Яндекс.Метрика



Все об электростанциях


 


Газогенераторные установки для газификации твердых топлив


Типы процессов газификации топлива в газогенераторах


Процесс газификации топлива осуществляется в газогенераторах:

  • прямого процесса газификации (рис.1, 2,а);
  • обращенного процесса (рис.2,б);
  • двухзонного типа (рис.2,в)

Прямой процесс газификации

Прямой процесс газификации характеризуется встречным движением топлива (сверху вниз) и воздуха, а также газов (снизу вверх). Дутьевой воздух, проходя через шлаковую подушку, расположенную в зоне золы (на колосниках) несколько подогревается, а затем проходит слой горящего топлива (зона горения, расположенная над шлаковой подушкой), где кислород вступает в реакцию с углеродом топлива, образуя оксиды углерода (СО и СО2). Продукты горения топлива, характеризующиеся высоким содержанием углекислого газа, малой концентрацией СО и наличием некоторого количества свободного кислорода, проходят через слой раскаленного топлива, имеющего высокую температуру (зона восстановления t = 300…1100°С). В этой зоне при нехватке кислорода происходит восстановление углекислоты углеродом и разложение водяного пара. В прямом процессе газификации зона восстановления расположена непосредственно над зоной горения.

В то время, как в зоне горения происходят экзотермические реакции и имеют место наивысшие температуры, зона восстановления потребляет тепло, вносимое в нее из зоны горения. Зоны горения и восстановления составляют зону газификации. В газогенераторе прямого процесса над зоной восстановления располагается зона сухой перегонки, а над ней – зона подсушки топлива. Процессы сухой перегонки и сушки топлива производятся за счет физического тепла горячих газов, поднимающихся из зоны восстановления. Зоны сухой перегонки и подсушки вместе носят название зоны подготовки топлива.

В зоне сухой перегонки загруженное в газогенератор топливо превращается вначале в полукокс, а затем в кокс, а поднимающиеся снизу газы смешиваются с продуктами сухой перегонки.

В зоне подсушки газы смешиваются и с водяными парами.

В газогенераторе в действительности нет четкого разграничения отдельных зон: процессы, свойственные отдельным зонам, в большей или меньшей степени накладываются один на другой.

Таким образом, процесс в газогенераторе в целом является комбинацией двух самостоятельных процессов – сухой перегонки и собственно газификации. При прямом процессе газификации из некоторых сортов топлива получается газ с большим содержанием смолы. Это делает газ неприемлемым для применения в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания без их специальной очистки.

При газификации этим способом древесины и торфа в продуктах сухой перегонки содержится также уксусная кислота и другие нежелательные примеси (фенолы и др.). Очистка газа от смол принципиально возможна с применением дезинтеграторов, электрофильтров. Это, безусловно, усложняет и удорожает весь технологический процесс.

В связи с изложенным прямой процесс газификации используется при применении топлив с небольшим выходом летучих (антрацит, кокс).


Схема газогенератора прямого процесса

Рис.1. Схема газогенератора прямого процесса:
1 – кожух шахты; 2 – футеровка шахты;
3 – загрузочное устройство; 4 – колосники;
5 – подвод дутья; 6 – отвод газа;
7 – удаление золы и шлака



Схемы процесса газификации

Рис.2. Схемы процесса газификации:
а – газогенератор прямого процесса;
б – газогенератор обращенного процесса;
в – двухзонный газогенератор;
1 – зона подсушки; 2 – зона сухой перегонки;
3 – зона восстановления; 4 – зона горения;
5 – зона золы; 6 – газ; 7 – воздух; 8 – выгреб золы;
9 – колосниковая решетка; 10 – загрузка топлива


Схема газогенератора горизонтального процесса

Рис.3. Схема газогенератора горизонтального процесса


Обращенный процесс газификации

Чтобы избежать сложный процесс очистки газов от смол, пыли и др., для газификации топлив с большим выходом летучих применяются газогенераторы обращенного процесса газификации (рис.2,б).

В этих газогенераторах направление движения газа совпадает с направлением движения топлива.

Газ отбирается из-под колосниковой решетки, воздух поступает через фурмы в зону горения, которая в этом случае располагается выше зоны восстановления. Для возможности бесперебойного отбора газа зола из газогенераторов обращенного процесса удаляется через гидравлический затвор. В этом газогенераторе продукт сухой перегонки под действием тяги проходит через зону горения, в которой большая часть их сгорает. Остальная часть, достигая зоны восстановления, взаимодействует с раскаленным коксом, заполняющим эту зону, и разлагается, в результате чего получаются главным образом окись углерода (СО), водород (Н2) и небольшое количество углеводородов (CmHn).

Из современных газогенераторов малой производительности, работающих по обращенному процессу газификации, заслуживает внимания газогенератор системы «Лес». Он разработан, изготавливается и поставляется заказчику научно-производственным малым предприятием «Технолес» при Ленинградской лесотехнической Академии имени С.М. Кирова.

