Газогенератор низхідного потоку для біомаси з підвищеною вологістю

Реферат: Винахід належить до пристроїв для термохімічної обробки твердих сипучих речовин. Заявлено газогенератор низхідного потоку для біомаси з підвищеною вологістю, який належить до пристроїв для термохімічного оброблення вологої біомаси з метою отримання генераторного газу, придатного для використання як екологічно чистого газоподібного палива для нагрівальних і парових котлів, двигунів внутрішнього згорання і газотурбінних установок. Газогенератор містить теплоізольований вертикальний корпус із камерами сушіння, окиснення й відновлення, пристрої для видалення продуктів газифікації газу і золи, подачі та нагрівання дуттьового повітря. Порівняно з аналогами має підвищену ефективність процесу генерації газу, обладнаний камерами відновлення й окиснення з певними розмірами і площею поверхонь стінок, що дає можливість забезпечити тотожність або перевищення теплонадходжень у зоні реакції порівняно з тепловтратами, повноту протікання окисно-відновлювальних реакцій, крекінгу важких смол і запобігти перериванню процесу газифікації. UA 107258 C2 (12) UA 107258 C2 UA 107258 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до пристроїв для термохімічної обробки твердих сипучих речовин, які містять вуглець і водень із низхідним потоком газів через шар палива у вигляді біомаси відходів деревини, сільськогосподарського виробництва, рослинних залишків, торфу та інших відходів, які характеризуються підвищеною вологістю, з метою отримання (виробництва) генераторного газу, придатного для подальшого використання як екологічно чистого газоподібного палива для нагрівальних і парових котлів, двигунів внутрішнього згорання і газотурбінних установок, у системах комбінованого вироблення електричної і теплової енергії. Відомі пристрої для термічної газифікації, які включають завантажувальний бункер для подачі твердого палива, вертикальний корпус із зоною просушки вихідного вологого палива у верхній частині газифікатора, камеру окиснення палива з фурмами для підведення дуттьового повітря, камеру газифікації і вигрібний ніж для видалення золи. Видалення генераторного газу здійснюють із зон, які розташовані у верхній і нижній частині камери газифікації [1, 2, 3, 4, 5]. Недоліками таких пристроїв є таке: Газогенератори, які описані в роботах [1, 2, 3, 4, 5] розраховано практично тільки для газифікації сухого палива, що обмежує їх застосування, вони малоефективні для вологих сільськогосподарських відходів із малою об'ємною питомою масою. Найбільш близьким до рішення, що заявляється, є прийнятий за прототип газогенератор [5]. Ознаки, які збігаються із суттєвими ознаками газогенератора, що заявляється: - вертикальний теплоізольований корпус із бункером у верхній частині для завантаження вихідного твердого палива у вигляді біомаси; - камера окиснення, що має конусну частину, куди здійснюється подача дуттьового повітря через насадку; - камера відновлення (газифікації), яку відокремлено від зольника колосниковою решіткою, біля котрої встановлено газовідвідний патрубок. В камеру відновлення подається дуттьове повітря через фурми, що розташовані у два ряди по висоті камери газифікації; - система повітропроводів, за допомогою яких атмосферне повітря подається до трубчастого конвективного теплообмінника, а потім, через фурми й насадки - в камери окиснення і газифікації; - колосникова решітка і пристрій для непереривного видалення золи із зольника газогенератора. Недоліком такого газогенератора є низька ефективність процесу, додаткові витрати енергії для підтримання необхідної температури в зоні окиснення і відновлення, забезпечення повноти процесу газифікації і попередження явища зупинки процесу утворення генераторного газу. Особливо в ході газифікації вологої біомаси розміри основних конструктивних елементів газифікатора не гарантують достатні умови для термічного розкладу палива і глибокого крекінгу важких смол, що зменшує ККД газифікатора. Отож, конструкція прототипу не забезпечує достатні умови для протікання процесу газифікації з максимальним ККД. В основу цієї корисної моделі поставлена задача вдосконалення конструкції газогенератора біомаси з підвищеною вологістю й отримання генераторного газу з низьким умістом забруднюючих домішок шляхом виконання конструктивних елементів газогенератора згідно з певними розмірами, які забезпечують необхідну повноту процесів окиснення і газифікації палива, протікання процесу без підведення зовнішньої енергії і сталий характер процесу без його зупинок з високим ККД. Поставлена задача розв'язується тим, що газогенератор, який містить