2 Анализ конструктивных особенностей газогенераторов.
Газификатор – аппарат для термической переработки твёрдых и жидких топлив в горючие газы, осуществляемой в присутствии воздуха, свободного или связанного кислорода (водяных паров). Получаемые в газификаторе газы называются генераторными. Горение твёрдого топлива в газификаторе в отличие от любой топки осуществляется в большом слое и характеризуется поступлением количества воздуха, недостаточного для полного сжигания топлива (например, при работе на паровоздушном дутье в газификатор подаётся 33—35% воздуха от теоретически необходимого). Образующиеся в газификаторе газы содержат продукты полного горения топлива (углекислый газ, вода) и продукты их восстановления, неполного горения и пирогенетического разложения топлива (угарный газ, водород, метан, углерод). В генераторные газы переходит также азот воздуха.
Если проанализировать конструктивные особенности и принцип действия современных промышленных газогенераторов (к настоящему времени до промышленного масштаба доведено еще более десяти конструкций газогенераторов), можно выделить четыре основополагающих инженерных решения.
1. Создание Фрицем Винклером (концерн BASF) в 1926 г. Газогенератора с кипящим слоем. Эта технология послужила основой для современных процессов HTW (Hoch-Temperatur Winkler) и KRW (Kellogg-Rust-Westinghouse) и др.
2. Разработка фирмой «Лурги» в 1932 г. Слоевого газогенератора, работающего под давлением 3 Мпа. Использование повышенного давления для интенсификации процесса газификации реализовано почти во всех современных промышленных газогенераторах.
3. Разработка Генрихом Копперсом и Фридрихом Тотцеком в 1944-45 гг. пылеугольного газогенератора с жидким шлакоудалением. Первый промышленный аппарат этого типа был построен в 1952 г. В Финляндии. Пылеугольный принцип газификации с жидким шлакоудалением реализован в промышленных аппаратах Destec, Shell, Prenflo, разработанных на основе газогенератора Копперса-Тотцека, в аппарате Texaco и др. Удаление шлака в жидком виде реализовано в слоевом газогенераторе BGL (British Gas– Lurgy), разработанном на основе газогенератора Лурги.
4. Разработка фирмой Texaco в 1950-е годы газификаторов для переработки тяжелых нефтяных остатков. Всего построено более 160 таких установок. В 1970-е годы была разработана модификация аппарата Texaco для газификации водо-угольной суспензии. Принцип подачи угля в аппарат в виде водо-угольной суспензии использован и в газогенераторе Destec.
Были попытки использовать и ряд других технических решений для создания новых газогенераторов: использование внешнего теплоносителя, в том числе тепла ядерного реактора; газификация в расплавах солей, железа, шлака; двух – трехступенчатая газификация; газификация в плазме; каталитическая газификация и др.
Конструкция газогенератора зависит от выбранного типа процесса газификации. Поэтому ниже рассмотрены отдельно конструкции газогенераторов обратного и прямого процессов газификации.
2.1 Газогенераторы обратного процесса газификации
2.1.1 Классификация газогенераторов
При выбранных конструктивных параметрах газогенератора, характеризующих размеры камеры газификации, бункера и золь¬ника, можно приступить к разработке конструкции газогенератора. Отличительной особенностью конструкции газогенераторов является различие в использовании физического тепла газов, выходящих из камеры газификации. Это тепло может быть направлено на подогрев топлива в бункере газогенератора, на нагрев воздуха, поступаю¬щего в камеру газификации, и может быть вообще не использовано.
В зависимости от этого различают следующие конструкции газо-генераторов:
1) с подогревом топлива в бункере;
2) с подогревом воздуха;
3) без использования физического тепла газов.
Газификация битуминозных топлив по обратному процессу дает
удовлетворительные результаты при влажности топлива Wa6c не более 22 % {Wотн=18%). При употреблении более влажного топлива, теплотворность газа значительно падает. В последних конструкциях газогенераторов ЦНИИМЭ для освобождения от избы¬точной испарившейся влаги топлива ее принудительно удаляют из бункера при газификации под давлением (метод ЦНИИМЭ). При этом вместе с водяным паром неизбежно удаляется часть продуктов сухой перегонки.