Конструкция газогенераторов системы «Лес» перерабатывает в газообразное топливо различные древесные отходы с влажностью до 60% и размером частиц от 10 до 200 мм. Единичная и тепловая мощность (по сжиганию газа) газогенераторов в транспортабельном исполнении: 1,3 и 5 МВт. Удельная производительность по газу 1,2…2,0 м3газа/кг топлива (в зависимости от влажности исходного топлива). Коэффициент полезного действия 70…85%. Диапазон регулирования мощности от 30% до 120% от номинала. Качество получаемого газа характеризуется практически свободным от активных примесей пиролизных смол и паров кислот, что позволяет передавать генераторный газ по трубопроводам на значительные расстояния.

Генераторный газ из кусковой растительной биомассы может быть использован без сложной дополнительной системы очистки:

  • для сжигания в топках паровых и водогрейных котлов;
  • стационарных двигателей внутреннего сгорания;
  • газовых турбин;
  • для технологических и бытовых нужд.

Некоторые характеристики газогенераторов системы «Лес» приведены в табл.1.

Таблица 1

Габаритные размеры и масса газогенераторов различной мощности

Габаритные размеры и масса газогенераторов различной мощности


Примечание. Температура горения генераторного газа в воздухе около 1500°С, что практически исключает образование вредных «термических» оксидов азота. Оксиды серы в продуктах сгорания генераторного газа отсутствуют. Теплонапряженность топочного объема при сжигании генераторного и природного газов близки, что позволяет использовать генераторный газ в существующих теплоэнергетических установках, предназначенных для сжигания природного газа, изменяя только конструкцию горелочных устройств.


Двухзонные газогенераторы

Для газификации битуминозного топлива, кроме газогенераторов обращенного процесса, применяются двухзонные газогенераторы, т.е. газогенераторы с двумя зонами горения (рис.2,в).

В этих газогенераторах воздух подводится (через фурмы или центральную трубу) как в верхнюю зону горения, так и под колосниковую решетку в нижнюю зону горения. Между обеими зонами горения находится зона восстановления, из которой производится отбор газов. В нижней части газогенератора топливо газифицируется по прямому процессу, а в верхней – по обращенному.

Наличие нижней зоны горения дает возможность поддерживать более высокую температуру зоны восстановления по сравнению с газогенераторами обращенного процесса, благодаря чему разложение продуктов сухой перегонки топлива (крекинг-смол и др.) происходит более совершенно.

Топливом в зоне прямого процесса служит достаточно обугленная, лишенная смолистых соединений часть топлива, опустившаяся из зоны обращенного процесса. Интенсивность газификации в этой зоне (150…200 кг/м2ч) значительно ниже, чем в верхней (400…600 кг/м2ч).

Распределение воздуха между зонами:

  • зона обращенного процесса – 65…75%
  • зона прямого процесса – 25…35%.

Температура газа при выходе из двухзонного газогенератора выше (до 700°С), чем в газогенераторах обращенного процесса (400…500°С).

Такие газогенераторы целесообразно применять для многозольных топлив, для которых характерны большие потери горючего со шлаком. Двухзонные газогенераторы обеспечивают для этих топлив лучшее выжигание газа.


Газогенераторы горизонтального процесса газификации

Для передвижных газогенераторных установок небольшой мощности применяются газогенераторы горизонтального процесса (рис.3) газификации.

Эти газогенераторы компактны, отличаются большой маневренностью и быстрым розжигом. Зоны горения и восстановления в них расположены на небольшом пространстве между входным отверстием для воздуха и газоотборной решеткой.

Недостатком этих газогенераторов – высокие требования к качеству исходного топлива:

  • зольность топлива не должна превышать 5%;
  • в топливе не должны содержаться смолы.

Для всех рассмотренных типов газогенераторов размеры отдельных зон по высоте шахты определяются временем, в течение которого топливо должно находиться в данной зоне.

Высота зоны подсушки должна быть тем большей, чем крупнее куски топлива и выше его влажность. При недостаточной высоте зоны недосушенное топливо нарушает процесс в зоне сухой перегонки; процесс сухой перегонки смещается в зону газификации, температура в последней снижается и качество газа ухудшается. Практически высота зоны подсушки колеблется от 100 (антрацит, газовый уголь) до 3000 мм (влажный кусковой торф).

Высота зоны сухой перегонки зависит от содержания в топливе летучих и фракционного состава топлива (максимального размера кусков). Для антрацита и газового угля она составляет около 300 мм и для кускового влажного торфа – до 2000 мм.

Высота зоны газификации зависит от реакционной способности топлива и максимального размера его фракций. Она колеблется от 200 до 2000 мм.

Шлаковая подушка (зона золы) обычно имеет толщину около 100 мм.

В целом способы термической газификации достаточно многообразны. Они предусматривают:

  • слоевую газификацию по прямому и обращенному процессам (подробно рассмотренных выше);
  • газификацию в стационарном и циркулирующем кипящем слое;
  • атмосферную газификацию и газификацию под давлением;
  • газификацию при воздушном, паровоздушном или кислородном дутье;
  • газификацию при непрямом нагреве (аллотермическую газификацию).

Например, в институте имени Бэттелла (США) разработан и опробован газогенератор непрямого нагрева с тепловой мощностью 10 МВт, где получается генераторный газ средней теплоты сгорания с использованием теплоносителя, циркулирующего между газогенератором и камерой сгорания энергетической установки. Сделано это для препятствия образования в технологическом цикле конденсирующихся смол.

Используются также и другие способы газификации. (Они менее проверены в практической деятельности и здесь нами не рассматриваются.)


Далее следуют статьи по данной теме: