RU66007U1 - Установка для получения силового газа - Google Patents

Abstract

Установка для получения силового газа относится к области горения и газификации твердых топлив и может быть использовано в энергетической, химической, металлургической и других отраслях промышленности, где применяются органические твердые топлива, в том числе местные низкосортные топливные ресурсы (торф, биомасса), в частности, к установкам для получения силового газа из низкосортных топлив. Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, заключается в получении однородного по составу (нормализованного) газа с максимальной концентрацией СО и количеством смол в газе, допустимым по нормативу для ДВС (50 мг/нм³). Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в получении из слабометаморфизированных низкосортных топлив с высоким содержанием связанного кислорода силового генераторного газа с максимальной концентрацией СО, превышающей теоретическое для идеального воздушного газа, минимальной концентрацией СО₂ и недоокисленного водорода (в том числе - в форме метана и молекулярного водорода) и с содержанием смол не более 50 мг/нм³. Установка для получения силового газа содержит реактор, в верхней части которого установлен топливный бункер, а в нижней - колосниковая решетка, воздухоподводящие трубы, при этом реактор снабжен каверной для сжигания продуктов пиролиза, размещенной между зонами пиролиза и газификации и образованной с помощью решетки, площадь которой составляет 35-45% площади поперченного сечения реактора. 1 н.п ф-лы, 1 рис., 3 табл., 2 диагр.

Description

Полезная модель относится к области горения и газификации твердых топлив и может быть использована в энергетической, химической, металлургической и других отраслях промышленности, где применяются органические твердые топлива, в том числе местные низкосортные топливные ресурсы (торф, биомасса), в частности, к установкам для получения силового газа из низкосортных топлив.

В настоящее время сформировались следующие основные тенденции в энергопроизводстве.

Изменение структуры топливно-энергетического баланса в сторону использования твердых топлив: углей, местных ТЭР, биомассы и отходов. Развитие современных газогенераторных чистых угольных технологий. В США, Европе, Японии выполняются крупные межнациональные и национальные программы. В России развитие технологий запланировано в материалах Энергетической стратегии и других программных и уточняющих документов. Изменение структуры энергоснабжения - развитие системы распределенной генерации энергии, действующей наравне со станционной энергетикой на уровне распределительных сетей.

Значительная роль в топливном балансе распределенной энергосистемы принадлежит местным низкосортным ископаемым (торф, бурые угли) топливам и возобновляемым растительным, и в первую очередь - биомассе, как наиболее доступному и экологически безопасному виду топлива.

В биомассе и геологически молодых топливах с низкой степенью метаморфизма (торф, бурые угли) молярное соотношение «водород:углерод» составляет в среднем Н:С=1,0-2,5, а «кислород:углерод» - О:С=0,4-0,9. Результатом этого является значительное содержание молекулярного водорода и СО₂ в продуктах пиролиза и газификации по прямому или обращенному процессам, а так же наличие конденсирующихся углеводородов или смол, при коксовании образующих низкореакционный вторичный углерод (сажу).

Основными вопросами при использовании биотоплив являются:

- неоднородность состава газа - наличие наряду с СО в газе как продукте частичного окисления топлива двуокиси углерода СО₂, неокисленных углеводородных остатков С_mН_n и молекулярного водорода Н₂,

- забалластированность газа смолами.

Смолы в генераторном газе - продукт пиролиза органического топлива, протекающего по сложному механизму последовательных и параллельных реакций в температурном интервале 160-500°С. Сажа представляет собой продукт высокотемпературного коксования жидких углеводородов (смол) [1]. Попадая в камеру сгорания двигатель-генератора, смолы и сажа вызывают коррозионный и эрозионный износ (при размере частицы более 2-20 мк) и склонны отлагаться на рабочих поверхностях (ГТУ), загрязнять маслосистему (ДВС). При использовании генераторного газа в топливных элементах существует проблема химического «отравления» электролита и коксования каналов.

Для очистки газа от балластных компонентов (смолы, сажа) существуют различные методы очистки, производимые, как в специальном оборудовании (вторичные), так и непосредственно в реакторе газификации за счет различных конструктивных решений и технологических мероприятий (первичные).

