Перевод автомобиля на газовое топливо

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Автомобильный транспорт относится к числу наиболее энергоемких отраслей народного хозяйства. Он является одним из основных потребителей жидкого топлива нефтяного происхождения, мировые запасы которого непрерывно сокращаются. Высокие темпы развития автомобильного транспорта вызывают значительный рост масштабов потребления жидкого топлива и заметное загрязнение атмосферного воздуха в крупных городах и промышленных центрах.

Одним из радикальных средств решения проблемы экономичного и рационального использования топливно-энергетических ресурсов является создание эффективных конструкций газовых двигателей и широкое их внедрение на транспорте и в промышленности (стационарные двигатели).

В настоящее время широкое распространение получили газобаллонные автомобили, работающие на природном газе.

Но запасы газа также не безграничны, поэтому необходимо заменить его другими видами топлива. Одним из таких видов может стать генераторный газ, получаемый путем газификации - сжигания - твердого топлива в специальных аппаратах, называемых газогенераторами.

Газогенераторы могут использоваться как на транспортных средствах в тех районах, куда затруднены поставки жидкого топлива, так и в стационарных энергетических установках для получения электроэнергии.

В нашей стране разработки газогенераторных установок начались еще в 20-х годах прошлого века, а серийный выпуск автомобилей и тракторов, работающих на генераторном газе, начался во второй половине 30-х годов того же века.

Тогда же был накоплен огромный опыт по проектированию и производству газогенераторных установок.

К сожалению, на рубеже 50-60-х годов прошлого века интерес к газогенераторам угас. Но это не значит, что идея использования газогенераторов в промышленности порочна.

1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

1.1 Описание процесса газификации топлива

Газификация топлив - преобразование твёрдого или жидкого топлива в горючие газы путём неполноценного окисления воздухом (кислородом, водяным паром) при высокой температуре. При газификации топлива приобретают главным образом горючие продукты (окись углерода и водород).

Газифицировать возможно каждое топливо: ископаемые угли, торф, мазут, кокс, древесину и др. Газификацию топлива выполняют в газогенераторах; получаемые газы называют генераторными. Их используют как топливо в металлургических, керамических, стекловаренных печах, в домашних газовых устройствах, двигателях внутреннего сгорания и др. Помимо этого, они предназначаются сырьём для изготовления водорода, аммиака, метанола, синтетического жидкого топлива и др.

Газификация топлив, невзирая на большое разнообразие методов (постоянные и периодические, газофикация в кипящем слое, газификация угольной пыли и жидкого топлива в факеле, при атмосферном и значительном давлении, подземная газификация углей и др.), характеризуется одними и этими же химическими взаимодействиями.

При газификации твёрдого топлива окислению кислородом или водяным паром подвергается непосредственно углерод: 2C + O₂ = 2CO + 247 Мдж (58 860 ккал); С + H₂O = CO + H₂ - 119 Мдж (28 380 ккал). Однако весь углерод превратить в целевой продукт CO обычно не удаётся, часть его сгорает полностью: С + O₂ = CO₂ + 409 Мдж (97 650 ккал). Образовавшийся при этом углекислый газ, в свою очередь, реагирует с раскалённым углеродом: CO₂ + С = 2CO - 162 Мдж (38 790 ккал).

В процессе газификации жидкого топлива под действием высокой температуры происходит расщепление углеводородов до низкомолекулярных соединений или элементарных веществ, которые и подвергаются окислению, например; CH₄ + 0,5O₂ = =СО + 2H₂ + 34 Мдж (8030 ккал); CH₄ + H₂O = СО + ЗН₂ - 210 Мдж (50 200 ккал). Образующиеся при газификация топлив газообразные продукты реагируют между собой: CO + H₂O = CO₂ + Н₂ + 44 Мдж (10 410 ккал).

С целью извлечения генераторных газов используют различные разновидности окислителей (дутья): воздух; смесь водяного пара с воздухом или кислородом; воздух, обогащённый кислородом, и др. Структура дутья выбирается так, чтобы тепла, выделяющегося в экзотермических реакциях, было достаточно для осуществления всей работы.

Названия генераторных газов часто определяются составом дутья. Например, воздушный газ образуется при подаче в газогенератор воздуха. Состав воздушного газа, полученного из кокса (объёмных %): 0,6 CO₂, 33,4 CO, 0,9 H₂, 0,5 CH₄, 64,6 N₂; теплота сгорания 4,53 Мдж/мі (1080 ккал/мі), выход газа 4,65 мі/кг топлива. Состав воздушного газа, полученного при газификации мазута под давлением 1,5 Мн/мІ (15 кгс/смІ) (объёмных %): 3,5 (CO₂ + H₂S), 21,0 CO, 17,5 H₂, 58 N₂; теплота сгорания 5 Мдж/мі (1200 ккал/мі), выход газа 6,1 мі/кг топлива.

Водяной газ (синтез-газ, технологический газ) образуется при взаимодействии раскалённого топлива с водяным паром. Поскольку реакция получения водяного газа эндотермична, то для накопления необходимого для газификации количества тепла слой топлива в генераторе периодически продувают воздухом (полученный при этом воздушный газ является побочным продуктом). Состав водяного газа из каменноугольного кокса (объёмных %): 37 CO, 50 H₂, 0,5 CH₄, 5,5 N₂, 6,5 CO₂, 0,3 H₂S, 0,2 O₂; теплота сгорания 11,5 Мдж/мі (2730 ккал/мі), выход газа 1,5 мі/кг топлива. Применяя парокислородное дутьё, водяной газ можно получать непрерывно. Например, при газификации мазута под давлением 3 Мн/мІ (30 кгс/смІ) образуется газ состава (объёмных %): 46,8 CO, 48,8 H₂, 3,8 CO₂, 0,3 CH₄, 0,3 N₂; теплота сгорания 12,3 Мдж/мі (2940 ккал/мі).

