Генераторный газ

Генераторный газ

ГЕНЕРАТОРНЫЙ ГАЗ, искусственное газообразное топливо, получаемое из твердого топлива (каменного угля, торфа, дров и т. д.) в особых приборах, называемых газогенераторами или газовиками. В отличие от простых топок, сжигание топлива в генераторах ведется при более толстом слое горючего (например, 0,7—1,2 м для каменного угля), вследствие чего углекислота, образовавшаяся в нижних зонах генератора по реакции

Gener gaz 1

(* состав атмосферного воздуха приближенно принят О2 + 3,8N2, что дает достаточную точность для технических расчетов)

легко восстанавливается при высокой температуре углеродом раскаленного кокса, согласно уравнению:

Gener gaz 2

Обе эти реакции протекают непосредственно одна за другой, хронологически настолько близко, что их можно выразить одним суммарным уравнением:

Gener gaz 3

Полученный таким путем теоретический генераторный газ должен был бы иметь состав (в объемных процентах): 34,4% СО, 65,6% N2 и теплопроизводительность около 1050 Cal/м3, т. е. он относился бы к разряду низкосортного газообразного топлива.

Происходящее по уравнению (3) неполное горение углерода топлива (горение в СО) сопровождается достаточно интенсивным выделением тепла (29430 : 12 ≈ 2453 Cal на 1 кг С), которое расходуется на различные потери (нагрев стен, лучеиспускание) и на нагрев продуктов горения до определенной температуры. Для успешного и полного протекания реакции (2) необходимо поддерживать в зоне горения достаточно высокую температуру, которая, по исследованиям Будуара (Boudouard), Рида (Read), Уилера (Wheeler), Юшкевича и др., не д. б. ниже 1000°. Эти исследования показали, что чем выше температура процесса, тем быстрее и полнее протекают реакции восстановления. Однако излишнее повышение температуры имеет и свои недостатки, чисто практического характера. Во-первых, такой метод работы возможен далеко не со всеми сортами топлива; во-вторых он дает так называемый воздушный газ, по своему составу приближающийся к указанному выше, т. е. с невысокой теплопроизводительностью (1050—1100 Cal/м3); далее, такая работа может осуществляться только в генераторах специальной конструкции (работающих с выпуском жидкого шлака), иначе плавление (шлакование) золы может вызвать серьезные расстройства в работе генератора (образование настылей, козлов и т. д.); наконец, температура газа, покидающего генератор, в этом случае будет значительно выше, что не всегда выгодно. Поэтому целесообразнее использовать избыток тепла, развиваемого в зоне горения, на проведение таких эндотермических реакций, которые понижали бы температуру зоны горения до минимально необходимой (1000—1100°) и вместе с тем улучшали бы качество газа в смысле повышения его теплотворной способности. Для этой цели можно было бы воспользоваться реакциями восстановления СО2 или Н2О, вводимых со стороны. Однако для получения больших количеств СО2 по дешевой цене встречается целый ряд практических затруднений. Произведенные же за последнее время в Америке попытки использовать для этой цели колошниковый газ (около 14% СО2, 26% СО и 57% N2) теоретически не обоснованы, т. к. при этом вводится до 86% газообразных продуктов, поглощающих тепло на нагрев, но не участвующих в процессе. Таким образом, наиболее простой и дешевой реакцией такого рода остается разложение раскаленным углеродом паров воды по уравнению:

Разложение раскаленным углеродом паров воды

Теоретический состав газа, получающегося по этой реакции, таков: 50% СО, 50% Н2, а теплотворная способность его около 2800 Cal/м3, т. е. значительно выше простого генераторного газа, полученного по реакции (3).

Основой современного генераторного процесса и является комбинация реакций (3) и (4), что осуществляется на практике подачей под колосники генератора влажного воздуха или паровоздушного дутья, а иногда просто устройством водяной ванны в зольнике. Количество пара, подаваемого под колосники генератора, на 1 кг топлива обычно бывает: для каменных углей 0,25—0,30 кг, для кокса и антрацита 0,30—0,35 кг, для бурых углей 0,10—0,20 кг и для дров и торфа 0,0—0,10 кг. При указанных условиях, в нижних зонах генератора имеется сложная система газообразных соединений, состоящая из смеси СО2, СО, Н2, N2 и Н2О. Вследствие больших скоростей газообразных продуктов горения в прозорах между кусками топлива, малого времени пребывания их в зоне горения и других факторов, влияющих на ход реакций, состояние равновесия между указанной газообразной фазой и твердым углеродом в условиях практического проведения генераторного процесса обычно не достигается. Поэтому и состав газовой смеси несколько отличается от теоретического, отвечающего кривым (фиг. 1 и 2) состояния полного равновесия системы при данной концентрации, давлении и температуры (исследования Будуара, Рида и Уилера, Клемента и Адамса, Герриса, Неймана, Гана, Дирсена и других).

