Газогенератор — устройство, предназначенное для температурной переработки жидкого и твердого топлива в газообразное горючее топливо с температурой от 500 до 1200 К. В структуре газогенератора различают загрузочный бункер, камеру возгорания и камеру газообразования.
Как правило, термическая переработка осуществляется в присутствии воздуха, свободного или связанного кислорода (водяных паров). Получаемые в газогенераторе газы называются генераторными.
В отличие от топок горение твердого топлива в газогенераторе осуществляется в большом слое и характеризуется количественным поступлением воздуха, недостаточного для полного сжигания топлива. Процесс, происходящий в газогенераторе, называется газификацией топлива.
Образующиеся в газогенераторе газы содержат продукты полного горения топлива (углекислый газ, вода) и продукты их восстановления, неполного горения и пирогенетические разложения топлива на составляющие-(угарный газ, водород, метан, углерод). Также в генераторные газы переходит азот воздуха.
Идея газогенератора была выдвинута в конце 1830-х гг. в Германии (Бищофом в 1839 г. и Эбельманом в 1840 г.), но их промышленное применение началось только после того, как Ф. Сименсом (1861 г.) был предложен регенеративный принцип отопления заводских печей, позволивший очень эффективно применять генераторный газ. По праву изобретателями первого промышленного газогенератора были братья Ф. и В. Сименс. Конструкция газогенератора получила повсеместное распространение и просуществовала в течение длительного периода (40—50 лет). В начале XX в. появились новые, более совершенные конструкции.
Часто газогенератор представляет собой шахту, внутренние стенки которой выложены огнеупорным материалом. Основными составляющими элементами газогенератора являются:
1) корпус, который изготовлен в виде цилиндра из листовой стали, сваренной в местах стыка. В нижней части к корпусу приварено днище, в верхней находится соединительный фланец;
2) бункер, служащий для загрузки топлива. Он представляет собой цилиндр, изготовленный из листовой малоуглеродистой стали. Бункер устанавливается внутри корпуса и закрепляется болтами на асбестовых прокладках на фланце вместе с крышкой;
3) камера сгорания (активная камера), необходима для интенсивного сгорания топлива. Корпус камеры сгорания изготавливается из жаропрочной стали и приваривается к нижней части бункера. Внизу корпуса камеры прикрепляется горловина из жаропрочной хромистой стали, она необходима для крекинга смол. Между корпусом и горловиной прокладывается уплотнительный асбестовый шнур. В средней части корпуса камеры горения располагаются калиброванные отверстия — фурмы для подвода воздуха, они соединены с воздухораспределительной коробкой, изготавливаемой из жаропрочной стали. Воздухораспределительная коробка связана с атмосферой. Обратный клапан устанавливается на выходе воздухораспределительной коробки, он препятствует выходу газа из газогенератора при остановке двигателя. Перед воздухораспределительной коробкой устанавливается нагнетающий вентилятор, способствующий лучшей работе газогенератора и повышению мощности двигателя, а также дающий возможность использовать твердое топливо (чурки) повышенной влажности (до 60%);
4) колосниковая решетка, располагающаяся в нижней части корпуса генератора, она поддерживает слой раскаленного угля под камерой горения. Зола через колосниковую решетку проваливается в зольную камеру. Для улучшения очистки от шлака средняя часть колосниковой решетки выполнена подвижной. Соответствующим рычагом осуществляется поворот чугунных (или жаропрочной стали) колосников;
5) загрузочные устройства, которые состоят из крышек, герметично закрывающих люки. Верхний загрузочный люк закрывается откидной крышкой, уплотняемой асбестовым шнуром. В креплении крышки предусматривается амортизационное устройство в виде листовой рессоры (или пружины), которое при повышении давления сверх нормы в бункере дает возможность приоткрываться крышке. В этом случае крышка исполняет роль предохранительного клапана. На боковой поверхности корпуса в его нижней части выполнены два люка с герметичными резьбовыми крышками. Нижний пред-
назначается для удаления золы, верхний — для догрузки угля в зону восстановления;
6) охладитель и фильтр, которые изготавливаются из труб, наполненных различными фильтрующими элементами.
