Чтобы использовать твердое топливо для двигателей внутреннего сгорания, его необходимо прежде превратить в горючий газ.

Горючая часть твердого топлива (т. е. топливо, взятое без влаги W^p и золы А^с ) состоит из углерода С_Т, водорода Н_Т, кислорода (О_Т, азота N_Т и серы S_Т.

В отличие от сухой перегонки газификацией предусматривается получение газа в результате использования всей горючей части топлива.

Под газификацией обычно подразумевают процесс образования горючего газа путем окисления углерода твердого топлива кислородом воздуха или водяного пара (или же чистым кислородом).

Образование воздушно-сухого газа

Процесс горения углерода топлива может протекать по следующим реакциям:

В первом случае происходит полное горение, в результате которого образуется инертный углекислый газ СО₂ и выделяется тепло в количестве 97 650 ккал/моль (реакция экзотермическая).

Во втором случае в результате неполного окисления углерода образуется горючий газ — окись углерода СО и выделяется соответственно меньшее количество тепла (29 430 ккал/моль).

Окись углерода СО образуется также при восстановлении углекислого газа СО₂ в раскаленном слое топлива:

Это реакция эндотермическая, т. е. протекает с поглощением тепла, количество которого равно

Образовавшаяся окись углерода СО может быть подведена в цилиндры двигателя внутреннего сгорания и сожжена. При этом протекает следующая реакция:

Выделившееся в результате реакции тепло 68 220 ккал/моль может быть преобразовано в механическую работу.

Первоначально предполагалось, что первичным продуктом горения углерода является углекислый газ СO₂, а окись углерода СО может быть получена только путем последующего восстановления углекислого газа [реакция (7)]. В соответствии с этим активную (реакционную) зону газогенератора условно делили на зону горения (окисления) и зону восстановления.

Однако последуюшие опыты показали, что в зоне горения наряду с углекислым газом СО₂ содержится также окись углерода СО.

Это дало возможность предполагать, что первичным продуктом горения углерода является окись углерода СО, которая затем, частично соединяясь с кислородом, образует углекислый газ СО₂.

В слое топлива углекислый газ может быть снова восстановлен в окись углерода СО.

Имеет также место предположение, что первичным продуктом окисления углерода является твердый углеродно-кислородный комплекс С_хО_у, который затем распадается на окись углерода СО и углекислый газ СО₂, например,

Здесь объемное отношение в продуктах горения кислородной зоны равно 2. Однако на практике при определенных условиях (табл. 12) это отношение иногда бывает больше 2, причем оно изменяется в довольно широких пределах.

Чл.-корр. Академии наук 3. Ф. Чуханов полагает, что при температурах выше 1200° наряду с реакцией (9) протекает также реакция (6), роль которой с повышением температуры становится доминирующей. При этом положительное влияние оказывает скорость дутья, т. е. скорость поступления в газогенератор первичного воздуха. Следовательно, теории, полностью раскрывающей сущность процесса горения углерода топлива, пока что нет.

В современных газогенераторах наряду с образованием окиси углерода СО путем восстановления углекислого газа СО₂ [по реакции (7)] некоторое количество СО образуется непосредственно в зоне горения (табл. 12). Это обстоятельство весьма важно.

В то время как реакции (5) и (6) протекают почти мгновенно, скорость реакции (7) процесса восстановления СО₂ в СО в значительной степени зависит от температуры в слое топлива и от его реакционной способности (т. е. от величины активной поверхности топлива — пористости и размера кусков).

Это наглядно иллюстрируется диаграммами на фиг. 1 и 2, где показано влияние температуры и вида топлива на время восстановления углекислого газа.

Чем выше температура и реакционная способность топлива, тем быстрее протекает процесс восстановления СО₂ в СО и тем меньше может быть длина (или высота) слоя топлива, необходимая для завершения процесса газификации.

Следует отметить, что излишнее пребывание горючего газа в слое топлива вредно. Реакция (7) восстановления СО₂ в СО, как и ряд других реакций, является обратимой:

По закону действующих масс скорость реакции пропорциональна концентрации исходных реагирующих компонентов. Таким образом, с увеличением количества конечных продуктов, например СО, скорость образования окиси углерода из С и СО₂ будет падать, а скорость обратной реакции 2СО→С + СО₂ возрастать. При определенной температуре и концентрации скорости прямой и обратной реакций сравняются, и наступит состояние химического равновесия.

