| Одновременно с конденсацией водяных паров частично конденсируются и смолы, которые могут содержаться в газе. Однако очистка газа от смол в основном должна производиться в самом газогенераторе путем применения обращенного процесса газификации и правильного подбора параметров и конфигурации камеры газификации. Выходящий из генератора газ должен содержать смол не более 0,5 г на 1 м3 сухого газа.
Механические примеси в газе
В современных транспортных газогенераторных установках с каждым кубическим метром газа из газогенератора уносится в среднем от 2 до 3,5 г пыли. В зависимости от нагрузки содержание пыли в газе может изменяться в широких пределах.
На фиг. 71 показано изменение содержания пыли газа в различных местах газогенераторной установки ГАЗ-42, работающей на древесных чурках.
В некоторых случаях, например при работе на чурках мягких пород или на древесном угле со значительным количеством мелочи, содержание пыли может повыситься до 7—8 г на 1 м3 газа.
В стационарных установках предельная загрязненность газа, поступающего в двигатель, обычно не превышает 0,02—0,03 г на 1 м3 газа. В транспортных газогенераторных установках автомобильного типа, которые ограничены в размерах, количество пыли, поступающей в двигатель, в некоторых случаях достигает 0,15 г на 1 м3 газа. При этом двигатель при работе на газе может изнашиваться быстрее, чем при работе на бензине.
Пыль генераторного газа представляет собой смесь, состоящую из мелких частиц угля, хлопьев сажи и частиц золы или дисперсного шлака. По размеру частиц пыль условно разделяют на грубую и тонкую. Грубая пыль размером частиц более 60 мк падает в спокойном воздухе с возрастающей скоростью. Тонкая пыль размером частиц менее 60 мк падает в спокойном воздухе с постоянной скоростью.
Частицы размером менее 20 мк находятся во взвешенном состоянии.
Примерный состав пыли из газогенератора обращенного процесса, работающего на древесных чурках, и из газогенератора поперечного процесса газификации, работающего на антраците, приведен в табл. 22; в табл. 23 указана зольность этой пыли.
Из табл. 22 видно, что большую часть пыли, содержащейся в газе из древесных чурок, составляет тонкая пыль.
Зольность пыли, остающейся в газе перед смесителем, выше, чем зольность пыли, содержащейся в газе на выходе из газогенератора, особенно при работе на антраците. Это объясняется тем, что грубая пыль содержит больше несгоревших частиц топлива, чем тонкая, которая в основном представляет собой частицы золы и дисперсного шлака.
Некоторая часть пыли (20—30%) растворима в воде. Это свойство пыли может быть использовано для повышения эффективности очистки газа путем промывки его водой.
В силу различных свойств грубой и тонкой пыли, имеющейся в газовом потоке, для ее улавливания применяют очистители различного устройства.
Грубая очистка газа
Частицы грубой пыли при своем движении обладают свойствами обычного твердого тела с присущей ему инерцией, поэтому для очистки газа от грубой пыли применяют так называемые инерционные очистители.
Простейший инерционный очиститель вихревого типа, так называемый циклон, изображен на фиг. 72. Газ выходит в циклон через патрубок 1, расположенный касательно по отношению к корпусу циклона. Вследствие этого газ получает вращательное движение и наиболее тяжелые частицы находящейся в нем пыли отбрасываются центробежной силой к стенкам корпуса 3. При трении о стенки корпуса частицы пыли теряют скорость и под действием силы тяжести падают в пылесборник 6. Отражатель 4 препятствует возвращению пыли в газовый поток. Очищенный газ выходит из циклона через газоотборный патрубок 2. Удаление пыли, осевшей в циклоне, производится через люк 5.
Для уменьшения потерь тепла стенки циклона в зоне рабочей камеры сделаны двойными. Это предотвращает конденсацию содержащихся в газе паров влаги на внутренней поверхности камеры циклона и прилипание к ней угольной пыли, что нарушило бы нормальную работу циклона. По этой же причине циклоны обычно устанавливают на горячей линии газа, сразу после газогенератора.
Другая конструкция циклона, имеющего более высокий коэффициент очистки, показана на фиг. 73. Циклон представляет собой сварной цилиндрический корпус 1, внутри которого расположена рабочая камера 2. Верхняя часть рабочей камеры выполнена в виде спирали, расположенной вокруг выходного патрубка 3 под углом 15° к горизонту.
