КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ И ИХ КОНСТРУКЦИИ 
Газогенераторы классифицируются: по роду процесса — газогенераторы для получения воздушного газа, водяного газа, смешанного газа; по характеру слоя — газогенераторы с плотным слоем, со взвешенным слоем, с «кипящим» слоем; по давлению, при котором протекает газогенераторный процесс, — атмосферные газогенераторы, газогенераторы высокого давления; по степени механизации процесса — немеханизированные газогенераторы, полумеханизированные и механизированные. 
Взвешенный слой топлива организуется в газогенераторах, предназначенных для газификации мелкозернистого топлива. Такой слой располагается в конической части газогенератора, причем крупные частицы должны витать в узкой части конуса, а мелкие — в широкой. Таким образом, частицы сепарируются в слое. В действительности наблюдается поступательно-возвратное движение частиц, т. е. происходит некоторое перемешивание слоя. 
«Кипящий» слой наблюдается при скоростях потока, выходящих за пределы устойчивости плотного слоя. «Кипение» связано с раздвижкой частиц топлива, что увеличивает объем слоя в 1,5—3,0 раза. Движение частиц топлива (обычно мелких — от 2 до 12 мм) напоминает движение кипящей жидкости, почему такой слой и получил название «кипящего». 
В полумеханизированных газогенераторах вращающиеся колосниковые решетки осуществляют равномерное и непрерывное удаление 

Рис. 6-4. 

шлаков без нарушения процесса газообразования. Ввиду этого удельная производительность и общая тепловая мощность газогенераторов с механизированным удалением шлаков практически в 1,5—2,5 раза больше газогенераторов с ручным обслуживанием (при прочих равных условиях). Качество газа и к. п. д. таких газогенераторов также значительно выше. 
Газогенератор с механизированным золоудалением характеризуется наличием чугунной колосниковой решетки, укрепленной на чугунной чаше (поддоне), которая приводится во вращение червячным механизмом. Примером такой конструкции может служить газогенератор Гипромеза (рис. 6-4). Поддон II вращается на опорных роликах 10 (в других газогенераторах вращение поддона иногда осуществляется на. стальных шарах). Медленное вращение колосниковой решетки I (0,2—2 об/ч) обеспечивает автоматическую ломку шлака и его удаление из чаши через гидравлический затвор , для чего служит шлакосбрасыватель. Газогенератор снабжен пароводяной рубашкой 4, исключающей 
налипание шлаков к внутренней поверхности шахты. Пароводяная рубашка соединена трубопроводами с паросборником. Вода кипит в рубашке, и образующиеся пузырьки пара поднимаются вверх и сепарируются в паросборнике. Таким образом, пароводяная рубашка, связанная с паросборником, по существу представляет собой паровой котел с естественной циркуляцией, встроенный в газогенератор. 

Рис. 6-5.  