Gener gaz 5

Весьма важную роль при этом играет также и качество твердого углеродистого остатка топлива (кокс, древесный уголь), а именно: его горючесть, или реактивность. Более плотный и менее реактивный кокс (или антрацит), например, требует для успешного проведения реакций горения и полного восстановления СО2 и Н2О значительно более высоких температур или повышенного давления по сравнению с древесным углем. В противном случае реакции пойдут медленнее и не закончатся в короткий период времени пребывания газовой смеси в зоне горения и восстановления. Влияние температуры на скорость реакции С + СО2 = 2СО и сорта топлива на скорость той же реакции, по опытам Клемента, Адамса и Гаскинса, видно из кривых на фиг. 3 и 4.

Gener gaz 6

Gener gaz 7

Все сказанное относится к случаю сжигания твердого углеродистого остатка или топлива, не содержащего летучих веществ. Обычные сорта твердого топлива дают при сухой перегонке в верхних зонах генератора летучие газообразные продукты высокой теплотворной способности. Для каменного угля это будет светильный газ, теплопроизводительность которого достигает: 4500—6500 Cal/м3. Присоединение продуктов сухой перегонки к полученному на колосниках первичному генераторному газу, т. е. к продуктам неполного горения твердого углеродистого остатка, значительно повышает его теплопроизводительность. Отсюда ясно, что для сжигания в генераторах должны применяться сорта топлива с высоким содержанием летучих веществ, в частности газовые каменные угли с 30—36% летучих веществ. Однако при этом не надо упускать из виду, что при высоком содержании О2 в топливе (бурые угли, торф, дрова) значительная часть его (45—55 %) образует Н2О (вода Дюлонга), которая вместе с влагой топлива переходит в газ и тем значительно понижает его пирометрические качества. Последнее обстоятельство особенно резко сказывается при работе на необугленном и сильно влажном древесном и торфяном топливе.

Из приведенных выше соображений можно составить и общую схему современного генераторного процесса (паровоздушный газ): 1) поступающий под колосники генератора кислород воздуха сжигает углерод кокса в СО2, развивая при этом высокую температуру; 2) большая часть образовавшейся СО2 восстанавливается раскаленным коксом в СО при высокой температуре зоны горения (1000—1100°); 3) приносимый дутьем или испаренный в зольнике водяной пар разлагается раскаленным коксом с образованием СО и Н2; 4) азот воздуха в реакции не участвует, но отнимает тепло зоны горения, нагреваясь до температуры среды (1000—1100°); 5) нагретые до высокой температуры продукты реакций неполного горения и восстановления (первичный генераторный газ) поднимаются навстречу спускающемуся сверху топливу и, отдавая ему свое тепло, обогащаются выделяющимися при этом продуктами сухой перегонки (СО2, СО, СН4, С2Н4, СnН2n, смоляные пары и прочие соединения); 6) в верхних зонах генератора могут происходить и реакции обменного разложения между продуктами газообразования нижних зон и сложными продуктами сухой перегонки; некоторые из этих реакций, например,

Gener gaz 8

являются невыгодными, т. к. увеличивают неконденсирующийся балласт генераторного газа (СО2) вместо паров воды (Н2О), которые м. б. легко, удалены из газа путем его промывки или конденсации; другие реакции, например,

Gener gaz 9

бесполезно увеличивают потери углерода (унос и осаждение сажи) и затрудняют очистку газопроводов; 7) в верхних слоях топлива идет его сушка, т. е. испарение содержащейся в нем гигроскопической влаги, переходящей почти полностью в газ в виде паров Н2О; 8) наличие в твердом минеральном горючем некоторого количества сернистых соединений (обычно в виде пирита FeS2) ведет к тому, что большая часть серы (80—90%) переходит в газ в виде H2S (верхние зоны) или SО2 (зона горения), что дает от 0 до 10 грамм серы (S) на 1 м3 газа. Ниже приведены наиболее важные реакции генераторного процесса и их тепловые эффекты в килограммолекулах по данным профессора М. А. Павлова:

Важные реакции генераторного процесса и их тепловые эффекты в килограммолекулах по данным профессора М. А. Павлова

Соответственно приведенным реакциям, в генераторе различаются следующие зоны, считая снизу вверх: зона шлака, зона горения [реакции (1) и (4)], зона восстановления [реакции (2) и (5)], зона дистилляции, или сухой перегонки [реакции (6), (7), (8) и (9), выделение смол], зона сушки (испарение влаги). Резких границ между этими зонами, конечно, нет, так как они взаимно перекрываются и смещаются по вертикали в различных точках сечения шахты генератора. В зависимости от сорта топлива и назначения газа, та или иная зона может получить большее развитие. Так, древесное и торфяное топливо требует для своей подготовки значительно большего объема, чем каменный уголь и особенно кокс или антрацит. Генераторы, предназначенные для улавливания побочных продуктов перегонки каменных углей, должны иметь значительно развитую зону дистилляции.

