Генератор синтез-газа на пеллетах

Тепловые и водогрейные котлы, работающие на пеллетах, уже стали привычным делом. Однако есть и другой способ получить из отходов лесопиления и продуктов их переработки тепловую и электрическую энергию — за счёт преобразования древесного топлива в горючий газ, т. е. синтез-газ.

Используя газогенераторную установку, работающую на древесных пеллетах и щепе, и стандартный газопоршневой электрогенератор, реально организовать автономную систему энергоснабжения, «зелёную» и экономичную.

Газогенератор обращённого типа имеет хорошо проработанные теоретические основы. Первый рабочий образец в 1919 году создал Георг Имберт. Массово газогенераторные машины выпускали до 1960-х годов — эпохи дешёвой нефти. В 1930-1950 годы установки данного типа досконально были проработаны специалистами автомобильной и тракторной промышленности СССР.

Патентный поиск западных и отечественных нововведений последних 20 лет мало что дал. Ничего нового в инженерии, сравнимого с образцами прошлых лет, с тех пор не появилось, не говоря уже о каких-либо прорывных решениях.

Проверенное решение

«Светлобор Синтез» работает на пеллетах и сухой древесной щепе и производит синтез-газ. Стандартные газопоршневые электрогенераторы потребляют синтез-газ для выработки электро- и тепловой энергии. Газогенератор прямоточный, обращённого типа с нисходящим потоком топлива и газов.

Принципиальный вопрос при использовании синтез-газа в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) — наличие или отсутствие в нём смол и летучей сажи. Если они есть, то двигатель не может работать продолжительное время, поскольку из-за смолы залипают клапаны, и катастрофически падает ресурс двигателя.

В газогенераторной установке обращённого типа газы, образованные при пиролизе древесины, проходят через зону горения (окисления) и восстановления. При температуре в 1300 °C, характерной для зоны горения, все смолы и летучая сажа сгорают. Поэтому данный тип газогенератора на древесном топливе — единственно пригодный для подачи синтез-газа в поршневой ДВС.

При разработке за основу была взята конструкция котла «Светлобор Эко» и восьмилетний опыт развития. «Светлобор Синтез» имеет ряд особенностей. Во-первых, установка выполнена в едином моноблоке без дополнительных труб и соединений. Она состоит из самого газогенератора обращённого типа, систем охлаждения и очистки синтез-газа. Все системы расположены в герметичном водяном теплообменнике.

Во-вторых, все процессы полностью автоматизированы, от подачи топлива до выгрузки золы, очистки теплообменника и фильтров. В результате «Светлобор Синтез» может непрерывно работать месяцами, в отличие от традиционных генераторов, работающих несколько часов (обычно не более четырёх).

В-третьих, использованы современные материалы. Например, карбид кремния SIC (из него выполнены камера окисления и восстановления) имеет коэффициент теплопередачи в 4 раза выше, чем у стали. Рабочая температура — 1500 °C. Применение SIC в котлах «Светлобор Эко» при прочих равных условиях дало рост в характеристиках котла на 10% и более.

Для справки:
Из 0,8–1 кг пеллет установка вырабатывает синтез-газ для 1 кВт электроэнергии и 3 кВт тепла. Себестоимость электроэнергии летом (без использования тепла) — 4,8 руб./кВт, зимой (в режиме ТЭЦ) — 1,8 руб./кВт. При использовании щепы все стоимостные параметры в 2-3 раза ниже. Запланировано производство трёх типоразмеров генераторов синтез-газа: на 40, 150 и 20 кВт приведённой электрической мощности.

Температурный режим

Газогенератор состоит из питателя, бункера, керамической камеры газогенерации, колосниковой решётки, вентилятора и ТЭНа розжига. Пеллеты и щепа подсушиваются в бункере теплом, идущим снизу от зоны горения. В топливе начинается процесс пиролиза —
выделение летучих газов и смол в парообразном состоянии. При этом биомасса теряет 80% веса и 70% теплотворной способности.

Оставшийся древесный уголь сгорает в зоне окисления и восстановления. Проходя через активную зону, смолы частично сгорают и частично разлагаются в процессе крекинга. Из зоны окисления выходят углекислый газ СО2 и оксид углерода СО. В зоне восстановления первый дополнительно превращается во второй. Конечные продукты — CO, H2, CO2, CH4 (метан), O2.

Температура в зоне пиролиза составляет 700 °C, в зоне окисления —
1300 °C, в зоне восстановления — 1200 °C. Из последней газ выходит при температуре 900 °C и поступает в зону закалки, или интенсивного охлаждения, которую образуют вертикальные керамические теплоизолированные стенки колосниковой решётки и металлическая стенка топки, охлаждаемая водой.