Пар давлением 1,2—1,6 атм., вырабатываемый в рубашке, используется для увлажнения дутьевого воздуха газогенератора. 
Пароводяная рубашка питается умягченной водой от общезаводской химической водоочистки, предназначенной для подготовки питательной воды паровых котлов. Пароводяная рубашка снабжена контрольными лючками 5. Загрузка топлива, его шуровка и пиковка производятся вручную, вследствие чего, несмотря на механизированное шлакоудаление, генератор называется полумеханизированным. 
Шахта газогенератора, изготовленная при помощи сварки из стальных листов 1, опирается на лапы 2, установленные на фундаменте 3. Верхняя часть шихты и крышка футерованы огнеупорным кирпичом. Отвод газа производится через патрубок 6 в крышке. Загрузка топлива производится при помощи загрузочной коробки 7, снабженной двойным затвором. Паровоздушная смесь подается под колосниковую решетку при помощи центральной трубы 8 с гидравлическим затвором 9. 
Механизированные генераторы. В конструкции Гипромеза механизировано только шлакоудаление. Однако при обслуживании газогенераторов необходимо производить и другие трудоемкие работы— шуровку, разрыхление и выравнивание верхнего слоя топлива. Имеются газогенераторы, в которых эти операции механизированы. На рис. 6-5 изображен такой газогенератор. 
Топливо в него загружается непрерывно механическим питателем 4. Для разравнивания и рыхления верхнего слоя топлива имеется качающийся механический лом 6, бороздящий своим концом поверхность слоя. Так как при этом происходит также и вращение шахты, то конец лома, качаясь, разрыхляет всю поверхность слоя. Внизу газогенератора имеется вращающийся поддон 7 с колосниковой решеткой. Он может вращаться вместе с шахтой, однако можно вращать шахту и затормозить поддон. Кроме описанного газогенератора, имеются механизированные газогенераторы с механическими граблями для шуровки и разравнивания слоя топлива и др. 
Газогенераторы для топлив с высокой влажностью. Древесину и торф с влажностью, большей чем 30— 35%, газифицировать в описанных ранее газогенераторах нельзя. Вследствие недостаточной высоты шахты очень влажное топливо не успевает достаточно хорошо подготовиться ,в верхней части газогенератора и опускается в зону газификации, имея большое количество летучих веществ и даже влаги. От этого температура в зоне восстановления снижается, что нарушает правильный режим работы газогенератора. Качество газа оказывается низким также и за счет того, что летучие вещества, попадая в зону газификации, разлагаются. Смола из легкой превращается в тяжелую, вязкую, загрязненную сажей. 
Для увеличения продолжительности пребывания влажного топлива в зонах подсушки и сухой перегонки устраивают -газогенераторы с высокой шахтой (рис. 6-6). Верхняя, более узкая часть шахты называется швель-шахтой. Общая высота слоя топлива составляет около 7 м. В таких газогенераторах можно газифицировать топливо с влажностью до 45—50%. Газ при этом получается хорошего качества, первичная смола не разлагается, и из нее можно получать ряд ценных веществ (смазочное масло, легкое горючее, фенолы и др.). 
Рис 6-6. 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК 
Схема получения горячего газа. Простейшая технологическая схема получения горячего генераторного газа представлена на рис. 6-7; в ней осуществляется сухая очистка газа лишь от уноса и пыли в пылеуловителях, что обусловливает небольшую начальную стоимость строительства и меньший расход материалов для изготовления оборудования. 

Рис. 6-7. 