Наличие молекулярного водорода в газе сужает рабочие границы газовых двигателей из-за проблем детонации, и в ряде случаев заставляет производителей газопоршневого оборудования проводить конвертацию водорода в метан. Диоксид углерода с энергетической и экологической точки зрения является балластом. Таким образом, существует необходимость применения устройств газификации, обеспечивающих «нормализованный» газ с минимальным содержанием нежелательных компонентов (СО₂, H₂, CН₄, смолы) и максимальным содержанием СО.

Классическим устройством для получения силового генераторного газа из низкосортных топлив является газификатор обращенного процесса

(типичный состав сухого генераторного газа СO=17-20%, H₂=14-16%, СН₄=0,5-3,0%, СО₂=7-10%, O₂=0,5-1,5%, N₂~50%, концентрация смол 0,5-1,0 г/нм³, теплотворная способность Q_H ^P~900-1100 ккал/нм³). Однако, он далек от газификатора горизонтального процесса, генерирующего при работе на древесном угле наиболее однородный состав реагентов: содержание СO₂=1-3%, Н₂=2-5%, СН₄~2%, содержание СO=29-32%, близкое к предельному при воздушной газификации углерода СО_ТЕОР~34,5%, концентрация смол до 0,16 г/нм³. В нем слой древесного угля продувается воздухом со скоростью до 60 м/с (на выходе из фурмы) и в этот слой не поступает дополнительных смолистых соединений.

За рубежом получение силового газа из низкосортных топлив типа биомассы отрабатывается на опытных и демонстрационных газификаторах плотного слоя с декомпозицией процесса мощностью до 1,5-2,0 МВт по топливу, а так же в однокорпусных газогенераторах на малые тепловые мощности, исключительно для уменьшения смолосодержания. Установки малой мощности создаются по схеме с двумя подводами воздуха в плотный слой, за счет чего высокотемпературная кислородная зона горения летучих растягивается по высоте, а в зону пиролиза подается окислитель для частичного сжигания пиролизных газов и прогрева слоя мелких топливных частиц, практически непроницаемого для токов свободной конвекции из зоны горения. Конечное содержание смолы в полученном сыром газе составляет 1-35 мг/нм³ [2], что лежит в пределах современных нормативов чистоты газа для ДВС (50 мг/нм³).

Все перечисленные установки при удовлетворительной чистоте газа от смол обеспечивают отмечаемый выше разнородный («ненормализованный») состав, влекущий ухудшение условий работы двигателей, дополнительную негативную нагрузку на окружающую среду (эмиссия СO₂).

Ближайшим аналогом по технической сути и достигаемому результату является экспериментальная газогенераторная установка мощностью по топливу 20 кВт [3], исследованная в Азиатском Техническом Институте (АТИ).

Газогенераторная установка состоит из металлического теплоизолированного реактора диаметром 150 мм высотой 2000 мм. Снизу в реакторе размещена колосниковая решетка, а сверху - топливный бункер. По высоте реактора в слой организованы два подвода воздуха: верхний - на высоте 1120 мм от решетки - в зону горения, нижний - на высоте 660 мм от решетки - в зону газификации. Соотношение расходов воздуха между первой и второй зонами в зависимости от режима 0,8-1,0:1,2-1,0.

Топливо поступает в реактор из бункера под действием силы тяжести и образует плотный слой на колосниковой решетке. Воздух подается в плотный слой в два яруса воздухоподводящими трубами, а генераторный газ выводится из установки снизу.

При газификации древесины в форме чипсов с характерным размером 15 мм получен генераторный газ с содержанием смол до 1-20 мг/нм³. Состав газа данного газификатора СО=13,5-17,6%, СО₂=14,2-18,3, Н₂=12,8-16,3%, теплотворная способность Q_H ^C~900-1000 ккал/нм³.

Основным недостатком указанного технического решения является то, что оно не обеспечивает полного сжигания продуктов пиролиза и последующего восстановления продуктов сгорания для получения максимального количества СО. Кроме того, масштабирование установки на большую производительность (более 100 кВт по топливу) на мелком топливе невозможно в силу значительного гидравлического сопротивления слоя и его тепловой неравномерности, ведущей к ухудшению разложения парогазов.

Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, заключается в получении однородного по составу (нормализованного) газа с максимальной концентрацией СО и количеством смол в газе, допустимым по нормативу для ДВС (50 мг/нм³).

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в получении из слабометаморфизированных низкосортных топлив с высоким содержанием связанного кислорода силового генераторного газа с максимальной концентрацией СО, превышающей теоретическое для идеального воздушного газа, минимальной концентрацией СО₂ и

недоокисленного водорода (в том числе - в форме метана и молекулярного водорода) и с содержанием смол не более 50 мг/нм³.

