УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛОВОГО ГАЗА

Полезная модель относится к области горения и газификации твердых топлив и может быть использована в энергетической, химической, металлургической и других отраслях промышленности, где применяются органические твердые топлива, в том числе местные низкосортные топливные ресурсы (торф, биомасса), в частности, к установкам для получения силового газа из низкосортных топлив.
В настоящее время сформировались следующие основные тенденции в энергопроизводстве.
Изменение структуры топливно-энергетического баланса в сторону использования твердых топлив: углей, местных ТЭР, биомассы и отходов. Развитие современных газогенераторных чистых угольных технологий. В США, Европе, Японии выполняются крупные межнациональные и национальные программы. В России развитие технологий запланировано в материалах Энергетической стратегии и других программных и уточняющих документов. Изменение структуры энергоснабжения - развитие системы распределенной генерации энергии, действующей наравне со станционной энергетикой на уровне распределительных сетей.
Значительная роль в топливном балансе распределенной энергосистемы принадлежит местным низкосортным ископаемым (торф, бурые угли) топливам и возобновляемым растительным, и в первую очередь - биомассе, как наиболее доступному и экологически безопасному виду топлива.
2
В биомассе и геологически молодых топливах с низкой степенью метаморфизма (торф, бурые угли) молярное соотношение «водород:углерод» составляет в среднем Н:С=1,0-2,5, а «кислород:углерод» - О:С=0,4-0,9. Результатом этого является значительное содержание молекулярного водорода и СО в продуктах пиролиза и газификации по прямому или обращенному процессам, а так же наличие конденсирующихся углеводородов или смол, при коксовании образующих низкореакционный вторичный углерод (сажу).
Основными вопросами при использовании биотоплив являются:
2
m
n
2
- неоднородность состава газа - наличие наряду с СО в газе как продукте частичного окисления топлива двуокиси углерода СО, неокисленных углеводородных остатков СН и молекулярного водорода Н,
- забалластированность газа смолами.
Смолы в генераторном газе - продукт пиролиза органического топлива, протекающего по сложному механизму последовательных и параллельных реакций в температурном интервале 160-500°С. Сажа представляет собой продукт высокотемпературного коксования жидких углеводородов (смол) [1]. Попадая в камеру сгорания двигатель-генератора, смолы и сажа вызывают коррозионный и эрозионный износ (при размере частицы более 2-20 мк) и склонны отлагаться на рабочих поверхностях (ГТУ), загрязнять маслосистему (ДВС). При использовании генераторного газа в топливных элементах существует проблема химического «отравления» электролита и коксования каналов.
Для очистки газа от балластных компонентов (смолы, сажа) существуют различные методы очистки, производимые, как в специальном оборудовании (вторичные), так и непосредственно в реакторе газификации за счет различных конструктивных решений и технологических мероприятий (первичные).
2
2
4
Наличие молекулярного водорода в газе сужает рабочие границы газовых двигателей из-за проблем детонации, и в ряде случаев заставляет производителей газопоршневого оборудования проводить конвертацию водорода в метан. Диоксид углерода с энергетической и экологической точки зрения является балластом. Таким образом, существует необходимость применения устройств газификации, обеспечивающих «нормализованный» газ с минимальным содержанием нежелательных компонентов (СО, H, CН, смолы) и максимальным содержанием СО.
Классическим устройством для получения силового генераторного газа из низкосортных топлив является газификатор обращенного процесса
2
4
2
2
2
H
2
2
4
ТЕОР
3
P
3
3
(типичный состав сухого генераторного газа СO=17-20%, H=14-16%, СН=0,5-3,0%, СО=7-10%, O=0,5-1,5%, N~50%, концентрация смол 0,5-1,0 г/нм, теплотворная способность Q ~900-1100 ккал/нм). Однако, он далек от газификатора горизонтального процесса, генерирующего при работе на древесном угле наиболее однородный состав реагентов: содержание СO=1-3%, Н=2-5%, СН~2%, содержание СO=29-32%, близкое к предельному при воздушной газификации углерода СО~34,5%, концентрация смол до 0,16 г/нм. В нем слой древесного угля продувается воздухом со скоростью до 60 м/с (на выходе из фурмы) и в этот слой не поступает дополнительных смолистых соединений.
