Телефон: +79217716122
 
 
 
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
© 2008 ООО ВЭС ПТП СПб
Создание, разработка сайта - студия Мегагрупп.ру.
 

Газогенераторные энергетические установки

Газогенераторные энергетические установки по выработке электроэнергии с использованием  твердого углеродсодержащего  топлива.

В настоящее время основным механизмом, превращающим теплоту сгорания топлива в механическую работу, необходимую для выработки электрической и тепловой энергии в малой и автономной энергетике, является поршневой дизельный двигатель.

Наиболее удобными и традиционно используемыми топливами для поршневого двигателя является жидкие (бензин или дизельное топливо) и газообразные (в основном высококалорийные природный и нефтяной газы) Однако, постоянный рост цен этих топлив, а также расходов на их транспортировку в отдаленные районы все настоятельнее требует активизировать переход на альтернативные более дешевые местные топлива, в том числе твердые: уголь, древесина, торф и т.п.

Одним из известных и широко применяемых в 40-50 годы прошлого столетия способов использования твердых топлив является их газификация, то есть превращение твердого топлива в газообразное, которое способен потреблять поршневой двигатель.

Наиболее распространенным и доступным видом твердого топлива является древесное топливо, исходная стоимость которого в ряде случаев считают даже отрицательной, имея в виду отходы древесины при ее заготовке и переработке.

Твердые топлива, в частности древесина, обладают общим свойством - термической неустойчивостью. При нагревании твердые топлива разлагаются, образуя летучие продукты и твердый остаток.

При газификации твердых топлив происходят процессы нагрева, сушки, пиролиза и взаимодействия углистого остатка с парогазовой средой (собственно газификация).

Аппараты для газификации древесного топлива известны довольно давно и для решения конкретных задач применяются различные процессы газификации.

 Технологическая схема газогенераторной установки показанная на рисунке 1.

Газогенератор представляет аппарат для термопиролизной обработки древесины с получением топливного газа, основными горючими составляющими которого являются водород (Н2 ) и окись углерода (СО). Для получения качественного генераторного газа, необходимого для использования в поршневых двигателях, в газогенераторе реализована обращенная многозонная схема газификации твердого топлива, при которой смолистые летучие соединения проходят через активную зону раскаленного углерода, разлагаются и газифицируются, что уменьшает содержание смолистых веществ в топливном газе.

Корпус газогенератора имеет разъем, который делит его на две части. Верхняя часть является бункером, которая имеет форму усеченной прямоугольной пирамиды, большее основание которой расположено в нижней части бункера. Такая форма препятствует зависанию древесного топлива в бункере во время работы газогенератора. Верхняя часть бункера имеет кассетный или шлюзовой питатель для загрузки твердого топлива и технологические люки с круглыми фланцами, которые используются для присоединения к дымовой трубе на время розжига газогенератора и для подачи древесного топлива, в случае применения шнекового питателя. На время транспортировки газогенератора бункер может быть демонтирован. Нижняя часть газогенератора футерована огнеупорным кирпичом. В ней располагаются активные зоны, колосниковая решетка и зольник. Активные зоны имеют ряды воздухоподводящих фурм.

Колосниковая решетка  предназначена для удержания слоя раскаленного углерода в реакционной зоне, удаления золы и угольной мелочи. Ниже колосниковой решетки располагается зольник, который имеет герметичный боковой люк для периодического удаления золы. Нижняя часть газогенератора также имеет технологические боковые люки которые используются для визуального контроля, шуровки, розжига газогенератора и установки термопар для контроля температуры в данной зоне. Значение температуры характеризует процесс газификации и позволяет оценивать качество генераторного газа. Генераторный газ из газогенератора отбирается над колосниковой решеткой и через коллектор, являющийся одновременно подогревателем дутьевого воздуха, поступает в циклонные очистители, поверхность которых используется в качестве теплообменника для охлаждения генераторного газа и нагрева воздуха, подаваемого в сушилку древесного топлива.

