ГАЗОГЕНЕРАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к тепло- и электроэнергетике, касается газогенератора, работающего на древесном топливе, преимущественно щепе и вырабатывающем синтез-газ для газопоршневых электростанций, а более конкретно к газогенераторам обращенного или прямоточного типа.
Известны различные типы газогенераторов: прямой, горизонтальный, обращенный. Из них только газогенератор обращенного типа может работать на древесном топливе и производить синтез-газ, пригодный для сжигания в газо поршневом двигателе. Причина в том, что в обращенном типе газогенератора, продукты сухой перегонки, выделившиеся из древесного топлива, проходят зону окисления (горения) и зону восстановления, где смолы сгорают или разлагаются (крекинг) и не вызывают засмоливание клапанов поршневого двигателя.
Схема работы газогенератора обращенного типа следующая. Топливо и газы перемещаются сверху вниз и последовательно проходят зоны сушки, пиролиза, окисления, восстановления.
Древесное топливо загружается в бункер. Под действием тепла, исходящего снизу из зоны горения, топливо сначала сушится, затем начинает возгоняться, т.е. выделять пары воды, летучие горючие газы, смолы в парообразном состоянии. Это зона пиролиза. Образовавшийся в результате пиролиза древесный уголь, опускается ниже в зону окисления (горения), где частично сгорает, выделяя тепло. Продукты пиролиза также проходят зону окисления, где выгорают и разлагаются (крекинг) смолы. Оставшийся древесный уголь опускается ниже в зону восстановления, где реагирует с двуокисью углерода с образованием окиси углерода. Параллельно происходит реакция угля с парами воды с образованием водорода. Окись углерода и водород - важнейшие компоненты синтез-газа, на них приходится подавляющая часть теплотворной способности синтез-газа.
Теоретические основы и основные конструктивные решения газогенераторов обращенного типа были разработаны в 30 - 50 годы 20 века. Например, М.Д. Артамонов (М.Д. Артамонов. Автотракторные газогенераторы, 1937) описывает химические основы газогенераторного процесса (стр.44-62) и основные конструктивные решения (фиг.21 стр.82). По аналогу, газогенератор обращенного типа, содержащий корпус в виде вертикального металлического цилиндра, внутри которого установлена камера газификации, состоящая из последовательно расположенных друг под другом, камеры пиролиза в виде усеченного конуса, суженного книзу, камеры окисления в виде цилиндра с радиальными воздушными каналами, камеры восстановления выполненной в виде усеченного конуса суженного книзу, сопряженного с усеченным конусом расширяющимся книзу.
Газ, выходя из зоны восстановления по кольцевому каналу вокруг камеры газификации, поступает вверх, постепенно отдавая тепло топливу.
2
В процессе горения древесного топлива образуется двуокись углерода СО с выделением тепла. За счет этого тепла протекают основные процессы образования синтез-газа, связанные с поглощением тепла. При образовании метана также выделяется незначительное количество тепла.
2
2
С+О=СО+Q (выделение тепла)
В дальнейшем протекают четыре процесса, взаимодействующие между собой.
2
Первый. Двуокись углерода проходя через слой угля в зоне восстановления дополнительно превращается в окись углерода. Данная реакция является обратимой. При температуре в 900°С и более (оптимально 1500°С) в основном будет образовываться СО и время реакции составит 1-2 секунды. При температуре ниже 900°С и до 400°С преимущественно будет вырабатываться СО. Время реакции составит десятки секунд.
2
С+СО=2СО-Q (поглощение тепла)
Процесс образования окиси углерода СО иногда называют получением “воздушного” газа.
Чем выше температура в камере окисления и восстановления, от 900°С до 1500°С, тем быстрее и качественнее будет образовываться окись углерода. Приветствуются любые меры повышения температуры в камере окисления и восстановления. Затем полученный газ требуется охладить. Медленное охлаждение от 900°С до 400°С приведет к обратному течению реакции, т.е. процесс будет деградацией синтез-газа, с понижением его теплотворной способности. Для противодействия обратному процессу, автор аналога считает необходимым наличие зоны интенсивного охлаждения газа с 900°С до 400°С, с образованием так называемой зоны закалки газа. Т.е. время охлаждения должно быть минимальным.
