ГАЗОГЕНЕРАТОРНАЯ УТИЛИЗАЦИОННАЯ УСТАНОВКА И ТОПЛИВНЫЕ ГРАНУЛЫ ДЛЯ НЕЕ
GAS GENERATOR RECYCLING PLANT AND FUEL PELLETS THEREFOR

Изобретение относится к области комплексной переработки твердого топлива на основе биоресурсов и может быть использовано, конкретно, при комплексной переработке пищевых продуктов, а именно в линиях по производству подсолнечного масла. Изобретение направлено на создание экологически чистого безотходного производства подсолнечного масла на собственных энергоносителях с использованием горючего генераторного газа.
Отделение лузги подсолнечника от ядра способствует повышению масличности перерабатываемого сырья, оно освобождается от низкомасличных компонентов, увеличивается производительность технологического оборудования, повышается качество масла, так как в масло не переходят липиды лузги, представленные восками и воскоподобными веществами, ухудшающими товарный вид масла. Лузга имеет большую пористость и при соприкосновении с маслом способна его интенсивно поглощать и затем прочно удерживать («замасливаться»). Это увеличивает потери масла в производстве. Наконец, механическая прочность лузги по сравнению с ядром довольно высока и присутствие лузги снижает эффективность работы оборудования, вызывает интенсивный износ рабочих органов машин (источник приведенных сведений - см. В.П. Кичигин. Технология и технохимический контроль производства растительных масел. М., Пищевая промышленность,1976, 360 с.).
Из существующего уровня техники известны конструкции газогенераторов обращенного процесса газификации (см. Токарев Г.Г. Газогенераторные автомобили. М., Машгиз, 1955), содержащие корпус, в котором расположены топливный бункер с загрузочным люком и камера газификации твердого топлива. Камера газификации крепится к нижней части топливного бункера. Конструктивно камера газификации выполнена с воздушным коллектором и фурмами подачи воздуха в зону горения. Фурмы прикреплены к стенкам камеры газификации на болтовых соединениях, доступ к которым осуществляется через специальные люки воздушного коллектора. Для организации хорошего горения и выжигания из генераторного газа горючих смол камера газификации выполнена из двух усеченных конусов, соединенных так, чтобы образовалось узкое горло.
Недостатками данных конструкций газогенераторов обращенного процесса газификации являются: разрушение стенок камеры газификации (особенно в узком месте) в процессе эксплуатации в результате коробления, прогара, трещин, являющихся следствием неравномерного нагрева ее стенок; неравномерная подача наружного воздуха через воздушные фурмы, вызывающая ухудшение режима работы и характеристик газогенератора; необходимость разборки газогенератора при замене или восстановлении фурм подачи воздуха в камеру газификации, что приводит к длительной остановке газогенератора при изменении типоразмеров фурм в случае перехода с одного вида топлива на другой, а также в случае разрушения фурм в процессе эксплуатации.
Известна газогенераторная утилизационная установка по патенту РФ 133391, 2013, работающая на отходах масличного производства, а именно на лузге и/или гранулах лузги подсолнечника. Недостатками прототипа являются: неравномерное распределение воздуха в камере для подачи воздуха воздухоподогревателем, обусловленное конструкцией системы подачи воздуха: поступающий снаружи воздух ударяется в стенку, образуя завихрения, которые вызывают неравномерность расхода воздуха на единицу площади сечения; неравномерная раздача воздуха по фурмам, что приводит к ухудшению режима работы и характеристик газификатора; неравномерность поля температур у стенки камеры газификации, что требует ее защиты от прогара теплоизоляционным материалом, например шамотным кирпичом, сложность замены фурм.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении к.п.д. энергетической установки.
