в зависимости от числа оборотов и нагрузки двигателя расход пара должен автоматически изменяться.

Существуют следующие способы автоматической регулировки подачи водяного пара в камеру газификации газогенератора:

а) механический способ, когда вода подается в испаритель газогенератора с помощью насоса, приводимого в действие от двигателя и имеющего перепускной кран, который связан с дроссельной заслонкой двигателя. Таким образом, количество воды, подаваемой в газогенератор, изменяется в зависимости от числа оборотов и нагрузки двигателя;

б) термический способ, когда в испарителе, расположенном вблизи зоны горения, поддерживается с помощью поплавкового устройства необходимый уровень воды, а количество образующегося пара изменяется в зависимости от температуры нагрева испарителя, т. е. в зависимости от температуры в зоне горения;

в) гидравлический способ, когда расход воды регулируется иглой, перекрывающей сечение жиклера и связанной с мембраной, на которую воздействует разность давлений до и после диафрагмы, установленной в газопроводе, соединяющем газогенераторную установку с двигателем;

г) пневматический способ, при котором вода подается в испаритель газогенератора вместе с воздухом, засасываемым в него с помощью обычного карбюратора.

Из перечисленных способов автоматической регулировки подачи воды наиболее совершенный последний способ.

Недостатком всех указанных регулирующих устройств является малая их надежность вследствие сравнительно быстрой коррозии деталей, подверженных воздействию воды.

Для того чтобы все количество подаваемой в газогенератор воды находилось в парообразном состоянии и было хорошо перемешано с воздухом, температура паровоздушной смеси должна быть выше температуры насыщения. При расходе воды в 0,4—0,5 кг на 1 кг топлива температура насыщения соответствует 54—58°.

Опыт показывает, что температура паро-воздушной смеси 150—170° обеспечивает большее повышение мощности, развиваемой двигателем, чем при работе на паро-воздушной смеси, температура которой соответствует пределу насыщения.

Более подробные данные по этому вопросу приведены при описании работы газогенераторов поперечного процесса газификации.

Наибольший эффект от подачи водяного пара достигается при работе на топливах с наибольшей концентрацией углерода в единице объема (например, антрацит, полукокс). Газификация этих топлив происходит при очень высоких температурах. Для древесного угля, в котором концентрация углерода меньше, чем в антраците, эффект от подачи водяного пара будет меньшим.

Способ подвода воздуха или паро-воздушной смеси и характер шлакообразования неразрывно связаны между собой.

На фиг. 19 показаны существующие схемы подвода воздуха в камеру газификации газогенераторов прямого процесса. В первом случае (фиг. 19, а) воздух подводится через центрально расположенную фурму, во избежание засорения кусками топлива прикрытую сверху козырьком. При таком способе подвода воздуха шлак накапливается в центре, около фурмы, и обычно применяемая в работающих на антраците газогенераторах огнеупорная футеровка в меньшей степени подвергается выгоранию. Однако сама фурма и козырек быстро разрушаются, если они не прикрыты слоем шлака.

При большом слое шлака воздух начинает поступать в зону горения по всему сечению, подобно тому как это показано на фиг. 19, б, где закладываемый на решетку при загрузке газогенератора шлак служит изоляцией, защищающей колосники от перегрева, и предохраняет прозоры колосников от заливания их вновь образующимся шлаком, благодаря чему подача воздуха остается нормальной. Дробление шлака и частичное его удаление достигаются вращением решетки и совмещением секторов, не имеющих колосников.

Большое сечение для прохода воздуха в случае применения колосниковой решетки, хотя и гарантирует бесперебойную газификацию топлива, является все же отрицательным фактором, так как низкая скорость дутья обусловливает неудовлетворительную работу газогенератора на малых нагрузках и плохую приспособляемость его к переменному режиму.

Газогенератор с подачей воздуха через щель, образованную нижней плоскостью камеры горения и плитой, заменяющей собой колосники (фиг. 19, в), не имеет указанного недостатка. Наличие узкой щели для прохода воздуха (20—25 мм) позволяет осуществлять дутье с достаточной скоростью даже на малых нагрузках. Образующийся во время работы генератора шлак располагается по периферии, по стенкам камеры газификации. При поворачивании плиты вокруг оси шлак срезается имеющимися на плите ребрами.

К недостаткам данной схемы относится более быстрое разрушение футеровки камеры, чем при подаче воздуха через центрально расположенную фурму (фиг. 19, а), и постепенное оплавление ребер на плите.

Объем камеры газификации газогенераторов, работающих на полукоксе или антраците, обычно бывает больше, чем у газогенераторов, работающих на древесном угле, так как по причине образования шлака приходится снижать интенсивность газификации, т. е. увеличивать сечение камеры, а также повышать высоту активной зоны, учитывая пониженную реакционную способность топлива.

