Netradits_Energetika_Uch_1

Рис. 3.23. Схема газогенератора с кипящим слоем

1 – цилиндрическая шахта; 2 – плоская колосниковая решетка; 3 – парокислородное дутье; 4 – шнеки для подачи мелкодробленого (d < 8 мм) топлива; 5 – устройство для удаления шлака; 6 – шнек шлакоудаления; 7 – зольный бункер

На паровоздушном дутье при этом способе газификации производится газ с теплотой сгорания 3800…4600 кДж/м3.

Организация газификации топлива на ТЭС приобретает особое значение в связи:

–с необходимостью широкомасштабного использования низкосортных топлив;

–расширением диапазона используемых видов низкосортного топлива (включая биомассу и бытовые отходы);

–ужесточением требований по ограничению вредных выбросов ТЭС в окружающую среду.

211

Применительно к ТЭС представляются наиболее перспективными:

yгазогенераторы с кипящим слоем;

yгенераторы горнового типа на мелкокусковом топливе;

yгазогенераторы с факельным процессом газификации;

yкомбинированные способы энергетического использования топлива, включающие газификационные предтопки к основному парогенератору, работающему по принципу факельного пылеугольного использования топлива.

Рис. 3.24. Схема газогенератора поточного типа:

1 – топливо; 2 – кислород; 3 – пар; 4 – охлаждающая вода; 5 – вода в систему золоудаления; 6 – генераторный газ; 7 – котелутилизатор; 8 – шлак

212

Т а б л и ц а 3.20

Показатели газификации бурых углей на парокислородном дутье под давлением

6.2.2. Газогенераторные установки малой мощности для газификации твердых топлив [54–60, 61–67]

Процесс газификации топлива осуществляется в газогенераторах:

yпрямого процесса газификации (рис. 3.25, 3.26, а);

yобращенного процесса (рис. 3.26, б);

yдвухзонного типа (рис. 3.26, в)

213

6.2.2.1. 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.

Вто 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

исушки топлива производятся за счет физического тепла горячих газов, поднимающихся из зоны восстановления. Зоны сухой перегонки и подсушки вместе носят название зоны подготовки топлива.

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

Взоне подсушки газы смешиваются и с водяными парами.

Вгазогенераторе 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

214

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).

Рис. 3.25. 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

215

Рис. 3.26. 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

Газ

Рис. 3.27. Схема газогенератора горизонтального процесса

216

6.2.2.2. 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. 3.26, 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 [61, 62].

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. Ге-

217

нераторный 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. 3.21.

Т а б л и ц а 3.21

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.

6.2.2.3. Двухзонные газогенераторы

Для газификации битуминозного топлива, кроме газогенераторов обращенного процесса, применяются двухзонные газогенераторы, т.е. газогенераторы с двумя зонами горения (рис. 3.26, в).

В этих газогенераторах воздух подводится (через фурмы или центральную трубу) как в верхнюю зону горения, так и под колосниковую

218

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.

6.2.2.4. Газогенераторы горизонтального процесса газификации

Для передвижных газогенераторных установок небольшой мощности применяются газогенераторы горизонтального процесса (рис. 3.27) 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.

219

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

100мм.

Вцелом 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.

220