Температура генераторного газа на выходе из газогенератора может достигать 600˚С. Для нормального протекания процесса наполнения поршневого двигателя температура генераторного газа снижается до 40˚С. А так как использование  в газогенераторе древесного топлива, с относительной влажностью более 25%,  приводит к резкому снижению калорийности газогенераторного газа, то физическое тепло от охлаждения генераторного газа в виде горячего воздуха направляется на сушку древесного топлива. После охлаждения генераторный газ направляется в двухступенчатый фильтр. В качестве фильтрующего элемента фильтров  применяется топливная щепа или опилки. После загрязнения фильтрующий элемент сжигается в газогенераторе. В случае использования сухого древесного топлива, горячий воздух охлаждения генераторного газа сбрасывается в атмосферу или используется на технологические нужды или на отопление.

В качестве исходного поршневого двигателя для газогенераторной энергоустановки выбран широко распространенный дизель типа ЯМЗ, переведенный на газодизельный процесс и снабженный  адаптивной (самонастраивающейся) системой регулирования подачи газового топлива в дизельный двигатель, позволяющая менять соотношение между газовым и жидким топливом в зависимости от количества и качества газового топлива и нагрузки, поданной на двигатель. При этом сохраняется возможность работы по дизельному циклу. Отличительной особенностью данной системы является то, что рейка топливного насоса высокого давления не фиксируется при переходе на  газодизельный цикл, а остается свободной. Сам этот переход осуществляется открытием газовой магистрали и началом подачи в двигатель газового топлива. При этом не требуется снижение мощности двигателя, система поддерживает заданный режим в зависимости от количества подводимого газа и его теплотворной способности, меняя соотношение дизельного топлива и газа. При снижении нагрузки на двигатель до режима холостого хода газовая заслонка закрывается полностью, и работа двигателя осуществляется на дизельном топливе. Во время работы двигателя под нагрузкой в случае снижения количества подаваемого газа по внешним причинам или изменения состава газа (уменьшения его теплотворной способности) система поддерживает заданный скоростной режим работы добавлением необходимого количества дизельного топлива. Благодаря  принятой схеме регулирования приемистость газодизеля, несмотря на инерционность газового тракта, соответствует приемистости дизеля.

Переход двигателя на работу по чисто дизельному циклу осуществляется путем отключения подачи газового топлива.

Основными преимуществами  газодизельного процесса и выше описанной системы управления являются:

- возможность запуска установки при отсутствии посторонних источников электроснабжения за счет работы электроагрегата на дизельном топливе в период розжига, запуска и прогрева газогенератора;

- использование дизельного топлива в качестве резервного в случае сбоев с поставкой древесного топлива или выхода из строя оборудования по его подготовке;

- относительно простое переоборудование дизельного двигателя на газодизельный цикл, возможное даже на месте его эксплуатации;

- обеспечение оперативного автоматического перевода с дизельного на газодизельный цикл и обратно при его эксплуатации;

- возможность получения высоких показателей переходного процесса при сбросах и набросах нагрузки (см. рис.2,3);

- простота в освоении и обслуживании, стабильность выходных электрических параметров.

Газовым топливом при работе агрегата на номинальном режиме замещается 70-75% жидкого нефтяного топлива.

Возможно изготовление энергоустановок электрической мощностью 50, 100, 200, 500 кВт и комплектация из них электростанций любой мощности по согласованию с заказчиком.                                                          

1-газогенератор, 2,3- циклоны-теплообменники (левый, правый), 4-фильтр газа грубой очистки, 5-сушилка топлива, 6-трудопроводы подачи воздуха к сушилке, 7-трубопровод подачи воздуха к циклонам, 8-вход воздуха, 9-выход газа, 10-выход воздуха из сушилки,11 - фильтр газа тонкой очистки, 12,13,14,15 - запорные клапаны (клинкеты), 16 - свеча-горелка, 17- кассета, 18 - трубопровод подачи воздуха, 19 - газодизельный электроагрегат, 20 - воздуходувка, 21,22 - тягонапоромеры, 23,24 - термопары.

Рис.1 Структурная схема газогенераторной энергетической установки

Для того чтобы существенно сократить потребление электроагрегатом жидкого топлива необходимо конвертировать дизельный двигатель в чисто газовый с принудительным (например, искровым) зажиганием.

При этом существенно сокращается стоимость вырабатываемой электроэнергии, величина которой становиться существенно ниже установленных тарифов на сетевую электроэнергию.

