ГАЗОГЕНЕРАТОР
GAS GENERATOR

Изобретение относится к области энергетики, а именно к двигателям, работающим на газообразном топливе, генерируемом при сжигании твердых бытовых отходов - ТБО.
Отходы производства и потребления являются одними из самых масштабных источников загрязнения окружающей среды. Ежегодный прирост количества твердых бытовых отходов (ТБО) в нашей стране составляет более 30 млн. тонн. Это мощный возобновляемый топливный ресурс, который может дать огромную экономию ископаемого топлива и обеспечить теплом и электроэнергией жилые районы и промышленные предприятия. В связи с этим создание новых предприятий по обезвреживанию и утилизации отходов входит в число неотложных государственных задач.
Как известно, углеводородное топливо постоянно дорожает. Кроме того, его природные ресурсы исчерпаемы и могут закончиться через 40…50 лет.
Кроме того, в соответствии с Техническим регламентом №609 «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» экологический класс Евро-5 вводится с 1 января 2014 года. С этого времени, все автомобили, попадающие на территорию России должны соответствовать данному экологическому стандарту. Это касается как транспортных средств, производимых на отечественных заводах, так и всего транспорта, ввозимого на территорию страны из-за границы: и нового, и подержанного; и для личных целей, и для коммерческого использования.
В настоящее время в России эксплуатируется 5 мусоросжигательных заводов, объем обезвреживания и утилизации ТБО на которых ничтожно мал и не превышает 3% от общего количества отходов (для сравнения: только в Германии таких заводов более 50-ти). В связи с этим чрезвычайно актуальным является строительство мусоросжигательных заводов с применением современных технологий, предусматривающих сочетание максимально полного использования энергетического потенциала ТБО с экологической безопасностью процесса.
Процесс сжигания ТБО сопровождается образованием ряда токсичных соединений: оксидов азота (NOx), оксидов серы (SOx), оксида углерода(II) (СО), диоксинов и фуранов и некоторых других загрязнителей. При этом, как и в случае сжигания традиционных видов органического топлива, основной вклад в показатель суммарной токсичности продуктов сгорания вносят оксиды азота.
Поскольку состав дымовых газов мусоросжигательных установок характеризуется многообразием содержащихся в них токсичных компонентов, они могут быть обезврежены только при воздействии на них комплекса технологических мероприятий, а также химических и физикохимических методов очистки. Поэтому возникает необходимость в оборудовании мусоросжигательных установок многоступенчатыми системами газоочистки, обеспечивающими снижение содержания различных загрязнителей в дымовых газах до требуемых норм. Причем, каждая из используемых технологий очистки, как правило, направлена на уменьшение выбросов одного из нескольких видов образующихся токсичных компонентов.
Особенностью процесса термического обезвреживания ТБО является переменный состав топлива, в результате чего происходит непрерывное изменение параметров горения. Это, в свою очередь, становится причиной значительных колебаний концентраций токсичных компонентов в дымовых газах и, как следствие, недостаточно надежной работы системы очистки в целом.
Постоянное ужесточение требований, предъявляемых к газовым выбросам теплоэнергетических агрегатов, к которым относятся и мусоросжигательные установки, создают предпосылки для создания новых технологий очистки.
Необходимость разработки и применения технологий, обеспечивающих высокую эффективность и стабильные показатели очистки дымовых газов, образующихся при термическом обезвреживании ТБО переменного состава, определили направление исследований, результаты которых приведены в данном изобретении.
Основная задача создания изобретения: разработка полностью автоматизированного устройства для сжигания мусора и комплексной очистки дымовых газов, образующихся при сжигании газогенераторного газа в двигателе внутреннего сгорания. Исключение выброса полученного при сжигании твердых бытовых отходов газогенераторного газа в атмосферу при аварийных и нерасчетных режимах.
Наиболее затруднительна очистка от оксидов азота. Очистка от твердых частиц относительно просто решается в циклонах и других промышленных очистителях.
