| В верхнем ряду схемы показаны исходные продукты газификации: топливо, состоящее из углерода СТ, водорода НТ, кислорода ОТ, азота NТ, гигроскопической влаги Wp и золы Ас; воздух, состоящий из кислорода О2 и азота N2; вода Н2О, подводимая в газогенератор извне. Во втором и третьем рядах, относящихся к зонам подсушки и сухой перегонки, показаны выделяющиеся в этих зонах продукты — гигроскопическая влага, химически связанная влага и летучие вещества. В четвертом и пятом рядах показаны процессы, происходящие в активной зоне газогенератора.
В нижнем ряду приведены конечные продукты — компоненты генераторного газа, полученные в результате газификации и сухой перегонки топлива.
Из схемы видно, что в горении углерода топлива участвует кислород воздуха. Углерод расходуется на образование углекислого газа СО2, окиси углерода СО, а также на разложение водяного пара с образованием окиси углерода СО и свободного водорода Н2.
Азот воздуха N2 и азот топлива NТ не участвуют в реакциях и переходят в генераторный газ без изменения.
Часть кислорода О и водорода Н топлива образуют химическую воду, которая вместе с гигроскопической влагой топлива Wр и влагой, подведенной извне, частично участвует в процессе газификации, а частично переходит в газ без изменений.
Не участвующие в указанных реакциях части кислорода, водорода и углерода топлива образуют продукты сухой перегонки (летучие), которые в газогенераторах прямого и поперечного процессов газификации переходят в газ в неизмененном виде, а в газогенераторе обращенного процесса в большей своей части сгорают и подвергаются разложению (крекинг-процессу) в активной зоне.
Эти дополнительно происходящие в газогенераторе обращенного типа процессы показаны на схеме пунктирными линиями. В обращенном газогенераторе вода извне обычно не подается и компоненты водяного газа образуются только из влаги топлива.
Зола топлива Ас, а также часть не сгоревшего углерода топлива СТ попадают в зольник и в некотором количестве уносятся вместе с газом из газогенератора. Таким образом, газ, выходящий из газогенератора, состоит из горючих компонентов (СО, Н2, СН4, СnНm), балласта (СО2, О2, N2, Н2О) и содержит пыль, состоящую из золы и сажи.
Примерный состав газа, полученного в газогенераторе обращенного процесса газификации при работе на древесных чурках с абсолютной влажностью 20%, следующий (в % по объему)
Соотношение между горючими компонентами и количество балласта в газе зависят от количества воды, участвующей в процессе, количества летучих в топливе и от режима газификации.
На фиг. 8 показано влияние влажности древесных чурок на состав генераторного газа. Как видно из диаграммы, с увеличением влажности древесины количество углекислого газа увеличивается, количество окиси углерода уменьшается, количество водорода сначала увеличивается (до влажности 20—25%), а потом тоже уменьшается в результате понижения температуры в активной зоне. Количество метана СН4 уменьшается с увеличением влажности древесины на незначительную величину. В итоге теплотворность газа с увеличением влажности древесных чурок уменьшается.
На фиг. 9 показано влияние содержания летучих в древесном угле на качество генераторного газа, полученного в газогенераторе поперечного процесса газификации.
Из диаграммы видно, что с увеличением количества летучих с 2 до 22% содержание СО, Н2, СО2 и смол в газе непрерывно растет. В результате этого теплотворность газа и мощность двигателя, работающего на этом газе, увеличиваются на 15%. Максимальное количество смол (при количестве летучих 22%) не превышает 0,16 г/м3, что является допустимым. Однако при большем содержании летучих в топливе количество смол в газе увеличивается и превышает допустимую величину.
Наиболее выгодный режим газификации зависит от правильного выбора основных параметров газогенератора: интенсивности газификации q, скорости дутья v и высоты реакционного слоя топлива Н3.
Под интенсивностью газификации или напряженностью горения q понимают количество топлива в килограммах, сжигаемого в 1 час на 1 м2 площади поперечного сечения камеры газификации в плоскости подвода воздуха (плоскость фурменного пояса в газогенераторах обращенного процесса газификации и плоскость колосников в газогенераторах прямого процесса);
Интенсивность газификации
Чем выше напряженность горения, т. е. чем интенсивнее ведется процесс газификации, тем лучше будет качество газа, так как при этом будет увеличиваться температура в активной зоне газогенератора (фиг. 10). В результате повышения температуры равновесный состав газа смещается в сторону содержания большего количества горючих компонентов СО и Н2.
Однако при повышении напряженности горения увеличивается скорость прохождения газа в слое топлива, в результате чего усиливается сопротивление газогенератора, а следовательно, уменьшается коэффициент наполнения двигателя. Кроме того, при работе на топливах с высоким содержанием золы повышение напряженности горения ограничено образованием шлака в камере газификации и прекращением вследствие этого нормальной работы двигателя.