3
3
За рубежом получение силового газа из низкосортных топлив типа биомассы отрабатывается на опытных и демонстрационных газификаторах плотного слоя с декомпозицией процесса мощностью до 1,5-2,0 МВт по топливу, а так же в однокорпусных газогенераторах на малые тепловые мощности, исключительно для уменьшения смолосодержания. Установки малой мощности создаются по схеме с двумя подводами воздуха в плотный слой, за счет чего высокотемпературная кислородная зона горения летучих растягивается по высоте, а в зону пиролиза подается окислитель для частичного сжигания пиролизных газов и прогрева слоя мелких топливных частиц, практически непроницаемого для токов свободной конвекции из зоны горения. Конечное содержание смолы в полученном сыром газе составляет 1-35 мг/нм [2], что лежит в пределах современных нормативов чистоты газа для ДВС (50 мг/нм).
2
Все перечисленные установки при удовлетворительной чистоте газа от смол обеспечивают отмечаемый выше разнородный («ненормализованный») состав, влекущий ухудшение условий работы двигателей, дополнительную негативную нагрузку на окружающую среду (эмиссия СO).
Ближайшим аналогом по технической сути и достигаемому результату является экспериментальная газогенераторная установка мощностью по топливу 20 кВт [3], исследованная в Азиатском Техническом Институте (АТИ).
Газогенераторная установка состоит из металлического теплоизолированного реактора диаметром 150 мм высотой 2000 мм. Снизу в реакторе размещена колосниковая решетка, а сверху - топливный бункер. По высоте реактора в слой организованы два подвода воздуха: верхний - на высоте 1120 мм от решетки - в зону горения, нижний - на высоте 660 мм от решетки - в зону газификации. Соотношение расходов воздуха между первой и второй зонами в зависимости от режима 0,8-1,0:1,2-1,0.
Топливо поступает в реактор из бункера под действием силы тяжести и образует плотный слой на колосниковой решетке. Воздух подается в плотный слой в два яруса воздухоподводящими трубами, а генераторный газ выводится из установки снизу.
3
C
3
2
2
H
При газификации древесины в форме чипсов с характерным размером 15 мм получен генераторный газ с содержанием смол до 1-20 мг/нм. Состав газа данного газификатора СО=13,5-17,6%, СО=14,2-18,3, Н=12,8-16,3%, теплотворная способность Q ~900-1000 ккал/нм.
Основным недостатком указанного технического решения является то, что оно не обеспечивает полного сжигания продуктов пиролиза и последующего восстановления продуктов сгорания для получения максимального количества СО. Кроме того, масштабирование установки на большую производительность (более 100 кВт по топливу) на мелком топливе невозможно в силу значительного гидравлического сопротивления слоя и его тепловой неравномерности, ведущей к ухудшению разложения парогазов.
3
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, заключается в получении однородного по составу (нормализованного) газа с максимальной концентрацией СО и количеством смол в газе, допустимым по нормативу для ДВС (50 мг/нм).
2
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в получении из слабометаморфизированных низкосортных топлив с высоким содержанием связанного кислорода силового генераторного газа с максимальной концентрацией СО, превышающей теоретическое для идеального воздушного газа, минимальной концентрацией СО и
3
недоокисленного водорода (в том числе - в форме метана и молекулярного водорода) и с содержанием смол не более 50 мг/нм.