2
Второй процесс, проходящий в восстановительной зоне камеры газогенератора - взаимодействие паров воды с углеродом топлива, с образованием окиси углерода СО и водорода Н. Процесс обратимый. Характер протекания процесса в зависимости от температур и времени реакции идентичен вышеописанному процессу при образовании “воздушного” газа. Процесс взаимодействия паров воды и углерода иногда называют образованием “водяного” газа.
2
2
С+НО=СО+Н-Q (поглощение тепла)
2
4
Третий процесс. При переходных процессах, особенно при временном охлаждении, происходит реакция С и Н с образованием метана СН. Доля метана в теплотворном балансе синтез-газа незначительна.
2
4
С+2Н=СН+Q (выделение тепла)
Четвертый процесс. Образовавшаяся в процессе сухой перегонки (пиролиза) древесного топлива газовая смесь, так называемый “швельгаз”, проходит через зону горения и восстановления. При этом швельгаз частично сгорает, частично разлагается (крекинг) на составляющие. Образовавшиеся компоненты претерпевают преобразования, описанные в первом-третьем процессе.
Примерный состав синтез-газа по автору аналога составляет
2
4
2
2
CO-19.5%, H-16.3%, CH-2.5%, CO-9.8%, O-1.7%,
2
N-50.2%
Автор аналога подчеркивает необходимость наличие гарантированно высоких температур в камере газификации, вплоть до 1500°С, которые интенсифицируют течение реакций в прямом направлении, и значение зоны быстрого охлаждения синтез-газа от 900°С до 400°С, препятствующей обратному течению реакций.
Преимуществом данного газогенератора является простота и доведенность конструкции в процессе многолетнего использования.
К недостаткам, описанного технического решения, относится низкая температура в камере газификации. По оценке автора аналога потери тепла на конвекцию и испускание лучистой энергии составляют 8-15% теплотворной способности топлива.
В аналоге также отсутствует зона интенсивного охлаждения синтез-газа, после камеры газификации. Другими словами, окись углерода плавно охлаждаясь до температуры в 400°С, будет частично превращаться в двуокись, снижая тем самым теплотворную способность синтез-газа.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемой полезной модели является газогенератор с водяным котлом, предназначенный для производства энергоносителей в виде горячей воды, пара и горючего генераторного газа, защищенный патентом RU 2303203 C1, кл. F24H 1/36, C10J 3/86, опубл. 20.07.2007 г., принятый за ближайший аналог (прототип).
Газогенератор по прототипу содержит корпус в виде вертикального металлического цилиндра с наружной водяной рубашкой, внутри которого установлена камера газификации, состоящая из последовательно расположенных друг под другом, камеры пиролиза в виде усеченного конуса, суженного книзу, камеры окисления в виде цилиндра с радиальными воздушными каналами, камеры восстановления в виде усеченного конуса суженного книзу, сопряженного с усеченным конусом расширяющимся книзу, поворотной колосниковой решетки.
Дополнительно в прототипе имеется камера парогенерации с фурмой подачи пара в зону восстановления. Последнее устройство используется только при газификации топлива с относительно малым количеством газов сухой перегонки, например древесный и каменный уголь, антрацит, торф и т.д. В натуральном древесном топливе имеется гигроскопическая влага и так называемая химическая влага, выделяемая из топлива в процессе пиролиза. Количество влаги в древесном топливе является избыточным для оптимального протекания газогенераторного процесса и поэтому, чем меньше влажность топлива (количество гигроскопической влаги), тем выше качество синтез-газа. Соответственно, при работе на древесном топливе, дополнительная вода не подается.
