XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В условиях возрастающего потребления энергоресурсов углеродосодержащие отходы можно рассматривать как дополнительный сырьевой источник энергии. Вовлечение отходов в хозяйственный оборот может обеспечить крупные регионы страны относительнодешевымиэнергетическимиресурсами.Решитьэтузадачуможнопутем внедрения в регионах России самоокупаемой промышленной газификации твердых отходов с получением горючего генераторного газа в газогенераторных установках. Важным условием самоокупаемости такой переработки отходов является интеграция газогенераторных установок в структуры производства на территории предприятий, особенновсельскойместности,влесныхзонах, гдеимеютсядревесные отходы.

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка состоит из газогенератора, скруббера, вентилятора и подводящих трубопроводов и предназначена для переработки измельченной древесины с целью получения генераторного газа, используемого для производства электрической и тепловой энергий.

Корпус газогенератора изготовлен из листовой стали, сваренной в местах стыков в виде цилиндра. К корпусу в нижней части приварено днище, а в верхней части – соединительный фланец. на соединительный фланец корпуса установлен и закреплен болтами на асбестовых прокладках внутренний цилиндр с крышкой. Верхняя часть внутреннего цилиндра выполняет роль загрузочного бункера, нижняя – камеры горения. В средней части корпуса камеры горения расположены по окружности двадцать фурм для подвода воздуха. Колосниковая решетка, расположенная в нижней части корпуса газогенератора, поддерживает слой раскаленного угляподкамеройгорения.Золачерезколосниковуюрешеткупроваливаетсявзольную камеру и удаляется. Для отбора газа в верхней части корпуса газогенератора приварен патрубок, к которому присоединен газоотводящий трубопровод. При таком расположении патрубка газ, отсасываемый из зоны восстановления, проходит по кольцевой полости, образованной стенками корпуса и бункера, обогревая бункер и улучшая в нем подсушку топлива, а сам при этом частично охлаждается до 400-500⁰с. Дальнейшее охлаждение газа до 20 ÷ 30⁰с и очистка происходит в скруббере, в котором реализован теплообмен контактноготипа.

Металлическая часть газогенератора и отходящие трубопроводы изготовлены из жаропрочной и кислотоустойчивой стали.

В ходе эксперимента были проведены серии испытаний с работой вентилятора на наддув и на разряжение.

При работе на наддув вентилятор крепился на корпусе генератора в районе коллектора фурм. Это имитирует использование неохлажденного генераторного газа для сжигания в топке котла. При этом необходимость охлаждения газа в скруббере отпадает. однако, для отладки режимов работы скруб бер был оставлен в экспериментальной схеме.

Работа вентилятора на разряжение имитирует использование газа для питания двигателя внутреннего сгорания (Двс). Для обеспечения работы Двс генераторный газ подвергается глубокому охлаждению и очистке от твердых продуктов сгорания и смолы в скруббере. в этом случае вентилятор устанавливался после скруббера что обеспечивает его работу на холодной среде (охлажденный генераторныйгаз).

Подсушенная до влажности 15-30% древесная щепа с помощью дозирующего загрузочного устройства порционно поступает в газогенератор, где подвергается быстрому высокотемпературному нагреву и разложению с образованием паров органических веществ, воды, газообразных продуктов (со₂; с_nн_m; со; н₂; сн₄) и древесноугольного карбонизата.

в работающем газогенераторе все внутреннее пространство можно разбить на четыре зоны: подсушки топлива, сухой перегонки, горения и восстановления.

Зона подсушки топлива расположена в верхней части бункера; температура в ней при работающем газогенераторе равна 150-200⁰с. При этой температуре топливо, находящееся в этой зоне, подвергается предварительной подсушке, и из него испаряется частьвлаги.

Зона сухой перегонки расположена в средней части бункера до камеры горения. Температура в этой зоне равна 300-500⁰с, и топливо, поступающее из зоны подсушки, подвергается сухой перегонке, т. е. сильному подогреву без доступа воздуха. Топливо обугливается, и из него выделяются смолы, кислоты и другие продукты сухойперегонки.

Зона горения расположена на уровне фурм. Поступающее в зону горения обугленное топливо и продукты сухой перегонки при наличии достаточного количества кислорода, подводимого с воздухом через фурмы, сгорают. Температура в зоне горения достигает 1100-1300⁰с. При сгорании топлива кислород воздуха соединяется с углеродом топлива, и образуется негорючий углекислый газ.

Зона восстановления расположена между зоной горения и колосниковой решеткой. в этой зоне находится раскаленный уголь, поступающий сюда из зоны горения. Температура в зоне восстановления достигает 900-1100⁰с.

углекислый газ, получаемый в зоне горения, проходит через слой раскаленного угля зоны восстановления, соединяется с частицами углерода и восстанавливается в горючий газ – окисьуглерода.

Просасываемые через зоны горения и восстановления смолы и пары воды под действием высокой температуры разлагаются и частично сгорают, образуя различные газы. В результате газификации твердого топлива получается генераторный газ, представляющий собой смесь различных газов, основными горючими частями которого являются окись углерода иводород.