Теоретическое содержание СО для случая газификации чистого углерода на воздушном дутье (идеальный воздушный газ) составляет 34,5% [4]. Для случая воздушной газификации древесины, где массовое содержание внутреннего атомарного кислорода сопоставимо с таковым для углерода, максимальная концентрация СО в газе может быть выше 34,5% за счет использования части внутреннего кислорода, уменьшения подачи газифицирующего воздуха и снижения таким образом балластного азота воздуха. Такой процесс имеет место в доменных печах, где содержания СО в газообразных продуктах, выходящих из зоны факела в слой шихты, составляет до 54% [5]. Однако пример транспортных и стационарных древесных газогенераторов в России обеспечивающих концентрацию СО в газе, превышающую 34,5%, не известен.
Для решения поставленной задачи в известной установке для получения силового газа, содержащей реактор, в верхней части которого установлен топливный бункер, а в нижней - колосниковая решетка, воздухоподводящие трубы, согласно полезной модели, в реакторе организована каверна для сжигания продуктов пиролиза, размещенная между зонами пиролиза и газификации и образованная с помощью решетки, площадь которой составляет 35-45% площади поперченного сечения реактора.
При этом объем каверны определяется нормативным объемным теплонапряжением при сжигании бедных газов.
Снабжение реактора каверной позволяет организовать полное сжигание продуктов пиролиза и полное удаление смол, газообразных углеводородов и молекулярного водорода.
Площадь решетки, организующей каверну, составляет 35-45% площади поперченного сечения реактора. При площади меньшей 35% не весь объем пиролизных газов, выделяющихся в зоне пиролиза, будет поступать в каверну и сгорать. При площади решетки большей 45% в силу малого
остаточного сечения реактора не будет обеспечен равномерный сход топлива.
Предлагаемая установка для получения силового газа (рис.) содержит реактор 1, выполненный в виде кварцевой трубы, в верхней части которого установлен топливный бункер (на рисунке не показан), а в нижней части реактора 1 размещена колосниковая решетка 2, воздухоподводящие трубы 3. В реакторе 1 установлена решетка 4, организующая каверну 5.
Работает предлагаемая установка для получения силового газа следующим образом.
Топливо поступает в реактор 1 из бункера под действием силы тяжести и образует плотный слой на колосниковой решетке 2. Первичный, вторичный, третичный воздух подается в слой по трубам 3. Генераторный газ выводится из установки снизу.
Первичный воздух подается в верхнюю зону с расходом в заявляемом режиме горения в количестве 25-30% от общего расхода воздуха на установку и создает окислительную среду пиролиза, в которой осуществляется частичное окисление парогазов, снижающее концентрацию углеводородов (как конденсирующихся, так и газообразных).
3
3
3
Вторичный воздух подается в среднюю зону в каверну 5 с расходом в заявляемом режиме горения в количестве 25-30% для дожигания продуктов пиролиза до конечных продуктов полного сгорания. Теплота этого процесса используется для прогрева слоя, что интенсифицирует пиролиз. Искусственная каверна 5 организована в слое за счет размещения специальной решетки 4, занимающей 35-45% сечения площади реактора. Высота каверны 5 составляет 100-120 мм и обеспечивает необходимую гидравлическую неравномерность в слое, которая определяет преимущественное движение парогазов из зоны пиролиза через решетку в полость. Объем каверны рассчитан из условий создания объемного теплонапряжения 40-50 МВт/м (~40% от применяемого в нефорсированных камерах сгорания ГТУ или цилиндрах ДВС~100-120 МВт/м) и составляет 150-200 см.
В непродуваемом слое топлива, располагающемся рядом с каверной, создаются условия для довыгазовывания летучих веществ (область карбонизации, термофиксации).
2
2
Организация в средней части реактора комбинированного узла сжигания и карбонизации гарантирует поступление в нижнюю часть реактора продуктов полного сгорания (СО, НО) и прокаленного древесного угля с содержанием летучих не более 10%, выходящих преимущественно в форме молекулярного водорода Н.
Третичный воздух подается в нижнюю зону с расходом в заявляемом режиме горения в количестве 40-50% от общего расхода для повышения температуры в зоне газификации, увеличения доли СО в газе и снижения концентрации конденсирующихся углеводородов.
