EA008053B1 - Газогенератор для производства тепловой энергии - Google Patents

Abstract

Описан газогенератор для производства тепловой энергии из низкокалорийных топлив, а также углеродсодержащих отходов, содержащий непосредственно связанные друг с другом средство загрузки газифицируемого сырья, камеру газификации, снабженную колосниковой решеткой, расположенной в донной зоне камеры газификации, и средствами подвода газифицирующей среды, отвода продукта газификации и удаления негазифицируемого твердого остатка, камеру дожигания продукта газификации, снабженную средством подачи среды дожигания и средством утилизации тепловой энергии. Увеличенный выход тепловой энергии достигается за счет того, что газогенератор дополнительно содержит связанную со средством загрузки газифицируемого сырья и камерой газификации камеру подготовки и предварительной газификации топлива, предпочтительно выполненную в виде швель-шахты, а также средство снижения давления в камере газификации, которое предпочтительно совмещено со средством подачи среды дожигания в камеру дожигания, предпочтительно выполненную в виде жаровой трубы, и предпочтительно выполнено в виде дымососа, предпочтительно установленного непосредственно за котлом-утилизатором, при этом средство подвода газифицирующей среды в камеру газификации и средство отвода продукта газификации расположены в придонной зоне камеры газификации.

Description

Настоящее изобретение относится к устройствам для газификации твердых топлив, в том числе низкокалорийных, в частности торфа, торфяных брикетов, дров, древесных отходов, растительных остатков, бытового и промышленного мусора и т.д. Предлагаемый газогенератор может быть использован в установках для отопления помещений, подогрева воды и воздуха, сушки различных, в том числе сыпучих, материалов и т. п.

Проблема обеспечения газом для целей производства тепловой или электрической энергии становится все более актуальной. Одним из современных направлений решения этой проблемы является использование низкокалорийных топлив, а также нетрадиционного углеродсодержащего сырья, в том числе местного, или углеродсодержащих отходов для получения в результате их газификации высококалорийного генераторного газа, тепловая энергия которого в дальнейшем полезно используется. В рамках настоящего изобретения под низкокалорийным или низкокачественным твердым топливом (далее по тексту, топливом) следует рассматривать все перечисленные выше - торф, торфяные брикеты, дрова, древесные отходы, растительные остатки, включая солому, бытовой и промышленный мусор, а также другие известные специалистам в данной области техники виды твердого углеродсодержащего сырья и/или отходов с достаточно низкой теплотворной способностью.

Под газификацией понимают высокотемпературный процесс взаимодействия углерода углеродсодержащего сырья с окислителями (газифицирующими агентами) с получением горючих газов. Процесс газификации зависит от многих факторов, влияющих на состав получаемого газа и его теплоту сгорания. Среди основных факторов можно назвать температуру, давление и состав газифицирующего агента. Немаловажными являются также и характеристики самого углеводородного сырья.

При газификации низкосортных (низкокалорийных) топлив или углеродсодержащих отходов в качестве газифицирующего агента, как правило, используют воздух, кислород, пар и различные их комбинации. Газ, образуемый в результате газификации, с учетом низкой калорийности исходного сырья, имеет более высокую, но все еще недостаточную, теплоту сгорания по сравнению с теплотой сгорания низкосортного топлива при непосредственном сжигании.

Для осуществления описанных выше процессов газификации разработано большое количество соответствующих устройств - газогенераторов с тепловой мощностью от 100 до 5000 кВт. В качестве газифицируемого сырья в таких газогенераторах могут быть использованы отходы лесопроизводства (опилки, кора, щепа, пни и т.д), растениеводства (любая солома, стебли подсолнечника, кукурузы и т.п.), биомасса любого другого происхождения, а также любые другие виды твердого углеродсодержащего сырья, включая отходы.