Наиболее радикальное средство снижение образования окислов азота как при горении ТБО в газогенераторе, так и при горении в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания это его дожигание в каталитическом дожигателе. Это позволит снизить выброс окислов азота NOx в несколько раз.
Известен «Газогенератор» по патенту RU №2303050 от 29.06.2006, опубл. 20.07.2007, МПК C10J 3/20, F23B 99/00, который содержит камеру горения с зоной сушки и пирогенетического разложения, с зонами сгорания смол, регенерации и очистки генераторного газа, газоходы водяного котла, камеру парогенерации, камеру подогрева и подачи воздуха, при этом газогенератор дополнительно снабжен сепаратором-дымососом, охладителем-стабилизатором газа и камерой подогрева генераторного газа, которые присоединены последовательно между зоной отбора генераторного газа и камерой горения, камера парогенерации соединена с выходом зоны очистки генераторного газа, с входом зоны регенерации и через камеру подогрева атмосферного воздуха с камерой горения.
Но данное устройство не обеспечивает получение газа теплотворной способностью выше 1560 ккал.
Известно техническое решение реактора газификации по патенту RU №2360949 «Способ получения синтез-газа и реактор газификации для его осуществления» от 04.08.2008, опубл. 10.07.2009, МПК C10J 3/32, C10J 3/40, C10J 3/68.
Реактор газификации, содержащий котел с двумя концентрично расположенными один в другом внутренним и внешним кожухами, выполненными в виде кольцевых теплообменных рубашек, с газоходом между ними, с лопастным ворошителем сырья и усеченным конусом, зоны первичной газификации и регенерации газов, горелку, колосниковой решеткой фурмы для подачи пара в зону регенерации, крышкой и установленным на ней реверсивным приводом и связанной с ним отсасывающей трубой с трубным разравнивателем, с закрепленным под ним лопастным ворошителем сырья и с установленными на свободном конце трубы фурмами для подачи паров воды из зоны скопления пара в зону первичной газификации сырья.
Но данное устройство обеспечивает двухстадийное получение газа теплотворной способностью не выше 1560 ккал, поскольку снижению калорийности газа способствует и горение излишне вырабатываемого синтез-газа в зоне горения первичной газификации, ввиду того, что в составе синтез-газа уже присутствует большое количество азота, а его горение в этой зоне обуславливает увеличение количества азота, сначала в первичной зоне газификации, а затем и в получаемом синтез-газе. К тому же, горение синтез-газа в первичной зоне поддерживает температуру горения 1500°С для того, чтобы в зоне регенерации поднять до максимально возможной температуры синтеза, в то же время, эта температура способствует началу образования NOx в синтезируемом газе, а при применении полученного газа в газопоршневых электростанциях либо в горелках отопительных систем, где температура горения превышает 1500°С, вырабатывается дополнительное NOx, что приводит к загрязнению окружающей среды.
Известны способы получения генераторного газа для питания ДВС по патенту Франции №2455077, МПК C10j 3/20, опубл. 25/04/1979 г., заключающиеся в подводе теплоты, воздуха и водяного пара в загруженную углеродсодержащим топливом реакционную камеру, где в результате взаимодействия компонентов образуется генераторный газ. Полученный газ очищают от смол и негорючих примесей и подают в систему питания ДВС.
В указанном источнике указаны установки для реализации этого способа, которые содержат реакционную камеру, заполненную углеродсодержащим топливом и снабженную на входе устройствами для подвода теплоты, воздуха и водяного пара, а на выходе газоочистным устройством, связанным с системой питания ДВС.
Известны способ получения генераторного газа для питания ДВС и установка для его осуществления по А св. СССР №1325173, МПК F02D 43/08, опубл. 23.07.1983 г.
Способ заключается в подводе теплоты, воздуха, водяного пара и части выпускных газов двигателя к загруженной углеродсодержащим топливом реакционной камере и отводе из реакционной камеры в двигатель предварительно очищенного от примесей генераторного газа. В процессе взаимодействия компонента в реакционной камере создают разрежение, а подачу генераторного газа в двигатель производят через промежуточную емкость.