Состав генераторного газа и его теплопроизводительность. Генераторный газ состоит из горючих составных частей (СО, Н2, СН4, Н2S, тяжелых углеводородов СnН2n, смолы и сажи) и балласта (СО2, N2, SО2, паров Н2О). Типичные составы генераторного газа для различных сортов топлива и способов газификации приводятся в табл. 1.

Типичные составы генераторного газа для различных сортов топлива и способов газификации

Химический состав обычного (паровоздушного из каменного угля) генераторного газа колеблется в довольно узких пределах: 3,0—7,0% СО2; 22—28% СО; 1,5—4,5% СН4; 0,5—1,5% С2Н4; 8,0—16,0% Н2; 50—58,0% N2. Теплопроизводительность сухого и бессмольного газа достигает 1050—1550 Cal/м3. В зависимости от сорта топлива и режима процесса, генераторный газ несет с собой некоторое количество смоляных паров (от 0 до 20 г/м3) и сажи (от 0 до 10 г/м3); это значительно увеличивает пирометрический эффект газа и дает хорошую яркость пламени. Состав смолы приближенно можно принять равным: 80% С, 10% О2, 10% Н2, состав сажи: 100% С. Теплотворная способность смолы и сажи составляет от 5 до 15% от теплотворной способности газа (в среднем около 10%). Углекислота в генераторном газе получается или как продукт сухой перегонки, или как результат реакции обменного разложения [реакция (6)]. В том случае, если генератор работает на газ высокой температуры или, как говорят, на полугаз, количество СО2 бывает повышено, что окупается выгодой использования высокой температуры полугаза (1000—1100°). При нарушении правильного режима генератора (низкий слой горючего, образование прогаров и «труб», низкая температура в зоне горения при влажном топливе или при избытке пара и т. д.), %-ное содержание СО2 в генераторном газе сильно повышается, а его качества соответственно ухудшаются. В отличие от паров воды, углекислота и сернистый газ являются балластом менее выгодным - более теплоемким и неконденсирующимся. Содержание водяных паров в генераторном газе определяется: 1) %-ным содержанием в топливе влаги, которая почти целиком переходит в газ; 2) образованием паров воды в зонах сухой перегонки (вода Дюлонга); 3) неполным разложением пара, подаваемого под колосники. Обычный каменноугольный генераторный газ содержит от 20 до 60 г паров Н2О на 1 м3. Содержание влаги в буроугольном, дровяном и торфяном газе м. б. значительно выше и достигать 180—240 и даже 360 г/м3. При понижении температуры генераторного газа часть влаги осаждается в виде подсмольной воды в смолостеках газопроводов или в специальных конденсаторах. Маневрирование с подсмольными водами является весьма неприятной операцией, так как они разъедают металлические части газопроводов и конденсаторов; спуск их в проточные водоемы общего пользования воспрещен законом, а отвоз за черту поселений обходится дорого. Наиболее употребительной системой осушки газа является устройство инъекционных конденсаторов (промывных или оросительных башен) с оборотной циркуляцией подсмольных вод. Большой интерес в этом отношении представляет применение электрических осадителей Котреля, давших хорошие результаты на буроугольных установках в Германии. Осаждающаяся в конденсаторах смола находит в Германии широкое промышленное применение. В наших же условиях, при работе на дровяных и торфяных генераторах, обычно не идут дальше примитивной утилизации смолы, в виде обратной заливки ее в генератор (способ, заимствованный нами от шведских заводов).

В зависимости от назначения газа, свойств топлива, конструкции генератора и т. д., состав генераторного газа может отклоняться от нормального состава паровоздушного газа, широко применяемого для промышленного отопления заводских печей. Газ генераторов, работающих с выпуском жидкого шлака, как видно из табл. 1, очень близко подходит к теоретическому составу газа реакции (3).

Силовой газ предназначается для превращения его в механическую энергию (двигатели внутреннего сгорания). От него не требуется особенно высоких пирометрических качеств, но присутствие смол и сажи признается вредным, т. к. увеличивает расходы на очистку (промывку) газа. Поэтому силовой газ часто предпочитают получать из кокса или тощих сортов каменных углей, особенно антрацита. При этом иногда подогревают воздух или перегревают пар, поступающий под колосники генератора, и тем самым дают возможность повысить количество пара, а следовательно, и теплотворную способность газа; однако, содержание в газе Н2 в количестве, превышающем 15%, нежелательно.