Так, для получения тепловой энергии от сгорания низкокалорийных топлив традиционно используется генератор Пинча, которые преобразуют в газ углеродсодержащее топливо с размером частиц до 70 мм (в частности, древесная щепа) и влажностью ниже 40%, или подобные генераторы, разработанные с использованием основных конструктивных элементов генератора Пинча [1, 2]. Тепловая мощность таких генераторов составляет, как правило, 30-200 кВт. Они работают в комплекте с паровыми и водогрейными котлами, теплогазогенераторными и воздушными теплообменниками. Характерной особенностью генераторов Пинча является то, что полученный горючий газ не охлаждается, а выводится в верхней части камеры сгорания и поступает в жаровую трубу, сохраняя при этом физическое тепло и образуя факел горения с температурой 1000-1300°С, который контактирует с котлом или воздушным теплообменником, что позволяет проводить процесс с минимальной потерей тепла. Однако в описанных конструкциях газогенераторов, в том числе в конструкции классического газогенератора Пинча, не до конца реализована возможность максимально возможной газификации топлива в процессе от предварительной подготовки топлива к газификации и до момента выброса продуктов сгорания генераторного газа в окружающую среду.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является газогенератор для твердого топлива, который содержит средство загрузки газифицируемого сырья, выполненное в виде бункера для топлива с загрузочным люком, камеру газификации, выполненную в корпусе с футеровкой и топочной дверкой, при этом под камерой газификации расположена камера для золы (негазифицированного остатка) с дверцей для удаления золы и устройством для подачи и регулирования первичного воздуха (газифицирующей среды), средство отвода продукта газификации, выполненное в виде отверстия в верхней части камеры газификации со вставленной в него жаровой трубой (камерой дожигания) с устройством для подачи и регулирования вторичного воздуха [3]. Данная конструкция газогенератора предполагала, в частности, решение проблемы расширения диапазона газифицируемого топлива, как по размерам частиц, так и по физико-химическим свойствам (например, влажности). Однако для решения упомянутых проблем потребовалось значительное усложнение конструкции газогенератора, в частности, размещение в камере газификации в дополнение к сводчатому рассекателю поворотных лопастей (оси которых параллельны сводчатому рассекателю), а также установка в верхней части рассекателя вертикальной пластины. При этом следует отметить, что наличие приводных элементов (лопастей) не только усложняет конструкцию газогенератора, но и несколько снижает его надежность.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание конструкции газогенератора для газификации низкокалорийных топлив, который бы наряду с простотой конструкции и высокой надеж

- 1 008053 ностью обеспечивал бы максимально возможную газификацию топлива при увеличении выхода, в частности, тепловой энергии.

Поставленная задача решается газогенератором для производства тепловой энергии, содержащим непосредственно связанные друг с другом средство загрузки газифицируемого сырья, камеру газификации, снабженную колосниковой решеткой и средствами подвода газифицирующей среды, расположенными в донной зоне камеры газификации, средствами отвода продукта газификации и удаления негазифицируемого твердого остатка, камеру дожигания продукта газификации, снабженную средством подачи среды дожигания, и средством утилизации тепловой энергии. При этом генератор дополнительно содержит связанную со средством загрузки газифицируемого сырья и камерой газификации камеру подготовки и предварительной газификации топлива, а также средство снижения давления в камере газификации, при этом средство отвода продукта газификации расположено в придонной зоне камеры газификации.

Введение в конструкцию заявляемого газогенератора камеры подготовки и предварительной газификации, выполненной предпочтительно в виде швель-шахты, установленной между средством загрузки газифицируемого сырья и камерой газификации и имеющей меньший, чем камера газификации диаметр, позволяет улучшить условия подготовки топлива для последующей газификации (подсушка, перегонка) и увеличить зону сухой перегонки и, тем самым, расширить диапазон газифицируемого топлива (более высокая влажность, частицы более крупного размера, меньшая теплотворная способность и т.д.). Благодаря наличию швель-шахты обеспечивается также увеличение массы загрузки газогенератора, и, следовательно, цикл работы газогенератора. Кроме того, наличие швель-шахты обеспечивает удобство шуровки нижней части слоя топлива, например, через отверстия в конической переходной части между швельшахтой и камерой газификации.

