Что такое газогенератор?
Газогенератор — это специальное устройство, которое преобразует твердое или жидкое топливо в горючий газ. Этот процесс, называемый газификацией, происходит при высоких температурах — от 500 до 1200 Кельвинов. Основными частями любого газогенератора являются загрузочный бункер, камера возгорания и камера газообразования.
Принцип газификации
В отличие от обычных топок, где топливо сгорает полностью, в газогенераторе воздух подается в ограниченном количестве. Это приводит к неполному сгоранию, в результате которого образуется так называемый генераторный газ. Процесс обычно идет с участием воздуха, кислорода или водяного пара.
Получаемая газовая смесь состоит из различных компонентов: углекислого газа (CO₂), воды (H₂O), угарного газа (CO), водорода (H₂), метана (CH₄) и летучих продуктов разложения топлива. Также в состав входит азот из воздуха.
Историческая справка
Идея газогенератора была предложена в Германии в конце 1830-х годов, однако широкое промышленное применение началось лишь после 1861 года, когда Фридрих Сименс разработал регенеративный принцип отопления печей. Именно братья Сименс считаются изобретателями первого промышленного газогенератора. Их конструкция оставалась актуальной почти полвека, а в начале XX века появились более совершенные модели.
Устройство и основные компоненты
Типичный газогенератор представляет собой вертикальную шахту с огнеупорной внутренней облицовкой. Рассмотрим его ключевые элементы:
1. Корпус — обычно цилиндрической формы, сваренный из листовой стали, с днищем внизу и фланцем в верхней части.
2. Бункер — цилиндрический резервуар из малоуглеродистой стали, расположенный внутри корпуса. Служит для загрузки топлива.
3. Камера сгорания (активная зона) — изготавливается из жаропрочной стали и крепится к низу бункера. Здесь происходит интенсивное горение топлива. В камере расположены фурмы (калиброванные отверстия) для подачи воздуха, которые соединены с воздухораспределительной коробкой. Для улучшения тяги часто устанавливается нагнетающий вентилятор.
4. Колосниковая решетка — находится в нижней части генератора, поддерживает слой раскаленного угля. Через нее зола попадает в зольник. Часто средняя часть решетки делается подвижной для удобства очистки.
5. Загрузочные устройства и люки — обеспечивают герметичную загрузку топлива и удаление золы. Верхний люк часто оснащается амортизационным устройством, выполняющим роль предохранительного клапана.
6. Система охлаждения и очистки газа — включает в себя охладители и фильтры (грубой и тонкой очистки), которые удаляют из газа золу, пыль, кислоты и другие примеси.
Как работает газогенератор?
Топливо загружается сверху, а воздух подается снизу. Внутри аппарата можно выделить четыре температурные зоны:
- Зона подсушки (150–200 °C) — верхняя часть, где топливо теряет влагу.
- Зона сухой перегонки (300–500 °C) — здесь без доступа воздуха происходит обугливание топлива с выделением смол и кислот.
- Зона горения (1100–1300 °C) — в области фурм обугленное топливо сгорает с образованием CO₂ и CO.
- Зона восстановления — расположена ниже зоны горения. Здесь CO₂ взаимодействует с раскаленным углем, превращаясь в CO (угарный газ).
Образовавшийся газ отводится через патрубок в верхней части, проходит по кольцевой полости (подсушивая топливо в бункере), затем охлаждается, очищается и смешивается с воздухом в смесителе. Полученная газовоздушная смесь поступает в двигатель внутреннего сгорания или другого потребителя.
Типы генераторного газа
Состав и теплота сгорания конечного газа зависят от того, что подается в газогенератор вместе с топливом:
- Воздушный газ (подача только воздуха): теплота сгорания 3,8–4,5 МДж/м³.
- Парокислородный газ (воздух, обогащенный кислородом): 5–8,8 МДж/м³.
- Смешанный газ (воздух с добавкой водяного пара): 5–6,7 МДж/м³.
- Водяной газ (подача водяного пара): 10–13,4 МДж/м³ — обладает наибольшей энергетической ценностью.
Классификация и применение
Газогенераторы классифицируют по нескольким признакам:
По виду топлива: для тощего топлива (кокс, антрацит), для битуминозного (бурые угли), для древесины и торфа, для отходов (угольная мелочь).
По процессу газификации:
- Прямого процесса — газ и дутье движутся снизу вверх.
- Обращенного процесса — движение сверху вниз, зона горения расположена в средней части.
- Горизонтального процесса — газ и дутье движутся горизонтально.
По назначению: стационарные (для промышленности) и транспортные (устанавливаемые на автомобили).
С развитием газовой промышленности и распространением более дешевого природного газа использование генераторного газа в России сократилось. Однако в странах с дефицитом природного газа (например, в Германии и Великобритании) газогенераторы по-прежнему находят применение в промышленности.
Современные разновидности
Сегодня существуют различные специализированные газогенераторы:
Газогенератор жидкостного ракетного двигателя — вырабатывает горячий газ (200–900 °C) для привода турбонасосных агрегатов или наддува баков. В нем может сжигаться или разлагаться основное или вспомогательное ракетное топливо.
Автомобильный газогенератор — устройство, устанавливаемое на шасси автомобиля для работы двигателя на газе из твердого топлива (древесных чурок, бурого угля, торфа). В СССР серийное производство таких установок (модель ЭЙС-13) началось в 1938 году. Они широко использовались во время Великой Отечественной войны из-за нехватки жидкого топлива. Недостатками являются меньшая мощность двигателя (из-за низкой теплоты сгорания смеси) и большая масса установки (около 350 кг), снижающая грузоподъемность. Например, газогенераторный автомобиль ЗИЛ-164 расходовал 100–140 кг березовых чурок на 100 км пути.
Таким образом, газогенератор — это технологичное устройство с богатой историей, которое преобразует твердое топливо в удобный для использования газ, находя применение как в стационарной энергетике, так и на транспорте.