Трёхступенчатый подвод воздуха в газогенераторах — технология, направленная на разделение зон окисления, пиролиза и восстановления, что улучшает управляемость процесса. В 1970-х годах была предложена идея зонального регулирования, однако практическая реализация для топлива, изготовленного из переработанных отходов (Refuse-Derived Fuel, RDF), стала возможной только с развитием систем автоматизации [1, 2]. Работы [3, 4] демонстрируют, что многоступенчатый подвод воздуха снижает образование смол и повышает содержание CO и H2. Цель данной работы — экспериментальная верификация трёхступенчатой схемы для пеллет из RDF с анализом её преимуществ перед классическими системами.

Теоретическая часть

Первоначально необходимо рассмотреть подачу воздуха в зоны газогенератора. Исследуемая система предполагает раздельную подачу воздуха в три зоны.

Первичный воздух подаётся в центральную часть газификатора для протекания реакции окисления углерода:

C + O2 → CO2. (1)

Вторичный воздух (зона пиролиза) — дожигание летучих и снижение выбросов смол. Третичный воздух принимает участие в реакции восстановления:

CO2 + C → 2CO. (2)

Теоретическая модель разработана на основе исследований [4], в котором описано уравнение для распределения подачи воздуха в три зоны:

ϕобщ = ϕ1 + ϕ2 + ϕ3, (3)

где ϕ1, ϕ2 и ϕ3 — доли воздуха, подаваемого на каждой ступени.

Такой способ подачи воздуха в топочное пространство газогенератора позволяет достичь следующих результатов: снижения содержания смол [4] за счёт дожигания вторичным воздухом и повышения концентрации H2 при подаче третичного воздуха в зону восстановления [3].

Рассмотрим более подробно конструкцию экспериментального газогенератора. Экспериментальная установка представляла собой газогенератор обращённого типа мощностью 40 кВт, спроектированный для работы с RDF-пеллетами.

Основные компоненты газогенератора, входящего в состав экспериментальной установки, представлены на рис. 1.

Газификатор состоит из вертикальной шахты из жаропрочной стали высотой 2,5 м и диаметром 0,6 м. Внутренняя поверхность футерована керамическими материалами для устойчивости к температурам до 1200°C. Система подачи топлива представляет собой шнековый питатель с регулируемой скоростью подачи от 0 до 50 кг/ч, обеспечивающий равномерное поступление RDF-пеллет в зону газификации. Последним основным компонентом газогенератора является трёхступенчатая система подвода воздуха в топку. Первичный воздух, составляющий 50% от общего расхода, подавался через центральную часть газификатора для поддержки окисления углерода. Вторичный воздух составлял 30% от общего расхода и подавался для дожигания летучих и снижения образования смол. Третичный воздух в содержании 20% от общего расхода подавался для регулирования реакции восстановления CO2 до CO.

Для снятия требуемых показаний использовалась приборная база, позволяющая измерять состав газа и его температуру. Для измерения состава газа использовался анализатор Gasboard-3100, измеряющий концентрации CO, H2, CH4, CO2 и O2 с погрешностью ±1%. Для измерения температуры газа были использованы термопары типа K для контроля температурного режима.

Перед началом эксперимента проводилась калибровка измерительных приборов: массовый расходомер воздуха откалиброван по эталонному расходомеру, анализатор Gasboard-3100 проверен на точность измерений с использованием калибровочных газовых смесей, термопары проверены на соответствие показаний эталонным термометрам.

Анализ состава RDF-пеллет

Для экспериментальных исследований использовались пеллеты из RDF, произведённые по ГОСТ Р 55127–2012 [6].

Промышленный анализ показал, что содержание влаги составляет 3,2%, золы — 10,5%, летучих веществ — 68,3%, фиксированного углерода — 18,0%. Элементный анализ RDF-пеллет выявил содержание в них 46,3% углерода, 5,9% водорода, 34,1% кислорода, 1,2% азота, 0,5% серы.

Теплотворная способность определена при помощи калориметра и составляет 18,7 МДж/кг.

Параметры проведения экспериментальных исследований

Эксперимент проводился при трёх различных соотношениях «воздух/топливо» (1:1, 1:2, 1:3) и трёх вариантах распределения воздуха между ступенями (50:30:20, 40:40:20, 30:50:20). Каждый режим стабилизировался в течение 30 минут перед отбором проб газа.

Полученные результаты

При соотношении «воздух/топливо» 1:2 и распределении воздуха 40:40:20 были получены концентрации компонентов газа, описанные в табл. 1.

Теплотворная способность газа рассчитывается по формуле:

Qн = Q1N1 + Q2N2 + … + QnNn, МДж/м³, (4)

где Qi — теплотворная способность i-го компонента газа, МДж/м³; Ni — содержание i-го компонента в составе газа:

Qн = 12,6×0,247 + 10,8×0,12 + 35,8×0,018 = 5,1 МДж/м³.

Результаты анализа исследованных режимов подачи воздуха в газогенератор описаны в табл. 2.

В качестве преимуществ трёхступенчатой системы подачи воздуха следует отметить, что было достигнуто увеличение доли выхода CO с 18,5 до 24,7% за счёт оптимизации зоны восстановления, а также снижение уровня образования смол с 0,25 до 0,09 г/м³ при распределении 40:40:20.

Заключение

В ходе исследований разработан и экспериментально исследован газогенератор обращённого типа с трёхступенчатой схемой подачи воздуха.

Основные результаты исследования заключаются в следующем. Что касается вторичного воздуха, увеличение его доли до 40% (режим 40:40:20) позволило снизить содержание смол на 64% за счёт дожигания летучих в зоне пиролиза. Это согласуется с данными [5, 7], где рост вторичного воздуха уменьшал выход смол на 50–70%. В области исследования третичного воздуха и реакции восстановления было установлено, что подача 20% воздуха в зону восстановления повысила концентрацию CO с 18,5% для одноступенчатой системы до 24,7% — для трёхступенчатой. Оптимальным был признан режим 40:40:20, который обеспечил максимальный КПД, составляющий 72,1%, и минимальное содержание смол. При этом увеличение доли первичного воздуха выше 50% приводило к переокислению углерода и росту CO2.

Таким образом, трёхступенчатый подвод воздуха позволил повысить теплотворную способность газа до 5,1 МДж/м³ и КПД газификации до 72,1%. Выявлено оптимальное распределение воздуха по ступеням: 40% для первой ступени, 40% для второй, 20% для третьей. Кроме того, были разработаны условия проведения эффективного процесса газификации для RDF с влажностью менее 5%, что подтверждается снижением концентрации смол до 0,09 г/м³.