Указанный технический результат достигается тем, что газогенераторная утилизационная установка имеет в своем составе газогенератор и работает на топливных элементах из лузги подсолнечника и состоит из расходного бункера с топливом, емкости для загрузки топлива, реактора, расходный бункер с топливом частично футерован в нижней части, емкость для загрузки топлива выполнена с двумя герметичными шиберными затворами, которые связаны с системой подачи топлива с помощью скипового питателя, реактор соединен с бункером фланцевым соединением и имеет футерованную зону горения с конусом со строго определенным углом выгорания смол, зону восстановления генераторного газа, систему сопел для подвода атмосферного воздуха в зону горения и устройство поддержания уровня топлива в газогенераторе с последующим удалением угольно-зольного отхода из реактора, систему охлаждения и транспортировки угольно-зольного отхода на склад и коллектор регулирования необходимого количества атмосферного воздуха с автоматической заслонкой для поддержания процесса горения, систему регулированного скольжения топлива внутри газогенератора и системы автоматических датчиков уровня топлива, температуры, давления и аварийных ситуаций, при этом к реактору последовательно подключены циклон, центробежно- барботажный аппарат и каплеотделитель, к каплеотделителю подключена газодувка, соединенная с фильтром грубой очистки и двумя последовательно расположенными засыпными фильтрами тонкой очистки генераторного газа, заполненными фильтрующим элементом, в качестве фильтрующего элемента в последовательных фильтрах тонкой очистки используется дробленая лузга подсолнечника, а фильтры соединены с устройством подачи газа в газопоршневой двигатель и систему электрогенерации, причем в качестве топлива используются только гранулы из сплоченной лузги подсолнечника, а атмосферно-воздушное дутье подается в зону горения через сопла, объединенные общим коллектором, имеющим автоматическую заслонку для регулирования количества воздуха, связанную с системой подачи генераторного газа в газопоршневой двигатель, при этом угол к горизонту конуса горения равен 42-47° для обеспечения оптимального скольжения гранул по колосниковой решетке, а узел неподвижной колосниковой решетки имеет шнеки либо скребок для удаления угольно-зольного остатка и поддержания расчетного уровня древесного угля в зоне восстановления и имеет возможность выдвигаться для осмотров и ремонтов без полной разборки всей установки.
Указанный технический результат также достигается тем, что гранулы из сплоченной лузги подсолнечника для газогенераторной утилизационной установки по п. 1 выполнены из цельной лузги и сплочены посредством пресса ударно-механического типа в топливные элементы, имеющие следующие параметры:
температура сплочения
200-220°С
диаметр
50÷60 мм
длина
60÷80 мм
плотность
1,10÷1,3 кг/дм<sup>3</sup>
влажность
8÷12%
растворение в воде
не менее 90 с
насыпная масса
600-660 кг/м<sup>3</sup>
угольно-зольный отход
8-10%
теплотворная способность
не менее 4500 ккал/кг
Газогенераторная утилизационная установка имеет в своем составе газогенератор, работающий на топливных элементах из лузги подсолнечника, состоит из: расходного бункера с топливом, частично футерованным в нижней части, емкости для загрузки топлива с двумя герметичными шиберными затворами, которые связаны с системой подачи топлива с помощью скипового питателя, реактора, соединенного с бункером фланцевым соединением, имеющего футерованную зону горения с конусом (со строго определенным углом) выгорания смол, зоной восстановления генераторного газа, системой сопел для подвода атмосферного воздуха в зону горения и устройством поддержания уровня топлива в газогенераторе с последующим удалением угольно-зольного отхода из реактора, системы охлаждения и транспортировки угольно зольного отхода на склад, коллектора регулирования необходимого количества атмосферного воздуха с автоматической заслонкой для поддержания процесса горения, системы регулированного скольжения топлива внутри газогенератора (аналог вибрированию), системы автоматических датчиков уровня топлива, температуры, давления и аварийных ситуаций. Кроме того, установка имеет фильтры грубой очистки (циклон, центробежно- барботажный аппарат, каплеотделитель), газодувку, теплообменник, двух последовательных засыпные фильтры тонкой очистки генераторного газа (заполненные фильтрующим элементом), картриджный фильтр, систему подачи газа в газопоршневой двигатель и систему электрогенерации и когенерации Установка оборудована автоматизированной системой управления процессом получения генераторного газа и электроэнергии с применением компьютерной системы автоматического управления, сигнализации и безопасности. Топливом для газогенератора являются только СЛ-гранулы (гранулы из сплоченной лузги подсолнечника), что атмосферно-воздушное дутье подается в зону горения через сопла, объединенные общим коллектором, имеющим автоматическую заслонку для регулирования количества воздуха, связанную с системой подачи генераторного газа в газопоршневой двигатель, что угол к горизонту конуса горения равен 42-47° для обеспечения оптимального скольжения СЛ-гранул, что узел неподвижной колосниковой решетки имеет шнеки, либо скребок для удаления угольно-зольного остатка и поддержания расчетного уровня древесного угля в зоне восстановления может выдвигаться для осмотров и ремонтов без полной разборки всего газогенератора, что в качестве фильтрующего элемента в последовательных фильтрах тонкой очистки используется дробленая лузга подсолнечника.