Газ Монда. Получение газа по способу Монда имеет своей целью утилизацию (улавливание) аммиака NH3, образующегося из азота, содержащегося в топливе (каменном угле и торфе) в количестве 1,0—1,8%. Образовавшийся аммиак переводится в сульфат аммония (NH3)24, и таким образом используется до 50—75% всего азота топлива. Особенность процесса заключается в том, что он ведется при большом количестве пара, вдуваемого под колосники генератора. Первоначально в процессе Монда количество пара доводилось до 2,5—3,0 кг на 1 кг каменного угля, т. е. было в 10 раз больше расхода пара в обычных генераторах (25—30%). Такая работа была возможна только при подогреве паровоздушного дутья, и, несмотря на это, температура зоны горения сильно понижалась. Состав газа Монда: 16% СО2, 11% СО, 24—27% Н2, 2—3,5% СН4, 44—48% N2. Новейшие установки для газа Монда приближают этот процесс к получению генераторного газа низкой или полунизкой температуры, а также к полуводяному газу. При этом количество водяного пара понижается до 1,0 кг на 1 кг угля, а общий эффект установки повышается. Процесс Монда дает выход сульфата аммония (с 21% N2) в количестве около 30—45 кг и газовой смолы от 40 до 80 кг на 1 т каменного угля.

Водяной газ. Процесс получения водяного газа основывается на реакции (5). Теоретический состав газа: 50% СО и 50% Н2 (см. Водяной газ).

Между двумя крайними схемами - получения воздушного газа по реакции (3) и водяного газа по реакции (5) - укладываются все промежуточные, к которым относятся описанные выше паровоздушный, или обычный, генераторный газ и газ Монда, а также целый ряд других более или менее сложных схем получения генераторного газа, в большом количестве появившихся за последнее время.

Температура генераторного газа. В зависимости от сорта топлива, его влажности и конструкции генератора, меняется и температура генераторного газа. При работе на обугленном топливе (коксе) в генераторах с выпуском жидкого шлака газ имеет температуру 800—850°. Нормально работающие каменноугольные генераторы (паровоздушное дутье) дают температуру газа в 650—700°. Генераторы с развитой зоной дистилляции, работающие на газ низкой и полунизкой температуры дают газ с температурой° 400—550°. Буроугольные генераторы, в зависимости от влажности топлива, дают температуру газа 350—550°. Газ торфяных генераторов имеет температуру 200—350°. Дровяные генераторы дают газ с температурой 150—250° при быстром ходе и с температурой до 350° при работе на измельченном дереве.

Количество генераторного газа. Объем генераторного газа, получающегося из 1 кг топлива, при данном составе газа, можно подсчитать по следующей формуле:

Объем генераторного газа

где Vg - объем газа в м3, получаемый из 1 кг топлива, С1 - общее содержание углерода в 1 кг топлива, С2 - содержание углерода в золе из 1 кг топлива, Сg - содержание углерода в 1 м3 газа, Ct - содержание углерода смолы на 1 м3 газа, CS - содержание углерода сажи на 1 м3 газа. Различные виды топлива дают следующие количества сухого генераторного газа из 1 кг безводного и беззольного топлива (по Ледебуру):

Различные виды топлива дают следующие количества сухого генераторного газа из 1 кг безводного и беззольного топлива (по Ледебуру)

Расчет генераторного газа обычно базируется на анализах, полученных опытным путем. При этом очень часто анализ, даваемый заводской лабораторией или фирмой, бывает неверен (обычно - неполнота поглощения СО, часто - преувеличение Н2 и СН4 и т. д.). Поэтому необходимо анализы генераторного газа подвергнуть проверке и привести их в соответствие с анализом топлива. Такой подсчет должен исходить из равенства:

Gener gaz 14

Только после такого баланса, проведенного по отдельным элементам топлива, можно приступить к количественным и тепловым подсчетам. Из способов расчета газа при неизвестном составе его укажем на алгебраический способ, предложенный профессором В. Е. Грум-Гржимайло. Способ этот дает возможность, путем решения теплового уравнения зоны горения, определить количество разлагаемого на колосниках пара, а, следовательно, подсчитать и состав газа, его количество и температуру. Из числа других упомянем о методе Дирсена; по последнему методу генераторный газ рассматривается как суммарным, состоящий из первичного газа [горение кокса на колосниках по реакции (3)] и продуктов сухой перегонки.

Техника безопасности, см. Газовое производство, Газогенераторы.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.