На фиг. 20 и 21 показано изменение состава газа и мощности двигателя в зависимости от высоты активной зоны газогенератора при работе на антраците. Из диаграммы на фиг. 21 видно, что при 1300 об/мин и высоте слоя до 200 мм кривая мощности идет круто вверх (влияние интенсивного восстановления углекислого газа в окись углерода), а при высоте более 200 мм она поднимается менее круто (в основном за счет увеличения количества водорода в газе).

Аналогичный характер изменения мощности в зависимости от высоты активной зоны газогенератора имеет место и при 1700 об/мин. Разница лишь в том, что перегиб кривой мощности наблюдается не при 200 мм, а при 300 мм, так как с увеличением числа оборотов и мощности двигателя увеличивается скорость прохождения газа через активный слой топлива газогенератора. Следовательно, для завершения процессов образования окиси углерода и водорода требуется большая высота активной зоны. Если же сравнить удельные объемы камеры горения, отнесенные к 1 л. с., при высоте слоя 200 мм и n = 1300 об/мин и высоте слоя 300 мм и n = 1700 об/мин, то нетрудно убедиться, что они будут почти одинаковыми (0,45 и 0,48 л/л. с.). 

Для получения газа более лучшего качества, а следовательно и более высокой мощности двигателя, необходимо увеличить объем камеры газификации, с тем чтобы удельный объем составлял 0,8—0,9 л/л. с. (при интенсивности газификации порядка 300 кг/м²час).

С другой стороны, чем больше будет объем камеры газификации, тем менее гибкой будет работа газогенератора. На фиг. 22 показано изменение времени запуска в зависимости от продолжительности остановки для двух работающих на антраците газогенераторов одного и того же типа. В первом газогенераторе удельный объем камеры V_k/N_e составлял 0,56 л/л. с., а во втором 1,42 л/л. с., т. е. в 2,5 раза больше. Время запуска второго газогенератора (после 40-минутной стоянки) в 5 раз превышает время запуска первого газогенератора.

Таким образом, при выборе размеров камеры газификации приходится находить такое решение, которое удовлетворяло бы условиям и хорошего газообразования, и достаточно гибкой работы.

Так как шлак и угольная мелочь в газогенераторе прямого процесса газификации в основном сосредоточены в месте подвода воздуха, а около газоотбора находится свежее топливо, содержание золы в уносимой пыли сравнительно невелико. Это обстоятельство наряду с повышенной влажностью газа значительно облегчает задачу его очистки.

Наличие приспособлений, необходимых для хранения, дозировки и испарения воды, делает газогенератор прямого процесса более сложным по сравнению с газогенераторами обращенного и поперечного процессов, не имеющих этих приспособлений. Конструкции камер газификации газогенераторов прямого и обращенного процессов одинаково сложны.

На фиг. 23 показан продольный разрез газогенератора прямого процесса. Газогенератор состоит из бункера и корпуса, внутренняя поверхность которого облицована огнеупорной футеровкой, образующей камеру газификации. Бункер крепится к нижней части газогенератора с помощью фланца и болтов.

При этом нижняя часть бункера, выполненная в виде конуса, переходящего в цилиндр, опускается в камеру газификации, образуя кольцевую щель для прохода газа. Воздух в газогенератор поступает через окно вентилятора (который работает только при разжиге) и затем проходит в подогреватель, где происходит испарение воды, подаваемой капельником, и смешение паров воды с воздухом.

Паро-воздушная смесь поступает в нижнюю часть газогенератора. Проходя через колосники, она вступает во взаимодействие с топливом, образуя очаг горения непосредственно над колосниковой решеткой. Расстояние между колосниковой решеткой и нижней частью бункера определяет высоту активной зоны газогенератора, которая в данной конструкции равна 220 мм. Генераторный газ, поднимаясь по кольцевой щели между обмуровкой и нижней частью бункера, поступает в газоотборный патрубок, затем направляется в подогревательную рубашку испарителя и проходит в очистительную систему.

В нижней части корпуса газогенератора имеется люк, служащий для удаления золы и угольной мелочи из зольника, а также для очистки газогенератора от остатков топлива и шлака.

Футеровка нижней части камеры газификации подвержена разрушению вследствие выгорания и соединения со шлаком. Этот недостаток является общим для всех газогенераторов, имеющих керамическую футеровку и предназначенных для работы на шлакующихся топливах.

В качестве материала для футеровки газогенераторов применяют жароупорный цемент (30% глиноземистого цемента и 70% хромомагнезита), корунд (с добавлением суворовской глины) или каолин.

Футеровка из жароупорного цемента формуется непосредственно в кожухе камеры газификации, быстро там затвердевает (в течение 20—30 час.) и обжигается в процессе работы газогенератора.

Корундовые и каолиновые футеровки изготовляются в виде отдельных фасонных кирпичей толщиной 35—50 мм, которые после формовки (или литья) подвергаются обжигу в печах. Указанные материалы выдерживают температуру до 1750—1850°, но недостаточно устойчивы против образования шлака. Срок их службы обычно не превышает 20 000—30 000 км пробега при работе на древесном угле и 8000—10 000 км при работе на антраците.