Может быть использована в качестве топлива "СЛ-гранула" - ЦЕЛЬНАЯ (недробленая!) лузга, образующаяся в результате обрушения семян подсолнечника, с помощью пресса ударно-механического типа формируется в гранулы со специальными ограничивающими параметрами:
температура сплочения
200-220°С
диаметр
50÷60 мм
длина
60÷80 мм
плотность
1,10÷1,3 кг/дм<sup>3</sup>
влажность
8÷12%
растворение в воде
не менее 90 с
насыпная масса
600-660 кг/м<sup>3</sup>
угольно-зольный отход
8-10%
теплотворная способность
не менее 4500 ккал/кг
Может быть использована дробленая лузга подсолнечника в двух последовательных засыпных фильтрах тонкой очистки. В первом фракция - 1-3 мм, во втором - 3-5 мм
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является создание простой, высокоэффективной и недорогой установки по производству электроэнергии и тепла с полезной утилизации вредных отходов - лузги подсолнечника.
Газогенератор обращенного типа состоит из следующих частей:
1. Расходный бункер с топливом, частично футерованным в нижней части, емкость для загрузки топлива с двумя герметичными шиберными затворами, которая связана с системой подачи топлива с помощью скипового питателя,
2. Реактор, соединенный с бункером фланцевым соединением, имеющий футерованную зону горения с конусом (со строго определенным углом) выгорания смол, зоной восстановления генераторного газа, системой сопел для подвода атмосферного воздуха в зону горения и устройства поддержания уровня топлива в газогенераторе с последующим удалением угольно- зольного отхода из реактора (разборный узел колосниковой решетки на чертеже не показан).
3. Система охлаждения и транспортировки угольно-зольного отхода на склад.
4. Коллектор регулирования необходимого количества атмосферного воздуха с автоматической заслонкой для поддержания процесса горения.
5. Система регулированного скольжения топлива внутри газогенератора (аналог вибрированию).
6. Система автоматических датчиков уровня топлива, температуры, давления и аварийных ситуаций.
Кроме того, имеются фильтры грубой очистки (циклон, центробежно-барботажный аппарат, каплеотделитель), газодувка, теплообменник, двухступенчатые фильтры тонкой очистки генераторного газа (заполненные в качестве фильтрующего элемента дробленой лузгой подсолнечника), картриджный фильтр, система подачи газа в газопоршневой двигатель и система электрогенерации и когенерации, а также оборудование автоматизированной системой управления процессом получения генераторного газа и электроэнергии с применением компьютерной системы автоматического управления, сигнализации и безопасности.
В предлагаемой авторами конструкции газогенератора используется в качестве топлива СЛ-гранула.
Любой вид твердого топлива, предназначенного для газогенераторных установок, должен иметь:
- определенный размер кусков;
- определенную влажность;
- минимальное количество вредных примесей и, в частности, золы; температура плавления золы не должна выходить за определенные пределы;
- определенное количество летучих;
- высокую реакционную способность;
- достаточную механическую прочность, чтобы топливо не рассыпалось при транспортировке, хранении, а также при газификации в газогенераторе;
- высокую удельную теплотворность;
- невысокую стоимость, включая стоимость разделки топлива до необходимых размеров.
Первые семь показателей влияют на гибкость и устойчивость процесса газификации газогенераторной установки, надежность работы газогенератора и периодичность его догрузки.
Последний показатель определяет экономичность применения того или иного топлива.