Газогенераторная установка содержит двигатель, линия газовыпуска которого соединена через калиброванные отверстия с входом загруженной углеродсодержащим топливом реакционной камеры, снабженной нагревательным устройством и испарителем воды, а линия питания подключена к выходу реакционной камеры. На линии питания двигателя последовательно по ходу генераторного газа установлены очиститель-охладитель, вакуумный насос и промежуточная емкость с расходным краном.
В этих способе и устройстве, не предусмотрена полная утилизация отходящих газов двигателя: лишь незначительная их часть используется в процессе газификации топлива, остальная выбрасывается в атмосферу. Отсутствие полной утилизации отходящих газов приводит к снижению эффективности способа получения генераторного газа и устройства для его получения.
Известна газогенераторная установка с двигателем внутреннего сгорания по патенту РФ на изобретение №2099553, МПК F02B 43/08, опубл. 20.12.1997 г., прототип.
Эта установка содержит газогенератор, в котором линия газовыпуска подключена через фильтр и теплообменник газогенераторного газа с контуром охладителя, выход из теплообменника подсоединен к входу в систему подачи топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания, коленчатый вал которого соединен с электрогенератором,
Недостатки относительно низкий КПД двигателя внутреннего сгорания из-за низкой калорийности генераторного газа, отсутствие автоматизации и эмиссия вредных веществ в атмосферу.
Задача создания изобретения повышение степени очистки газогенераторного газа.
Достигнутый технический результат: повышение степени очистки газогенераторного газа.
Решение указанных задач достигнуто в газогенераторе, содержащем корпуса, загрузочное устройство, основную полость, в которой установлен реактор, зольный отсек под реактором с колосниковой решеткой и устройство выгрузки, систему подвода воздуха в газогенератор, газовод, систему очистки газогенераторного газа, выход из которой подключен к потребителю газогенераторного газа тем, что выход из системы очистки подключен к потребителю газогенераторного газа через теплообменник, а система очистки газогенераторного газа содержит систему предварительной газоочистки, выполненную в виде циклона внутри газогенератора, при этом газогенератор выполнен из трех корпусов: внешнего, среднего и внутреннего с кольцевыми зазорами между ними, при этом внешний кольцевой зазор заполнен теплоизоляционным материалом, во внутреннем кольцевом зазоре выполнен циклон предварительной газоочистки, который содержит входной кольцевой канал в нижней части и выходной коллектор с выходными отверстиями - в верхней части, сообщающими внутренний кольцевой зазор с полостью выходного коллектора, которая газоводом соединена с газоводом, а на колосниковой решетке выполнены ребра, которые установленные под углом к радиальному направлению,
Нижний торец внутренней цилиндрической стенки может быть расположен на расстоянии h от верхнего торца колосниковой решетки на расстоянии, определяемом из соотношения:
0
h=(0,01...0,03)Н,
где h - осевой зазор,
0
Н - внутренняя высота среднего корпуса.
Газогенератор может быть оборудован блоком управления, к которому линией контроля присоединен контроллер датчиков, и датчиками:
- газоанализатор, установленный на выходе из каталитического дожигателя,
- датчик температуры газогенераторного газа, установленный на выходе из теплообменника,
при этом выходы из датчиков линиями контроля соединены с входами в контроллер датчиков.
Колосниковая решетка при помощи тяги может быть соединена с вибратором.
Колосниковая решетка выполнена кольцевой формы с боковой стенкой в форме усеченного конуса.
К газоводу может быть присоединен трубой сброса через управляемый клапан аварийный дожигатель.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…7, где:
на фиг. 1 приведена основная схема энергоустановки,
на фиг. 2 приведена схема энергоустановки с двумя газогенераторами и одним теплообменником,
на фиг. 3 приведена схема энергоустановки с двумя газогенераторами и двумя теплообменниками,
на фиг. 4 приведена схема управления энергоустановки,
на фиг. 5 приведена схема циклона встроенного в газогенератор,
на фиг. 6 приведен чертеж колосниковой решетки с вибратором,
на фиг. 7 приведен ид А на фиг. 6
Обозначения, принятые в описании:
1. наружный цилиндрический корпуса 1,
2. средний цилиндрический корпус 2,
3. внутренний цилиндрический корпус 3,
4. внешний кольцевой зазор 4.
