Газогенераторные котлы

Газогенераторные котлы (теплогенераторы) в системе свободного движения газов.

В данной статье рассматриваются вопросы конструирования газогенераторных котлов. Известно, что теплотворная способность генераторного газа ниже, чем газов сухой перегонки. По этой причине пиролиз топлива выполняется в аппаратах с внешним нагревом. Основой построения котла является метод описанный формулой «Установка состоит из ряда колпаковых печей, каждую из которых окружает теплонакопительный колпак, причем между собой они в нижней части имеют свободные проходы через теплонакопительный колпак. Вверху имеются каналы, соединяющие между собой колпаковые печи и теплонакопительный колпак и закрываемые задвижками (шиберами). Следует отметить, что указанная формула,приоритетная заявка на изобретение метода, для создания энергоустановок, является достоянием мирового сообщества.Суть метода подробно рассматривается в статье «Установка углежжения древесного угля в системе свободного движения газов» (1), а так же в приложении. Некоторые формулировки и понятия из них используются в данной статье. Топливом для газогенераторного котла могут быть лесосечные отходы, нетоварная древесина, отходы деревообработки, картонные коробки, деревянные ящики, мусор из магазинов, базаров. Причем может использоваться топливо, смешанное со снегом. Наибольшую скорость пиролиза имеет сырьё размером 35-45мм, при этой крупности сырья расход энергии на пиролиз минимален. Желательно (но не обязательно) иметь сырьё указанной крупности, для чего его надо пропустить через дробилку.

Каким требованиям должна соответствовать энергоустановка, какие функциональные задачи должны решаться? •

Подготовка топлива для пиролиза; •
Регулирование мощности горения без снижения КПД; •
Обеспечение наилучших условий реакции горения; •
Оптимальное использование выделившейся энергии, в том числе использования тепла отходящих газов; •
Обеспечение непрерывности работы котла при загрузке топлива; Автоматизация подачи топлива; •
Высокая ремонтопригодность; •
Экологические требования. Для решения поставленных задач предлагается схема, показанная на Fig. D из двух и более реторт (печей).
Обозначения в схеме следующие: “1”-“2”, - колпаковые печи (печи) с ретортами; 3.1-3.2, - входные отверстия труб прямого хода печей 1 и 2; 4.1-4.2, - трубы прямого хода печей 1 и 2; 5, - колпак теплонакопительный; 6, - топливник для дров; 7, - камера сгорания реторты; 8, - трубы подачи парогазов в топочное устройство 11, теплонакопительного колпака, и камеру сгорания реторты для сжигания; 9 и 10, - датчики температуры и состава выходящих газов; 11, - топочное устройство теплонакопительного колпака (оно построено по формуле "нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак"); 12 и 13, - крышки реторт соответственно в открытом и закрытом состоянии; 14, - соединительный канал между ретортами и теплонакопительным колпаком с шиберным устройством; 15, - шибер на три положения; 16, - труба; 17.1 и 17.2, - регулирующие задвижки в трубах прямого хода; 18, - задвижка трубы; 19, - трехходовая задвижка, направляющая в нужном направлении необходимый объем парогаза; 20, - водяной котел, газо-воздушный калорифер рекуперативного типа (нагреваемый воздух отделен от продуктов сгорания) для отопления или технологических целей; 21, - входное отверстие трубы.

По определению мы называем: (Приложение).

«Колпак теплонакопительный» , если он имеет выход дымовых газов в трубу непосредственно, или через последующий по ходу движения газов колпак, через «Среду», имеющую зону разряжения (-Р). В него может быть вставлен котел, газо-воздушный калорифер для отопления или технологических целей, то есть потребитель, или источник тепла. Может быть вставлено и то и другое вместе.

«Колпаковая печь», (далее – «печь») , если печь не имеет выхода горячих газов непосредственно в трубу, а газы выходят через теплонакопительный колпак, то есть через «Среду», имеющую разрежение (-Р).

Свойства системы в различных периодах работы описаны в вышеуказанной статье и приложении.

