энергосберегающие технологии

Влияние высоты слоя щепы в газогенераторе

При газификации щепы процесс собственно газификации завершается в пределах высоты h_г (рис. 9, I). Под действием тепла, выделяющегося в этой зоне, происходит подготовка щепы (сушка и пиролиз), которая завершается в слое толщиной h_с+п.

Толщину слоя раскаленного угля hг можно определить по составу газа, отбираемого на различной высоте раскаленного угля. Специальные исследования подтвердили предположение о том, что при газификации древесного угля и слое, близком к точке подачи дутья, можно ожидать в газе значительное количество окиси углерода, так как в раскаленной зоне газогенератора газификация древесного угля протекает в диффузионной области процесса.

Рисунок 9

Для примерного определения высоты раскаленного слоя древесного угля, в пределах которого завершается процесс собственно газификации (зона III), на полузаводском газогенераторе были проведены соответствующие исследования (табл. 9 и 10).

Таблица 9

Опыт 1. Относительная влажность газифицируемой щепы 32,5%. Температура дутья 27 °. Диаметр газогенератора 400 мм.

Расход воздуха 50; 30 и 15 нм³/ч. Результаты анализа газа, отобранного на расстоянии 155 мм от колосниковой решетки в центре газогенератора, приведены в табл. 9, из которой видно, что в продуктах газификации угля раскаленной зоны содержится немного СО₂ и значительное количество СО. Метана в пробах газа не обнаружено.

Присутствие водорода объясняется наличием водяных паров в воздухе, поступающем в газогенератор. На основании этого опыта можно считать, что для данного газогенератора h_г не превышает 155 мм.

Таблица 10

Опыт 2. Этот опыт отличается от предыдущего тем, что расход воздуха был равен 60 и 80 нм³/ч. Кроме того, состав газа определяли не только в центре газогенератора, но и около стенки.

Как видно из табл. 10, у стенки газогенератора наблюдается значительное охлаждение зоны. Очевидно, отдельные куски древесины, находясь около стенки газогенератора, подвергаются воздействию более низких температур и поступают на колосниковую решетку недостаточно прошвелеванными.

Наличие в пробах газа, взятых у стенки газогенератора, значительного количества водорода, а также присутствие метана, указывают на то, что в этих точках находится кокс, не подвергшийся высокотемпературной прокалке.

Аналогичные исследования были проведены на дровяном газогенераторе, работающем на дровах с относительной влажностью 32,4%.

Воздух в газогенератор поступал почти сухой, так как его температура была — 17 °. Интенсивность газификации дров в пересчете на абс. сухую древесину, считая ни сечение шахты, составила 57 кг/м²ч. Пробы газа для анализа отбирались па расстоянии 280 мм от колосниковой решетки. Результаты анализов газа следующие (в объемных %): СO₂ — 2,13; СО — 30,1 б; H₂ — 0,71; О₂ — 0,28; N₂ — 66,72. Температура в точке забора газа 1075°.

Из этих данных видно, что при относительно медленной газификации древесного кокса в газе, образующемся на расстоянии 280 мм от колосниковой решетки, содержится главным образом СО. Это указывает, что процесс собственно газификации протекает также в небольшом слое раскаленного угля и hг равно примерно 280 мм.

При исследовании промышленного газогенератора, работающего на щепе с относительной влажностью 41,2%. температуре дутья 23 °, интенсивности газификации в пересчете па абс. сух. топливо 153 кг/м²ч, пробы газа отбирались от точки подачи дутья на расстоянии 200 мм. Результаты анализов проб газа следующие (в объемных %): СО₂ — 1,8; СО — 31,4; Н₂ — следы; О₂ — 0,15; N₂ — 66,65. Температура в точке забора газа 1210°.

Из этих данных видно, что в газогенераторе производственного типа, работающем на щепе с интенсивностью газификации, в 3 раза превышающей самодувный газогенератор, в газе раскаленной зоны содержится 31,4% СО и 1,8% СО₂. В этом случае h_г не превышает 200 мм.