5. внутренний кольцевой зазор 5,
6. теплоизоляция 6,
7. главная полость 7,
8. исходное сырье 8,
9. реактор 9,
10. сужающаяся часть 10,
11. цилиндрическая часть 11,
12. расширяющаяся часть 12,
13. кольцевой коллектор 13,
14. внутренняя полость 14,
15. отверстия 15,
16. внутренняя полость 16,
17. патрубок подвода воздуха 17
18. Верхний торец 18
19. Входное отверстие 19,
20. механизм загрузки 19
21. первый привод 20,
22. коллектор 22,
23. внутренняя полость 23,
24. втулка 24,
25. газовод 25,
26. первый нижний торец 25,
27. центральное отверстие 26,
28. второй нижний торец 27,
29. колосниковая решетка 28,
30. отверстия 29,
31. зола 30,
32. зольный отсек 31,
33. корпус 32,
34. полость 33,
35. устройство выгрузки золы 34,
36. приемный бункер 35,
37. механизм выгрузки 36,
38. второй привод 37,
39. шток 38,
40. вибратр 39,
41. боковая стенка 40,
42. твердые частицы 41,
43. верхний торец 42,
44. циклон 44.
45. внутренняя поверхность 45,
46. ребра 46,
47. труба сброса 47,
48. управляемый клапан 48,
49. аварийный каталитический дожигатель 49,
50. теплообменник 50,
51. фильтр тонкой очистки 51,
52. вентиль 52,
53. потребитель газа 53.
54. трубопролвод подвода 54,
55. насос 55,
56. трубопровод отвода 56,
57. радиатор 57.
58. вентилятор 58,
59. третий привод 59,
60. линия управления 60,
61. блок управления 61,
62. линия контроля 62,
63. контроллер датчиков 63,
64. газоанализатор 64,
65. датчик температуры газогенераторного газа 65.
Газогенератор (фиг. 1) содержит три цилиндрических корпуса: наружный 1, средний 2 и внутренний 3. Цилиндрические корпуса 1…3, установленные концентрично друг другу с кольцевым зазорами внешним 4 и внутренним 5 между ними. Внешний кольцевой зазор заполнен теплоизоляцией 6.
Внутри внутреннего корпуса 3 образуется главная полость 7 для процесса горения и газификации исходного сырья 8. В главной полости 7 установлен реактор 9, в котором в начинаются процессы горения и газификации исходного сырья 8.
Реактор 9 выполнен в форме сопла Лаваля и состоит из сужающейся (сверху вниз) части 10, цилиндрической части 11 и расширяющейся части 12. Концентрично цилиндрической части 11 реактора 9 выполнен кольцевой коллектор 13, внутренняя полость 14 которого отверстиями 15 сообщается с внутренней полостью 16 реактора 9.
К кольцевому коллектору 13 присоединен патрубок подвода воздуха 17.
На верхнем торце 18 газогенератора выполнено входное отверстие 10 для загрузки исходного сырья 8 в главную полость 7. Газогенератор содержит механизм загрузки 19 с первым приводом 20.
В верхней части наружного цилиндрического корпуса 1 на его внешней поверхности 21 выполнен коллектор 22, внутренняя полость 23 которого втулками 24 для выхода горячего генераторного газа сообщается с одной стороны - с внутренним кольцевым зазором 5 а с другой - соединен с газоводом 25.
Внутренний корпус 3 не имеет нижнего днища, а вместо него в первом нижнем торце 26 выполнено центральное отверстие 27, которое сообщает главную полость 7 и внутренний кольцевой зазор 5.
