| Воздух, засасываемый в газогенератор через подогреватель (фиг. 27), смешивается с паром и поступает в камеру газификации через щель, образованную водяной рубашкой камеры и поворотной плитой, которая поддерживает слой топлива в камере и выполняет роль шуровочного приспособления. При вращении плиты от рукоятки, расположенной снаружи под днищем газогенератора, ребра, имеющиеся на плите, срезают шлак и сбрасывают его в зольник.
В камере газификации скапливается некоторое количество шлака, который ровным слоем располагается на поверхности горловины камеры (фиг. 28) и протеканию процесса газификации не мешает. Около 50% образующегося шлака может быть удалено из камеры путем периодических шуровок ломом и вращением плиты (во время работы двигателя). Шуровкой примерно через каждые 3 часа обеспечивается достаточная устойчивость процесса газификации (фиг. 29).
Шуровать необходимо перед каждой догрузкой бункера топливом. При несоблюдении этого условия наблюдается перегрев стенок газогенератора. Очистка зольника и камеры газификации производится через боковые люки, снабженные резьбовыми крышками.
На фиг. 30, а показан шлак, удаленный из камеры газификации, а на фиг. 30, б — из зольника после 36 час. работы на полукоксе зольностью 4%.
При работе газогенератора на древесном угле с подачей воды в количестве 0,4—0,5 кг на 1 кг топлива образования шлака не наблюдается.
В табл. 15 приведены данные по составу газа, полученного при газификации древесного угля, полукокса, торфяного кокса и антрацита в газогенераторах НАТИ-АГ (см. фиг. 24) и ЦНИИАТ-АГ-2 (см. фиг. 26).
Анализ этих данных показывает, что качество газа в газогенераторе с футерованной камерой газификации (НАТИ-АГ) получается более высокое, чем в газогенераторе с металлической камерой (ЦНИИАТ-АГ-2). Это объясняется тем, что в результате большей передачи тепла стенкам металлической камеры газификации температура около них понижается и образуется «краевой газ» худшего качества.
Таким образом, локализация очага горения в центре камеры путем применения центрального подвода воздуха и центрального отбора газа, позволяя применять металлический топливник, в то же время приводит к некоторому снижению теплотворности газа, хотя и в допустимых пределах. Это явление, особенно заметное при работе на антраците, менее ощутимо при работе на древесном угле и полукоксе, имеющих меньшую теплопроводность.
Следует отметить, что применение центрального отбора газа в сочетании с футерованной камерой газификации, в которой подвод воздуха осуществляется по периферии (щелевая подача воздуха по типу камеры, изображенной на фиг. 19, в) или через колосниковую решетку, не ухудшает процесса газификации, а наоборот, несколько повышает качество газа, вырабатываемого газогенератором.
Газогенераторы поперечного процесса газификации
Газогенераторами поперечного процесса газификации является однофурменные газогенераторы с высокой скоростью поступления воздуха (дутья), подаваемого поперек направлению движения топлива. Отличительной особенностью газогенератора поперечного процесса является локализация очага горения в небольшом объеме и ведение процесса газификации при высокой температуре.
Газогенератор поперечного процесса (фиг. 31) представляет собой цилиндрический бункер, нижняя часть которого, выполненная из листовой стали толщиной 6—8 мм, образует камеру газификации. В верхней части бункера имеется люк для загрузки топлива; в стенке камеры сделан люк для очистки газогенератора от остатков топлива и шлака (фиг. 31).
Воздухоподводящая фурма, охлаждаемая водой, смонтирована в стенке камеры на некотором расстоянии от днища. Отбор газа производится через решетку, расположенную напротив фурмы, со стороны газоотборного патрубка.
Топливо, размещенное в пространстве между устьем фурмы и газоотборной решеткой, активно участвует в процессе газообразования. Остальное топливо, лежащее по периферии, является изолятором, т. е. уменьшает потери тепла в окружающую среду и предохраняет стенки камеры от перегрева (фиг. 32 и 33). Простота конструктивных форм газогенератора и принцип газообразования в небольшом слое топлива, при высокой скорости дутья, дают ему ряд ценных преимуществ по сравнению с предназначенными для работы на угле газогенераторами других систем.
Газогенератор поперечного процесса газификации отличается хорошей приспособляемостью к изменению режима и требует мало времени для пуска.