Таким образом, различают газогенераторы обратного процесса газификации:
1) без удаления влаги
2) с удалением влаги под давлением.
В зависимости от технологии изготовления камеры газификации различают:
1) литые;
2) сварные;
3) комбинированные с литым воз душным поясом и сварными остальными деталями.
Камеры газификации выполняют обычно с сужением - горловиной, которая может составлять одно целое с литой или сварной камерой или быть отдельной, сменной. Встречаются камеры и без горловины.
Различают следующие камеры газификации:
1) без сменной горловины;
2) со сменной горловиной;
3) без горловины.
Воздушное дутью в газогенераторах обратного процесса газификации может осуществляться следующим способом:
1) через однофурменное или многофурменное сопло, расположенное по оси газогенератора;
2) через фурмы, расположенные по окружности камеры;
3) через те и другие фурмы.
В зависимости от расположения Фурм различают газогенераторы:
1) с центральным дутьем;
2) с периферийным дутьем;
3) с комбинированным дутьем.
Для опоры слоя угля под камерон газификации и выделения зольника в газогенераторах устанавливают неподвижные или подвижные колосниковые решетки.
В зависимости от конструкции колосниковых решоток различают газогенераторы:
1) с неподвижной решеткой;
2) с подвижной решеткой, качающейся в вертикальной или горизонтальной плоскости.
Решетки выполняют с ручным или механическим приводом. Для сохранения тепла наружные стенки газогенератора иногда изолируют.
В зависимости от наличия или отсутствия изоляции различают следующие газогенераторы:
1) с изоляцией, полной и частичной;
2) без изоляции.
2.1.1 Использование тепла в газогенераторах
На Рис.1 изображена схема использования в газогенераторе тепла газа, выходящего из камеры газификации для подогрева топлива в бункере.
Температура газа, выходящего из камеры, равна 700 , а из газогенератора 350-400° в зависимости от вида топлива и его влажности.
Конструктивно подогрев осуществляется следующим образом. Бункер 2 с камерой газификации помещен в корпусе 3 газогенератора с зазором 20-25 мм. Поток газов, нагретых до 700° поднимается вверх, омывает бункер и выходит через патрубок 1. Экран 4 устанавливаемый в газогенераторе ГБ, уменьшает излучение тепла через корпус газогенератора.
Если бункер не обогревать, то смолы на холодных стенках бункера застывают, особенно в ранний весенний или осенне-зимний периоды, что влечет за собой торможение осадки топлива и нарушение стабильности процесса газификации.
По опытам НАТИ, при полном обогреве бункера теплотворность газа повышается на 6-8%.
Применяемые газогенераторы без обогрева имеют в ряде случаев изоляционную стенку толщиной 20-30 мм. Изоляция стенок бункера, выполненная из асбестита или из стеклянной ваты, позволяет сохранить тепло в бункере и использовать тепло газа для подогрева воздуха, поступающего в газогенератор. Следует отметить, что это
Рисунок 1 Рисунок 2
не снижает расхода металла, так как изоляция заключена в металлический кожух.
На Рис.2 изображена схема использования тепла газа, выходящего из газогенератора, для подогрева воздуха, поступающего в него.
Газ, обходя камеру газификации, выходит из газогенератора через патрубок 1 и поступает для очистки в центробежный очиститель 2, а затем в теплообменник 3, в котором по трубам 4 проходит подогреваемый воздух.
Воздух может быть подогрет до 300°. Сохранение такого количества тепла позволяет повысить влажность используемого топлива на 3,5%. Конструкция газогенератора при этом несколько усложняется.
В первых конструкциях газогенераторов физическое тепло газа не использовалось. Газ выходил из корпуса газогенератора в нижней части или немного выше камеры газификации.
В этом случае увеличивались тепловые потери и КПД газогенератора не превышал 0,6.
2.1.2 Газогенераторы для газификации сухого топлива
Газогенератор НАТИ-П9 (Рис.3), предназначенный для работы на воздушносухих древесных чурках. Газогенератор рассчитан на расход газа 85 нм3/час с теплотворностью 1200 ккал/нм3.