На основании проведенных исследовании можно считать, что величина h_г для газогенераторов древесного питания незначительна и не превышает 280 мм. В действительности h_г будет меньше этой величины. В раскаленной зоне на высоте 155 мм при более интенсивном дутье содержание СО в газе было почти теоретическое (31,64 — 33,82%).

Ряд исследований промышленной газификации мелкой и сухой щепы (W = 20÷35%) с интенсивностью в пределах 200 — 300 кг/м²ч (по абс. сух. щепе) показали, что слой для подготовки щепы h_с+n в газогенераторах небольшой и колеблется примерно в пределах 150 — 400 мм.

Если припять для мелкой и сухой щепы h_г = 200, а h_с+n = 400 мм, то оптимальный слой топлива в газогенераторе, Но должен быть равен 600 мм. На самом деле слой щепы в газогенераторе значительно выше на величину h_х, называемую холостым слоем топлива. При этом рабочий слой топлива в газогенераторе Н_р будет значительно больше оптимального слоя Н_o (рис. 9,II). Казалось бы нерационально сооружать высокую шахту и поддерживать в газогенераторе большую величину холостого слоя h_х.

В действительности холостой слой топлива, представляющий собой слой раскаленного угля, полезен, так как он предотвращает образование случайных прогаров, появляющихся при нарушениях подачи щепы в газогенератор и при неравномерности распределения дутья по сечению газогенератора. Холостой слой топлива является своего рода предохранительным слоем. Но чрезмерное увеличение холостого слоя h_х в газогенераторах нежелательно, так как распределение дутья по сечению газогенератора в этих условиях соответственно затрудняется. Между тем равномерное распределение газового потока по сечению шахты газогенератора, заполненного сыпучими материалами (зола, уголь и щепа), представляет собой проблему не только в газогенераторах, работающих на щепе, но и в газогенераторах, применяющих другие виды твердого топлива.

Газификацию щепы можно производить при низком слое щепы (рис. 9,III). В этом случае слой топлива h_г как бы частично перекрывает слой h_c+n. При газификации щепы в этих условиях неизбежно уменьшается выход жидких продуктов (смол) вследствие их разложения. Кроме того, снижается калорийность газа с одновременным увеличением его удельного выхода. Работа газогенератора при очень низком слое топлива иногда производится сознательно, когда требуется поддерживать в газопроводах повышенную температуру газа.

С уменьшением слоя щепы в зоне сушки и пиролиза теплообмен становится менее эффективным вследствие искусственного уменьшения его поверхности. Газ выходит из слоя щепы при более высоких температурах, чем при достаточно высоком рабочем слое щепы.

Величина холостого слоя топлива h_x в одинаковых условиях определяется потерями тепла в окружающую среду стенками газогенератора. Если газогенератор установлен в помещении, то холостой слой будет больше, чем у газогенератора, смонтированного на открытой площадке (вне здания). Опыты показали, что у полузаводского газогенератора с дополнительной теплоизоляцией стенок раскаленный слой угля в шахте всегда больше, чем у газогенератора без дополнительной теплоизоляции.

Кроме холостого слоя угля h_х, в газогенераторе можно создать избыточный слой h_n, расположенный над h_с+n. Избыточный слой щепы не может не оказать влияния па результаты газификации щепы, особенно на выход смолы. Чем больше будет избыточный слой, тем ниже должны быть выходы продуктов. На поверхности щепы избыточного слоя неизбежно будет происходить частичное оседание смолы. По мере прохождения щепы по шахте газогенератора смола будет лишь частично возгоняться, что приведет в конечном итоге к некоторым потерям смолы (особенно водорастворимой). Справедливость такого заключения подтвердили опыты, проведенные на полузаводском газогенераторе. При высоте слоя щепы 530 мм выход смолы составил 23,4% (от веса абс. сух. древесины), а при слое 1800 мм — 17,5%.