Тангенциальный входной патрубок 4 приварен непосредственно к спирали рабочей камеры с наклоном к горизонту также под углом 15°. К нижней части рабочей камеры приварен конус 5, который служит для направления выпадающих в рабочей камере частиц пыли в пылесборник 6 и препятствует возвращению уже осевшей там пыли обратно в газовый поток.
В днище корпуса циклона расположен люк, снабженный резьбовой крышкой 7 и служащий для очистки пылесборника от уносов.
При сравнительно небольших размерах циклоны дают очень высокую степень очистки газа (до 90—95%), но с уменьшением скорости, т. е. количества отсасываемого газа, качество его очистки в циклоне ухудшается.
Во многих автомобильных установках часто применяют комбинированную систему инерционной очистки и охлаждения газа в так называемых грубых очистителях-хладителях. Выпадение происходит охлаждение газа вследствие передачи тепла через стенки очистителей в окружающую среду.
Такой очиститель (фиг. 74) состоит из металлического кожуха 1, снабженного съемной крышкой 2. Внутрь кожуха вставлен крупных и средних частиц пыли в этих очистителях происходит путем изменения направления и скорости движения газа с помощью перфорированных пластин.
При этом одновременно насадок, состоящий из ряда пластин 3 с большим количеством мелких отверстий, расположенных в шахматном порядке. Газ, проходя через отверстия пластин, все время меняет скорость и направление движения, а частицы пыли, ударяясь о стенки пластин, оседают на них или падают вниз.
На фиг. 75 показана батарея грубых очистителей-охладителей, состоящая из трех последовательно включенных секций прямоугольной формы. Каждая последующая секция имеет большее число пластин с большим количеством мелких отверстий, в результате чего достигается лучшая очистка газа.
Аналогичные очистители применены в газогенераторных установках автомобилей ГАЗ-42 и ЗИС-21А, работающих на древесных чурках. Основные данные по этим очистителям приведены в табл. 24.
Поперечные размеры очистителя газогенератора ЗИС-21А (круглого сечения) 204 мм, очистителя газогенератора ГАЗ-42 (прямоугольного сечения) 140х260 мм.
Тонкая очистка газа
Под тонкой очисткой газа подразумевают очистку его от мельчайших частиц пыли (меньше 60 мк), основная часть которых не может быть задержана грубыми очистителями.
Обычно различают тонкую очистку влажного газа, в котором содержание водяных паров превышает 90—100 г/м3, и тонкую очистку сухого газа, в котором количество водяного пара не превышает 60 г/м3.
Для тонкой очистки влажного газа чаще всего применяют очистители с кольцами. На фиг. 76 показана схема газогенераторной установки ГАЗ-42 для работы на древесных чурках, в которой для грубой очистки газа применены пластинчатые очистители-охладители, а тонкая очистка производится в очистителе с кольцами. Аналогичная система очистки газа применена в газогенераторной установке ЗИС-21А.
На фиг. 77 показан типичный очиститель с кольцами для тонкой очистки газа. Очиститель представляет собой цилиндрический резервуар. Корпус 3 разделен внутри на три части двумя горизонтальными сетками 5, на которые слоем 350—400 мм насыпаны кольца 4. Эти кольца представляют собой короткие трубочки небольшого размера, изготовленные из тонкой листовой стали или реже фарфора.
Основные конструктивные данные по металлическим кольцам разного размера приведены в табл. 25.
Для загрузки, выгрузки и промывки колец и чистки очистителя на боковой его поверхности имеются три люка 2.
Газ входит в очиститель через нижнюю трубу 6 и, пройдя два слоя колец, отсасывается через верхнюю газоотборную трубу 1, соединенную со смесителем двигателя.
Очистка газа происходит при многократном соприкосновении его с влажной поверхностью колец, вследствие чего на поверхности колец осаждаются частицы тонкой пыли. Очистка газа также происходит в результате того, что водяные пары, содержащиеся в газе, конденсируются на мельчайших частицах тонкой пыли; поэтому частицы становятся тяжелее, теряют скорость и осаждаются на поверхности колец. Водяные пары также конденсируются на поверхности колец, что обусловливает поддержание их во влажном состоянии и очистку стекающим вниз конденсатом.
Чем ниже температура, до которой охлаждается газ в очистителе, тем больше конденсируется водяных паров, содержащихся в газе, и тем выше будет степень очистки газа.