Смешанный газ (смесь воздушного и водяного газов) получают при газификация топлив на паровоздушном дутье. Например, состав смешанного газа из кускового торфа (объёмных %): 8,1 (CO₂ + H₂S), 28 CO, 15 H₂, 3 CH₄, 45,3 N₂, 0,4 C_mH_n, 0,2 O₂; теплота сгорания 6,9 Мдж/мі (1660 ккал/мі), выход газа 1,38 мі/кгтоплива.

Городской газ из угля получают на парокислородном дутье под давлением до 2-3 Мн/мІ (20-30 кгс/смІ); в этих условиях газ обогащается метаном; например, при газификации бурого угля образуется газ состава (объёмных %): 23,6 CO, 55,7 H₂, 14,3 CH₄, 5,5 N₂, 0,2 (CO₂ + H₂S) и 0,7 C_mH_n; теплота сгорания около 16,8 Мдж/мі (4000 ккал/мі), выход газа 0,97 мі/кг топлива. Городской газ из жидкого топлива берут комбинированием газификации и пиролиза под давлением. Мощность агрегатов по производству газа из твёрдого топлива достигает 80 000 мі/час в одном агрегате; из жидкого топлива - до 60 000 мі/час. Преобладающие тенденции в развитии техники газификации топлив - осуществление процесса под высоким давлением (до 10 Мн/мІ и выше) в установках большой мощности. Степень применения тепла, заключённого в топливе, составляет 70-90%.

Газификация топлив приобрела распространение в 19 в. благодаря плюсам газового топлива перед твёрдым и жидким. В то же время развивалось производство светильного газа, основанное на процессах термической деструкции топлива без доступа воздуха (сухой перегонки, коксования). При газификации топлив в газ переходит вся горючая часть топлива, а при образовании светильного газа - только часть топлива. В 1-й половине20 в. водяной газ создается с целью получения водорода для выделения аммиака и синтетического жидкого топлива. После второй мировой войны 1939-45 быстро стали проектироваться способы газификации жидких топлив под давлением, особенно в районах, далеких от источников природного газа. В СССР успешно разрабатываются методы получения из высокосернистого котельного топлива (мазута) малосернистого газообразного топлива для электростанций. Благодаря этому резко уменьшаются загрязнение воздушного бассейна сернистым газом, а также коррозия котельного оборудования.

1.2 Анализ видов газогенераторов

Газогенератор - аппарат для термической переработки твёрдых и жидких топлив в горючие газы, создаваемой в присутствии воздуха, свободного или связанного кислорода (водяных паров). Получаемые в газогенераторе газы называются генераторными. Горение твёрдого топлива в газогенераторе в отличие от абсолютно любой топки осуществляется в большом слое и характеризуется поступлением количества воздуха недостаточного для полноценного сжигания топлива (например, при работе на паровоздушном дутье в газогенераторе подаётся 33-35% воздуха от теоретически необходимого). Получаемые в газогенераторе газы содержат продукты полного горения топлива (углекислый газ, вода) и продукты их восстановления, неполного горения и пирогенетического разложения топлива (угарный газ, водород, метан, углерод). В генераторные газы переходит также и азот воздуха. Процесс, происходящий в газогенераторе, называется газификацией топлива.

Газогенератор чаще всего представляет собой шахту, внутренние стенки которой выложены огнеупорным материалом. Сверху этой шахты загружается топливо, а снизу подаётся дутьё. Слой топлива поддерживается колосниковой решёткой. Процессы образования газов в слое топлива газогенераторе показаны на рисунке 1.1. Подаваемое в газогенератор дутьё сначала проходит через зону золы и шлака 0, где оно немного подогревается, а далее поступает в раскалённый слой топлива (окислительная зона, или зона горения 1), где кислород дутья вступает в реакцию с горючими элементами топлива. Образовавшиеся продукты горения, идущие вверх по газогенератору и встречаясь с горячим топливом (зона газификации II), восстанавливаются до окиси углерода и водорода. При дальнейшем движении вверх сильно нагретых продуктов восстановления происходит термический распад топлива (зона разложения топлива III) и продукты восстановления обогащаются продуктами разложения (газами, смоляными и водяными парами). В результате разложения топлива образуются сначала полукокс, а затем и кокс, на поверхности которых при их опускании вниз наблюдается восстановление продуктов горения (зона II). При опускании ещё ниже происходит горение кокса (зона 1). В верхней области газогенератора происходит сушка топлива теплом поднимающихся газов и паров.

Рисунок 1.1 - Схема процесса образования газа в газогенераторе прямого процесса

В зависимости от того, в каком же виде подаётся в газогенератор кислород дутья, состав генераторных газов меняется. При подаче в газогенератор только воздушного дутья получается воздушный газ, теплота горения которого в зависимости от перерабатываемого топлива меняется от 3,8 до 4,5 Мдж/мі (900-1080 ккал/мі). Применяя дутьё, обогащенное кислородом, получают парокислородный газ (содержащий меньше количества азота, чем воздушный газ), теплота горения которого может быть доведена до 5-8,8 Мдж мі (1200-2100 ккал/мі).

В процессе работы газогенератора на воздухе с умеренной прибавкой к нему водяных паров получается смешанный газ, теплота сгорания которого (в зависимости от исходного топлива) колеблется от 5 до 6,7 Мдж/мі (1200-1600 ккал/мі). И, теперь, при подаче в раскалённый слой топлива газогенератора водяного пара получают водяной газ с теплотой сгорания от 10 до 13,4 Мдж/мі (2400-3200 ккал/мі.

Несмотря на то, что идея газогенератора была выдвинута в конце 30-х гг. 19 в. в Германии (Бишофом в 1839 и Эбельманом в 1840), их промышленное применение началось после того, как Ф. Сименсом (1861) был предложен регенеративный принцип отопления заводских печей, позволивший эффективно использовать генераторный газ. Создателями первого промышленного газогенератора были братья Ф. и В. Сименс. Их конструкция газогенератора получила повсеместное распространение и просуществовала в течение 40-50 лет. И только в начале 20 в. появились более совершенные конструкции.