теплоізольований вертикальний корпус із зоною просушування вихідного вологого палива, завантажувальний бункер, конусну камеру окиснення з фурмами для підведення дуттьового повітря, систему повітропроводів, що з'єднують нагнітач повітря з фурмами, циліндричну камеру відновлення і колосникову решітку, яка відділяє камеру відновлення від зольника з видаленням генераторного газу з нижньої частини газогенератора над колосниковою решіткою через газовідвідні патрубки до споживачів, засіб видалення золи й трубчастий теплообмінник у газозбірнику генератора для нагрівання дуттьового повітря, згідно з винаходом конусна камера окиснення і циліндрична камера відновлення виконуються з розмірами d1, d2 , h , що забезпечує площу поверхню стінок камер F , яка необхідна для тотожності або перевищення теплонадходжень у зоні реакції порівняно з тепловтратами, повноти протікання окисно-відновлювальних реакцій, крекінгу важких смол і яка повинна бути рівною або меншою за величину, що визначається згідно з такою залежністю 1 UA 107258 C2 Fтр  1    qр    qг  c тп  t"тп t'тп  M'тп ,  t' тп t" тп   t гор   k тр  2   2 - коефіцієнт теплопередачі через стінки камери газифікації, Вт/(м °С); де k тр 2 Fтр - зовнішня площа поверхні камери газифікації, м ; t гор - температура горіння генераторного газу, °C; t тп - середня температура твердого палива в камері газифікації, °C; 5 10 t тп  t' тп  t" тп  / 2 ; Mтп - масові витрати твердого палива, яке проходить через газогенератор до його термічного розкладу, кг/год.; Mв.зал - масові витрати вугільного залишку, кг/год.; qр - теплота термічного розкладу твердого палива, кДж/кг; qг - теплота газифікації, кДж/кг; c тп - теплоємність твердого палива, кДж/(кг°С); t' тп - температура твердого палива на вході до жарової труби, °C; " t тп - температура твердого палива на виході із жарової труби, °C; Mв.зал    Mсу х    M' тп ; тп  - коефіцієнт, який визначає частину вугільного залишку від сухого твердого палива, част. 15 од. 20 25 30 35 40 45 50 На фіг. 1 показано поздовжній розріз газифікатора, d1 - діаметр камери окиснення, d2 діаметр камери відновлення, h - висота камери відновлення, стрілками зображено напрямок руху дуттьового повітря й продуктів газифікації. Установка складається зі сталевого корпусу 1 з футеровкою і тепловою ізоляцією 2, завантажувального бункера 3 із заслінкою 4 і конусом 5 для рівномірного завантаження сировиною вертикального циліндричного корпусу камери сушки 6, футерованої камери окиснення 7 діаметром d1 з трубопроводами 8 і регулювальним пристроєм 9 для подачі дуттьового повітря через фурми 10 за допомогою вентилятора 11, футерованої камери відновлення 12 діаметром d2 і довжиною h , нижче якої розташовано колосникову решітку 13, зольник 14 і шнек 15 для видалення золи із зольника, патрубок 16 для подачі стартового палива; газозбірника 17, у якому встановлено трубчастий конвективний теплообмінник 18 для підігрівання дуттьового повітря, патрубки 19 для відведення генераторного газу з газозбірника за допомогою трубопроводу 20, газодувки 21, трубопроводу 22. Установка працює таким чином. Перед запуском газифікатора з бункера 3 при відкритій заслінці 4 завантажують вихідне паливо - біомасу, при цьому конус 5 рівномірно розподіляє біомасу в камері сушки 6, камерах 7 і 12 корпусу 1. Після завантаження заслінка 4 зачиняється. Через патрубок 16 завантажується стартове паливо, теплота згорання якого спричиняє запуск газогенератора. Після виходу установки на режим патрубок 16 закривають. Дуттьове повітря подається вентилятором 11 по трубопроводу 8 в трубчастий конвективний теплообмінник 18, де воно підігрівається продуктами газифікації й далі за допомогою трубопроводу 8 з регулятором 9 надходить до насадки і повітряних фурм 10. На сталевий корпус газогенератора 1 нанесено шар теплової ізоляції 2, а бічні поверхні камер 7 і 12 футеровані. В камері 7 відбувається окиснення палива, а в циліндричній камері 12 - процес відновлення газів і крекінгу смоли. Виконання камер відновлення й окиснення з певними розмірами і площею поверхонь стінок дають можливість здійснити процес з високою ефективністю. Це пояснюється тим, що кількість теплоти, яка виділяється в ході екзотермічних реакцій окиснення за певного співвідношення між об'ємом реакційних камер і площею поверхонь їх стінок, може стати меншою за втрати теплоти через корпус генератора, втрати на випаровування водяної пари й витрати на ендотермічні реакції відновлення. За таких умов може відбутися припинення термохімічних процесів у газогенераторі або суттєве зменшення ефективності процесу. Виконання стінок камер із певними розмірами і площею поверхні запобігає такому процесу. В міру протікання процесу газифікації паливо осідає вниз, після чого у верхній частині газогенератора воно додатково завантажується. 