В результате исследования процесса газообразования в газогенераторе поперечного процесса установлено, что процесс восстановления углекислого газа заканчивается на незначительном расстоянии от устья фурмы (120—150 мм). Это объясняется исключительно высоким температурным режимом в зоне горения, порядка 1600—1700° (фиг. 33).
Влага топлива почти не проникает в зону горения. Образование- водорода в основном происходит в непосредственной близости от газоотборной решетки, где окись углерода взаимодействует с водяным паром по реакции
На фиг. 34 показано влияние влажности древесного угля с содержанием летучих 18% на состав газа, вырабатываемого в газогенераторе поперечного процесса газификации.
Из приведенных данных видно, что количество влаги в древесном угле, обеспечивающее получение наиболее высокой теплотворности газа, а следовательно и мощности двигателя, равно 16—18%. Дальнейшее увеличение влажности топлива сопровождается уменьшением в газе- не только окиси углерода, но и водорода, что является результатом понижения температуры в активной зоне.
Продукты сухой перегонки, смешиваясь с генераторным газом, обогащают его горючими компонентами — метаном СН4 и окисью углерода СО. Следовательно, при всех прочих равных условиях теплотворность газа будет тем выше, чем больше летучих содержится в топливе (см. фиг. 9 и табл. 16). Однако при содержании летучих более 30% количество смолы в газе превышает допустимую величину.
Влияние интенсификации процесса на качество газа показано на фиг. 35. По мере увеличения расхода воздуха Qв, а следовательно и скорости дутья v (до определенного предела), качество газа улучшается за счет более полного восстановления углекислого, газа в окись углерода.
При работе на антраците и скорости дутья более 16,5 м/сек увеличение содержания в газе окиси углерода прекращается, и процесс газификации стабилизируется. Дальнейшее повышение скорости дутья при данной производительности газогенератора с точки зрения получения газа более высокого качества является вредным и приводит к возрастанию гидродинамических потерь и уменьшению вследствие этого мощности двигателя. Но на практике применяют более высокие скорости дутья (до 40— 50 м/сек), так как при этом значительно повышается гибкость работы газогенератора и приемистость автомобиля. Это положение было наглядно показано на фиг. 11, где приведены значения мощности двигателя и средних скоростей разгона автомобиля в зависимости от скорости дутья, которая изменялась путем увеличения или уменьшения проходного сечения фурмы.
На фиг. 12 и 36 показано влияние на качество газа и мощность двигателя другого важного параметра газогенератора поперечного процесса газификации — длины активной зоны (расстояния от фурмы до газоотборной решетки). В обоих случаях (при работе газогенератора на древесном угле и при работе на антраците) наиболее выгодная длина активной зоны для газогенератора производительностью 60 м3/час получилась равной 225 мм.
При меньшей длине активной зоны время контакта газа с топливом оказывается недостаточным для более полного восстановления углекислого газа в окись углерода. При большей длине активной зоны (и ее расширении) уменьшается толщина изоляционного слоя топлива, поэтому температура в активной зоне понижается (так как растут потери тепла на конвекцию и излучение) и качество газа ухудшается.
Длина активной зоны l3 и диаметр камеры газификации должны быть большими с увеличением расчетной производительности
газогенератора. При этом для сохранения геометрического и теплового подобия отношение D к к l3 должно быть постоянным.
Как показывают опытные данные, в существующих конструкциях отношение
На основании этого соотношения автором выведена следующая формула для определения длины активной зоны l3 в зависимости от производительности газогенератора (часового расхода топлива Gт в кг):
Сопоставление длины активной зоны, подсчитанной по этой формуле для различных расходов топлива, с опытными данными по реально существующим конструкциям газогенераторов (фиг. 37) показывает хорошую сходимость результатов.
Основным недостатком газогенераторов поперечного процесса газификации является невозможность их работы на топливах с повышенным содержанием золы (более 4—5 %). При относительно малом объеме активной зоны газогенератор быстро засоряется шлаком, а выходящий из генератора газ уносит повышенное количество зольной пыли, что значительно усложняет последующую очистку газа.
Влияние зольности топлива на интенсивность накопления шлака в газогенераторе поперечного процесса газификации и на периодичность чистки газогенератора, необходимость в которой наступает после накопления определенного количества шлака в камере газификации, показано на фиг. 38.