На Fig.D, показан разрез 1-1 по осям реторт печей №1 и №2. Печь каждой реторты - самостоятельная печь с поддувалом, топочной дверкой, колосниковой решеткой, топливником, выполненная в виде колпака, со вставленной в неё ретортой. Каждая печь разделяется между собой теплонакопительным колпаком. Предусматривается, что одна из печей работает, а вторая используется для подготовки топлива для пиролиза. При начальном нагреве дровами реторты, в ней образуются парогазы, которые сжигаются в печи и теплонакопительном колпаке. Топливом для первоначального нагрева реторты может быть и другое топливо, в том числе электричество. Это может быть сделано при необходимости автоматизации работы теплогенератора. В нижней части реторты устраивается камера сгорания, в которую выходит топливник для дров и сопла газовой горелки, через которую сжигают парогаз, получаемый в результате пиролиза. Туда же подается воздух, необходимый для реакции горения (с использованием регенеративной технологии). Полученное тепло используется для пиролиза и нагрева котла или калорифера. Во время пиролиза в реторте создается давление. Регулирование нагрева реторты (мощности теплогенератора) производится за счет перераспределения объема поступления парогаза в разных направлениях для сжигания. Парогазы могут сжигаться в печи или теплонакопительном колпаке. Направление парогазов в нужном направлении в необходимом объеме производится трехходовой задвижкой. В каждый период работы котла в одной из горелок топочного устройства происходит сжигание парогаза. В любой период технологического цикла происходит самозагорание парогаза, как только начинается его выделение из другой реторты.

Выход газов из печей происходит в нижней зоне. Горячие газы поступают в теплонакопительный колпак по схеме показанной на Fig.В2, приложения.

Рассмотрим работу установки в различных режимах и периодах работы. Например, печь №1 работает, а печь №2 используется для загрузки (в том числе механизированной) и сушки топлива, крышка 12 открыта.

Запуск установки может производиться через любую печь, подогревая её дровами. В данном примере запуск производится через печь №1. В результате нагрева реторты в ней образуются парогазы, и повышается давление. Парогазы подаются для сжигания по трубам 8 в камеру сгорания реторты 7 или топочное устройство теплонакопительного колпака 11, в зависимости от положения трехходовой задвижки 19. Задвижка 19 может перераспределять подачу требуемых объемов парогаза в нужных направлениях. В рабочем режиме происходит регулирование мощности котла за счет перераспределения объема и места сжигания парогаза без снижения КПД. При подаче всего объема парогаза в камеру сгорания 7 для сжигания достигается максимальная мощность горения. При подаче всего объема парогаза в топочное устройство теплонакопительного колпака 11, котел (теплогенератор) можно медленно потушить. В рядовом режиме парогазы поступают и сжигаются одновременно как в печи, так и теплонакопительном колпаке. Начальная растопка печи производится при открытой задвижке прямого хода 17.1.

Пути движения горячих газов из печи №1 следующие:

При работе котла на заданную мощность соединительный канал 14 перекрыт вертикальной шиберной задвижкой. Горячие газы через отверстие 22 поступают в теплонакопительный колпак 5 и отдают тепло водяному котлу (калориферу). Охладившись, они поступают через отверстие 21 в трубу 16. Задвижка 18 открыта, задвижки прямого хода 17.1 и 17.2 закрыты. Датчик 10, в зависимости состава выходящих газов, воздействует на исполнительный механизм калорифера системы регенерации и оптимизирует подачу воздуха, необходимого для горения. Датчик 9, при высокой температуре выходящих газов, воздействует на исполнительный механизм задвижки 18, закрывает её и открывает задвижку 17.2 канала прямого хода печи №2. В этом случае отработанные, условно холодные газы пропускаются через печь №2 и выходят через канал прямого хода 4.2 в трубу. Проходя через печь №2, газы отдают тепло и подогревают реторту, то есть используются для сушки топлива. При понижении температуры ниже допустимой, приоткрывается задвижка 18. Естественно этот процесс может регулироваться вручную.