Условия равновесия реакции С+СО₂ = 2СО представлены на фиг. 3.

Из диаграммы следует, что для достижения практически полного восстановления СО₂ в СО необходимо иметь температуру в активной зоне не ниже 950—1000°. При температуре ниже указанной даже при достаточном времени соприкосновения углекислого газа с углеродом топлива нельзя будет достигнуть полного восстановления СО₂ в СО.

В том случае, если температура в зоне восстановления превышает 1000° и окисление углерода топлива производится воздухом (по объему воздух состоит из 21 части кислорода О₂ и 79 частей азота N₂), реакция образования СО протекает так:

Полученный при этом газ имеет следующий состав (по объему):

Следовательно, при воздушно-сухом процессе генераторный газ даже в идеальном (теоретическом) случае будет содержать только 34,7% окиси углерода СО. Теплотворность этого газа равна 1048 ккал/м³. В действительности при газификации топлива равновесие системы С + СО₂ = 2СО не успевает установиться, и количество СО в газе бывает несколько иным, чем это соответствует условиям равновесия.

Образование водяного газа

Горючий газ может быть также получен путем пропускания водяного пара через слой раскаленного топлива. В этом случае протекает следующая реакция образования водяного газа:

При температуре ниже 900° эта реакция протекает медленно, при более высокой температуре — значительно быстрее, но все же примерно в 2 раза медленнее, чем реакция восстановления углекислого газа (С + СО₂ = 2СО).

В результате реакции (11) выделяются горючие газы (окись углерода СО и водород Н₂), на образование которых затрачивается 28 800 ккал/моль тепла. Следовательно, для осуществления реакции образования водяного газа необходимо подводить тепло извне или совмещать этот процесс с получением воздушно-сухого газа, используя часть тепла, выделяемого при сгорании углерода в СО и СО₂.

В автомобильных газогенераторах происходит именно смешанный процесс газообразования. Влага, которая выделяется при подсушке топлива (гигроскопическая влага), вместе с образующейся при сухой перегонке химической влагой и подводимой извне (в некоторых конструкциях газогенераторов) в сумме составляет воду, часть которой участвует в процессе газификации, а часть уносится с газом.

Водяной пар реагирует также с находящейся в газе окисью углерода СО. Реакция при этом протекает с незначительным выделением тепла:

Эта реакция, подобно реакции (7) воздушно-сухого процесса определяет химическое равновесие при образовании водяного газа.

Действительный процесс газификации

Действительный процесс газификации в транспортных газогенераторах, как уже было сказано выше, является смешанным процессом, так как часть влаги топлива (или влага, подведенная извне) участвует в процессе газообразования.

В соответствии с этим можно считать, что в активной зоне газогенератора протекают следующие реакции:

1) в кислородной зоне или зоне горения — реакции (5) и (6) окисления углерода топлива с образованием углекислого газа СО₂ и окиси углерода СО:

2) в восстановительной зоне, граничащей с зоной горения и обогреваемой теплом проходящих через нее горячих газов, — реакция

(7) восстановления углекислого газа СО₂ и реакций (11) и (12) образования водяного газа:

Восстановительные процессы, повидимому, начинаются еще в зоне горения. Точно установить границу между зоной горения и зоной восстановления практически невозможно. Поэтому обе эти зоны обычно объединяют под общим наименованием активной зоны газификации или активного слоя топлива, подразумевая под этим ту часть слоя, в которой происходят все указанные выше реакции. Выходящий из зоны газификации сухой газ (т. е. за вычетом водяного пара) состоит из углекислого газа СО₂, окиси углерода СО, водорода Н₂, а также азота воздуха N₂.

На состав газа существенное влияние оказывают продукты сухой перегонки топлива (швельгаз), причем степень этого влияния зависит от сорта топлива и типа газогенератора.