Введение в конструкцию заявляемого газогенератора средства снижения давления, в частности, в камере газификации, предпочтительно может быть совмещено со средством подачи газифицирующей среды в камеру дожигания и наиболее предпочтительно может быть выполнено в виде дымососа, установленного наиболее предпочтительно непосредственно за котлом-утилизатором. Такая, в частности, наиболее предпочтительная конструкция позволяет поддерживать разряжение во всей системе отвода газа, что одновременно обеспечивает непрерывный отвод газа из газогенератора (обновление газифицирующей среды в камере газификации) и создает дополнительную тягу вторичного воздуха в камере дожигания (обновление среды дожигания в камере дожигания), что значительно активирует процессы газификации и обеспечивает более полное сжигание генерируемого газа.

Размещение средства подвода газифицирующей среды, предпочтительно воздуха, в камеру газификации в придонной зоне камеры газификации позволяет дожигать негазифицированный углеродный остаток, образующийся в камере газификации в процессе газификации топлива, что обеспечивает более полное использование топлива, увеличивает выход полезной энергии и снижает выход негазифицированного остатка.

Также как и средство подвода газифицирующей среды, средство отвода продукта газификации расположено в придонной зоне камеры газификации. Такое решение расположения средства отвода продукта газификации является достаточно неожиданным для конструкций газогенераторов и обеспечивает при этом ряд преимуществ: позволяет производить подсушку и сухую перегонку топлива частично за счет тепла, выделяющегося при горении топлива. При этом получаемый газ имеет более высокую температуру (до 800°С), по сравнению с газом, отводимым в верхней части камеры газификации, и выделяющиеся из топлива смолистые вещества полностью разлагаются в зонах таких высоких температур. Таким образом, также обеспечивается максимально возможная полнота сгорания топлива.

В наиболее предпочтительных формах реализации заявляемого газогенератора камера дожигания продукта газификации выполнена в виде жаровой трубы.

В некоторых предпочтительных формах реализации средство отвода негазифицируемой части топлива (золы) может быть выполнено в виде транспортера.

Несмотря на принципиальную известность, на первый взгляд, самих по себе каждого из предложенных дополнительных по сравнению с прототипом конструктивных элементов (швель-шахта, дымосос) заявляемого газогенератора, их применение в одной конструкции газогенератора в совокупности с оригинальным решением размещения средств подвода газифицирующей среды в камеру газификации и отвода продукта газификации дают на практике неожиданно высокие результаты газификации широкого диапазона низкокалорийных топлив.

Кроме того, следует отметить, что, благодаря заявляемой совокупности существенных признаков газогенератора, оптимальные условия газификации низкокалорийных топлив создаются на всех без исключения стадиях газификации, протекающих в камере предварительной газификации (швель-шахта), камере газификации и камере дожигания (жаровая труба).

Ниже преимущества и достоинства предлагаемой конструкции газогенератора будут описаны более подробно со ссылкой на позиции фиг. 1, где в качестве иллюстративного, но не ограничивающего примера, схематично изображен заявляемый газогенератор.

Схематично изображенный на фиг. 1 газогенератор содержит в качестве основных функциональных элементов швель-шахту 1, снабженную загрузочным люком 2, камеру 3 газификации, в нижней части

- 2 008053 которой размещена колосниковая решетка 4. Средство подвода газифицирующей среды в камеру 3 газификации на чертеже позицией не обозначено, однако, поступление газифицирующей среды обозначено вертикальными, направленными вверх стрелками. Камера 3 газификации в придонной зоне непосредственно связана с жаровой трубой 5, которая, в свою очередь, связана с котлом-утилизатором 6. За котломутилизатором 6 установлен дьмосос 7. Камера 3 газификации связана с транспортером 8 для удаления негазифицируемого твердого остатка. На выходе из системы предусмотрен также фильтр 9 для очистки отходящих газообразных продуктов. В котле-утилизаторе 6 размещены теплообменные элементы 10.