На фиг. 78 приведена диаграмма, показывающая влияние количества сконденсировавшегося водяного пара и высоты слоя колец на коэффициент очистки газа ηоч. Этот коэффициент представляет собой отношение разности между начальным содержанием пыли в газе перед очистителем и конечным содержанием пыли в газе по выходе его из очистителя к начальному содержанию пыли. Так, при влажности газа 121 г/м3 и охлаждении его до температуры 48° из 1 м3 газа выделится и сконденсируется 121 - 99,5 = 21,5 г/м3 водяного пара (табл. 26). При слое колец 600 мм коэффициент очистки будет равен 0,30. При охлаждении газа до 22° из 1 м3 газа сконденсируется 99,5 г влаги, и коэффициент очистки повысится до 0,60. Содержание влаги в газе, полученном при газификации древесных чурок, достигает 120—140 г/м3, и газ охлаждается до температуры 30—35°, поэтому коэффициент очистки в кольцах при высоте слоя 800 мм достигает значения 0,6—0,7.
При низкой температуре окружающего воздуха (например, зимой) конденсация водяных паров может -начаться в охладителе до поступления газа в тонкий очиститель. Поэтому для улучшения очистки газа охладитель следует располагать так, чтобы выпавший конденсат поступал в тонкий очиститель.
На фиг. 79 показана принципиальная схема газогенераторной
установки УралЗИС-1Г с комбинированным очистителем-охладителем, в котором вся сконденсировавшаяся влага поступает в тонкий очиститель. На фиг. 80 показана конструкция этого очистителя- охладителя.
Газ, выходящий из циклона, поступает в четырехходовый охладитель 1 (радиаторного типа), смонтированный в верхней части очистителя 2.
Влага, сконденсировавшаяся в охладителе, по трубе 5 вместе с газом поступает в нижнюю часть тонкого очистителя и смачивает кольца 3, расположенные в два яруса на сетках 4. По выходе из очистителя газ поступает к смесителю двигателя.
На степень очистки газа в тонких очистителях влияют не только конденсация водяных паров и высота слоя колец, но и размер колец. Чем меньше размер колец, тем больше их поверхность в одном и том же занимаемом кольцами объеме (см. табл. 25), а следовательно, тем выше степень очистки газа. Иногда в тонких очистителях вместо колец употребляют пробковую крошку или какой-либо иной фильтрующий материал: стеклянную вату, древесную шерсть или растительное волокно. Эти набивки имеют весьма развитую поверхность. Так, например, если металлические кольца обычного размера (15х5 мм) имеют удельную поверхность 0,336 м2/л, то древесная шерсть при плотности набивки 126 г/л (чему соответствует 84% свободного объема, т. е. несколько меньше, чем при кольцах) имеет поверхность, равную 1,5 м2/л.
Большая величина удельной поверхности этих фильтрующих материалов как будто бы позволяет значительно сократить размеры очистителей, однако это не вполне справедливо. При сокращении размеров очистителя ухудшаются условия охлаждения газа и соответственно уменьшается конденсация водяных паров в очистителе, что снижает качество очистки газа. Сопротивление проходу газа у такого очистителя будет выше, чем у очистителя с кольцами.
Размеры очистителя с набивкой из стеклянной ваты, древесной шерсти или растительного волокна могут быть существенно сокращены лишь в том случае, если будет обеспечена эффективная конденсация водяных паров в очистителе и более частая промывка его от накопившейся пыли.
Указанные фильтрующие материалы плохо поддаются регенерации, в связи с чем после нескольких промывок очиститель необходимо заполнять свежей набивкой.
На фиг. 81 показана конструкция фильтра газогенераторной установки НАМИ-Г-77 с набивкой из древесной шерсти. Фильтр имеет корпус 1 цилиндрической формы, сваренный из листовой стали. Газ поступает в фильтр через патрубок 2, а затем, пройдя через два слоя набивки 5 и 7, поступает в патрубок 11 и далее к смесителю двигателя. Фильтрующий материал представляет собой древесную стружку сечением 1,0 х 0.5 мм, которая укладывается в два слоя: нижний слой небольшой плотности на решетку 4, имеющую форму корзинки, а верхний слой, более плотный, на плоскую решетку 6. Сверху набивка прижимается решеткой 8 и скобой 10, укрепленной на крышке 9 фильтра. Для слива конденсата предусмотрена трубка 12. Пробка 3 закрывает отверстие, которое служит для стока воды при промывке фильтра.