В этом режиме возможна так же работа котла (теплогенератора) с возможностью более интенсивной сушки топлива. Для этих целей открываются горизонтальная и вертикальная левая задвижки шиберного устройства 15. Более горячие газы поступают из верхней зоны теплонакопительного колпака в печь №2. Происходит объединение теплонакопительного колпака с колпаком печи №2 в единый колпак. Далее газы могут пускаться в трубу как через отверстие 21, так и 22, в зависимости от положения задвижек 17.2 и 18. Естественно величина открытия задвижек может занимать промежуточные положения, то есть они могут быть приоткрытыми.Можно говорить об оптимальном использовании выделившегося тепла, за счет изменения путей движения отработанных газов.

Запуск в работу печи №2 возможен без подогрева его дровами. В конечной стадии работы печи №1 крышка печи №2 закрывается, и в неё подаются горячие газы из печи №1 и теплонакопительного колпака. Для этого открываются все задвижки шиберного устройства, при этом задвижки 17.1 и18 закрыты, задвижка прямого хода 17.2 печи №2 открыта. Горячие газы проходят через печь №2, канал прямого хода 4.2 в трубу, нагревая реторту. Парогазы подаются в топочное устройство теплонакопительного колпака, где загораются и повышают температуру в нем и печи №2. После нагрева печи до температуры 180-200 оС открывается подача парогазов в камеру сгорания реторты.

Накопленное в теплонакопительном колпаке тепло используется для нагрева котла (теплогенератора), или направляться в любую печь для сушки топлива и других целей. Регулирование процесса сушки осуществляется открытием или закрытием задвижек шиберного устройства. Катализатор горения по высоте входит в камеру сгорания реторты. Он необходим для стабилизации горения как дров при запуске, так и парогаза в рабочем режиме. Весь процесс может быть автоматизирован.

При подаче в реторту топлива перемешанного со снегом и её подогреве в ней скапливается много воды. Вода содержит много плавающего и тяжелого мусора. Для её удаления в нижней части реторты предусматривается устройство очистительного узла механической очистки, из которого вода по трубе через вентиль сливается в дренажную систему. На Fig.Е, показана схема узла. Труба слива воды защищается от попадания в неё паров смолы. Органический мусор сгорает, минеральный служит дренажем и периодически убирается.

При вытащенной из печи реторте, например для ремонта, отверстие в печи можно сразу не закрывать, так как в ней возникает незначительная тяга, направленная вниз. Атмосферный воздух попадает в теплонакопительный колпак и уходит низом в трубу, охлаждая его незначительно (эффект газовой вьюшки). Горячие отработанные газы из теплонакопительного колпака уходят в «Среду» с разрежением, то есть в трубу. Система работает по схеме показанной на Fig.В3. (1)

Теплогенератор можно использовать в качестве эффективного генератора тепла в технологических установках переработки древесных отходов в гранулированное топливо, всякого рода сушилках и т.п. С использованием теплогенератора нашей системы можно получать управляемые тепловые потоки горячих газов рекуперативного типа или с продуктами сгорания, при постоянной величине разряжения создаваемого вытяжным вентилятором технологической установки. В этом случае, конструкция стен теплогенератора делаются различными.

Приложение.

Для облегчения понимания принципа работы теплогенератора рассмотрим некоторые основополагающие моменты.

Колпак называется «теплонакопительным», если имеет выход дымовых газов в трубу непосредственно, или через последующий по ходу движения газов колпак, через «Среду», имеющую зону разряжения (-Р). Колпак теплонакопительный содержит в себе топочное устройство, - блок из нескольких труб с горелками. На схеме Fig.A1.2.3 показан такой колпак.