Заявляемый генератор для производства тепловой энергии работает следующим образом.

Первоначальный запуск газогенератора осуществляют посредством розжига топлива на колосниковой решетке 4, размещенной в придонной зоне камеры 3 газификации. Газифицирующая среда - топочный газ, разогретый до температуры 600-800°С поступает в камеру 3 газификации и в восходящем потоке - в швель-шахту 2. Традиционно для обеспечения термоизоляции процесса корпус газогенератора, в частности в зонах камеры 3 газификации, швель-шахты 1 и топки 4, выполнен с футеровкой.

Низкокалорийное топливо подают в швель-шахту 1 через загрузочный люк 2, который расположен в верхней ее части. В швель-шахте 1 происходит высушивание отходов разогретыми дымовыми газами и происходит частичная газификация загруженного топлива. Также благодаря наличию швель-шахты 1 возможно увеличение массы загрузки газогенератора примерно в 2-3 раза. Далее предварительно подсушенное и разогретое, по меньшей мере, до температуры газификации топливо поступает через отверстия в конической переходной части швель-шахты 1 непосредственно в камеру 3 газификации, где и протекает основной процесс газификации. Процесс сухой перегонки в камере 3 газификации протекает в среде топочных газов, поступающих из топки 4, при температуре 600-800°С. При этом температуру можно регулировать (поддерживать в заданном диапазоне) посредством регулировки режимов работы, в частности регулировки подачи первичного воздуха на колосниковую решетку 4. Негазифицировавшийся твердый остаток топлива просыпается через колосниковую решетку 4. При этом под действием подаваемого в камеру 3 газификации воздуха происходит дополнительное дожигание негазифицируемого твердого остатка. Не подлежащие газификации твердые остатки удаляются из камеры 3 газификации и направляются (схематично изображено пунктирной стрелкой) на дальнейшую утилизацию посредством транспортера 8.

Газ, образовавшийся в процессе газификации топлива в камере 3 газификации, выводится из нее непосредственно в жаровую трубу 5. При этом вывод осуществляется в придонной зоне камеры 3 газификации, где температура достигает наиболее высокого значения. За счет этого на входе жаровой трубы температура достигает значения 800-1000°С.

Таким образом, в жаровой трубе с учетом температуры газа, выводимого из камеры 3 газификации, а также за счет создания постоянного тока вторичного воздуха образуется факел горения с температурой до 1200°С. При такой температуре газ практически полностью «догорает» и подается, например, в систему теплообменных элементов 10, установленную в котле-утилизаторе 6.

Практически полное сгорание горючих составляющих газа в жаровой трубе 5 происходит с выделением тепловой энергии, количество которой практически без потерь между газогенератором и теплообменником может быть аккумулировано в котле-утилизаторе 6.

При прохождении через теплообменные элементы 10 котла-утилизатора 6 тепловая энергия передается теплоносителю и направляется на дальнейшее использование. Тепло, «полученное» посредством котла-утилизатора 6 у отходящих из жаровой трубы 5 газообразных продуктов, в дальнейшем может быть использовано, в частности, для бытовых или производственных нужд, например, для отопления помещений.

Охлажденный газ с выхода котла-утилизатора 6 поступает в фильтр 9, где проходит очистку. Конструкция фильтра 9 для очистки отходящего газа может быть использована любой из известных специалистам в данной области техники, подходящей для конкретного состава дымовых газов в зависимости от вида используемого топлива. В различных случаях может быть предусмотрена многоступенчатая очистка отходящих газов посредством системы фильтров 9.