Соответственно указанным показателям топливо можно ориентировочно распределить на следующие четыре класса:
- топливо хорошего качества - древесная чурка, древесный уголь, древесно-угольные брикеты;
- топливо вполне удовлетворительного качества - торфяной кокс, малозольный торф, полукокс;
- топливо удовлетворительного качества - многозольный торф, бурый уголь, антрацит;
топливо неудовлетворительного качества - солома, лузга и прочие сельскохозяйственные отходы.
Действительно, насыпная лузга может быть использована только в газогенераторах ожиженного или псевдоожиженного типа, да и то с применением сложных очистителей от смолы.
Как показал опыт авторов, навальная лузга полностью неприменима для газогенераторов обращенного типа с неподвижным слоем ((например, серия WBG фирмы ANKUR, Индия). Кроме этого, ни пеллеты, ни брикеты, изготовленные по технологии измельченной лузги (любого качества), не обеспечивают устойчивой работы газогенератора. Они, как правило, частично рассыпаются уже в зоне сухого пиролиза, не создают устойчивое горение, забивают дутьевые сопла и т.д.
Авторы определили требования к качеству топлива на лузге подсолнечника и успешно испытали его на действующей установке.
ЦЕЛЬНАЯ (недробленая) лузга, образующаяся в результате обрушения семян подсолнечника в прессе ударно-механического типа (ПБУ), формируется в гранулы со специальными ограничивающими параметрами.
Это топливо авторы назвали «СЛ-гранулы» (гранулы сплоченной лузги).
Технология получения "сплоченной лузги" отличается от известных не только отсутствием предварительного измельчения, но и совершенно иной структурой готового топлива. Оно имеет большую плотность и поэтому может быть использовано в газогенераторах обращенного типа с конусом горения, который необходим для дожигания смол.
Основным фактором, определяющим механическую прочность, водостойкость и калорийность топлива, являются его плотность. Чем плотнее топливный элемент, тем выше показатели его качества. Чем ниже плотность, тем меньше их калорийность.
3
3
Например, при плотности 650-750 кг/м калорийность СЛ-гранулы равна 12-14 МДж/кг; при плотности 1200-1300 кг/м - 25-31 МДж/кг. Качество топлива в значительной мере зависит от влажности исходной лузги.
Различают оптимальную и критическую влажности:
Оптимальная влажность составляет 4-10%, при ней достигаются наилучшие механические характеристики СЛ-гранулы.
Критической называется влажность, при которой возможно образование СЛ-гранулы, но в ней появляются трещины и возникают условия "развала" топлива в зоне сухого пиролиза.
Критическая влажность находится в пределах 10-15%.
При более высокой влажности СЛ-гранула будет «разорвана» внутренним давлением влаги, возникающим при сжатии измельченной массы
В сильный монокуляр (+50) отчетливо видны отдельные частицы цельной лузги, хаотично ориентированные по периметру и телу. Наблюдаются отдельные сильносплоченные конгломераты (около 40% диаметра). Рыхлость переменная - от центра к периферии. Оболочка - стекловидная толщиной 1-2 мм.
Очевидно, что СЛ-гранула имеет различную диаметральную и осевую теплопроводность и теплоемкость (анизотропию), исходя из строения образца.
Торцевые поверхности грубо обломлены и легко подаются отслаиванию. Распил показал, что сплочением СЛ-гранула обязана не только склеиванию лигнином, но и сплочению отдельных частиц лузги за счет взаимной адгезии.
Габаритные и теплофизические параметры топлива должны полностью соответствовать конструкции газогенератора.
СЛ-гранула представляет собой цилиндры сплоченной лузги подсолнечника и имеет следующие параметры:
температура сплочения
200-220°С
диаметр
50÷60 мм
длина
60÷80 мм
плотность
1,10÷1,3 кг/дм<sup>3</sup>
влажность
8÷12%
растворение в воде
не менее 90 с
насыпная масса
600 кг/м<sup>3</sup>
угольно-зольный отход
8-10%
теплотворная способность
не менее 4500 ккал/кг
расход топлива
0.9-1.0 кг/кВт ч
Первые пять параметров являются "специально ограничивающими"
Несоблюдение их при производстве СЛ-гранулы приводит к нарушению устойчивости процесса газификации и фактической остановке системы.