Преимуществом данного газогенератора является наличие поворотной колосниковой решетки, контролирующей движение золы и водяной рубашки, вокруг камеры газификации, позволяющей потенциально быстро охладить синтез-газ.
К недостатку устройства по прототипу, относится то, что поворотная металлическая колосниковая решетка предназначена только для контроля и направления движения золы и не играет существенной роли в экранировании зоны восстановления снизу. В решетке имеются отверстия, которые не могут выполнять экранирующую функцию. Другими словами, температура в зоне восстановления могла быть выше, если бы колосниковая решетка отражала больше лучистой энергии вверх. Другим недостатком прототипа является буферное пространство, со значительным объемом, через которое проходит газ, выйдя из зоны восстановления и до попадания в теплообменник с водяной рубашкой. В этом буферном объеме движение газа замедляется, температура газа постепенно снижается, и начинают протекать обратные реакции, приводящие к деградации синтез-газа.
В задачу предлагаемой полезной модели положено усовершенствование конструкции газогенератора.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении теплотворной способности синтез-газа.
Поставленная задача достигается тем, что в газогенераторе, содержащем корпус в виде вертикального металлического цилиндра с водяной рубашкой, внутри которого выполнена камера газификации, включающая камеру пиролиза, выполненную в виде усеченного конуса суженного книзу, камеру окисления, выполненную в виде цилиндра с радиальными воздушными каналами, камеру восстановления, выполненную в виде усеченного конуса суженного книзу, сопряженного с усеченным конусом расширяющимся книзу, последовательно расположенных друг под другом,под камерой восстановления установлен горизонтальный керамический теплоизолированный диск, а под ним установлен вертикальный теплоизолированный керамический цилиндр, причем керамический цилиндр вместе с корпусом и с водяной рубашкой образует камеру интенсивного охлаждения синтез-газа; на горизонтальном керамическом теплоизолированном диске выполнен выступ в виде пирамиды, расширяющейся книзу; вертикальный керамический цилиндр снабжен лопатками.
На фиг. 1 приведен чертеж вертикального разреза газогенератора.
На фиг. 2 приведен чертеж горизонтального разреза газогенератора.
На фиг. 3 приведен чертеж вертикального разреза камеры газификации, с керамическим диском, имеющем выступ в виде пирамиды.
Конструктивно газогенератор на фиг. 1-3 содержит:
1 - корпус;
2 - водяную рубашку;
3 - камеру пиролиза;
4 - камеру окисления;
5 - камеру восстановления;
6 - горизонтальный керамический теплоизолированный диск;
7 - вертикальный керамический теплоизолированный цилиндр;
8 - трубы системы охлаждения синтез-газа;
9 - трубу системы очистки синтез-газа;
10- выступ в виде пирамиды, горизонтального керамического диска;
11 - зачистные лопатки, вертикального керамического цилиндра.
Корпус 1 выполнен в виде вертикального металлического цилиндра с водяной рубашкой 2.
Внутри корпуса 1 выполнена камера газификации.
Камера газификации включает последовательно расположенные друг под другом: камеру пиролиза 3, камеру окисления 4, камеру восстановления 5.
Камера пиролиза 3 выполнена в виде усеченного конуса, суженного книзу.
Камера окисления 4 выполнена в виде цилиндра с радиальными воздушными каналами.
Камера восстановления 5 выполнена в виде усеченного конуса, суженного книзу, сопряженного с усеченным конусом, расширяющимся книзу.
Под камерой восстановления 5 установлен горизонтальный керамический теплоизолированный диск 6. Под диском 6 установлен вертикальный теплоизолированный керамический цилиндр 7, образующий вместе с корпусом 1 и водяной рубашкой 2 зону закалки синтез-газа.
Горизонтальный керамический теплоизолированный диск 6 и вертикальный теплоизолированный керамический цилиндр 7 выполнены с возможностью вращения вокруг вертикальной оси корпуса 1.