На втором нижнем торце 28 среднего корпуса 2 установлена колосниковая решетка 29, в которой выполнены отверстия 30 для выхода золы 31 в зольный отсек 32. Зольный отсек 32 выполнен под колосниковой решеткой 29 и содержит корпус 33 и полость 34.
Под зольным отсеком 31 выполнено устройство выгрузки золы 35 в приемный бункер 36 с механизмом выгрузки 37, имеющим второй привод 38.
Колосниковая решетка 29 при помощи штока 39 соединена с вибратром 40. Колосниковая решетка 29 имеет боковую стенку 41 в форме усеченного конуса для сбора твердых частиц 42 (фиг. 1, и 5). Зола 31 собирается в зольном отсеке 32.
Первый нижний торец 26 внутреннего цилиндрического корпуса 3 расположен на расстоянии Н от верхнего торца 43 среднего цилиндрического корпуса 2.
0
h=(0,01…0,03)Н,
где h - осевой зазор,
0
Н - внутренняя высота среднего корпуса 7.
Во внутреннем кольцевом зазоре 5 образован циклон 44.
На внутренней поверхности 45 боковой стенки 41 колосниковой решетки 29 установлены ребра 46, выполненные под углом (менее 90°) к радиальному направлению.
Средний и внутренний цилиндрические корпуса 2 и 3, внутренний кольцевой зазор 5 и ребра 46 выполняют функцию системы предварительной очистки газогенераторного газа в виде циклона 44, выполненного внутри газогенератора 1.
Выхлопы газогенератора могут навредить атмосфере. Однако известно из других отраслей техники наиболее эффективное средство нейтрализации вредных веществ: каталитический дожигатель выхлопных газов.
Каталитический дожигатель предназначен для преобразования вредных веществ в менее вредные до их выхода из выхлопной системы автомобиля. Каталитический дожигатель имеет очень простую конструкцию и огромное значение. Выбросы двигателя включают следующие вещества: Газообразный азот (N2) - воздух на 78% состоит из азота, и большая его часть проходит через двигатель.
Углекислый газ (CO2) - один из продуктов сгорания. Углерод, содержащийся в топливе, связывается с кислородом из воздуха.
Пары воды (H2O) - еще один продукт сгорания. Водород, содержащийся в топливе, связывается с кислородом из воздуха.
По большей части, эти выбросы не являются вредными, хотя считается, что углекислый газ способствует глобальному потеплению. В связи с тем, что процесс сгорания протекает в неидеальных условиях, двигатель также производит небольшое количество вредных выбросов. Каталитический дожигатель предназначен для их нейтрализации: Угарный газ (СО) - ядовитый газ без цвета и запаха. Углеводороды или летучие органические соединения (ЛОС) образуются из испарений несгоревшего топлива и приводят к возникновению смога. Оксиды азота (NO и NO2 или их общее обозначение NOx) приводят к образованию смога и кислотных дождей, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на слизистые оболочки.
Каталитический дожигатель имеет простую конструкцию: он содержит наполненные в корпусе керамику и катализатор: тонкий слой платины.
К газоводу 25 присоединена труба сброса 47, содержащая управляемый клапан 48 аварийный дожигатель 49.
К газоводу 25 присоединены последовательно теплообменник 50, фильтр тонкой очистки 51, вентиль 52 и потребитель газа 53.
К теплообменнику 50 трубопролводами подвода 54 с насосом 55 и трубопроводом отвода 56 присоединен радиатор 57. Против радиатора 57 установлен вентилятор 58 с третьим приводом 59.
К первому 21, второму 37, третьему 59 приводам и вибратору 40 присоединены линии управления 60.
На фиг. 2 приведена схема энергоустановки с двумя газогенераторами и одним теплообменником,
На фиг. 3 приведена схема энергоустановки с двумя газогенераторами и двумя теплообменниками,
На фиг. 4 приведена схема управления энергоустановки, которая содержит блок управления 61 к которому линией контроля 62 присоединен контроллер датчиков 63, к которому линиями контроля 62 присоединены все датчики:
- газоанализатор 64, установленный на выходе из аварийного каталитического дожигателя 49,
- датчик температуры газогенераторного газа 65 установленный на выходе из теплообменника 50.