Как же создается при газификации щепы холостой слой h_х и избыточный слой щепы h_n

При работе газогенератора с рабочим слоем, равным оптимальному слою (H_p = H_o), предельный слой раскаленного угля h_г, где завершается собственно газификация, будет представлять собой небольшую, но постоянную по высоте величину. Слой щепы, где полностью завершится сушка и пиролиз щепы h_c+n. также определяется соответствующим значением.

Газификация щепы будет протекать при оптимальном слое Н_o. Если искусственно увеличивать слой щепы выше оптимального H_o, то между h_г и h_c+n произойдет разрыв, который будет определять собой значение h_x (холостой слой). По мере искусственного повышения рабочего слоя щепы будет расти h_x. Величина h_x может увеличиваться до известного предела, так как высота холостого слоя (раскаленного угля) определяется величиной тепловых потерь стенками газогенератора. Однако при каком-то предельном значении H_p холостой слой h_x будет максимальным. Если после достижения наибольшего значения h_x продолжать искусственное увеличение общего слоя щепы, то над слоем h_с+n образуется избыточный слой h_n. Величина h_n может быть любой (по высоте).

Но искусственно увеличивать h_n можно до известного предела, зависящего от размеров газогенератора (шахты).

Величины h_г и h_с+n являются основными в шахте газогенератора. Поэтому очень важно придерживаться их оптимальных значений, так как иначе может произойти значительное нарушение процесса газификации в нежелательном направлении: снижение выхода жидких продуктов. Оптимальное значение величин h_х и h_с+п необходимо соблюдать для поддержания нормальной эксплуатации газогенератора. Холостой hх и избыточный слой h_n служат своего рода резервом топлива в шахте газогенератора.

При работе газогенератора на очень сыром топливе в избыточном слое h_n происходит формирование туманообразных частиц смолы и воды. В ряде случаев при необходимости этот слой полезно увеличивать. Однако при работе газогенератора на сухой мелкой щепе поддерживать в газогенераторе большую высоту избыточного слоя нежелательно, так как это приведет к уменьшению выходов смолы.

В промышленной практике работы газогенераторных установок щепа не имеет строгих кондиций по размеру, наличию мелочи, влажности, составу и т.п. Газогенераторы не работают при одном и том же строгом режиме по производительности. Кроме того, часто происходят естественные нарушения в распределении дутья по сечению шахты, колебания температуры дутья, колебания потерь тепла стенками газогенератора и др. Все эти факторы влияют на оптимальное значение основных величин слоя. Поэтому в газогенераторе необходимо поддерживать рабочий слой топлива таким, чтобы автоматическое изменение h_г и h_с+n происходило в недрах слоев h_х и h_n. На величину рабочего слоя H_р немаловажное влияние оказывает слой золы, находящийся в газогенераторе. Даже при механизированном способе удаления золы, шлак накапливается в шахте на высоте 1500 — 2000 мм над дутьевыми фурмами и располагается у стенок газогенератора, образуя по сечению шахты огромную воронку, расширяющуюся кверху.

На основании ряда исследовании и обобщения производственного опыта можно сделать вывод, что для сухой и мелкой щепы рабочий слой H_р для промышленных газогенераторов должен находиться в пределах 2500 — 3500 мм.

На рис. 9, IV изображен примерный график изменения температуры в шахте газогенератора при работе его с рабочим слоем H_р, равным h_г + h_х + h_с+n+h_n.

Газификация щепы в газогенераторах может происходить при свободном и постоянном слое топлива. Газификация при свободном слое щепы характеризуется тем, что в газогенераторе автоматически устанавливается различная высота топлива Н₁, H₂, H₃, зависящая от различных причин: производительности газогенератора, влажности и степени измельчения щепы, желаемой температуры выходящего газа и др. В газогенераторе с постоянным слоем газификация щепы происходит при неизменной высоте топлива H₂. На рис. 10 и 11 приведены схемы газогенераторов со свободным и постоянным слоем щепы.

Рисунок 10

Рисунок 11