Однако перевод дизельного двигателя на чисто газовый цикл связан с существенным изменением конструкции базового двигателя, утрачивается возможность работы по дизельному циклу, снижается качество переходных процессов из-за инерционности процессов выработки генераторного газа. В настоящее время разрабатываются технические решения по снижению влияния данных недостатков при использовании газовых двигателей.

При выработке поршневым двигателем электрической энергии выделяется тепловая энергия в виде тепла выпускных газов и тепла охлаждающей жидкости. Данную тепловую энергию можно собирать, используя системы когенерации и использовать для отопления и в технологических целях. При этом тепловой энергии вырабатывается в 1,5 раза больше, чем электрической. Однако, количество вырабатываемой тепловой энергии пропорционально количеству выработанной электроэнергии. Поэтому при снижении электрической нагрузки на электроагрегат выработка тепла также снижается. Необходимое для технологического процесса качество тепловой энергии может быть получено за счет применения специальных газогенераторов для выработки генераторного газа, предназначенного для сжигания в котлах или специально спроектированных под технологический процесс вихревых топок. Такие газогенераторы имеют более простую конструкцию, чем газогенераторы сочетаемые с поршневыми двигателями. Не требуется тщательной очистки получаемого генераторного газа, а главное его глубокое охлаждение.

Генераторный газ выходит из газогенератора с температурой от 350 до 600ºС. Его  физическое тепло уже является теплоносителем. После сжигания в воздушной сфере его температура поднимается до 1000 -, 1200ºС а необходимая температура для технологического процесса обеспечивается разбавлением сгоревших газов определенным количеством воздуха. После чего данная газовая смесь может либо на прямую поступать для реализации необходимого технологического процесса, либо проходить через теплообменники, нагревая воздух, воду или другой необходимый теплоноситель. Технические решения по вопросу сжигания генераторного газа должны учитывать условия его воспламенения и процессы, происходящие при его сжигании, с учетом колебания состава генераторного газа в зависимости от режима работы газогенераторов. Организация процесса смешения генераторного газа с окислителем (воздухом) определяет соответствие факела горелочного устройства технологическим требованиям. Горелки для эффективного сжигания генераторного газа делятся на диффузионные - без предварительного смешения газа с воздухом и инжекционные с предварительным смешением газа с воздухом.

В первом случае смешение газа с воздухом осуществляется за горелкой, и сгорание происходит в растянутом диффузионном факеле. При этом обеспечиваются широкие пределы регулирования, большой ресурс, объясняемый удаленностью зоны высоких температур от устья горелки, устойчивостью горения газа при некотором изменении теплоты сгорания генераторного газа.

К недостаткам можно отнести повышенный коэффициент избытка воздуха, вызванный вялым процессом смешения, что приводит к уменьшению максимальной температуры сгорания генераторного газа. Горелки данного типа используются в низкотемпературных установках.

Газовые горелки с предварительным смешением газа и воздуха конструктивно более сложны, но дают возможность получить высокотемпературный факел за счет интенсивного предварительного смешения, снижающего коэффициент избытка воздуха.

Кроме усложнения конструкции к недостаткам данного типа горелок можно отнести меньшие пределы регулирования из-за возможности проскока фронта пламени, некоторого снижения ресурса в связи с близостью зоны высоких температур к носку горелки.

Использование инжекционных горелок не требует специальных устройств подачи воздуха до горения, при этом изменение расхода газа приводит к автоматическому изменению расхода воздуха, коэффициент избытка расхода воздуха остается квазипостоянным.

К преимуществам газогенераторного процесса по сравнению с прямым сжиганием твердого топлива можно отнести получение в одном агрегате удобного для дальнейшего использования топливного генераторного газа из различных видов твердых углеродсодержащих топлив (отходы древесины, технических изделий, включая отработанные автомобильные покрышки, твердых бытовых и производственных отходов, отходов с/х продукции, пластика и т.д.) с широким фракционным составом - от 1мм. до 1м.

Конструктивные особенности комплексов, а также степень механизации и автоматизации процессов выполняется в соответствии с утвержденным с заказчиком техническим заданием.