Теоретическое содержание СО для случая газификации чистого углерода на воздушном дутье (идеальный воздушный газ) составляет 34,5% [4]. Для случая воздушной газификации древесины, где массовое содержание внутреннего атомарного кислорода сопоставимо с таковым для углерода, максимальная концентрация СО в газе может быть выше 34,5% за счет использования части внутреннего кислорода, уменьшения подачи газифицирующего воздуха и снижения таким образом балластного азота воздуха. Такой процесс имеет место в доменных печах, где содержания СО в газообразных продуктах, выходящих из зоны факела в слой шихты, составляет до 54% [5]. Однако пример транспортных и стационарных древесных газогенераторов в России обеспечивающих концентрацию СО в газе, превышающую 34,5%, не известен.

Для решения поставленной задачи в известной установке для получения силового газа, содержащей реактор, в верхней части которого установлен топливный бункер, а в нижней - колосниковая решетка, воздухоподводящие трубы, согласно полезной модели, в реакторе организована каверна для сжигания продуктов пиролиза, размещенная между зонами пиролиза и газификации и образованная с помощью решетки, площадь которой составляет 35-45% площади поперченного сечения реактора.

При этом объем каверны определяется нормативным объемным теплонапряжением при сжигании бедных газов.

Снабжение реактора каверной позволяет организовать полное сжигание продуктов пиролиза и полное удаление смол, газообразных углеводородов и молекулярного водорода.

Площадь решетки, организующей каверну, составляет 35-45% площади поперченного сечения реактора. При площади меньшей 35% не весь объем пиролизных газов, выделяющихся в зоне пиролиза, будет поступать в каверну и сгорать. При площади решетки большей 45% в силу малого

остаточного сечения реактора не будет обеспечен равномерный сход топлива.

Предлагаемая установка для получения силового газа (рис.) содержит реактор 1, выполненный в виде кварцевой трубы, в верхней части которого установлен топливный бункер (на рисунке не показан), а в нижней части реактора 1 размещена колосниковая решетка 2, воздухоподводящие трубы 3. В реакторе 1 установлена решетка 4, организующая каверну 5.

Работает предлагаемая установка для получения силового газа следующим образом.

Топливо поступает в реактор 1 из бункера под действием силы тяжести и образует плотный слой на колосниковой решетке 2. Первичный, вторичный, третичный воздух подается в слой по трубам 3. Генераторный газ выводится из установки снизу.

Первичный воздух подается в верхнюю зону с расходом в заявляемом режиме горения в количестве 25-30% от общего расхода воздуха на установку и создает окислительную среду пиролиза, в которой осуществляется частичное окисление парогазов, снижающее концентрацию углеводородов (как конденсирующихся, так и газообразных).

Вторичный воздух подается в среднюю зону в каверну 5 с расходом в заявляемом режиме горения в количестве 25-30% для дожигания продуктов пиролиза до конечных продуктов полного сгорания. Теплота этого процесса используется для прогрева слоя, что интенсифицирует пиролиз. Искусственная каверна 5 организована в слое за счет размещения специальной решетки 4, занимающей 35-45% сечения площади реактора. Высота каверны 5 составляет 100-120 мм и обеспечивает необходимую гидравлическую неравномерность в слое, которая определяет преимущественное движение парогазов из зоны пиролиза через решетку в полость. Объем каверны рассчитан из условий создания объемного теплонапряжения 40-50 МВт/м³ (~40% от применяемого в нефорсированных камерах сгорания ГТУ или цилиндрах ДВС~100-120 МВт/м³) и составляет 150-200 см³.

В непродуваемом слое топлива, располагающемся рядом с каверной, создаются условия для довыгазовывания летучих веществ (область карбонизации, термофиксации).

Организация в средней части реактора комбинированного узла сжигания и карбонизации гарантирует поступление в нижнюю часть реактора продуктов полного сгорания (СО, Н₂О) и прокаленного древесного угля с содержанием летучих не более 10%, выходящих преимущественно в форме молекулярного водорода Н₂.

Третичный воздух подается в нижнюю зону с расходом в заявляемом режиме горения в количестве 40-50% от общего расхода для повышения температуры в зоне газификации, увеличения доли СО в газе и снижения концентрации конденсирующихся углеводородов.