В зависимости от вида перерабатываемого твёрдого топлива различают типы газогенераторов: для тощего топлива - с малым выходом летучих веществ (кокс, антрацит, тощие угли), для битуминозного топлива - с большим выходом летучих веществ (газовые и бурые угли), для древесного и торфяного топлива и для отбросов минерального топлива (коксовая и угольная мелочь, остатки обогатительных производств). Различают газогенератор с жидким и твёрдым шлакоудалением. Битуминозные топлива чаще всего газифицируются в газогенераторе с вращающимся водяным поддоном, а древесина и торф - в газогенераторе большого внутреннего объёма, т. к. перерабатываемое топливо имеет малую плотность. Мелкое топливо обрабатывается в газогенераторе высокого давления и во взвешенном или кипящем слое.

По назначению газогенератор можно разделить на стационарные и транспортные, а по месту подвода воздуха и отбора газа на газогенераторе прямого, обращенного и горизонтального процесса (рисунок 1.4). В газогенераторе прямого процесса (рисунок 1.1) движение носителя кислорода и образующихся газов происходит снизу вверх. В газогенераторе с обращенным процессом (рисунок1.2) носитель кислорода и образующийся газ движутся сверху вниз. Для обеспечения обращенного потока средняя часть таких газогенераторе снабжается фурмами, через которые вводится дутьё. Так как отсасывание образовавшихся газов осуществляется снизу газогенератора, то зона горения 1 (окислительная) находится сразу же под фурмами, ниже этой зоны следует зона восстановления II, над зоной горения 1 располагается зона III - пирогенетического разложения топлива, происходящего за счёт тепла раскалённого горящего кокса зоны 1. Сушка самого верхнего слоя топлива в газогенераторе происходит за счёт передачи тепла от зоны III. В газогенераторе с горизонтальным процессом носитель кислорода и образующийся газ движутся в горизонтальном направлении.

При эксплуатации газогенераторе соблюдается режим давления и температуры, величина которых зависит от перерабатываемого топлива, назначения процесса газификации и конструкции газогенератора.

Бурное развитие газовой промышленности в СССР привело к почти полной замене генераторных газов природными и попутными, т. к. себестоимость последних значительно ниже. В зарубежных странах, где мало природного газа, газогенератор широко применяются в различных отраслях промышленности (ФРГ, Великобритания).

Рисунок 1.2 - Схема обращеного процесса образования газа в газогенераторе

На рисунке 1.3 изображен двухзонный газогенератор.

Рисунок 1.3 - Двухзонный газогенератор

Рисунок 1.4 - Горизонтальный газогенератор

1.3 Применение газогенераторов

Газогенераторный автомобиль - автомобиль, двигатель которого работает на газе, получаемом из твердого топлива в газогенераторе, смонтированном на базе его шасси. В СССР работы над созданием газогенератора были начаты в 1923, серийный выпуск газогенераторного автомобиля ЗИС-13) был освоен в 1938. В качестве топлива для газогенераторного автомобиля используются древесные чурки (преимущественно твёрдых пород, влажностью 20-25%) либо бурый уголь. Может быть применение древесного угля, торфа, полукокса, антрацита и др. газогенераторные автомобили предназначены для использования в районах, далеких от мест производства жидкого топлива. Газогенераторный автомобиль широко применялись во время Великой Отечественной войны 1941-45, когда ощущался большой недостаток жидкого топлива для нужд автомобильного транспорта.

Газогенераторная установка автомобиля состоит из газогенератора, очистительно-охладительного и газосмесительных устройств.

При работе на генераторном газе двигатель развивает намного меньшую мощность, чем при работе на бензине, из-за меньшей теплоты сгорания газовоздушной смеси (2,4-2,5 кдж/мі (580-600 кал/мі))по сравнению с бензо-воздушной (3,5-3,6 кдж/мі (830-850 кал/мі)). Эти потери мощности возможно частично скомпенсированы повышением степени сжатия двигателя (в связи с меньшей склонностью генераторного газа к детонации), а улучшение динамических качеств автомобиля может быть достигнуто изменением передаточного отношения главной передачи.

Относительно большая масса газогенераторной установки (примерно 350 кг) снижает полезную грузоподъёмность газогенераторного автомобиль. Газогенераторный автомобиль на базе автомобиля ЗИЛ-164 (грузоподъёмность 3500 кг, мощность двигателя 47 квт) расходует на 100 км пробега 100-140 кг берёзовых чурок влажностью 25% диаграммы, где измеренные значения во время испытания нагрузка.

Инженерные решения всегда совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35%на водном теплоносителе с температурой 55 °C. Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в целых 39%.

Современные бензиновые двигатели такой же мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 27-30%, а турбированные дизели в пределах 31-35%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А освоением выпуска жаропрочной керамики подобных инновационных материалов появится возможность сильно повышать температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

1.4 Влияние влажности топлива на калорийность генераторного газа и возможность газификации

Газогенератор относится к устройствам для газификации древесных отходов, может использоваться для переработки влажного опила в генераторный газ, пригодный для питания двигателей внутреннего сгорания мобильных электростанций, и позволяет газифицировать опил с относительной влажностью до 120 % в генераторный газ, пригодный для питания двигателей внутреннего сгорания, результаты представлены на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Затухание процесса газификации

Указанный технический результат достигается в газогенераторе обращенного процесса газификации, содержащем футерованный корпус с подсушкой опила в его верхней части и коаксиально установленным кожухом, образующим с корпусом, патрубок с дроссельной заслонкой, подключенный к внутренней части коаксиального трубопровода, сообщенного с камерой горения, расположенной на уровне фурменного пояса, в корпусе размещено устройство виброожижения опила, оснащенное вибратором эксцентрикового типа и расположенное ниже фурменного пояса в камере восстановления, а под устройством виброожижения размещена сменная зольниковая решетка с зольниковой камерой.