Данный газогенератор является газогенератором обратного процесса газификации с обогревом газом бункера. В корпус 1 газогенератора (Рис.3) вставлен бункер 2 с приваренной к нему камерой 3 газификации. Камера стальная литая, с периферийным дутьем. Воздушное дутье осуществляется через воздушную коробку 4 с обратным клапаном 5. Коробка 4 соединена футор-кой 6 с воздушным поясом камеры газификации. Через 10 равномерно расположенных в поясе фурм 7 диаметром 10 мм воздух поступает внутрь камеры. Под камерой газификации находится неподвижная трехсекционная колосниковая решетка, лежащая на опорном кольце 9 с приваренными к нему стойками 10. Зольник с люком 8 отделен решеткой в корпусе газогенератора. Через люк удаляют отходы угля, золу и производят прочистку колосников.
Газ из камеры поднимается вверх вокруг бункера, проходит затем по каналу, образованному стенками корпуса и бункера и отражателем 11. Из газогенератора газ выходит через патрубок 12, привернутый болтами к фланцу корпуса.
На Рис.4 изображен модернизированный газогенератор.
Модернизация газогенератора заключалась в увеличении диаметра горловины камеры с 110 до 150 мм, введении резьбового зольникового люка, вместо откидного, увеличении диаметра бункера на 21 мм и сварки с бункером верхнего днища, на котором расположены детали загрузочного люка.
Вход воздуха в воздушный пояс камеры газификации ЧТЗ СГ 65 происходит через два диаметрально расположенных патрубка а не через один. Остальные узлы газогенератора одинаковы.
Газогенератор ГБ-58 (Рис.5) отличается рядом конструктивных особенностей. Камера газификации газогенератора сделана комбинированной сварной, с литым воздушным поясом 6, цилиндрической нижней частью 11 и сменной горловиной 13, установленной на опорном кольце 12, которое опирается па упоры 7. Сварка камеры производится специальными электродами, обеспечивающими удлинение сварочных швов не менее чем на 18%.Камера соединена с воздушной коробкой 15 корпуса не резьбовой футоркой, а болтами 14, что облегчает сборку и разборку газогенератора, так как резьба футорки пригорает, что вызывает большие затруднения при отворачивании футорки. В газогенераторе установлена колосниковая качающаяся решетка 9, крышеобразной формы с тремя выступами дли шуровки слоя. Решетка представляет собой стальную отливку, поверхность которой алитирована. Вокруг качающейся решетки расположены дне боковые решетки 10 из листовой стали, толщиной 6 мм, также алитированные. Стенки корпуса 2 вокруг камеры экранированы металлическими листами 8. подвешенными на крючках 5. Переходный конус 4 от цилиндра бункера к камере имеет при вершине угол 800 т. е. угол образующей конуса к горизонту составляет 500. Для защиты бункера 3 от разъедания, которое наблюдалось при испытаниях после 2100 час. работы, введен защитный лист 1 толщиной 2 мм. припариваемый сверху на высоте 500 мм. Экранирование корпуса исключает его коробление. На листах 8 после работы в течение 2250 час. не было следов износа. Бункер с защитным стальным листом наверху после 2000 час. работы находился в хорошем состоянии. В камере устанавливают сменные горловины 13 отдельно для газификации древесных чурок и торфобрикетов. Горловины уплотняют по краям огнеупорной обмазкой с жидким стеклом.
Состав огнеупорной массы следующий: 15% огнеупорной глины, 85% мелкомолотого шамота (размером 1-2мм) и 20-30% жидкого стекла. Воды в огнеупорную массу не добавляют. После прокаливания в газогенераторе масса становится твердой и плотной. В период испытания огнеупорная замазка выдерживала 800 час. без повреждений.
Газогенератор ГБ-58
Рисунок 5
Температура газа, выходящего из газогенератора, при газификации древесины равна 300 , при газификации торфобрикетов 316°.
Разрежение газа при выходе из газогенератора соответственно равно 150 и 300 мм вод. ст. Вследствие уплотнения торфяного кокса разрежение увеличивается, но уплотненный слой кокса при разрежении 300 мм вод. ст. взрыхляют колосниковой решеткой, и разрежение при выходе из газогенератора снижается до 150-200 мм вод.ст.
2.1.3 Газогенераторы для газификации влажного топлива.