Для осуществления отбора газа в верхней части газогенератора приварен патрубок. К патрубку присоединен газоотводящий трубопровод. Газ через патрубок проходит по кольцевой полости, образованной стенками корпуса и бункера, обогревает бункер и подсушивает топливо в нем.
Сгорая, твердое топливо окисляется кислородом воздуха, поступающего в камеру горения. Затем продукты горения, проходя через фильтр, попадают в охладитель (так называемый фильтр грубой очистки), после чего охлажденный газ проходит тонкую очистку в соответствующем фильтре и перемешивается с воздухом в специализированном смесителе. Получившаяся газовоздушная смесь поступает в воздухозаборник двигателя внутреннего сгорания.
В работающем газогенераторе его внутреннее пространство разделяется на четыре зоны: подсушки, сухой перегонки, горения, восстановления.
Зона подсушки — это верхняя часть бункера, с температурой 150—200 °С.
Зона сухой перегонки — это средняя часть бункера. Температура в ней 300— 500 °С. Топливо в этой зоне без доступа воздуха обугливается, и из него выделяются различные смолы, кислоты и другие продукты сухой перегонки.
Зона горения расположена в поясе фурм. Обугленное топливо здесь в основном сгорает, образуя С02 и СО. Температура в зоне — 1100—1300 °С и более.
Зона восстановления находится между зоной горения и колосниковой решеткой. В этой зоне СО, проходит через раскаленный уголь и соединяется с частицами углерода, образуя его окись.
Топливо в шахту загружается сверху, а снизу подается воздух. На колосниковой решетке расположен слой топлива. Состав генераторных газов может быть изменен в зависимости от того, в каком виде подается в газогенератор кислород. При подаче в газогенератор одного воздушного потока получается воздушный газ, теплота горения которого в зависимости от перерабатываемого топлива колеблется от 3,8 до 4,5 МДж/м3 (900—1080 ккал/м3). При обдувании и обогащении кислородом получают так называемый парокислородный газ (содержащий меньшее количество азота, чем воздушный газ), его теплота горения может быть доведена до 5—8,8 МДж/м3 (1200—2100 ккал/м3). Если газогенератор работает на воздухе с умеренной добавкой к нему водяных паров, получается смешанный газ. Теплота сгорания такого газа (в зависимости от исходного топлива) колеблется от 5 до 6,7 МДж/м3 (1200—1600 ккал/м3). При подаче в раскаленный слой топлива газогенератора водяного пара получают водяной газ с теплотой сгорания от 10 до 13,4 МДж/м3 (2400—3200 ккал/м3).
В активной камере образуется генераторный газ — смесь газов: угарный газ — СО, метан — СН4, водород — Н2, спирты — СН3ОН, С2Н5ОН, и др. В охладителях-фильтрах газ охлаждается до температуры, близкой к наружной среде, и очищается от ненужных взвешенных частиц: золы, пыли, муравьиной и уксусной кислот.