Изобретение относится к установкам для газификации древесных отходов и может быть использовано для переработки влажного опила в генераторный газ, пригодный для питания двигателей внутреннего сгорания мобильных электростанций, и позволяет газифицировать опил с относительной влажностью до 120 вес.%. в генераторный газ, пригодный для питания двигателей внутреннего сгорания.

Известен газогенератор для газификации твердых топлив: торфа, торфяных брикетов, дров, древесных отходов. Газогенератор содержит корпус с футеровкой и топочной дверцей, бункер для топлива с загрузочным люком, камеру для золы и сводчатый рассекатель. Камера для золы имеет дверцу для ее удаления и устройство для подачи и регулирования воздуха. Сводчатый рассекатель вмонтирован внутри корпуса, под сводчатым рассекателем расположены отверстие для отвода газов со вставленной в него жаровой трубой и подвижная с возможностью подъема-опускания колосниковая решетка. Жаровая труба имеет устройство для подачи и регулирования вторичного воздуха. Газогенератор снабжен поворотными лопастями, установленными внутри корпуса. Оси поворота лопастей расположены параллельно рассекателю. Рассекатель в верхней части снабжен вертикальной пластиной, рассекатель и вертикальная пластина снабжены поперечными ребрами. Действие устройства основано на газификации твердого топлива при его сжигании и подаче горючего газа в жаровую трубу и дальнейшей подаче газа в нагревательное устройство.

Минусамиустройства являются возможность работы установки только вместе с внешними теплообменниками; невозможность вырабатывать генераторный газ, пригодный для питания двигателей внутреннего сгорания; отсутствие теплообменного устройства для нагрева жидкости непосредственно в газогенераторе; относительно низкая температура в камере горения, которая не позволяет обеспечить интенсивное удаление влаги из опила; рассекатель не позволяет обеспечить полноценное прохождение газов в мелкодисперсных древесных отходах, таких как опил.

Указанные минусы ограничивают сферу применения установки, используемого только для обогрева жилых и производственных помещений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявленному изобретению является газогенератор обращенного процесса газификации, содержащий футерованный корпус с подсушкой опила в его верхней части и коаксиально установленным кожухом, образующим с корпусом «рубашку.

Недостатком этого газогенератора является невозможность газификации мелкодисперсного опила влажностью до 120 вес.% ввиду низкого кпд из-за больших габаритов газогенератора.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является устранение указанных недостатков.

Для достижения указанного технического результата в указанном газогенераторе обращенного процесса газификации, содержащем футерованный корпус с подсушкой опила в его верхней части и коаксиально установленным кожухом, образующим с корпусом «рубашку», согласно изобретению имеется патрубок с дроссельной заслонкой, подключенный к внутренней части коаксиального трубопровода, сообщенного с камерой горения, расположенной на уровне фурменного пояса, в корпусе размещено устройство виброожижения опила, снабженное вибратором эксцентрикового типа и расположенное ниже фурменного пояса в камере восстановления, а под устройством виброожижения размещена сменная зольниковая решетка с зольниковой камерой.

1.5 Способы и устройства газификации влажного топлива

Во время экспериментов с прицепами-газогенераторами в начале нынешней мировой войны также известный в Швеции автогонщик SPJ Кейнанен обнаружил, что для свободного наблюдения за задним ходом он должен сделать топливный бак газификатора низким, но для того, чтобы все еще было место для Достаточно топлива, ему пришлось значительно увеличить его ширину. Эти первичные условия в сочетании с незавершенным в то время знанием изобретателем ранее существующих конструкций газификаторов приводят к топливному контейнеру, сконструированному таким образом, который несколько отличался от созданного Имбертом ортодоксального типа, и, таким образом, был создан контейнер с моноратором.

Рисунок 1.6 - Газификатор на медном заводе Оутокумпу

На медном заводе Утокумпу в Вуоксенниске был построен большой стационарный газогенератор, работающий с избыточным давлением (рисунок 1.6.), где топливный контейнер был соединен с распылительным конденсатором, который эффективно отсасывал пар и высушивал топливо таким образом. Использовалась полностью влажная древесина, но конденсатор должен был снабжаться регулируемым клапаном, чтобы можно было выпускать некоторые постоянные газы, в противном случае его конденсационная емкость стала бы недостаточной и качество газа было бы слишком низким.

Рисунок 1.7 - Сушка топлива с эжектором

Несколько лет назад в лаборатории Технологического института в Хельсинки я также предпринял попытки удалить пар из топливного бака автомобильного газификатора с помощью эжектора (рисунок 1.7).Что касается, выхлопных газов, то они из двигателя использовались в качестве питательной среды. Во время этих испытаний можно было наблюдать значительное улучшение качества газа.

К сожалению, некоторые горючие газы были потеряны, чего удалось избежать с помощью устройства, предложенного др. Лутц (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Устройство для сушки, предложенное Lutz

Однако практический опыт работы с новым дизайном был непонятным: автомобиль работал не только удовлетворительно с обычным воздушно-сухим топливом, но и со свежей древесиной, двигатель работал надежно и с приемлемой мощностью. Довольно странно, что сам изобретатель на ранней стадии был не совсем осознавая, что он действительно создал. Даже несколько лет назад он получил очень хорошее предложение, но даже не осмелился продать право на производство, так как у него еще не было ни малейшего представления о том, в чем секрет.

Рисунок 1.9 - Схема моноратора

Разница между обычным контейнером с охлаждающим кожухом и моноратором показана на рисунке 1.9. В газификаторе обычного типа топливный контейнер высокий и худой, окружен теплым газом и снабжен только сравнительно небольшой охлаждающей поверхностью сверху. Дно контейнера также нагревается в полном объеме. Однако в монораторе топливный бак низкий, выполнен круглым, овальным или прямоугольным с нижней поверхностью, которая в большей степени охлаждается или, по крайней мере, имеет охлаждаемую поверхность, которая значительно больше площади поперечного сечения самого газогенератора.

