Газогенераторні установки малої потужності для газифікації твердих палив

Типи процесів газифікації палива в газогенераторах

Процес газифікації палива здійснюється у газогенераторах:

прямого процесу газифікації (рис.1, 2, а);
зверненого процесу (рис.2, б);
двозонного типу (рис.2, в)

Прямий процес газифікації

У той час, як у зоні горіння відбуваються екзотермічні реакції та мають місце найвищі температури, зона відновлення споживає тепло, що вноситься до неї із зони горіння. Зони горіння та відновлення становлять зону газифікації. У газогенераторі прямого процесу над зоною відновлення розташовується зона сухої перегонки, а над нею – зона підсушування палива. Процеси сухої перегонки та сушіння палива виробляються за рахунок фізичного тепла гарячих газів, що піднімаються із зони відновлення. Зони сухої перегонки та підсушування разом звуться зони підготовки палива.

У зоні сухої перегонки завантажене в газогенератор паливо перетворюється спочатку на напівкокс, а потім на кокс, а гази, що піднімаються знизу, змішуються з продуктами сухої перегонки.

У зоні підсушування гази поєднуються і з водяними парами.

У газогенераторі насправді немає чіткого розмежування окремих зон: процеси, властиві окремим зонам, більшою чи меншою мірою накладаються одна на одну.

При газифікації цим способом деревини та торфу у продуктах сухої перегонки міститься також оцтова кислота та інші небажані домішки (феноли та ін.). Очищення газу від смол принципово можливе із застосуванням дезінтеграторів, електрофільтрів. Це, безумовно, ускладнює та подорожчає весь технологічний процес.

У зв'язку з викладеним прямий процес газифікації використовується при застосуванніпалив із невеликим виходом летючих (антрацит, кокс).

Мал.1. Схема газогенератора прямого процесу: 1 - кожух шахти; 2 – футерування шахти; 3 – завантажувальний пристрій; 4 – колосники; 5 - підведення дуття; 6 – відведення газу; 7 – видалення золи та шлаку

Мал.2. Схеми процесу газифікації: а - газогенератор прямого процесу; б - газогенератор зверненого процесу; в – двозонний газогенератор; 1 – зона підсушування; 2 – зона сухої перегонки; 3 – зона відновлення; 4 – зона горіння; 5 - зона золи; 6 – газ; 7 – повітря; 8 – вигріб золи; 9 - колосникові грати; 10 – завантаження палива

Мал.3. Схема газогенератора горизонтального процесу

Звернений процес газифікації

Щоб уникнути складний процес очищення газів від смол, пилу та ін, для газифікації палив з великим виходом летких застосовуються газогенератори зверненого процесу газифікації (рис.2, б).

У цих газогенераторах напрямок руху газу збігається з напрямком руху палива.

Газ відбирається з-під колосникових грат, повітря надходить через фурми в зону горіння, яка в цьому випадку розташовується вище зони відновлення. Для безперебійного відбору газу зола з газогенераторів зверненого процесу видаляється через гідравлічний затвор. У цьому газогенераторі продукт сухої перегонки під дією тяги проходить через зону горіння, де більшість їх згоряє. Решта, досягаючи зони відновлення, взаємодіє з розпеченим коксом, що заповнює цю зону, і розкладається, в результаті чого виходять головним чином окис вуглецю (СО), водень (Н2) та невелика кількість вуглеводнів (CmHn).

Із сучасних газогенераторів малоїпродуктивності, що працюють за оберненим процесом газифікації, заслуговує на увагу газогенератор системи «Ліс». Він розроблений, виготовляється та поставляється замовнику науково-виробничим малим підприємством «Техноліс» при Ленінградській лісотехнічній Академії імені С.М. Кірова.

Конструкція газогенераторів системи «Ліс» переробляє в газоподібне паливо різні відходи з вологістю до 60% і розміром частинок від 10 до 200 мм. Одинична та теплова потужність (із спалювання газу) газогенераторів у транспортабельному виконанні: 1,3 та 5 МВт. Питома продуктивність газу 1,2…2,0 м 3 газу/кг палива (залежно від вологості вихідного палива). Коефіцієнт корисної дії 70...85%. Діапазон регулювання потужності від 30 до 120% від номіналу. Якість одержуваного газу характеризується практично вільною від активних домішок піролізних смол і пар кислот, що дозволяє передавати генераторний газ трубопроводами на значні відстані.

Генераторний газ із кускової рослинної біомаси може бути використаний без складної додаткової системи очищення:

для спалювання в топках парових та водогрійних котлів;
стаціонарних двигунів внутрішнього згоряння;
газових турбін;
для технологічних та побутових потреб.