При температурах от 900 до 400 °C происходит обратная реакция СО в СО2, т.е. деградация газа. Поэтому необходимо как можно быстрее охладить его до 400 °C. Затем газ поступает в охладитель, который состоит из труб, окружённых водяной «рубашкой». В них установлены подвижные спирали, предназначенные для интенсификации процесса теплообмена и очистки поверхности. Температуру газа
в охладителе понижается до 80 °C.

Тонкая очистка

Следующий этап — двойная система очистки. Фильтр грубой очистки представляет собой вертикальный перфорированный металлический цилиндр. Газ поступает внутрь цилиндра, и летучие частицы пыли и сажи налипают на его отверстия, образуя «шубу». Постепенно её толщина увеличивается за счёт вновь поступающих частиц пыли, которые в ней застревают. Когда толщина «шубы» превышает расчётное значение, включается система очистки и подрезает её. Срезанные частицы падают в пылесборник.

На перфорированный цилиндр фильтра грубой очистки надеты бумажные фильтры. Проходя через них, газ дополнительно очищается. После всех очисток количество пыли в нём не превышает 50 мг/м3, а температура составляет 60 °С. Производительность газогенератора — более 100 м3/час. Низшая теплотворная способность синтез-газа — не менее 1600 кал/м3. Очищенный синтез-газ поступает в поршневой газовый двигатель.

При розжиге воздух подаётся вентилятором через ТЭН. Пока газ не достигнет нужной консистенции, работает система дожига, которая состоит из гермоклапана, дымососа и факела сжигания. Весь газогенератор работает при давлении ниже атмосферного, поэтому утечка газа не может возникнуть ни при каких условиях. На всех приводах установлены сальники, а на устройстве золоудаления — пылевые затворы.

Популярные мифы

Есть два распространённых заблуждения про использование синтез-газа. Первое — поскольку низшая теплотворная способность метана в 6 раз больше, чем у синтез-газа, то и гореть синтез-газ толком не может. Но нужно учитывать, что горит не сам газ, а смесь газа и воздуха. У метана на 1 л газа приходится 10 л воздуха, у синтез-газа — всего 1,1 л.

В результате теплотворная способность смеси на основе синтез-газа меньше, чем у метановой смеси, только на 25%. При использовании газодизельного цикла снижение мощности в сравнении с дизельным циклом вообще не замечено. При переводе газовых двигателей с метана на синтез-газ требуется кардинальное изменение в настройках газовой аппаратуры.

Второе ошибочное представление — о наличии угарного газа в выхлопе двигателя. Исследования, проведённые в начале этого века (в прошлом веке такими вопросами не озадачивались) показали, что количество СО на номинальной мощности при работе ДВС на синтез-газе равно количеству СО при работе на солярке.

На режимах частичной мощности при использовании солярки выход СО падает в 4 раза, а с синтез-газом — только в 2 раза. Как известно, ни один дальнобойщик, спящий с работающим дизельным двигателем, не угорел, а в машинах с бензиновыми двигателям такое происходит регулярно.

Эволюционный путь

Магистральное направление развития электргогенераторов, использующих синтез-газ, — применение стандартных газопоршневых двигателей, выпускаемых промышленностью на основе дизелей. Переработка состоит в следующем. Во-первых, устанавливают смеситель синтез-газа и воздуха. Во-вторых, понижают степень сжатия с 18 до 12 Атм, при этом повышая механический КПД. В-третьих, на каждый цилиндр устанавливают трансформатор высокого напряжения (бобину) и свечу. Процесс идёт
и займёт годы…

По различным оценкам, в России работает около 150 000 дизельных генераторов средней мощностью 100-150 кВт. Многие из них преклонного возраста, но совершенно нереально их выбросить и поставить новые сверхэкономичные газопоршневые. Процесс замены может быть только эволюционным.

Тактическое решение — использование газодизельного цикла, когда воспламенение топливной смеси происходит с помощью подачи дизельного топлива, а горение — за счёт газовоздушной смеси. Такое решение не требует серьёзной переделки двигателя. Перенастройка на плунжерной топливной аппаратуре (старых дизелях) заключается в блокировке центробежного регулятора и сохранении подачи топлива на всех режимах на уровне холостого хода — 15-20% от подачи на номинальной мощности.

Для современных дизелей с common rail перенастройка программная, и количество подаваемого дизтоплива для зажигания составляет 5-10%. Экономия при газодизельном цикле — минимум 80%, и всегда есть возможность перейти к работе только на дизтопливе.

На правах рекламы

ООО «Светлобор»
www.svetlobor.com
8 (831) 220-50-47
г. Нижний Новгород