В качестве фильтрующего материала могут быть также использованы вода или масло. Жидкостные очистители пригодны для очистки как влажного, так и особенно сухого газа. По мере работы они не повышают сопротивления проходу газа. Водяные очистители не требуют каких-либо затрат при смене фильтрующего агента (т. е. воды). Принцип работы водяных или барботажных очистителей заключается в том, что газ в виде пузырьков проходит через слой воды и очищается таким образом от пыли. Чем выше степень дробления струи газа на мелкие пузырьки и чем длиннее их путь через воду, тем эффективнее будет работа очистителя. Происходящее при этом увлажнение сухого газа создает необходимые условия для дополнительной его очистки кольцами.
Насколько эффективна работа барботажного очистителя по сравнению с обычной очисткой газа кольцами, можно судить по результатам испытания обычного очистителя ГA3-42 без барботажа (фиг. 82) и очистителя с барботажем, который был изготовлен по типу очистителя, показанному на фиг. 83, но с постоянной высотой барботажного слоя 20 мм.
На фиг. 82 приведена зависимость содержания пыли в газе, полученном при сжигании антрацита в газогенераторе поперечного процесса газификации, от количества воды, подаваемой в газогенератор вместе с воздухом через фурму. С увеличением подачи воды в газогенератор увеличивается содержание влаги в газе и конденсация водяного пара в очистителе, поэтому улучшается качество его очистки.
При воздушно-сухом дутье, когда подачи воды нет, содержание пыли в газе на выходе из очистителя ГАЗ-42 без барботажа равно 0,40 г/м3, а при работе с барботажем 0,26 г/м3 (даже при меньшей высоте слоя колец). Следовательно, качество очистки газа при барботаже улучшается примерно в 1,5 раза. Для того чтобы получить такое же качество очистки газа без барботажа, в газогенератор необходимо подавать воду в количестве 23% расхода топлива.
Уменьшение содержания пыли в газе по мере увеличения подачи воды в газогенератор (при наличии барботажного очистителя, когда газ увлажняется, проходя через воду) объясняется разным агрегатным состоянием воды. В первом случае это водяной пар, часть которого конденсируется на частицах тонкой пыли и утяжеляет их, во втором случае это в основном водяной туман, который осаждается на кольцах, увлажняя их. Воздействие первого физического фактора на качество очистки газа, видимо, более сильно, чем второго.
Качество очистки газа барботажным очистителем может быть повышено за счет увеличения пути прохождения газа через воду.
Обычно высота барботажного слоя является величиной постоянной и берется в пределах 20—40 мм. Увеличивать эту высоту более 40 мм нежелательно, так как значительно ухудшается пуск двигателя и его работа на холостом ходу. Барботажное устройство, по существу, представляет собой водяной затвор, который оказывает большое сопротивление при малых расходах газа; газ при этом поступает прерывисто (толчками), и устойчивость работы двигателя нарушается.
На фиг. 83 показан барботажный очиститель газогенераторной установки ЦНИИАТ-УГ-1 для работы на древесном угле. Высота барботажного слоя очистителя по мере увеличения отбора газа изменяется от нуля до максимума (100—120 мм). Это обеспечивает устойчивую работу двигателя при холостом ходе и хорошую очистку газа при больших нагрузках.
Газ, предварительно охлажденный до температуры 50—70°, поступает в первую (левую) секцию центрально расположенной газораздаточной коробки. В боковых стенках коробки имеется по два ряда отверстий диаметром 3 мм. Отверстия сделаны наклонно от уровня воды до нижнего края стенки коробки, погруженной в воду на глубину 70 мм. Четыре отверстия, расположенные выше уровня воды (по два в каждой стенке), служат для обеспечения нормальной подачи газа на холостом ходу. Эти отверстия перекрываются водой при большом числе оборотов коленчатого вала двигателя.
При отсасывании газа двигателем в пространстве над распределительной коробкой создается разрежение, в результате чего уровень воды снаружи коробки повышается, а внутри ее соответственно понижается. При этом газ проходит через отверстия, расположенные над внутренним уровнем воды, и потом в виде пузырьков — через наружный водяной столб. Затем, пройдя через кольца, насыпанные на сетках по обе стороны газораспределительной коробки, газ поступает во вторую (правую) секцию очистителя, где вторично проходит через погруженную в воду гребенку и окончательно очищается в слое колец. Температура газа на выходе составляет 30—35°.