В то время как топливный контейнер в стандартном газогенераторе нагревается как от очага, так и от горячих газов, которые проходят вокруг нижних частей контейнера, только части топлива в монораторе получают тепло и только из печи, в то время как основной порция топлива защищена от нагрева благодаря форме топливного контейнера и особой форме охлаждаемого дна и охлаждается пропорционально большими охлаждающими поверхностями, контактирующими с окружающим воздухом.

В зависимости от формы контейнера и способа его при нагревании циркуляция газов будет полностью фиксированной: нагревание и испарение происходят исключительно в центре и в ограниченном объеме, так что только часть топлива высушивается и обугливается, после чего испарение остается в таких пределах, что избыточное давление избегать.

Влажные, горячие газы поднимаются вверх к центру контейнера, отклоняются к боковым стенкам его верхней части, а затем охлаждаются за счет подачи холодного основного топлива и больших холодных наружных стенок, так что влага конденсируется и опускается вниз. с газами в направлении дна, где конденсированная вода проходит через решетку и собирается в полностью охлажденной борозде, а затем поступает в разделительные сосуды. Основная же часть топливного отделения работает таким образом, как и поверхностный конденсатор с очень большой поверхностью.

Газы, высвобождаемые из влаги, затем всасываются по направлению к центру и возвращаются в процесс. В отличие от определенной циркуляции в монораторе, циркуляция в обычном газификаторе является полностью хаотической.

Поскольку стенки топливного контейнера нагреваются, практически весь топливный склад одновременно нагревается, что приводит к слишком резкому и внезапному испарению, так что контейнер работает как паровой котел, давление которого выталкивает пар через зону реакции, что тем самым охлаждается, а качество газа снижается.

Поскольку стенки топливного отсека нагреваются, вдоль них происходит процесс сушки, при котором горячие газы поднимаются вверх, что препятствует возникновению определенной циркуляции, описанной выше. Даже если пропорционально недостаточные охлаждающие поверхности конденсируют какую-либо воду, она снова будет нагреваться поднимающимися горячими газами и снизу, нагреваться за счет теплопроводности, так что большая часть ее снова испаряется и, следовательно, не может быть достигнуто эффективное разделение.

Испытания показывают, что более старые стандартные газификаторы можно легко изменить, чтобы они стали пригодными также для влажного топлива, если только оригинальный предварительно нагретый топливный контейнер снимается и заменяется монораторным контейнером.

Поскольку печь, как правило, длится дольше, чем топливный контейнер, который подвержен коррозии кислотами из древесины, большинство существующих газификаторов уже корродировали свои топливные контейнеры, и переход на контейнер-моноратор, таким образом, не повлечет за собой дополнительных затрат, тем меньше учитывая тот факт, что они имеют одинарные стены и поэтому экономят металл.

В Финляндии министерство государственного обеспечения приняло это во внимание и на самом деле запретило производство топливных контейнеров для газификаторов с двойными стенками. Кроме того, для промышленных газификаторов контейнер с моноратором должен иметь свое значение.

Сушильным агентом называются нагретые водяной пар атмосферного давления, воздух и продукты сгорания (топочные газы), которые при соприкосновении с влажной древесиной отдают ей теплоту и одновременно отбирают из нее влагу, высушивая древесину.

Атмосферный воздух (холодный -- зимой, теплый летом или дополнительно подогретый -- в сушильных установках) всегда содержит в виде гомогенной (однородной) примеси водяной пар (далее обозначается-- пар) в различных количествах на 1 м³ воздуха. При этом масса пара, выраженная в кг/м³ , называется его плотностью. Такую же единицу измерения имеет и плотность воздуха. Находясь в общем объеме, они создают суммарную плотность.

Известно, что в обычных условиях атмосферного воздуха пар прозрачный, т. е. невидимый. Если пар содержит взвешенные, очень мелкие капельки воды, будет туман или облака, которые не пропускают световых лучей, т. е. непрозрачны. Таким образом, туман содержит и воздух, и пар, и капельки воды.

Пар называют сухой насыщенный, если он не испаряет воду той же температуры, что и с открытой поверхности.

Путем подогрева сухой насыщенный пар превращается в перегретый; следовательно, в этом случае он способен испарять воду, пока не станет насыщенным.

Подведение тепла к пиломатериалам для превращения влаги в парообразное состояние возможно также следующими способами:

1) с горячей гидрофобной (т. е. водоотталкивающей) жидкостью, например петролатумом;

2) твердыми телами при контакте древесины с горячей металлической поверхностью;

3) лучистой теплотой, направленной к древесине от специальных панелей-излучателей;

4) электрическим током, пропускаемым через влажную древесину и нагревающим ее;

5) электромагнитным полем высокой частоты, пронизывающим и нагревающим влажную древесину. Все эти физические воздействия имеют опытное значение.

Известный интерес представляют опытные методы обезвоживания древесины без превращения ее влаги в пар, т. е. без затраты тепла на парообразование:

1) центрифугирование при больших частотах вращения образца древесины, когда ось его вращения проходит посредине его длины;

2) частично от воздействия высокочастотного электромагнитного поля;

3) воздействие разности потенциалов постоянного электрического тока (явление электроомоса), а также выдавливание воды (например, при лущении шпона).

2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ. РАЗРАБОТКА ГАЗОГЕНЕРАТОРА ДВУХЭТАПНОГО ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ

2.1 Газогенератор двухэтапного процесса газификации

Для решения задачи использования топлива большой влажности (свежей заготовки) и применения итогового генераторного газа без смол для использования в ДВС или для других потребителей, предъявляющих повышенные требования к чистоте генераторного газа предлагается принципиальной новый вид газогенератора.