В зависимости от способа газообразования газогенераторы подразделяются на три типа:

а) газогенераторы прямого процесса газификации;

б) газогенераторы обращенного (обратного) процесса газификации;

в) газогенераторы поперечного процесса газификации.

В газогенераторах прямого процесса газификации (фиг. 4) подача воздуха осуществляется снизу (обычно через колосниковую решетку), а газ отбирается сверху. Непосредственно над решеткой расположена зона горения, или кислородная зона, в которой происходят окислительные процессы. За счет выделяемого при этом тепла температура в зоне достигает 1300—1700°.

Над кислородной зоной, занимающей всего лишь 30—50 мм высоты слоя топлива, находится зона восстановления. Так как восстановительные реакции протекают с поглощением тепла, то температура в зоне восстановления понижается до 700—900°.

Выше активной зоны располагаются зона сухой перегонки и зона подсушки топлива. Эти зоны обогреваются теплом, излучаемым топливом активной зоны, а также физическим теплом проходящих через них газов, если газоотборный патрубок, расположен в верхней части газогенератора, как это показано на фиг. 4. Обычно во избежание обратных реакций газоотборный патрубок располагают на высоте, позволяющей отвести газ непосредственно по выходе его из активной зоны.

Температура в зоне сухой перегонки составляет 450—150°, а в зоне подсушки 150—100^о. Выделяющиеся в этих зонах влага топлива и летучие, включая смолы, смешиваются с генераторным газом, выходящим из активной зоны, и вместе с ним отсасываются через газоотборный патрубок.

Наличие большого количества смол в газе делает его непригодным для питания двигателя, так как при дальнейшем охлаждении газа смолы конденсируются в газопроводах и во всасывающей системе двигателя, нарушая тем самым его работу. Поэтому топливо с большим содержанием летучих газифицируют в газогенераторах не прямого, а обращенного процесса газификации (фиг. 5). В этом типе газогенератора воздух подается в среднюю по его высоте часть, в которой и происходит процесс горения; образующиеся при этом газы отсасываются книзу. Таким образом, активная зона занимает часть газогенератора от места подвода воздуха до колосниковой решетки, ниже которой расположен зольник с газоотборным патрубком.

Зона сухой перегонки и зона подсушки располагаются, как и в первом случае, выше активной зоны, но влага топлива и летучие не могут выйти из газогенератора, минуя активную зону. Проходя через зону с высокой температурой, продукты сухой перегонки подвергаются разложению, в результате чего количество смол в выходящем из генератора газе, как правило, незначительно.

В газогенераторе поперечного процесса газификации (фиг. 6) воздух подводится через фурму, расположенную сбоку в нижней части газогенератора. Газоотборная решетка расположена с противоположной стороны — со стороны газоотборного патрубка. Активная зона сосредоточена на небольшом пространстве между концом фурмы и газоотборной решеткой. Над ней располагаются зона сухой перегонки и выше — зона подсушки топлива. Этот газогенератор, так же как и газогенератор прямого процесса, непригоден для газификации топлив с большим содержанием летучих, так как он не может обеспечить образования бессмольного газа.

В табл. 13 указаны типы газогенераторов, которые пригодны для газификации того или иного вида топлива.

Для битуминозных топлив 1-й группы, с содержанием летучих 70—85% и золы до 4%, необходим газогенератор обращенного процесса с горловиной (в камере газификации) для разложения смол.

Для битуминозных топлив 2-й группы, с содержанием золы свыше 4%, также необходим газогенератор обращенного процесса, но без горловины, чтобы не препятствовать удалению образующегося шлака.

Небитуминозные топлива 1-й группы, с содержанием летучих до 30% и золы до 4%, можно газифицировать в газогенераторах любого типа.

Небитуминозные топлива 2-й группы, в которых содержание летучих не превышает 10%, а содержание золы более 4%, можно газифицировать в газогенераторах прямого процесса газификации с подачей водяного пара.

Применение поперечного процесса возможно только для топлив с малым содержанием тугоплавкой золы (не более 5%).

Наглядное представление о процессах, происходящих в газогенераторе, дает схема, изображенная на фиг. 7, которая составлена применительно к прямому процессу газификации.

ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ АВТОМОБИЛИ
КТН Г.Г.Токарев
1955