Колпак может быть любой формы и объема. Например: круглый, прямоугольный, г-образный, крестообразный и т.п. В него может быть вставлен какой-либо потребитель тепла (бойлер водяной, воздушный, и др.), или источник тепла, или потребитель и источник вместе. Обозначения на схемах следующие: Буквами D и T, соответственно дутьё в колпак и тяга из колпака. Дутьё создает в колпаке «Среду» с избыточным давлением, обозначенным «+Р», а тяга «Среду» с разряжением «-Р». Дутье и тяга приложены в точках входа и выхода из колпака 1 и 2. Горячие газы несут с собой тепловую энергию и продукты сгорания. Нас интересует перенос тепловой энергии, поэтому условно принято, что источником тепла является электрический обогреватель, обозначенный буквой «С», в этом случае не требуется удалять продукты сгорания.

Если в колпак через точку 1 будем подавать какой-то объем воздуха в единицу времени, а из точки 2 удалять такое же количество воздуха в единицу времени (при равенстве температур внутри и наружи колпака), то давление в колпаке остается без изменения. То есть, если дутье D и тяга T равны, то давление в колпаке не изменяется. Если в этом случае в колпак подавать горячие газы, из какой то «Среды», то в колпаке повышается температура и давление. Горячие газы отдают, в максимальной мере, свою теплоту стенкам колпака и потребителю тепла находящемуся в нем. На Fig.A1 показан такой случай. С повышением температуры, в колпаке возникает гравитационный напор (давление). При этом в каждом вышележащем сечении повышается температура и давление. Причем повышенное давление возникает по всей высоте колпака.

Если в колпак вставить электрический нагреватель, при незначительном превышении тяги над дутьем, то в каждом вышележащем сечении повышается температура и давление. Горячие газы, отдав в максимальной мере тепло стенкам колпака и потребителю тепла находящемуся в нем, уходят в зону разряжения создаваемого тягой. Причем повышенное давление возникает по всей высоте колпака. Такой случай показан на Fig.A2.

Рассмотрим состояние системы, если в колпак вставить электрический нагреватель, при значительном превышении тяги над дутьем Fig.A3. На газовый поток действуют две силы, определяющие состояние системы. Сила тяги трубы (естественная или искусственная) и гравитационный (тепловой) напор. Воздействие силы тяги трубы (разрежение) уменьшается в каждом вышележащем сечении, а тепловой напор (давление) увеличивается. В нижней зоне колпака суммарная составляющая этих давлений создает разрежение, определяемое заданными значениями силы тяги трубы и температуры. На определенной высоте эти силы будут равны, и разрежения не будет. Выше этого уровня в колпаке возникает повышенное давление. Температура будет повышаться в каждом вышележащем сечении. Горячие газы, отдав в максимальной мере тепло стенкам колпака и потребителю тепла находящемуся в нем, уходят в зону разряжения создаваемую тягой.

Рассмотрим колпак показанный на схеме Fig.В1.2.3.Назовем его «колпаковая печь», (далее – «печь»). Если печь не имеет выхода горячих газов непосредственно в трубу, а газы выходят через теплонакопительный колпак, показанный на Fig.A3, то есть через «Среду», имеющую разрежение (-Р) . Печь может быть любой формы и объема. Например: круглой, прямоугольной и т.п. В неё может быть вставлен какой-то потребитель тепла (реторта для пиролиза топлива в стадии сушки и т.п.), или источник тепла (реторта в рабочей стадии или стадии остывания и т.п.).

Если печь не имеет потребителя тепла или имеет потребитель тепла, то в ней возникает разряжение. На схеме Fig.В1, показано такое состояние колпаковой печи.

Если печь имеет генератор (источник) тепла, то в ней возникает повышенное давление и условно холодные, отработанные газы выходят из неё в теплонакопительный колпак, то есть в «Среду» , имеющую зону разряжения. Температура и давление в печи будет повышаться в каждом, вышележащем сечении. На схеме Fig.В2 показано такое состояние системы. Если в этом случае со стороны точки 1 находится «Среда» с атмосферным давлением (Р), то горячие газы будут выходить в сторону точки 2, в «Среду», где имеется разрежение. На схеме Fig.В3 показано такое состояние системы.

Список используемой литературы:

И.В. Кузнецов. Екатеринбург, тел. (343) 3077303 e-mail: igor@stove.ru ; http://stove.ru