На установке был отработан режим газификации, обеспечивающий заявляемые параметры, а так же для целей сравнения режимы газификации, применяемые в аналогах и прототипе (табл.1). Газифицировались древесные пеллеты диаметром 7 мм, длиной ~ 15-35 мм и косточковое биотопливо (финиковые косточки) диаметром 7 мм, длиной ~ 15 мм, рабочей влажностью не более 5%.
Распределение температуры по высоте реактора в установившемся режиме неравномерное, максимальные температуры в районах подачи воздуха достигают 900-1000°С (диаг.1). Анализ высотной стратификации содержимого реактора установки после режима 5 представлен в табл.2.
2
4
2
2
2
H
P
3
3
Режим 1 - однозонный обращенный процесс, по основным характеристикам совпадает с классическим, реализуемым в известных газогенераторах обращенного типа. Состав газа СO=19-20%, Н=14-15%, СН=1,8-2,0%, CO=7-9%, O=0,5%, N - по разности; теплотворная способность Q ~950-1100 ккал/нм. Содержание смол согласно замерам - 0,8-1,5 г/нм. Получаемый генераторный газ насыщен желто-белой дисперсией (смоляным туманом) и горит ярким, красным, сажистым пламенем.
2
4
H
P
3
Режим 2 - режим, реализуемый в прототипе. Получены близкие прототипу характеристики. Состав газа СO=16-18%, H=12-13%, CH~0%; теплотворная способность Q ~850-950 ккал/нм. Смолы не обнаружены.
2
2
4
Режим 3 - режим; классический вариант обращенного газификатора с дожиганием коксового остатка в прирешеточном пространстве. Характеризуется неоднородным составом газа: СO=15-17%, Н=11-13%, CO=10-12%, СН=2,5-3,0%, наличием смол в пределах 1-го режима.
2
4
2
2
Режим 4 - режим с равномерным подводом дутья во все зоны; обеспечивает существенно более нормализованный газ с содержанием СО, превышающим содержание в газе прототипа, аналогов и классических обращенных газогенераторов, однако не является предельным. Отсутствие смол и углеводородов. Состав газа СO=23-25%, Н=6-8%, СН=0%, СO=2,5-3,0%, N - по разности.
2
2
4
2
4
2
2
Режим 5 - номинальный режим работы заявляемого устройства; процесс позволил получить из слабометаморфизированного топлива газ с максимальным содержанием СО, превосходящим СО в газе древесноугольных газогенераторов горизонтального процесса, минимальным - СО, Н, СН. Состав газа СO=34-37%, Н=2,5%, СН=0%, СO=0%, N - по разности. Генераторный газ горит сине-оранжевым пламенем. Смолы не обнаружены.
Состав газа в различных режимах газификации представлен на диаг.2.
Теплотворная способность газов в различных режимах представлена в табл.3.
Перечень источников информации
1. Процессы горения в химической технологии и металлургии. Под ред. А.Г.Мержанова. Черноголовка. РИО ОИХФ АН СССР. 1975., 289 с.
2. A review of the primary measures for tar elimination in biomass gasification processes. L.Devi, K.J.Ptasinski, F.J.J.G.Janssen// Biomass and Bioenergy. 2003. №24. pp.125-140.
3. Bhattacharya S.C., Siddique A.H.M.R., Pham H.L. A stady on wood gasification for low-tar gas production// Energy. 1999. №24. pp.285-296.
4. Канторов М.В. Газогенераторы и газогенераторные станции в металлургической промышленности. ГНТИ ЛЧЦМ, Свердловск. 1958. 467 с.
5. Горение углерода. Опыт построения физико-химических основ процесса. А.С.Предводителев, Л.Н.Хитрин, О.А.Цуханова и др. М. - Л.: Изд-во АН СССР. 1949. 407 с.