Данный вид газогенератора соединяет в себе прямой и обращенный процессы генерации, но в отличие от двухзонного газогенератора (в котором генераторный газ идет навстречу друг другу с нижней и верхней частей устройств и отводится в центре) предполагает последовательное двухэтапное прохождение горючего газа через две зоны восстановления (газ идет из центра в противоположных направлениях).

На чертеже (рисунок 2.1) изображена схема газогенератора.

Газогенератор состоит из 4 блоков.

Рисунок 2.1 - Двухэтапный газогенератор

I блок - Первичная камера. Газогенератор прямого процесса.

II блок - Вторичная камера. Газогенератор обращенного процесса.

III блок - зона конфузора или диффузора, разделяющая первичную и вторичную камеры I и II блоков.

IV блок - подсистема управления газогенератором с блоком трубопроводов, теплообменников.

I Блок представляет собой газогенератор прямого процесса (без зольника и колосниковой решетки). Кислородную зону и зону восстановления этого блока для обеспечения розжига газогенератора заполняют сухим топливом (древесный уголь, дрова). Зона сухой перегонки и зона подсушки заполняется сырыми свежезаготовленными дровами абсолютной влажностью до 100-120 %.

Воздух в слой газифицируемого топлива подводится через фурмы блока. Под воздействием разрежения, создаваемого в верхней части газогенератора вентиляторами IV блока управления воздух проходит в кислородную зону. В этой зоне проходят экзотермические реакции окисления углерода топлива с повышением температуры до 1200-1500^ОС. Также при повышенных температурах завершается сушка древесины.

Поток газов из кислородной зоны поднимается вверх и разогревает расположенный здесь слой топлива до 900-1100^ОС. Здесь происходят эндотермические реакции восстановления, а также происходит сушка древесины и происходит разложения паров воды.

После понижения температуры в слое топлива менее 900^ОС реакции восстановления СО и разложения воды практически прекращаются. В этой зоне происходят химические и физические реакции сухой перегонки топлива и образования воды, смол, спиртов и других компонентов, происходит сушка древесины.

При понижении температуры газов и топлива менее 300^ОС процессы сухой перегонки прекращаются и проходят, в основном, физические процессы сушки топлива с дополнительным выделением паров воды, происходит сушка древесины.

Сушка древесины происходит с поглощением теплоты. В верхней части первичной камеры с понижением температуры до 60-110^ОС (в зависимости от исходной влажности древисины и доли паров воды в первичном генераторном газе) наступает состояние равновесной влажности и с точки зрения движения генераторного газа сушка древесины прекращается (с точки зрения движения древесины - сушка начинается).

В верхней части газогенератора (блока I) производится отбор первичного газа. Такой газ не пригоден для питания ДВС. Поэтому этот газ подается через систему трубопроводов и вентиляторов блока управления IV во II-ой блок - газогенератор обращенного типа.

II блок представляет собой газогенератор обращенного типа (без зоны сухой перегонки и подсушки). Воздух подается в верхнюю часть блока. Под воздействием разрежения, создаваемого вытяжными вентиляторами IV блока газогенератора, переменного сечения III блока (конфузора/диффузора) и нахождения слоя топлива в III блоке - процесс горения (газогенерации) направляется вниз устройства. В кислородной зоне за счет экзотермических реакций в слое топлива происходит разогрев до 1200-1500^ОС. В кислородной зоне происходит основное выгорание кислорода воздуха.

У нижней границы кислородной зоны находятся фурмы подачи первичного газа (обогащенного смолами, парами воды и др.). При температуре 900-1200^ОС в этой зоне происходят эндотермические реакции восстановления СО, разложения паров воды, смол и др. компонентов первичного газа. Горючие компоненты первичного газа (СО, Н₂, CH₄, С_nH_m) в силу условий зоны (высокой температуры и малое содержание кислорода) будут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях в целом повышая калорийность генераторного газа.

Содержание в первичном газе паров воды приведет к снижению КПД установки - потребует большей энергии для разложения паров воды, которые придется получать из экзотермических окислительных реакций в кислородной зоне. Зато калорийность получаемого генераторного газа будет выше, что более ценно для топлива для ДВС, чем КПД установки.

III блок- зона конфузора (диффузора) необходима для разделения камер газогенератора, работающих по прямому и обращенному циклам. Геометрические параметры этой зоны (сужение/расширение, высота) при минимально возможных размерах должны обеспечить максимально возможную изоляцию. Температура в зоне составляет 1000-1200^ОС и поддерживается конвекционным теплом и теплом топлива кислородных зон I и II блоков газогенератора. Движение горючих газов в зоне должно быть минимальным. Восстановительные реакции должны быть минимизированы.

Поступление топлива между блоками обеспечивается за счет силы тяжести.

IV блок - подсистема управления, газопроводов и теплообменников.

Управление работой двухэтапного газогенератора зависит от:

· меняющейся нагрузки потребителя газа;

· начальной влажности топлива;

· изменяющейся в процессе газогенерации доли воды в первичном газе, влияющей на восстановительные процессы и процессы разложения воды в восстановительной зоне вторичной камеры;

· температуру и состояние топлива в камерах.

Для обеспечения работы установки необходимы:

1. Орган управления.

2. Информационная система (датчики, считывающие показания состояния системы).

3. Исполнительные органы:

3.1 Вытяжной вентилятор первичной камеры;

3.2 Вытяжной вентилятор вторичной камеры;

3.3 Приточные вентиляторы первичной и вторичной камер (возможно применение одного вентилятора с регулирующими заслонками поступления воздуха в каждую камеру);

Из-за изменяющихся условий газогенерации производительность вентиляторов подсистемы управления должна меняться и подстраиваться под состояние и ход процесса.

Обеспечить работу двухэтапного газогенератора по жесткой системе управления (за счет только параметров камер сгорания и конфузора/диффузора с установленными производительностями всех вентиляторов) не представляется возможным. При охлаждении первичного газа и последующем отводе сконденсированной воды - стабильность работы вторичной камеры может быть обеспечена применение жесткой системы управления.