Деякі характеристики газогенераторів системи «Ліс» наведено у табл.1.

Таблиця 1

Габаритні розміри та маса газогенераторів різної потужності

Примітка. Температура горіння генераторного газу повітря близько 1500°С, що виключає утворення шкідливих «термічних» оксидів азоту. Оксиди сірки у продуктах згоряння генераторного газу відсутні. Теплонапруженість об'єму топки при спалюванні генераторного іприродного газу близькі, що дозволяє використовувати генераторний газ в існуючих теплоенергетичних установках, призначених для спалювання природного газу, змінюючи тільки конструкцію пальникових пристроїв.

Двохзонні газогенератори

Для газифікації бітумінозного палива, крім газогенераторів оберненого процесу застосовуються двозонні газогенератори, тобто. газогенератори із двома зонами горіння (рис.2,в).

У цих газогенераторах повітря підводиться (через фурми чи центральну трубу) як у верхню зону горіння, і під колосникові грати в нижню зону горіння. Між обома зонами горіння знаходиться зона відновлення, з якої проводиться відбір газів. У нижній частині газогенератора паливо газифікується за прямим процесом, а у верхній - по зверненому.

Наявність нижньої зони горіння дає можливість підтримувати більш високу температуру зони відновлення порівняно з газогенераторами оберненого процесу, завдяки чому розкладання продуктів сухої перегонки палива (крекінг-смол та ін.) відбувається досконаліше.

Паливом у зоні прямого процесу служить досить обвуглена, позбавлена смолистих сполук частина палива, що опустилася із зони зверненого процесу. Інтенсивність газифікації у цій зоні (150...200 кг/м 2 год) значно нижча, ніж у верхній (400...600 кг/м 2 год).

Розподіл повітря між зонами:

зона зверненого процесу - 65 ... 75%
зона прямого процесу - 25 ... 35%.

Температура газу при виході із двозонного газогенератора вища (до 700°С), ніж у газогенераторах оберненого процесу (400…500°С).

Такі газогенератори доцільно застосовувати для багатозольного палива, для якого характерні великі втрати пального зі шлаком. Двохзонні газогенератори забезпечуютьдля цих палив найкраще випалювання газу.

Газогенератори горизонтального процесу газифікації

Для пересувних газогенераторних установок невеликої потужності застосовують газогенератори горизонтального процесу (рис.3) газифікації.

Ці газогенератори компактні, відрізняються великою маневреністю та швидким розпалюванням. Зони горіння та відновлення в них розташовані на невеликому просторі між вхідним отвором для повітря та газовідбірними ґратами.

Недоліком цих газогенераторів є високі вимоги до якості вихідного палива:

зольність палива має перевищувати 5%;
у паливі не повинні утримуватись смоли.

Для всіх розглянутих типів газогенераторів розміри окремих зон за висотою шахти визначаються часом, протягом якого паливо має знаходитись у цій зоні.

Висота зони підсушування повинна бути тим більшою, чим більше шматки палива і вища його вологість. При недостатній висоті зони недосушене паливо порушує процес у зоні сухої перегонки; процес сухої перегонки зміщується в зону газифікації, температура в останній знижується та якість газу погіршується. Практично висота зони підсушування коливається від 100 (антрацит, газове вугілля) до 3000 мм (вологий кусковий торф).

Висота зони сухої перегонки залежить від вмісту в паливі летких та фракційного складу палива (максимального розміру шматків). Для антрациту та газового вугілля вона становить близько 300 мм та для шматкового вологого торфу – до 2000 мм.

Висота зони газифікації залежить від реакційної здатності палива та максимального розміру його фракцій. Вона коливається від 200 до 2000 мм.

Шлакова подушка (зона золи) зазвичай має товщину близько 100 мм.

Загалом способи термічної газифікації достатньорізноманітні. Вони передбачають:

шарову газифікацію по прямому та оберненому процесам (докладно розглянутих вище);
газифікацію в стаціонарному та циркулюючому киплячому шарі;
атмосферну газифікацію та газифікацію під тиском;
газифікацію при повітряному, пароповітряному чи кисневому дутті;
газифікацію при непрямому нагріві (алотермічну газифікацію).

Наприклад, в інституті імені Беттелла (США) розроблено та випробувано газогенератор непрямого нагріву з тепловою потужністю 10 МВт, де виходить генераторний газ середньої теплоти згоряння з використанням теплоносія, що циркулює між газогенератором і камерою згоряння енергетичної установки. Зроблено це для перешкоди утворення в технологічному циклі смол, що конденсуються.

Використовуються також інші способи газифікації. (Вони менш перевірені у практичній діяльності і тут нами не розглядаються.)