Описанные выше конструкции газогенераторов предназначены для газификации сухого топлива, из которого получается газ хорошего качества, обеспечивающий нормальную работу.
Газификация влажного топлива в указанных газогенераторах невозможна. Для этого требуются дополнительные приспособления, обеспечивающие получение газа с достаточной теплотворностью.
Существуют два способа для достижения указанной цели. Первым способом является максимальное использование тепла топлива, снижение всех тепловых потерь путем изоляции газогенератора и использования физического тепла газа, выходящего из газогенератора, для подогрева подаваемого в газогенератор воздуха. Таким образом удается повысить допустимую влажность Wp газифицируемого древесного топлива до 30%.
Вторым способом является вытеснение из бункера газогенератора водяного пара вместе с газами сухой перегонки древесины при работе газогенератора под давлением. Давление в газогенераторе создается вследствие подачи в него увеличенного количества воздуха под избыточным давлением центробежным вентилятором. В газогенераторах ЦНИИМЭ для этой цели применяют вентилятор (число оборотов вентилятора увеличивается до 8-10 тыс. в минуту).
Таким способом при регулировке выхода газов в атмосферу путем дросселирования в патрубке можно газифицировать очень влажное топливо, подсушивая его в бункере. Однако это связано с повышенным расходом сухой массы топлива. Поданным ЦНИИМЭ, рaсход рабочего топлива увеличивается от 0,95 до 2,5 кг/л. с. ч. Общее увеличение количества газифицируемого влажного топлива и особенно сухой массы его приводит к увеличению выделения тепла в окислительной зоне, что ведет к повышению тепловых напряжений в камере газификации и вредно отражается на состоянии стенок.
На Рис.6 показан газогенератор ЦНИИМЭ-17, предназначенный для газификации влажных дровшвырка длиной 500 мм. Прямоугольный бункер газогенератора состоит из двух частей - верхней 1 и нижней 2, соединенных с камерой 4 газификации. Суммарный объем бункера равен 0,25 м3. При такой емкости бункера газогенератор может непрерывно работать в течение 1-1,5 часа.
Загрузочный люк газогенератора закрывается крышкой 18.
Корпус 3 газогенератора изготовлен из листовой стали толщиной 3 мм. В нижней части его имеются два резьбовых люка 6 и 7 для чистки зольника 8 и проверки состояния камеры газификации.
Сверху нижней части бункера в стенках сделаны отверстия, прикрытые язычками 15 для спуска конденсата.
Нижняя часть бункера омывается горячим генераторным газом который выходит затем из газогенератора через патрубок 14.
Воздух поступает в камеру газификации по трубе 10 под давлением, создаваемым центробежным вентилятором 9.
Вследствие разрежения, создаваемого двигателем, генераторный газ проходит через камеру в направлении, обычном дли газогенераторов обратного процесса. Под давлением воздуха образовавшиеся в окислительной зоне газы частично движутся и вверх, подсушивая дрова и выходя затем через патрубок 16 с дроссельной заслонкой 17. Заслонкой 17 можно регулировать выпуск газов в атмосферу.
Из-за потерь горючих газов вместе с водяными парами, удаляемыми из газогенератора, и затрат тепла на сушку дров расход их (по данным ЦНИИМЭ) увеличивается от 0,95 при газификации сухого топлива до 2,5 кг/л. с. ч. при газификации влажного топлива. Расход топлива зависит от расхода воздуха, характеризуемого его давлением перед входом в газогенератор (при постоянном сечении фурм расход газов будет увеличиваться с повышением скорости дутья, которая растет пропорционально корню квадратному из напора h воздуха перед фурмами).
Дросселирование выхода пара из газогенератора сравнительно меньше влияет на расход топлива. При давлении наддува 155 мм вод. ст. и полностью открытой дроссельной заслонке пара расход дров составлял 45 кг/час, при уменьшении открытия дроссельной заслонки на 25% расход составил 39 кг/час.
Прочность данного газогенератора, особенно камеры газификации, оказалась недостаточной. С применением керамики для изоляции внутренних стенок камеры прочность газогенератора повысилась.
Следует указать, что таким путем можно газифицировать влажные древесные чурки и в стандартных газогенераторах с наддувом воздуха.
2.2 Газогенераторы прямого процесса газификации.