В зависимости от вида перерабатываемого твердого топлива различают типы газогенераторов: для тощего (легкого) топлива — с незначительным выходом летучих веществ (кокс, антрацит, тощие угли); для битуминозного топлива — со значительным выходом летучих веществ (газовые и бурые угли); для древесного и торфяного топлива; для отбросов минерального топлива (коксовой и угольной мелочи, остатков обогатительных производств). Различают газогенераторы с жидким и твердым шлакоудалением. Древесина и торф газифицируются в газогенераторах большого внутреннего объема, потому что перерабатываемое топливо имеет незначительную плотность. Битуминозное топливо обычно газифицируется в газогенераторах с вращающимся водяным под доном. Мелкое топливо перерабатывается в газогенераторах с высоким давлением в кипящем слое или во взвешенном состоянии. По назначению газогенераторы можно разделить на стационарные и транспортные. По месту подвода воздуха и отбора газа газогенераторы бывают прямого, обращенног о и горизонтального процесса. В газогенераторах прямого процесса движение образующихся газов и носителя кислорода происходит снизу вверх. В газогенераторах с обращенным процессом, наоборот, носитель кислорода и образующийся газ движутся сверху вниз, и средняя часть таких газогенераторов снабжается фурмами, через которые вводится дутье. Так как отсасывание образовавшихся газов производится снизу газогенератора, то зона горения (окислительная) находится сразу же под фурмами, ниже этой зоны следует зона восстановления, над зоной горения располагается зона разложения топлива, происходящего за счет тепла раскаленного горящего кокса зоны. В газогенераторах с горизонтальным процессом носитель кислорода и образующийся газ движутся в горизонтальном направлении. При эксплуатации газогенераторов соблюдается режим давления и температуры. Величина зависит от перерабатываемого топлива, назначения процесса газификации и конструкции газогенератора. Бурное развитие газовой промышленности в России привело к почти полной замене генераторных газов природными и попутными, так как себестоимость последних значительно ниже. В зарубежных странах, где мало природного газа, газогенераторы широко применяются в различных отраслях промышленности (в Германии, Великобритании).
В настоящее время существует множество разновидностей газогенераторов: ракетного двигателя, автомобильный, для электростанций.
Газогенератор жидкостного ракетного двигателя — агрегат, в котором за счет сгорания или разложения (термического, каталитического и др.) топлива или его компонентов вырабатывается горячий газ (температура 200—900 °С). Он служит рабочим телом для привода гурбонасосного агрегата, наддува топливных баков, работы системы управления и др. В газогенераторе чаще всего совместно используются компоненты основного топлива при значениях коэффициента избытка окислительных элементов, отличных от единицы. Иногда в газогенераторах разлагается один из компонентов основного топлива (окислитель или горючее), например несимметричный диметилгидразин. Иногда применяется и вспомогательное ракетное топливо. В зависимости от состава вырабатываемого газа различают восстановительный или окислительный газогенератор. Основные элементы у таких газогенераторов — смесительная головка и корпус.
Автомобильный газогенератор — двигатель автомобиля, который работает на газе, получаемом из твердого топлива в газогенераторе, смонтированном на его шасси. В СССР работы по созданию автомобильного газогенератора были начаты в 1923 г. Серийный выпуск автомобильного газогенератора (ЭЙС-13) был освоен в 1938 г. В качестве топлива используются древесные чурки (преимущественно твердых пород, влажностью 20—25%) либо бурый уголь. Также возможно применение
древесного угля, торфа, полукокса, антрацита и др. Автомобильный газогенератор предназначен для эксплуатации в районах, отдаленных от мест производства жидкого топлива. Широко применялся во время Великой Отечественной войны 1941—1945 гг., когда ощущался острый недостаток жидкого топлива для нужд автомобильного транспорта. Газогенераторная установка автомобиля состоит из газогенератора, очистительно-охладительного и газосмесительных устройств. Работая на генераторном газе, двигатель развивает значительно меньшую мощность, чем при работе на бензине, это происходит из-за меньшей теплоты сгорания газовоздушной смеси по сравнению с бензовоздушной. Но такие потери мощности могут быть частично компенсированы повышением степени сжатия двигателя (в связи с меньшей склонностью генераторного газа к детонации). Улучшение динамических качеств автомобиля может быть получено изменением передаточного отношения главной передачи. Большая масса газогенераторной установки (примерно 350 кг) снижает ее полезную грузоподъемность.
Например, автомобильный газогенератор на базе автомобиля ЗИЛ-164 (грузоподъемность — 3500 кг, мощность двигателя — 47 кВт) расходует на 100 км пробега 100—140 кг березовых чурок влажностью 25%.