На базе высшего учебного заведения, а именно Вологодского государственного университета, была спроектирована и воссоздана газогенераторная установка двухэтапного типа (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Газогенератор спроектированный на базе ВоГУ

Для повышения общего КПД системы, недопущения конденсации влаги первичного газа, возможно применение теплообменников для передачи тепла от генераторного газа - первичному газу ивоздуху, и в зоне подсушки.

По имеющимся сведениям, предлагаемая совокупность существенных признаков, характеризующих возможность переработки твердого топлива абсолютной влажностью до 120% в полноценный генераторный газ за счет двухэтапного процесса газификации, не известна из уровня техники, следовательно, изобретение обладает новизной. Сущность заявляемого изобретения не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники. Совокупность признаков, характеризующих известные газогенераторы, не обеспечивает, что указывает на получение новых свойств, присущих предлагаемому изобретению. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Данное изобретение может быть использовано в малой и средней энергетике, на автомобильном транспорте в качестве дешевых источников топлива для ДВС (и) последующего получения электрической энергии, используемых на производственные нужды. Данное устройство доступно в изготовлении на современном уровне развития науки и техники, и может многократно обеспечить получение указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о промышленной применимости предлагаемого изобретения.

2.2 Сравнения, преимущества

В газификаторе обычного типа топливный контейнер высокий и худой, окружен теплым газом и снабжен только сравнительно небольшой охлаждающей поверхностью сверху. Дно контейнера также нагревается в полном объеме. Однако в монораторе топливный бак низкий, выполнен круглым, овальным или прямоугольным с нижней поверхностью, которая в большей степени охлаждается или, по крайней мере, имеет охлаждаемую поверхность, которая значительно больше площади поперечного сечения самого газогенератора. , В то время как топливный контейнер в стандартном газогенераторе нагревается как от очага, так и от горячих газов, которые проходят вокруг нижних частей контейнера, только части топлива в монораторе получают тепло и только из печи, в то время как основной Порция топлива защищена от нагрева благодаря форме топливного контейнера и особой форме охлаждаемого дна и охлаждается пропорционально большими охлаждающими поверхностями, контактирующими с окружающим воздухом. В зависимости от формы контейнера и способа его при нагревании циркуляция газов будет полностью фиксированной: нагревание и испарение происходят исключительно в центре и в ограниченном объеме, так что только часть топлива высушивается и обугливается, после чего испарение остается в таких пределах, что избыточное давление избегать.

Таким образом преимуществами новой установки являются:

-размер бункера;

-удобство поступления топлива;

-размер применяемого топлива (возможность применения чурок до 50 см);

-сушка топлива (по всему объему топлива в бункере)

-температура в бункере и эффективность сушки;

-теплоизоляция и КПД газогенератора

Недостатки установки:

-энергозависимость;

-необходимость использовать сложную программу управления

2.3 Потенциал применения газогенератора двухэтапного процесса газификации

Газогенераторная установка является новым типом газогенераторов, в которых производство генераторного газа осуществляется за два этапа. На первом этапе производство генераторного газа осуществляется по прямому процессу, в ходе которого имеется большая зона подсушки топлива. Это позволяет использовать в качестве топлива свежезаготовленные дрова и другое твердое топливо с абсолютной влажностью до 120%. Генераторный газ после первого этапа подвергается повторному прохождению через газогенератоную установку обращенного цикла. Оба цикла объединены в едином корпусе и являются неразрывными частями единого устройства.

На текущий момент рынок газогенераторных установок напоминает рынок мобильных телефонов до 2007 года: когда на рынок пришло революционное устройство, изменившее облик цивилизации.

Сегодня рынок газогенераторных устройств выглядит примерно так:

Рисунок 2.3 - Важный сегмент рынка - фанаты газогенераторного процесса

В пользу продолжения развития газогенераторных агрегатов говорит их органичное сочетание с биотопливными элементами, которые являются безоговорочно одним из самых перспективных источников горючего сырья. В направлении оптимизации конструкций под пеллеты и брикеты с большей вероятностью будет осуществляться движение данной концепции. Что касается газогенераторных установок для автомобилей, то на промышленном уровне их разработка тоже может себя оправдать экономически. К слову, порядка 2 кг дешевых топливных материалов вырабатывают столько же энергии для машины, сколько 1 л бензина. Однако процессу развития в данном направлении все же препятствует необходимость усложнения конструкции автомобилей и появление все новых конкурентных генераторов, которые также приходят на смену обычным ДВС.

Частные домовладения-усадьбы-хутора-охотничьи домики-кордоны-заставы, не имеющие доступ к электрическим и газовым сетям. Ежегодно в РФ вводится около 250 тыс. частных домов. Согласно данных опроса около 11% владельцев хотели бы иметь независимый автономный источник электроэнергии. При этом около 1,2% готовы потратить на установку 10 кВт мощностей до 150 000 руб. (Рынок около 450 млн.руб. в год).

Лесозаготовительные предприятия, имеющие практически бесплатное сырьё (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Газогенератор на лесозаготовительном предприятии

Министерство обороны РФ в качестве дополнительной системы обеспечения надёжности электроснабжения специальных военных объектов в рамках подготовки к затяжной крупномасштабной войне - войне на истощение (наличие в ВС РФ подобных установок сделает бессмысленным попытки полного уничтожения транспортной и промышленной инфраструктуры для сокращения военного потенциала).МЧС при проведении аварийно-спасательных операций в удаленных районах (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Использование газогенератора Министерством обороны РФ

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТО ГАЗОГЕНЕРАТОРА

3.1 Краткая характеристика газогенераторной установки

К преимуществам современных газогенераторных технологий можно отнести практически полное сгорание топлива, высокую производительность, простоту конструкции, возможность создания многотопливного газогенератора и относительно низкую стоимость генераторного газа. Кроме того, высока экологическая безопасность газогенераторных установок. Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, образующийся от сгорания сернистых компонентов топлива, а также тетраэтилсвинец. В генераторном газе сера, как правило, не содержится, и поэтому в выхлопе газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца. В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива содержится окись углерода (СО) - высокотоксичное для человека вещество. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше, чем бензинового или дизельного. Как газовые, так и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами эти вещества, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества, такие как этил и этилен. Газовый двигатель производит метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля наименее опасен. Генераторный газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам. Данный дипломный проект имеет целью перевод двигателя ВАЗ-2106 для работы на генераторном газе.