На фиг. 5 приведена более детально конструкция циклона 44, для предварительной очистки газогенераторного газа.
На фиг. 6 приведена более детально конструкция колосниковой решетки 29 и механизма ее встряхивания в виде соединенного штоком 39 с колосниковой решеткой 29 вибратора 40. Колосниковая решетка 29 содержит боковую стенку 41, выполненную в виде усеченного конуса, на которой собираются твердые частицы 42.
На фиг. 7 приведен вид А, где видны ребра 46, установленные под острым углом  к радиальному направлению.
Устройство работает следующим образом (фиг. 1…7).
Загружают исходное сырье 8 (фиг. 1) через механизм загрузки 20 в главную полость 7. Воспламеняют исходное сырье 8 (система воспламенения на фиг. 1…7 не показана).
В газогенератор 1 через патрубок подвода воздуха 17 подают исходное сырье 8, оно сгорает при недостатке воздуха и образуется генераторный газ с температурой 1200…1300°С. Процесс синтеза газогенераторного газа идет при температуре от 1000 до 1300°С. Предпочтительно поддерживать температуру около 1300°С. При более низкой температуре газогенераторный газ не образуется в достаточном объеме.
Газогенераторный газ поступает во внутренний кольцевой зазор 5, предварительно на ребрах 46 колосниковой решетки 29 фиг. 1 и 4) закручивается и центробежные силы отбрасывают твердые частицы 42 на периферию и они по наклонной боковой стенке 41 колосниковой решетки 29 через отверстия 30 вместе с золой 31 сбрасываются в зольный отсек 32.
Полученный газогенераторный газ сжигают в потребителе газа 53
Контроль за работой всех систем установки осуществляют при помощи датчиков (фиг. 1 и 4):
газоанализатор 64.
датчик температуры газогенераторного газа 65,
Осуществляют контроль работы газогенератора и в зависимости от показаний этих датчиков при помощи блока управления 61, с которого подают сигналы на привода 21, 38, 59 и вибратор 40.
При применении схемы с двумя и потребителями газа 53 (на фиг.1..7 такой вариант не показан), один из потребитель газа 53 может быть отключен для профилактики.
В случае аварийной ситуации, например, при применении одного потребителя газа 57 или одновременном отказе потребителей газа газогенератор продолжает еще несколько часов работать и вырабатывать газогенераторный газ. Его нельзя сбрасывать в атмосферу, так как в нем содержится много окислов азота и N0x и других вредных веществ. Это может привести к ухудшению экологии окружающей среды.
Чтобы этого не произошло, открывают управляемый клапан 48 и газогенераторный газ сжигают в аварийном каталитическом дожигателе 49.
Контроль за экологическим состоянием газогенераторной энергоустановки, как упомянуто ранее, осуществляют постоянно при помощи газоанализатора 64 и при превышении концентрации одного из вредных веществ корректируют газогенератора или меняют аварийный каталитический дожигатель 49 (фиг. 1).
Применение изобретения позволило:
1. Обеспечить полную автоматизацию работы газогенератора на бытовых отходах любых ТБО за счет блока управления, контроллера датчиков и приводов.
2. Повысить КПД газогенератора за счет повышения температуры сгорания генераторного газа.
4. Уменьшить вредное воздействие на экологию окружающей среды за счет уменьшении выброса вредных веществ в атмосферу. Это достигнуто применением аварийного каталитического дожигателя.
5. Снизить входящую в ДВС температуру газогенераторного газа для обеспечения его работы применением теплообменника и радиатора.
6. Повысить надежность работы и снизить расходы на сервисное обслуживание ДВС за счет:
- снижения содержания смол и негорючих примесей в генераторном газе при его очистке в три стадии: предварительной очистки, тонкой очистки и химической очистки в дожигателях,
- возможности профилактического ремонта одного из нескольких потребителей газогенераторного газа,
- дожигания газогенераторного газа в аварийном каталитическом дожигателе.