Прошедший очистку отходящий газ без вредных примесей может быть направлен в окружающую среду. Однако в некоторых формах реализации целесообразным является создание замкнутого контура, т.е. тепло выбрасываемых в окружающую среду дымовых газов может быть использовано для подогрева первичного и вторичного воздуха, подаваемого в процесс горения в камеру 3 газификации и в жаровую трубу 5.

Как уже было упомянуто выше, для создания/поддержания разряжения в камере 3 газификации и во всей системе отвода газа в целом, а также для создания тяги вторичного воздуха в жаровой камере 5 в системе отвода газа, предпочтительно за котлом-утилизатором 6, установлен дымосос 7. В заявляемом газогенераторе может быть использован дымосос любой известной подходящей конструкции.

Основные, поясняющие сущность заявляемого газогенератора газовые потоки в системе отвода газа на чертеже схематично обозначены стрелками.

- 3 008053

Как уже было упомянуто выше, при необходимости, в заявляемом газогенераторе на базе существующих или оригинальных технических решений можно организовать систему эффективной утилизации тепла, очистки газа, конденсации влаги, отвода смолистых веществ и т.д.

Описанная выше конструкция заявляемого газогенератора может быть использована для газификации различных видов низкокалорийных топлив, а также углеродсодержащих бытовых и промышленных, в т.ч. сельскохозяйственных отходов. При этом технические параметры и конкретные формы реализации каждого из основных функциональных элементов заявляемого газогенератора могут быть подобраны специалистом в данной области с учетом заявленных существенных признаков для каждого случая использования, исходя из установленных условий вида топлива, общей потребности в переработке, массы одной загрузки, требуемой тепловой мощности газогенератора и т.д.

Литература.

1. Энергетический комплекс на основе использования древесных отходов. Информационноаналитический вестник «Нива Рязани». Управление сельского хозяйства и продовольствия Рязанской области. Информационно-консультационная служба [найдено 2004.07.04]. Найдено из Интернет 1и1р://\\\\\\.ап5. пахан.ги/пг/2()()4-02/7.111т.

2. Н.И. Бохан, Н.И. Фалюшин, В.Б. Ловкие, В.В. Носко. Газогенераторы. Белорусский государственный аграрный технический университет - БАТУ. Сайт компании СИНТУР [найдено 2004.07.04]. Найдено из Интернет 1ι11ρ://δί п!иг. ги/5(а(.008. κΐιΐιιιΐ.

3. Патент ВИ № 2147601 С1, опубл. 20.04.2000.

Claims (6)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Г азогенератор для производства тепловой энергии, содержащий непосредственно связанные друг с другом средство загрузки газифицируемого сырья, камеру газификации, снабженную колосниковой решеткой и средствами подвода газифицирующей среды, расположенными в донной зоне камеры газификации, средствами отвода продукта газификации и удаления негазифицируемого твердого остатка, камеру дожигания продукта газификации, снабженную средством подачи среды дожигания, и средством утилизации тепловой энергии, отличающийся тем, что дополнительно содержит связанную со средством загрузки газифицируемого сырья и камерой газификации камеру подготовки и предварительной газификации топлива, а также средство снижения давления в камере газификации, при этом средство отвода продукта газификации расположено в придонной зоне камеры газификации.
2. 2. Газогенератор по π. 1, отличающийся тем, что средство снижения давления в камере газификации совмещено со средством подачи среды дожигания в камеру дожигания.
3. 3. Газогенератор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что средство снижения давления в камере газификации выполнено в виде дымососа.
4. 4. Газогенератор по п.З, отличающийся тем, что дымосос установлен непосредственно за котломутилизатором.
5. 5. Газогенератор по любому из пи. 1-4, отличающийся тем, что камера дожигания продукта газификации выполнена в виде жаровой трубы.
6. 6. Газогенератор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что средство отвода негазифицируемого твердого продукта газификации выполнено в виде транспортера.