Газогенераторная утилизационная установка с газогенератором обращенного процесса газификации на атмосферно-воздушном дутье под отрицательным давлением (100-300 мм вод. ст.) работает следующим образом.
Твердое топливо через загрузочный люк и топливный бункер поступает в реактор (камеру газификации). Наружный воздух под действием газодувки засасывается в воздушный коллектор через автоматическую заслонку, связанную с системой подачи генераторного газа в газопоршневой двигатель. Заслонка служит для тонкой регулировки подачи воздуха на сопла и прекращению подачи воздуха при остановке работы газогенератора.
Воздух, поступивший через сопла внутрь камеры газификации, взаимодействует с твердым топливом. Происходит процесс газификации твердого топлива. Получившийся газогенераторный газ выходит из зоны горения, проходит через слой раскаленного угля (зона восстановления) и выходит через отводной патрубок из газогенератора к потребителю.
Для обеспечения равномерного распределения воздуха в зоне конуса горения сопла устанавливаются через 40-30° наклонно, параллельно углу конуса.
Как показывает опыт авторов, для оптимального скольжения топлива данного вида угол наклона стенок конуса горения к горизонту должен составлять 42-47°.
Кроме этого, для быстрой замены сопел, а также определения их оптимального положения относительно центра горения длину сопел можно регулировать (что важно при отладочных работах) при помощи регулировочного узла, смонтированного на стенке реактора.
Уголь, зольные отходы поступают на неподвижную колосниковую решетку, откуда удаляются шнеками или скребком в систему золоудаления.
Отличительной особенностью разработанного газогенератора является выдвижная конструкция колосниковой системы без полной разборки (для профилактического осмотра и ремонта) газогенератора.
Из газогенератора газ выходит с температурой 350-500°C, проходит последовательно  фильтры грубой очистки - циклон, центробежно-барботажный аппарат (впервые применяемый вместо скруббера Вентури), каплеотделитель, газодувку, теплообменник, двухступенчатые фильтры тонкой очистки генераторного газа (заполненные в качестве фильтрующего элемента дробленой лузгой подсолнечника!), картриджный фильтр. Проходит полную очистку от примесей и смол, охлаждается и подается в газопоршневой двигатель со следующими параметрами:
температура
25-30°С
количество смол
10-15 мг/м<sup>3</sup>
калорийность
не менее 1250 ккал/м куб.
Особо следует подчеркнуть применение в качестве эффективного фильтрующего элемента для фильтров тонкой очистки дробленой лузги подсолнечника.
Далее очищенный и охлажденный генераторный газ поступает в систему подачи газа в газопоршневой двигатель и систему электрогенерации и когенерации.
Все процессы в установке обеспечивает автоматизированная система управления, сигнализации и безопасности при помощи многоцелевого контроллера.
На фиг.1 представлен газогенератор; на фиг.2 - модуль газогенераторной когенерационной электростанции с электрогенератором мощностью 250 кВт и тепловой 350 кВт (топливо - сплоченная лузга подсолнечника с расходом 1 кг на выработку 1 кВт электроэнергии), где:
1 - газогенератор,
2 - бункер,
2-1 - шлюзовой затвор диаметром 500,
3 - шнековый элеватор,
3-1 - промбункер,
4 - компенсатор,
5 - воздуходувка стартовая,
5-1 - кран отсечной,
5-2 - циклон стартовый,
5-3 - теплообменник,
6 - циклон основной,
7 - центробежный барботажный аппарат ЦБА,
7-1 - емкость с водой и насосом,
8 - каплеотделитель,
9 - кран регулирующий,
10 - воздуходувка основная,
11 - фильтр коасцелирующий,
12 - фильтр грубой очистки,
13 - фильтр тонкой очистки,
14 - теплообменник-охладитель,
15 - фильтр картриджный,
16 - факел пусковой,
17 - расходомер генераторного газа,
18 - газопоршневой двигатель с электрогенератором,
19 - газовая аппаратура для газопоршневого двигателя с автоматическим клапаном,
20 - скиповый подъемник,
21 - выхлопная труба.