2 UA 107258 C2 5 10 15 20 25 30 Продукти газифікації проходять шар вугільного залишку на решітці 13, де завершуються процеси газифікації й очищення газів від важких смол за рахунок їх розкладання на більш легкі фракції та гази (крекінг смол) і далі крізь колосникову решітку 13 разом із попелом потрапляють у зольник 14. У зольнику попіл за допомогою шнека 15 видаляється, а генераторний газ під дією розрідження, що створюється газодувкою 21, надходить у газозбірник 17, де віддає тепло повітрю, що циркулює у трубчастому теплообміннику 18. Через патрубки 19 генераторний газ надходить у кільцевий колектор 20, а з нього - в газодувку 21, яка подає по трубопроводу 22 генераторний газ до споживачів. Запропонований винахід змогу забезпечити тотожність або перевищення надходження теплоти над її втратами в зоні окиснення і відновлення газогенератора, створити установку зі стійким протіканням процесів газифікації, отримати високу ефективність газифікації біомаси з підвищеною вологістю, збільшити ККД установки й отримати генераторний газ із низьким умістом забруднюючих домішок. Необхідні розміри камер окиснення й відновлення усувають причини зупинки роботи генератора у зв'язку з підвищеними втратами теплоти із зон окиснення і відновлення. Джерела інформації: 1. Михеев В.П. Газовое топливо и его сжигание: учебник / В.П. Михеев. - Л.: Недра, 1966. С. 108, 111. 2. Описание изобретения к авторському свидетельству 1701731 СССР. МПК SU C10J3/20. Газификатор / Н.В. Пошернев, А.К. Леонтьев, А.Ф. Смоляков, В.Н. Моршин, Я.С. Цинман (СССР). - № 1357424; заявл. 01.02.1989; опубл. 30.12 1991. - 1991. - Бюл. № 48. 3. Деклараційний пат. на корисну модель 74138 Україна. МПК (2012.01) C10J 3/20. Двозонний газогенератор вологих органічних відходів / Л.М. Маркіна, С.С. Рижков, С.І. Сербін, М.В. Рудюк (Україна). - № u 2012 00288; заявл. 10.01.2012; опубл. 25.10.2012. - 2012. - Бюл. № 20. 4. Деклараційний пат. на винахід 29287 Україна. МПК C10J 3/20. Газогенератор / Г.Г. Гелетуха, І. С. Варганов (Україна). - № 98052297; заявл. 06.05.1998; опубл. 16.10.2000. - 2000. Бюл. № 5. 5. Деклараційний пат. на винахід 32759 Україна. МПК C10J 3/20. Газогенератор / Г.Г. Гелетуха, І.С. Варганов, І.І. Борисов (Україна). - № 98031460; заявл. 24.03.1998; опубл. 15.02.2001. - 2001. - Бюл. № 1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 Газогенератор низхідного потоку для біомаси з підвищеною вологістю, який містить теплоізольований вертикальний корпус із зоною просушування вихідного вологого палива, завантажувальний бункер, конусну камеру окиснення з фурмами для підведення дуттьового повітря, систему повітропроводів, що з'єднують нагнітач повітря з фурмами, циліндричну камеру відновлення і колосникову решітку, яка відділяє камеру відновлення від зольника з видаленням генераторного газу з нижньої частини газогенератора над колосниковою решіткою через газовідвідні патрубки до споживачів, засіб видалення золи й трубчастий теплообмінник у газозбірнику генератора для нагрівання дуттьового повітря, який відрізняється тим, що конусна камера окиснення і циліндрична камера відновлення виконуються з розмірами d 1, d2, h, що забезпечує площу поверхні стінок камер F, яка необхідна для тотожності або перевищення теплонадходжень у зоні реакції порівняно з тепловтратами, повноти протікання окисновідновлювальних реакцій, крекінгу важких смол і яка повинна бути рівною або меншою за величину, що визначається згідно з такою залежністю: 1    qр    qг  c тп  t" тп t' тп   M' тп , Fтр   t' тп t" тп   t гор   k тр  2   2 де kтр - коефіцієнт теплопередачі через стінки камери газифікації, Вт/(м °С); 2 Fтр - зовнішня площа поверхні камери газифікації, м ; tгор - температура горіння генераторного газу, °C; t тп - середня температура твердого палива в камері газифікації, °C;  50 55  t тп  t' тп  t" тп  / 2 ; ´ M тп - масові витрати твердого палива, яке проходить через газогенератор до його термічного розкладу, кг/год; Mв.зал - масові витрати вугільного залишку, кг/год.; 3 UA 107258 C2 5 qр - теплота термічного розкладу твердого палива, кДж/кг; qг - теплота газифікації, кДж/кг; cтп - теплоємність твердого палива, кДж/(кг°С); t'тп - температура твердого палива на вході до жарової труби, °C; t"тп - температура твердого палива на виході із жарової труби, °C; Mв.зал    Mсу х    M' тп ; тп β - коефіцієнт, який визначає частину вугільного залишку від сухого твердого палива, част. од. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4