На установке был отработан режим газификации, обеспечивающий заявляемые параметры, а так же для целей сравнения режимы газификации, применяемые в аналогах и прототипе (табл.1). Газифицировались древесные пеллеты диаметром 7 мм, длиной ~ 15-35 мм и косточковое биотопливо (финиковые косточки) диаметром 7 мм, длиной ~ 15 мм, рабочей влажностью не более 5%.

Распределение температуры по высоте реактора в установившемся режиме неравномерное, максимальные температуры в районах подачи воздуха достигают 900-1000°С (диаг.1). Анализ высотной стратификации содержимого реактора установки после режима 5 представлен в табл.2.

Режим 1 - однозонный обращенный процесс, по основным характеристикам совпадает с классическим, реализуемым в известных газогенераторах обращенного типа. Состав газа СO=19-20%, Н₂=14-15%, СН₄=1,8-2,0%, CO₂=7-9%, O₂=0,5%, N₂ - по разности; теплотворная способность Q_H ^P~950-1100 ккал/нм³. Содержание смол согласно замерам - 0,8-1,5 г/нм³. Получаемый генераторный газ насыщен желто-белой дисперсией (смоляным туманом) и горит ярким, красным, сажистым пламенем.

Режим 2 - режим, реализуемый в прототипе. Получены близкие прототипу характеристики. Состав газа СO=16-18%, H₂=12-13%, CH₄~0%; теплотворная способность Q_H ^P~850-950 ккал/нм³. Смолы не обнаружены.

Режим 3 - режим; классический вариант обращенного газификатора с дожиганием коксового остатка в прирешеточном пространстве. Характеризуется неоднородным составом газа: СO=15-17%, Н₂=11-13%, CO₂=10-12%, СН₄=2,5-3,0%, наличием смол в пределах 1-го режима.

Режим 4 - режим с равномерным подводом дутья во все зоны; обеспечивает существенно более нормализованный газ с содержанием СО, превышающим содержание в газе прототипа, аналогов и классических обращенных газогенераторов, однако не является предельным. Отсутствие смол и углеводородов. Состав газа СO=23-25%, Н₂=6-8%, СН₄=0%, СO₂=2,5-3,0%, N₂ - по разности.

Режим 5 - номинальный режим работы заявляемого устройства; процесс позволил получить из слабометаморфизированного топлива газ с максимальным содержанием СО, превосходящим СО в газе древесноугольных газогенераторов горизонтального процесса, минимальным - СО₂, Н₂, СН₄. Состав газа СO=34-37%, Н₂=2,5%, СН₄=0%, СO₂=0%, N₂ - по разности. Генераторный газ горит сине-оранжевым пламенем. Смолы не обнаружены.

Состав газа в различных режимах газификации представлен на диаг.2.

Теплотворная способность газов в различных режимах представлена в табл.3.

Перечень источников информации

1. Процессы горения в химической технологии и металлургии. Под ред. А.Г.Мержанова. Черноголовка. РИО ОИХФ АН СССР. 1975., 289 с.

2. A review of the primary measures for tar elimination in biomass gasification processes. L.Devi, K.J.Ptasinski, F.J.J.G.Janssen// Biomass and Bioenergy. 2003. №24. pp.125-140.

3. Bhattacharya S.C., Siddique A.H.M.R., Pham H.L. A stady on wood gasification for low-tar gas production// Energy. 1999. №24. pp.285-296.

4. Канторов М.В. Газогенераторы и газогенераторные станции в металлургической промышленности. ГНТИ ЛЧЦМ, Свердловск. 1958. 467 с.

5. Горение углерода. Опыт построения физико-химических основ процесса. А.С.Предводителев, Л.Н.Хитрин, О.А.Цуханова и др. М. - Л.: Изд-во АН СССР. 1949. 407 с.

Claims (2)

1. Установка для получения силового газа, содержащая реактор, в верхней части которого установлен топливный бункер, а в нижней - колосниковая решетка, воздухоподводящие трубы, отличающаяся тем, что реактор снабжен каверной для сжигания продуктов пиролиза, размещенной между зонами пиролиза и газификации и образованной с помощью решетки, площадь которой составляет 35-45% площади поперечного сечения реактора.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что объем каверны определяется нормативным объемным теплонапряжением при сжигании бедных газов.