Газогенератор имеет наиболее простую конструкцию по сравнению с другими газогенераторами прямого процесса газификации. В нем отсутствуют автоматически действующее устройство для дозировки подаваемой воды и шуровочное приспособление для удаления шлака, поэтому он пригоден лишь для работы на древесном угле или малозольном торфяном коксе. Высокозольные шлакующиеся топлива, например каменноугольный полукокс или антрацит, требуют точной дозировки подачи воды в газогенератор и наличия приспособлений для удаления шлака.

На фиг. 24 показан газогенератор НАТИ-АГ прямого процесса газификации для работы на антраците, имеющий автоматическую подачу воды и приспособления для чистки газогенератора и удаления шлака.

Подвод воздуха осуществляется через трубу, подогреваемую выходящим из газогенератора газом. Паро-воздушная смесь образуется в подогревателе, куда вода поступает под действием разрежения, создаваемого засасываемым в газогенератор воздухом. Для подачи воды служит приспособление, которое по своему устройству и действию аналогично карбюратору с падающим потоком, т. е. в данном случае применен пневматический способ регулировки подачи воды. Указанное приспособление расположено в верхней части подогревателя.

Из подогревателя паро-воздушная смесь поступает в паро-воздушную рубашку, образованную нижней частью корпуса газогенератора и металлическим кожухом камеры газификации. Здесь паро-воздушная смесь нагревается до температуры 160—170° и поступает через пять фурм в камеру газификации или же (если фурмы заглушены) проходит через отверстия в днище камеры в пространство зольника и далее через колосниковую решетку в активную зону.

Камера газификации диаметром 230 мм и высотой 400 мм футерована корундовой керамикой. Колосниковая решетка выполнена в виде двух отдельных чугунных колец, каждое из которых разделено на шесть секторов: три сектора с колосниками и три свободных (фиг. 25). Верхняя решетка может вращаться при помощи шуровочной рукоятки, что делает возможным частичное очищение камеры газификации от шлака.

Как колосниковая решетка, так и зольник газогенератора укреплены на шарнирах и могут откидываться. Это позволяет быстро разгружать и чистить газогенератор. Отбор газа — верхний, по периферии, между верхней частью корпуса газогенератора и внутренним бункером.

Производительность газогенератора 60 м³/час; он пригоден для работы на 1,5-тонном грузовом автомобиле. Испытания газогенератора показали, что подача паро-воздушной смеси фурмами не обеспечивает стабильной работы.

Газогенератор после 3—4-часовой работы, будучи остановлен на 15—20 мин., пускался с трудом, а при стоянках свыше 1 часа пуск его был почти невозможен по причине застывания шлака непосредственно около фурменных отверстий. Интересно отметить, что при работе газогенератора на древесном угле указанного выше явления не наблюдалось. В этом случае шлак залегал в центре камеры газификации. Вследствие пористости и малой плотности древесного угля подаваемый фурмами воздух достигал центра камеры, где и создавалась наиболее раскаленная зона.

Подача паро-воздушной смеси через колосниковую решетку обеспечивает вполне устойчивую работу и хорошие пусковые качества газогенератора. В этом случае шлак образуется по всему сечению камеры газификации, имеет достаточную пористость, обеспечивает равномерное распределение воздуха по сечению шахты.

Для предохранения колосников от прогара шлак загружают на колосниковую решетку, что также способствует стабильности работы газогенератора.

На фиг. 26 изображен газогенератор ЦНИИАТ-АГ-2 прямого процесса для газификации полукокса. В конструкции такого газогенератора использован принцип центрального подвода воздуха и центрального отбора газа, что позволяет сосредоточить активную зону в центре камеры и избежать вследствие этого футеровки. Кроме того, это позволяет получить более высокую интенсивность газификации и скорость дутья, а следовательно и более гибкую работу газогенератора, и в то же время иметь достаточный объем в камере для накопления шлака. Интенсивность газификации (по месту подвода воздуха, т. е. в горловине) составляет при максимальном отборе газа 1500 кг/м²час.

Газогенератор состоит из корпуса, конической камеры газификации и зольника. Их фланцы соединены между собой при помощи 24 болтов. Верхняя часть корпуса служит бункером для топлива и имеет цилиндрический бак для воды.

Надежная работа газогенератора в зимнее время года обеспечивается подогреванием бака и размещением трубки для подачи воды внутри газогенератора.

Камера газификации представляет собой горловину конической формы, которая снизу окружена рубашкой, заполняемой водой для охлаждения камеры и образования водяного пара. Необходимый уровень воды в рубашке поддерживается при помощи поплавкового устройства. Количество образующегося пара автоматически изменяется в зависимости от теплового режима газогенератора.

ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ АВТОМОБИЛИ
КТН Г.Г.Токарев
1955