Двигатель:Это классический двигатель, имеющий систему охлаждения закрытого типа. Имеется специальная емкость для охлаждающей жидкости, которая расположена на верхней части распредвала.

Двигатель выполняет свой рабочий цикл в четыре такта. Работает на основе карбюраторной системы. Чтобы емкость внутри агрегата охлаждалась быстро, имеется специальная система принудительной циркуляции охлаждающей жидкости В блоке цилиндров на пяти подшипниках скольжения расположен распределительный вал. Коленчатый вал установлен в нижней части блока.

Система смазки комбинированного типа. Это значит, что процесс основан и на давлении, и на разбрызгивании (таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Краткая характеристика газогенератора

Наименование показателей	Нормативнаявеличина
Тип	прямого процесса
Вид топлива	древесина
Наименование получаемого газа	генераторный газ
Высота, мм	15000
Внешний диаметр, мм	300
Количество фурм, шт	5
Диапазон выхода газа max min	140 18
Максимальный расход древесины, кг/ч	67
Скорость воздушного взрыва	30
Состав газа, % водород Н2 углекислый газ СО2 оксид углерода СО метан СН4 непредельные углеводороды СnHm (без смол) кислород О2 азот N2	16,1 9,2 20,9 2,3 0,2 1,6 49,7
Влажность древесины, %	20
КПД, %	92
Температура газа на выходе из камеры, єC	600
Зольность, %	4
Рабочее давление в газогенераторе, кПа	До 2
Газ дутья	воздух

В газогенераторах прямого процесса подача воздуха обычно осуществлялась через колосниковую решетку снизу, а газ отбирался сверху. Непосредственно над решеткой располагалась зона горения. За счет выделяемого при горении тепла температура в зоне достигала 1300 - 1700 С.

Над зоной горения, занимавшей лишь 30 - 50 мм высоты слоя топлива, находилась зона восстановления. Так как восстановительные реакции протекают с поглощением тепла, то температура в зоне восстановления снижалась до 700 - 900 С.

Выше активное зоны находились зона сухой перегонки и зона подсушки топлива. Эти зоны обогревались теплом, выделяемым в активной зоне, а также теплом проходящих газов в том случае, если газоотборный патрубок располагался в верхней части генератора. Обычно газоотборный патрубок располагали на высоте, позволяющей отвести газ непосредственно на его выходе из активной зоны. Температура в зоне сухой перегонки составляла 150 - 450 С, а в зоне подсушки 100 - 150 С.

В газогенераторах прямого процесса влага топлива не попадала в зону горения, поэтому воду в эту зону подводили специально, путем предварительного испарения и смешивания с поступающим в газогенератор воздухом. Водяные пары, реагируя с углеродом топлива, обогащали генераторный газ образующимся водородом, что повышало мощность двигателя.

Подача водяного пара в газогенератор должна производиться пропорционально количеству сжигаемого в газогенераторе топлива. Существовало несколько способов регулировки подачи пара в камеру газификации:

- механический способ, когда вода подавалась в испаритель газогенератора с помощью насоса, приводимого в действие от двигателяи имевшего перепускной кран, который был связан с дроссельной заслонкой. Таким образом, количество воды, подаваемой в газогенератор, изменялось в зависимости от числа оборотов и нагрузки двигателя;

- термический способ, когда в испарителе, расположенном вблизи зоны горения, поддерживался с помощью поплавкового устройства необходимый уровень воды, а количество образующегося пара изменялось в зависимости от нагрева испарителя, то есть в зависимости от температуры в зоне горения

- гидравлический способ, когда расход воды регулировался иглой, перекрывавшей сечение жиклера, и связанной с мембраной, на которую действовала разность давлений до и после диафрагмы, установленной в газопроводе, соединявшим газогенераторную установку с двигателем;

- пневматический способ, при котором вода подавалась в испаритель газогенератора вместе с воздухом, засасываемым через обычный карбюратор.

3.2 Разработка технологического процесса ТО газогенератора

3.2.1 Перечень работ ТО газогенератора и применяемое оборудование

Абсолютная величина сопротивления газогенераторной установки и интенсивность нарастания сопротивления по мере работы автомобиля в результате засорения газогенератора золой и шлаком, а очистителей -- пылью характеризует совершенство конструкции установки и определяет продолжительность работы отдельных ее элементов до чистки.

В современных газогенераторных установках не следует допускать увеличения сопротивления более чем на 50%; падение мощности по мере засорения установки не должно превышать 10% (за 100% принята мощность двигателя при работе с вычищенной установкой).

За 4,5 часа работы мощность двигателя падает на 4% (принимая за начало отсчета показатели после 15 мин. работы двигателя), сопротивление газогенератора возросло на 50%, а сопротивление газогенераторной установки в целом увеличилось на 7%. Следовательно, в данном случае падения мощности на 10% можно ожидать через 10--12 час. работы, т. е. примерно через 300 км пробега. После этого пробега и следует производить чистку камеры газификации газогенератора. Чистка газогенераторных установок производится путем удаления очаговых остатков из зольника газогенератора, чистки грубых очистителей и путем промывки водой тонких очистителей и охладителей. В газогенераторах, работающих на шлакующихся топливах, или газогенераторах без колосниковой решетки, работающих на древесных чурках, помимо чистки зольника приходится производить полную перезарядку газогенератора с удалением из камеры газификации остатков угольной мелочи, золы и шлака. Через определенный пробег газогенераторы разбираются для осмотра и ремонта.

...