При работе на древесном угле, который имеет зольность порядка 1,5—3%, пробег автомобиля между чистками газогенератора составляет 300 км и более. При работе на антраците зольностью 8—9% интенсивность шлаконакопления составляет примерно 55 г на 1 кг топлива, в связи с чем пробег автомобиля между чистками газогенератора не превышает 100—110 км, что явно недостаточно, так как ниже дневного пробега автомобиля.
Приведенные на фиг. 38 данные характеризуют работу газогенератора в случае применения воздушно-сухого дутья. Некоторого увеличения пробега автомобиля между чистками при работе газогенератора на антраците зольностью 8—9% можно достигнуть применением для дутья водной присадки. Количество используемой при этом воды составляет 50—60 % расхода топлива. Воду проще всего подавать карбюратором горизонтального типа, который монтируется на входном патрубке фурмы.
Вода в этом случае поступает в активную зону газогенератора в жидкой фазе (в туманообразном состоянии), поэтому теплотворность газа несколько уменьшается (табл. 17).
Для повышения теплотворности газа и мощности двигателя воду следует подавать только в парообразном состоянии, причем температура паро-воздушной смеси должна быть порядка 150—170°. Это может быть получено или подогревом воздуха, или перегревом пара.
На фиг. 39 показано влияние температуры пара на мощность двигателя. Перегрев пара до 300° обеспечивает повышение мощности двигателя на 13% по сравнению с той мощностью, которая была получена при подаче водяного пара, нагретого до 100°, так как конденсации перегретого пара при смешении с воздухом и при соприкосновении с холодными стенками фурмы не происходит.
При попадании капельной влаги на раскаленную поверхность кусков топлива видимо ухудшаются условия образования первичной СО.
Для получения перегретой паро-воздушной смеси необходимы специальные испарители и подогреватели, с применением которых газогенератор поперечного процесса теряет свое основное преимущество — простоту конструкции. Поэтому газогенераторы поперечного процесса следует применять для топлив, которые успешно газифицируются на воздушно-сухом дутье (древесный уголь, древесноугольные брикеты, торфяной кокс).
Различные газогенераторы поперечного процесса газификации отличаются один от другого конструкцией фурмы, газоотборной решетки, расположением и конструкцией люков.
Воздухоподводящая фурма является наиболее ответственной и сложной деталью газогенератора. Она глубоко погружена в слой топлива и находится в зоне высокой температуры; непосредственно около носка фурмы температура составляет 1200—1300° (см. фиг. 33). Поэтому конструкторы были вынуждены прибегнуть к устройству водяного охлаждения фурмы. Водяное охлаждение может быть включено в систему охлаждения двигателя или может представлять собой самостоятельную систему, питаемую от отдельного бачка.
На фиг. 40 показана воздухоподводящая фурма газогенератора НАТИ-Г-21, а на фиг. 41—схема охлаждения этой фурмы от системы охлаждения двигателя.
Фурма (фиг. 40) состоит из бронзового корпуса 1 и двух медных трубок 2 и 3 диаметром 20 и 40 мм, образующих водяную рубашку. Тыльная часть наружной трубки 3 приварена к корпусу 1 фурмы, а носовая часть обварена медью и соединена с внутренней трубкой 2, свободный конец которой при нагревании фурмы может перемещаться в сальнике 4. Затяжкой накидной гайки 5, воздействующей на уплотнительное кольцо сальника, обеспечивается герметичность водяной рубашки. Необходимая для охлаждения фурмы вода подается через нижний штуцер корпуса фурмы и, пройдя водяную рубашку, отводится через верхний штуцер. Для того чтобы поток холодной воды достиг носка фурмы, к наружной поверхности внутренней трубки параллельно ее оси приварены две перегородки, которые направляют поток воды к носу фурмы.
Срок службы фурм такого типа 8000—12 000 км пробега автомобиля. Прогар фурмы обычно бывает неожиданным и происходит вследствие засорения трубок или замерзания воды в них и образования накипи в фурме. Последняя причина является самой опасной и наиболее распространенной.
На фиг. 43 показана фурма газогенератора НАТИ-Г-21А-2, которая может разбираться для осмотра и удаления накипи.
Если принять, что температура воды в трубках, соединяющих фурму с системой охлаждения двигателя, не должна быть ниже +4°, то в зимнее время при температуре окружающего воздуха от —10 до —14° возможна безопасная стоянка автомобиля при неработающем двигателе продолжительностью около 1 часа (фиг. 42).