В водяной рубашке 2 установлены вертикальные трубы системы охлаждения 8 и вертикальный цилиндр системы очистки синтез-газа 9.
В центре керамического теплоизолированного диска 6 может быть выполнен выступ в виде пирамиды 10.
На боковой поверхности вертикального керамического цилиндра 7 могут быть закреплены лопатки 11, зачищающие внутреннюю поверхность корпуса 1.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
Древесное топливо в виде пеллет или сухой щепы подается в камеру газификации, выполненную внутри корпуса 1. В камере пиролиза 3 под действием тепла, исходящего снизу из камеры окисления 4, топливо сначала сушится, затем начинает возгоняться, т.е. выделять пары воды, летучие горючие газы, смолы в парообразном состоянии. Образовавшийся уголь опускается в камеру окисления 4, где частично сгорает, выделяя тепло. Продукты пиролиза, проходя через камеру окисления 4, выгорают и разлагаются (крекинг) смолы. Оставшийся древесный уголь опускается ниже в камеру восстановления 5, где реагирует с двуокисью углерода с образованием окиси углерода. Параллельно в камере восстановления 5 происходит реакция угля с парами воды с образованием водорода. Окись углерода и водород - важнейшие компоненты синтез-газа, на них приходится подавляющая часть теплотворной способности синтез-газа. Температура в камере окисления 4 поднимается до 1300°С, затем опускается до 1200°С в середине камеры восстановления 5 и на выходе из нее опускается до 900°С. Химические процессы, протекающие в камере восстановления 5, идут с поглощением тепла.
2
С+СО=2СО-Q (поглощение тепла)
2
2
С+НО=СО+Н-Q (поглощение тепла)
Горизонтальный керамический теплоизолированный диск 6, установленный под камерой восстановления 5, экранирует (отражает) тепло, поступающее из камеры восстановления 5, тем самым повышает температуру в камере восстановления 5 и интенсифицирует реакции в прямом направлении. Чем выше температура в камере восстановления, начиная от 900°С и выше, тем быстрее и качественнее идут прямые реакции образования синтез-газа.
При понижении температуры синтез-газа от 900°С до 400°С прямые реакции с образованием окиси углерода и водорода заменяются на обратные. Теплотворная способность синтез-газа падает. Для предотвращения этого процесса, процесс охлаждения синтез-газа с 900°С до 400°С ускоряют в зоне закалки синтез-газа путем прохождения синтез-газа в зазоре между охлаждаемыми водяной рубашкой 2 стенками корпуса 1 и керамическим цилиндром 7.
При температурах ниже 400°С реакция практически останавливается, состав синтез-газа стабилизируется. Газ поступает в трубы 8 системы охлаждения, находящиеся в водяной рубашке 2, где температура падает до 80°С. Затем газ поступает в цилиндр 9 системы очистки, находящийся в водяной рубашке 2, где температура падает до 60°С и в таком виде поступает стороннему пользователю, например для использования в газопоршневом двигателе.
При наличии выступа 10 в центре диска 6, движение угля и золы в камере восстановления 5 упорядочивается, исключается зависание, время нахождения в камере восстановления становится одинаковым для всех частиц. Регулируя скорость вращения диска 6 можно изменять время прохода газов и золы через камеру восстановления 5.
Наличие лопаток 11, закрепленных на керамическом диске 7, позволяет при вращении последнего зачищать стенки корпуса 1, тем самым интенсифицируя процесс охлаждения синтез-газа.
Таким образом, предлагаемая конструкция газогенератора обеспечивает:
во-первых, дополнительное экранирование снизу камеры газификации, что приводит к увеличению температуры в камере окисления и восстановления;
во-вторых, при непосредственном переходе синтез-газа из камеры восстановления в зону интенсивного охлаждения синтез-газа, происходит быстрое и эффективное охлаждение (закалка) синтез-газа, тем самым обеспечивается минимальная деградация синтез-газа.
Все вышеперечисленное приводит к повышению теплотворной способности синтез-газа.