Генераторный газ, образующийся при газификации, смешивается с продуктами термического разложения древесных отходов и выводится из газогенератора в скруббер, где очищается от примесей и охлаждается до 30⁰с. Полученный в экспериментальной установке генераторный газ после системы охлаждения и очистки от органических веществ и угольных частиц в скруббере направлялся в сопловой аппарат и сжигался. Газ горел стабильно бесцветным пламенем, выход смолы не наблюдался.

В дальнейшем предполагается использовать генераторный газ для работы двигателя-генератора, вырабатывающего электроэнергию, серийно выпускаемого на базе двигателя ЯМЗ-238. Для сушки сырья возможно использование тепла выхлопных газовДвс.

в экспериментальной установке в качестве топлива использовалась древесная щепа (влажность 15-30%) размером 10-40мм. испытания проводились с загрузкой 150 кг топлива.

В результатеиспытанийбылидостигнутыследующиепараметрытехнологического процесса:

температура газа на выходе из газогенератора –300-470⁰с.

температура газа после системы охлаждения –30⁰с.

расход генераторного газа (при температуре 30⁰с) – 350-400м³/час.

Были взяты пробы генераторного газа после скруббера для лабораторного анализа его состава и рассчитана теплотворная способность. результаты представлены в таблице.

Характеристика генераторного газа

Температура газа после генератора,	состав генераторного газа, %					низшая теплота сгорания газа, Q, МДж/м3
	H2	СH4	CO	O2	прочие газы
310	17,58	4,0	14,4	1,98	62,04		5,15
370	11,5	0,8	9,2	1,6	76,9		2,69
420	10,7	0,4	17,3	1,4	70,2		3,48

Дальнейшие экспериментальные исследования направлены на изучение факторов, влияющих на теплотворную способность генераторного газа.

Описание процесса

В газогенераторе протекает несколько основных химических реакций. При горении с обедненным количеством кислорода (пиролиз) протекают реакции окисления угля и углеводородов - с выделением тепловой энергии. После чего реакции восстановления - с поглощением тепловой энергии.

Основными горючими компонентами в получаемом «генераторном газе» являются водород Н2, оксид углерода СО, метан СН4, и непредельные углеводороды. Прочие вещества, в основном, являются балластом и за исключением кислорода не участвуют в процессе сгорания газа в двигателе, либо препятствуют ему. Состав получаемых газов сильно зависит от типа топлива и конструкции газогенератора.

Зона подсушки находится в верхней части бункера. Здесь температура порядка 150 – 200 °С. Топливо подсушивается горячим газом, который движется по кольцевому трубопроводу, как было описано выше.

Зона сухой перегонки расположена в средней части бункера. Здесь без доступа воздуха и при температуре 300 – 500 °С топливо обугливается. Из древесины выделяются кислоты, смолы и другие элементы сухой перегонки.

Зона горения находится внизу камеры сгорания в зоне, где расположены фурмы, через которые поступает воздух. Здесь при подаче воздуха и температуре 1100 – 1300 °С обугленное топливо и элементы сухой перегонки сгорают, в результате чего образуются газы СО и СО2.

Зона восстановления находится выше зоны горения между колосниковой решеткой и зоной горения. Здесь газ СО2 поднимается вверх, проходит через раскаленный уголь, взаимодействует с углеродом (С) угля и на выходе образуется газ СО – окись углерода. В данном процессе также участвует влага из топлива, поэтому помимо СО образуется СО2 и Н2. Зоны горения и восстановления называются зоной активной газификации.

Преимущество прямого процесса — простота исполнения. Недостаток — большое содержание влаги и смол. Данный недостаток можно устранить, используя очищенное топливо: древесный уголь или кокс.

Обратный процесс имеет самое меньшее содержание смол потому, что газ разложения топлива проходит самую высокотемпературную зону «окисления», что приводит к практически полному его разложению. На практике исполняется немного сложнее, чем прямой.

Горизонтальный процесс имеет умеренное количество смол. Газ разложения проходит зону восстановления, но часть его не полностью разлагается, Преимущество — простая конструкция.

На газовый генератор цена в 1,5 – 2 раза выше, чем на обычный твердотопливный котел.

В большинстве своем газогенераторы энергозависимы, так как для подсоса воздуха используется вентилятор, но также существуют модели, которые могут работать и без электричества.

Обычно газогенераторы требовательны к влажности топлива, но как уже писалось выше, есть модели, в которых можно сжигать даже свежесрубленную древесину (попытки решения данных проблем).

Список литературы

1.. Смольянинов C. И. Лабораторный газогенератор // Известия Томского политехнического института [Известия ТПИ]. — 1960. — Т. 92. — С. 109—110.

2.Головков С. И. Энергитическое использование древесных отходов / Коперин И.Ф., Найденов В.И., Изд-во "Лесная промышленность", 1987, 216 с

3.Гамбург Д.Ю. Производство генераторного газа на базе твердого топлива / Семёнов, В.П. Химическая промышленность-1983,152с

4.Альтшулер В.С. Современное состояние и развитие технологии газификации твердого топлива // Химическая технология. - 1985.

Код для цитирования: Скопировать