2.2.1 Классификация.
Для тощих топлив в транспортных установках применяют газогенераторы прямого процесса газификации с срединным отбором газа (прямой процесс с отбором газа в середине слоя) или газогенераторы с горизонтальным процессом газификации. В последних газогенераторах теплотворность получаемого газа сравнительно низкая. Наоборот, газогенераторы прямого процесса газификации с паровоздушным дутьем обеспечивают высокую теплотворностъ газа (1200-1300 ккал/нм*); их можно применять для газификации зольных топлив со шлакующейся золой.
Эти газогенераторы различают по следующим характерным признакам:
1) способу удаления золы;
2) паро-водяной системе;
3) газоотборному устройству;
4) пусковым приспособлениям;
5) предохранительным устройствам для безопасной загрузки бункера;
6) использованию тепла в газогенераторе.
7) по роду процесса - газогенераторы для получения воздушного газа, водяного газа, смешанного газа;
8) по характеру слоя - газогенераторы с плотным слоем, со взвешенным слоем, с «кипящим» слоем;
9) по давлению, при котором протекает газогенераторный процесс, - атмосферные газогенераторы, газогенераторы высокого давления;
10) по степени механизации процесса - немеханизированные газогенераторы, полумеханизированные и механизированные.
Классификация по этим характерным признакам позволяет правильно оценить конструкцию газогенератора.
2.2.2 Газогенераторы с плотным слоем.
Взвешенный слой топлива организуется в газогенераторах, предназначенных для газификации мелкозернистого топлива. Такой слой располагается в конической части газогенератора, причем крупные частицы должны витать в узкой части, а мелкие - в широкой. Таким образом, частицы сепарируются в слое. В действительности наблюдается поступательно-возвратное движение частиц, т.е. происходит некоторое перемешивание слоя. «Кипящий» слой наблюдается при скоростях потока, выходящих за пределы устойчивости плотного слоя. «Кипение» связано с раздвижкой частиц топлива, что увеличивает объем слоя в 1,5-3,0 раза. Движение частиц топлива (обычно мелких - от 2 до 12 мм) напоминает движение кипящей жидкости, почему такой слой и получил название «кипящего» конуса. В полумеханизированных газогенераторах вращающиеся колосниковые решетки осуществляют равномерное и непрерывное удаление шлаков без нарушения процесса газообразования. Рис.7.
Ввиду этого удельная производительность и общая тепловая мощность газогенераторов с механизированным удалением шлаков практически в 1,5-2,5 раза больше газогенераторов с ручным обслуживанием (при прочих равных условиях). Качество газа и КПД таких газогенераторов также значительно выше.
Газогенератор с механизированным золоудалением характеризуется наличием чугунной колосниковой решетки, укрепленной на чугунной чаше (поддоне), которая приводится во вращение червячным механизмом. Примером такой конструкции может служить газогенератор Гипромеза (рис. 7). Поддон II вращается на опорных роликах 10 (в других газогенераторах вращение поддона иногда осуществляется на стальных шарах). Медленное вращение колосниковой решетки 1 (0,2-2 об/ч) обеспечивает автоматическую ломку шлака и его удаление из чаши через гидравлический затвор, для чего служит шлакосбрасыватель. Газогенератор снабжен пароводяной рубашкой 4, исключающей налипание шлаков к внутренней поверхности шахты. Пароводяная рубашка соединена трубопроводами с паросборником. Вода кипит в рубашке, и образующиеся пузырьки пара поднимаются вверх и сепарируются в паросборнике. Таким образом, пароводяная рубашка, связанная с паросборником, по существу представляет собой паровой котел с естественной циркуляцией, встроенный в газогенератор. Рис. 8. Пар давлением 1,2-1,6атм., вырабатываемый в рубашке, используется для увлажнения дутьевого воздуха газогенератора.
Пароводяная рубашка питается умягченной водой от общезаводской химической водоочистки, предназначенной для подготовки питательной воды паровых котлов. Пароводяная рубашка снабжена контрольными лючками 5. Загрузка топлива, его шуровка и пиковка производятся вручную, вследствие чего, несмотря на механизированное шлакоудаление, генератор называется полумеханизированным.