Фурма состоит из литого чугунного корпуса, снабженного воздухоподводящей коробкой и фланцем, и отъемной водяной рубашки, сваренной из конического штампованного кожуха, носовой части рубашки и внутренней трубки, по которой происходит подача воздуха в газогенератор. Воздухоподводящая коробка имеет обратный клапан для предотвращения выбрасывания пламени при остановке двигателя и отверстие для разжига, закрытое крышкой с прижимной пружиной. Водяная рубашка и корпус соединены болтами на фланце газогенератора.
Охлаждающая фурму вода подводится через нижнее отверстие в корпусе по специальной трубке непосредственно к носовой части рубашки и, поднимаясь в рубашке отводится через верхнее отверстие в корпусе.
Подобный способ подвода холодной воды создает надежное охлаждение носка фурмы, а коническая форма кожуха обеспечивает беспрепятственный отвод пара, который может образоваться при остановке двигателя.
Учитывая затруднения, связанные с применением водяного охлаждения фурмы в суровых климатических условиях, в последних отечественных конструкциях газогенераторов поперечного процесса газификации (ЦНИИАТ-УГ-1 и ЦНИИАТ-УГ-2) применены фурмы воздушного охлаждения.
В основу фурм воздушного охлаждения, разработанных и испытанных автором в Центральном научно-исследовательском институте автомобильного транспорта, положен принцип, предложенный И. С. Мезиным (Государственный союзный научно-исследовательский автотракторный институт). Сущность этого принципа заключается в том, что тепло, воспринимаемое торцом фурмы со стороны зоны горения, передается через большую массу металла ребрам (фурмы), которые охлаждаются наружным воздухом. Испытания показали, что основной поток тепла, идущий от носовой части фурмы, отводится не через ребра, а через боковую поверхность рабочей части фурмы (расположенной внутри газогенератора), находящуюся в зоне относительно низких температур. Поэтому наружный диаметр рабочей части фурмы должен быть достаточно велик.
Фурма (фиг. 44) представляет собой чугунную или стальную болванку, рабочая часть которой выполнена в виде усеченного конуса, а наружная часть снабжена охлаждающими ребрами. Ребра расположены ступенями и обдуваются встречным потоком воздуха при движении автомобиля. За пробег 8000—10 000 км конец фурмы оплавляется на 15—20 мм. При большей величине оплавления фурма заменяется новой.
Другой важной деталью газогенератора поперечного процесса газификации является газоотборная решетка. К этой детали предъявляются следующие основные требования:
1) жаростойкость и жесткость конструкции;
2) малое сопротивление проходу газа и незначительное забивание отверстий решетки уносимой пылью;
3) обеспечение крекинга смол при газификации топлив с повышенным содержанием летучих (20—30%).
Газоотборную решетку обычно изготовляют из простой углеродистой или легированной стали толщиной 8—12 мм. Ее штампуют в виде изогнутого листа с отбортованными краями (фиг. 45, а) или изготовляют в виде плоской пластины (фиг. 45, б).
В последнем случае для монтажа решетки в газогенераторе предусматривается специальное гнездо (коробка). Отверстия в решетке для прохода газа делают круглыми, диаметром 10—12 мм, с раззенковкой со стороны выхода газа, а иногда овальными. При этом большая ось овала располагается горизонтально, что позволяет увеличить проходное сечение без опасности проскакивания за решетку кусков угля (при наклонном положении решетки).
Для обеспечения крекинга смол размеры решетки не должны выходить за пределы зоны высоких температур; температура решетки должна быть не ниже 900°. Для этого напряженность решетки, т. е. отношение часового расхода топлива к площади решетки, должна быть не ниже 900 кг/м2час. Для топлив с содержанием летучих 8—12% напряженность работы решетки может быть понижена до 300 кг/м2час.
Перегрев и прогар газоотборной решетки чаще всего происходят при работе на крупнокусковом топливе, а также при несвоевременной очистке газогенератора от шлака, который обычно скапливается в пространстве между решеткой и фурмой.
В нормальных условиях срок службы решетки, изготовленной из простой углеродистой стали, составляет около 8000—10 000 км пробега автомобиля.
Так как камера газификации газогенератора поперечного процесса нуждается в относительно частой очистке от шлака и очаговых остатков, то весьма существенным для газогенераторов этого типа являются размеры зольниковых люков и их размещение.
ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ АВТОМОБИЛИ
КТН Г.Г.Токарев
1955
|
Идёт загрузка...