В зависимости от вида применяемого топлива напряженность горения берется в пределах 200—900 кг/м2час.
Большое влияние на протекание процесса газификации оказывает скорость поступления воздуха v (скорость дутья) в камеру газификации. С увеличением скорости дутья повышается температура на поверхности топлива, находящегося в струе поступающего воздуха, т. е. получается местное увеличение напряженности горения, величина которой достигает 50000 кг/м2час. В результате выход первичной окиси углерода СО по реакции (6) увеличивается и работа газогенератора становится более гибкой, так как она в меньшей степени зависит от протекания восстановительных реакций (см. табл. 12). Однако нельзя повышать скорость дутья
беспредельно, так как возрастающее при этом сопротивление газогенератора будет ухудшать наполнение цилиндров двигателя газо-воздушной смесью и снижать мощность. На фиг. 11 показано влияние скорости дутья на мощность двигателя и приемистость автомобиля, которая при прочих равных условиях находится в прямой зависимости от гибкости работы газогенератора.
С увеличением скорости дутья более 25 м/сек мощность двигателя заметно падает, но, несмотря на это, имеет смысл увеличить эту скорость до 45 м/сек, так как приемистость автомобиля в этом случае становится наиболее высокой.
Дальнейшее увеличение скорости дутья сопровождается снижением не только мощности, но и приемистости автомобиля. Обычно скорость дутья в газогенераторах с фурменной подачей воздуха принимается в пределах 20—50 м/сек.
Высота активной зоны оказывает существенное влияние на качество генераторного газа. Ее величина определяет время соприкосновения газа и водяных паров с раскаленным углеродом и зависит от температуры активной зоны и реакционной способности топлива. Чем больше будет температура и чем выше реакционная способность топлива (т. е. больше пористость и меньше размер кусков), тем меньшей высоты (или длины) может быть активная зона, обеспечивающая завершение восстановительных процессов. Слишком большая высота активной зоны создает благоприятные условия для протекания обратных реакций, и поэтому так же невыгодна, как и слишком малая высота.
Это наглядно иллюстрируется изображенной на фиг. 12 диаграммой изменения состава и теплотворности газа в зависимости от длины активной зоны в газогенераторе поперечного процесса газификации, работающем на древесном угле (изменялось расстояние от фурмы до газоотборной решетки).
Как видно из диаграммы, для данной производительности газогенератора (60 м3/час газа) наиболее выгодная длина активной зоны равна 225 мм. При этой длине содержание окиси углерода СО достигает максимального значения. Количество водорода Н2 и метана СН4 не изменяется, так как метан образуется в зоне сухой перегонки, а водород—в непосредственной близости от газоотборной решетки.
Суммарное влияние перечисленных выше факторов на процесс газификации можно проследить путем сопоставления результатов зонального исследования состава газа, полученного в стационарном газогенераторе, работающем на форсированных автомобильных газогенераторов НАТИ-Г-21, работающем на мелком древесном угле с большой скоростью дутья (фиг. 14).
В первом случае (см. фиг. 13) окись углерода в основном образуется за счет восстановления углекислого газа, причем этот процесс происходит в зоне высоких температур и заканчивается полностью на расстоянии 450 мм от колосниковой решетки при содержании СО, равном 27%. Реакция образования водорода, протекающая вначале крайне медленно, происходит в слое топлива, отстоящем на 300—600 мм от колосников, и полностью заканчивается на расстоянии 900 мм. Этим, в частности, подтверждается, что реакция образования водяного газа протекает в 2 раза медленнее, чем реакция (7) восстановления углекислого газа.
Во втором случае (фиг. 14) окись углерода образуется при горении углерода (до 14%) и восстановлении углекислого газа.
Реакция заканчивается на расстоянии 120 мм от устья фурмы. При этом образуется наибольшее количество СО (около 33%).
Водород Н2 и метан СН4 образуются в конце активной зоны, у газоотборной решетки.
В обоих газогенераторах протекает обратная реакция 2СО → СО2 + С, в результате которой количество СО в газе (на выходе из газогенератора) снижается в первом случае до 25%, а во втором случае до 28,7%.
В последнем случае снижение количества СО происходит также в результате смешения основного газового потока с «краевым газом», состав которого значительно хуже, так как температура у стенок газогенератора ниже.
Из приведенных данных видно, что вследствие высокой реакционной способности древесного угля, высокой температуры в активной зоне и большой скорости дутья в автомобильных газогенераторах длина активной зоны в 3—4 раза меньше, чем в стационарных.
ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ АВТОМОБИЛИ
КТН Г.Г.Токарев
1955
|
Идёт загрузка...