Шахта газогенератора, изготовленная при помощи сварки из стальных листов 1, опирается на лапы 2, установленные на фундаменте 3. Верхняя часть шихты и крышка футерованы огнеупорным кирпичом. Отвод газа производится через патрубок 6 в крышке. Загрузка топлива производится при помощи загрузочной коробки 7, снабженной двойным затвором. Паровоздушная смесь подается под колосниковую решетку при помощи центральной трубы 8 с гидравлическим затвором 9.
Механизированные генераторы. В конструкции Гипромеза механизировано только шлакоудаление. Однако при обслуживании газогенераторов необходимо производить и другие трудоемкие работы-шуровку, разрыхление и выравнивание верхнего слоя топлива. Имеются газогенераторы, в которых эти операции механизированы. На рис. 6-5 изображен такой газогенератор.
Топливо в него загружается непрерывно механическим питателем 4. Для разравнивания и рыхления верхнего слоя топлива имеется качающийся механический лом 6, бороздящий своим концом поверхность слоя. Так как при этом происходит также и вращение шахты, то конец лома, качаясь, разрыхляет всю поверхность слоя. Внизу газогенератора имеется вращающийся поддон 7 с колосниковой решеткой. Он может вращаться вместе с шахтой, однако можно вращать шахту и затормозить поддон. Кроме описанного газогенератора, имеются механизированные газогенераторы с механическими граблями для шуровки и разравнивания слоя топлива и др.
Газогенераторы для топлив с высокой влажностью. Древесину и торф с влажностью, большей чем 30- 35%, газифицировать в описанных ранее газогенераторах нельзя. Вследствие недостаточной высоты шахты очень влажное топливо не успевает достаточно хорошо подготовиться ,в верхней части газогенератора и опускается в зону газификации, имея большое количество летучих веществ и даже влаги. От этого температура в зоне восстановления снижается, что нарушает правильный режим работы газогенератора. Качество газа оказывается низким также и за счет того, что летучие вещества, попадая в зону газификации, разлагаются. Смола из легкой превращается в тяжелую, вязкую, загрязненную сажей.
Для увеличения продолжительности пребывания влажного топлива в зонах подсушки и сухой перегонки устраивают -газогенераторы с высокой шахтой (Рис. 9). Верхняя, более узкая часть шахты называется швель-шахтой. Общая высота слоя топлива составляет около 7 м. В таких газогенераторах можно газифицировать топливо с влажностью до 45-50%. Газ при этом получается хорошего качества, первичная смола не разлагается, и из нее можно получать ряд ценных веществ (смазочное масло, легкое горючее, фенолы и др.).
2.2.3 Газогенераторы с кипящим слоем.
Недостатки газогенераторов с плотным слоем. Присутствие мелочи в буром и каменном углях и антраците сильно затрудняет процесс газификации: производительность газогенераторов уменьшается, увеличивается унос, ухудшаются качество газа и другие показатели работы.
В силу этого к размеру кусков топлива предъявляются жесткие требования, и перед подачей в газогенераторы оно подвергается просеиванию (грохочению), при котором иногда значительная часть топлива отсеивается и направляется для использования, например, в топках паровых котлов.
Другим недостатком газогенераторов с плотным слоем при газификации топлив при атмосферном давлении является их малая производительность, и на больших предприятиях для удовлетворения потребности в газе необходимо устанавливать десятки газогенераторов.
Газификация бурых углей в «кипящем» слое представляет собой метод получения больших количеств технологического или энергетического генераторного газа из мелкозернистых бурых углей. Кипящий слой имеет место при скоростях потока воздуха и газов, выходящих за пределы устойчивости плотного слоя. Вращательно-пульсирующее движение частиц топлива при этом напоминает движение кипящей жидкости, почему такой слой и называется кипящим. При этом газовоздушный поток не циркулирует в слое, а прямоточно продувает его.
По опытам М.К. Письмен, основной характеристикой кипящего слоя является увеличение объема слоя при продувке его воздухом, или, иначе, увеличение высоты слоя по сравнению с плотным слоем. На Рис.10 показана зависимость относительной плотности слоя от относительной скорости потока, представляющей собой отношение скорости потока, средней по всему сечению шахты, к критической скорости витания отдельной частицы, характерной для данной фракции.