За последнее время разработаны и испытаны конструкции центробежных водяных очистителей для автотракторных газогенераторных установок по типу аналогичных очистителей, применяемых в судовых газогенераторных установках. Эти очистители имеют малые размеры и обеспечивают нормальное качество очистки от тонкой пыли как влажного, так и сухого генераторного газа.
На фиг. 84 показана принципиальная схема такого очистителя. Очиститель представляет собой центробежный вентилятор 1, в центральную часть которого через патрубок 2 поступает газ, а через отверстия сопла 3 впускается вода. Под действием центробежных сил, создаваемых рабочим колесом 5, которое вращается от двигателя через шкив 14 и конический привод 6, газ и водяной туман отбрасываются к стенкам камеры. При этом вода, увлекая за собой пыль, содержащуюся в газе, прижимается к наружной стенке улитки очистителя и вытекает через трубку 7 в приемный бак 8, Газ под некоторым напором выходит через тангенциальный патрубок 4 и поступает к смесителю двигателя.
При помощи шестеренчатого насоса 11, установленного на одном валу с рабочим колесом 5, вода из бака 8 через фильтр 10 и по трубке 12 вновь подается к распиливающему соплу 3. Расход воды, уносимой вместе с газом в двигатель, незначителен. Воду в бак 8 следует заливать, учитывая ее расход, т. е. в количестве, обеспечивающем при отстаивании наилучшую очистку от находящейся в ней пыли. Удаление из бака отстоя производится через люк 9, а заполнение бака чистой водой — через отверстие, закрываемое пробкой 13.
Создаваемый очистителем напор используется на повышение коэффициента наполнения двигателя или на покрытие сопротивления водоотбойника, который может быть установлен между очистителем и смесителем двигателя.
В ряде конструкций газогенераторных установок, работающих на древесном угле, для очистки сухого газа от тонкой пыли применяют матерчатые фильтры, состоящие из двухслойных матерчатых мешков, натянутых на жесткие каркасы.
Давая весьма высокую степень очистки газа (до 0,01—0,02 г/м3), матерчатые фильтры в то же время обладают рядом существенных недостатков.
При употреблении угля влажностью 12—15% в очистителях с матерчатыми фильтрами необходимо поддерживать температуру газа в пределах 60—80°. При более низкой температуре или при большей влажности угля в очистителе происходит выпадение конденсата и намокание материи, что приводит к резкому увеличению сопротивления фильтров. При более высокой температуре газа (120—150°) ткань материи быстро разрушается. При повышенном содержании в топливе летучих происходит засмоление матерчатых фильтров.
Для предохранения материи фильтров от намокания и засмоления в некоторых конструкциях фильтров газогенераторных установок применяется фильтрующая пыль (мелкая пробковая крошка).
На фиг. 85 показан продольный разрез очистителя, в нижней части которого смонтирован конус, обеспечивающий перемешивание газа с фильтрующей пылью. Фильтрующая и угольная пыль, перемешиваясь, осаждается на матерчатых мешках, образуя пористую корку, которая препятствует проникновению мелкой пыли в поры материи и частично предохраняет ее от замокания и засмоления.
В других газогенераторных установках матерчатые фильтры работают без защитного слоя фильтрующей пыли. В нижнюю часть очистителей засыпается каменноугольный кокс, между кусками и в порах которого задерживаются крупные частицы угольной пыли. Надежная работа матерчатых фильтров в этих установках обеспечена применением обращенного процесса газификации в газогенераторе, в котором влага и летучие топлива проходят через активную зону и участвуют в процессе газообразования. Поэтому генераторный газ имеет невысокую влажность и не содержит смол.
В газогенераторных установках НАТИ (Г-21А-2 и Г-23А-2), работающих на древесном угле, очистка газа матерчатыми фильтрами и коксом применена в сочетании с поперечным процессом газификации в газогенераторе (фиг. 86). Надежная работа матерчатого фильтра в этом случае обеспечивается регулированием температуры поступающего в очиститель газа с помощью заслонки и перепускной трубы.
ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ АВТОМОБИЛИ
КТН Г.Г.Токарев
1955
|
Идёт загрузка...