В тепловом отношении горячий газ выгоднее холодного, так как при потреблении его имеется возможность использовать физическое тепло газа. Кроме того, горячий газ несет с собой большое количество конденсирующихся горючих веществ (смол, скипидара, фенолов и т.д.), которые увеличивают тепловую ценность газа. 
Недостатком схемы горячего газа является ограниченность радиуса подачи газа потребителю, так как при большой длине газопроводов 
возможность использования физического тепла газа практически отсутствует. 
Кроме того, горячий газ подается в сеть при небольшом давлении (20— 50 мм вод. ст.), а следовательно, и с небольшими скоростями (4—8 м/сек); поэтому газопроводы получаются громоздкими, и для их ''изготовления требуется большое количество металла. 
Газопроводы загрязняются смолой и пылью из-за конденсации различных составляющих газа при его охлаждении. Газогенераторные станции горячего газа работают рационально при расположении их в непосредственной близости « потребителю. 
На рис. 6-8 показана принципиальная схема установки газогенераторной станции горячего газа с газодувкой, служащей для повышения давления газа в газопроводе. В целях обеспечения надежности работы газодувки температуру газа перед ней следует понижать до 300° С (путем установки трубчатого котла-утилизатора, пар которого может быть использован для газификации или на стороне). Эту схему возможно осуществить лишь при топливах, не выделяющих смолу, к которым относятся донецкие антрациты и некоторые сорта тощих углей, так как при смолистых влажных топливах (дрова, торф, бурые угли) газопроводы и поверхность котла-утилизатора будут загрязняться смолой. 
Схема получения холодного газа из бессмольных топлив. Как сказано выше, практически бессмольный газ может быть получен при газификации антрацита и коксика или топлив, дающих смолу при газификации их в обращенных или двухзонных газогенераторах. Если в газе содержится очень мало смолы, то задача обработки газа чаще всего сводится к очистке его от пыли, охлаждению в целях освобождения от влаги и компрессии до необходимого давления. Наиболее рациональной является схема: газогенератор — пылеотделитель — котел-утилизатор — скруббер — газодувка — каплеуловитель. Эта схема получается путем добавления в схему, изображенную на рис. 6-8, скруббера между котлом-утилизатором и газодувкой и каплеуловителя после газодувки. 
РИС 6.8  
Схема без использования физического тепла газа показана на рис. 6-9. Газ из газогенератора поступает к стояку-охладителю (грубому очистителю), в котором промывкой водой из газа удаляется унос и пыль. Далее газ поступает в скруббер, где окончательно охлаждается и освобождается от влаги. Обычно газ охлаждают до температуры 25—45° С. Из скруббера газ проходит через каплеуловитель, улавливающий взвешенные капельки воды, засасывается газодувкой и нагнетается в газопровод, идущий к потребителю. При необходимости тонкой очистки газа от пыли после газодувки устанавливается электрофильтр. 
Вода, необходимая для охлаждения, подается в стояки-охладители и скрубберы насосами. Грязная вода осветляется и отводится в водоемы или в канализацию. В тех случаях, когда расход воды велик, а подача свежей воды ограничена, устраивается оборотный (замкнутый) цикл воды, как это показано на рис. 6-9. Отработанная грязная вода собирается в отстойниках, где осветляется и отчасти охлаждается. Осветленная вода забирается насосами и подается для охлаждения в градирню или в бассейн с разбрызгивающими соплами, после чего при помощи насоса она снова подается в стояки и скрубберы. Вследствие потерь воды из цикла из-за испарения ее в атмосферу и утечки необходима добавка в систему свежей воды. Шлам, образующийся в отстойниках и других сборниках грязной воды, периодически удаляется. Если газ должен быть очищен от сероводорода, сооружается специальная установка для сероочистки. 
Схема получения холодного газа при смолистых топливах. 
РИС 6.9  

Если газ по выходе из газогенераторов содержит значительное количество смолы, то предыдущая технологическая схема нерациональна, так как произвести в ней достаточно полное улавливание большого количества смолы и отделить ее от воды весьма затруднительно. 
Поэтому при газификации топлив, дающих смолу, применяется схема, изображенная на рис. 6-10. Отличительной особенностью ее является наличие специальной аппаратуры очистки газа от смолы, а именно электрофильтров или дезинтеграторов. 
Для наиболее эффективной работы, смолоочистителей температура газа перед ними должна быть на 10—15° С выше точки росы для газа, чтобы предотвратить конденсацию в них влаги и все же обеспечить достаточную конденсацию смолы и малый объем газа. 
Газ из газогенераторов направляется в стояки-охладители, в которых при промывке водой температура его понижается до 80—90°С. 
Рис. 6-10  
Одновременно в стояках происходит осаждение части смолы и пыли. Затем газ поступает в смолоотделитель и далее в скруббер (чаще всего трехступенчатый), где окончательно охлаждается и освобождается от влаги и летучих фракций смолы; после этого он всасывается газодувкой, которая сжимает его до нужного давления и нагнетает в сеть. Для улавливания капелек воды после газодувки устанавливаются каплеуловители. В нижней части трехступенчатого скруббера производится насыщение дутьевого воздуха водяными парами путем орошения воздуха горячей водой, поступающей из верхней (газовой) части скруббера. 
Описанная схема рациональна при применении газогенераторов со швель-шахтами для торфа или древесной щепы, в которых смола получается не разложенной, маловязкой, а унос, пыли относительно мал. В случае газификации каменных углей в газогенераторах без швель-шахты из-за сравнительно высоких температур в зоне сухой перегонки (500—700° С) имеет место значительная степень разложения смолы. Унос и пыль, смешиваясь в смолоотделителях с вязкой смолой, сильно затрудняют работу последних. Поэтому наиболее рациональным является установка сразу же после газогенераторов циклонов для улавливания пыли и уноса. 
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 
Недостатки газогенераторов с плотным слоем. Присутствие мелочи в буром и каменном углях и антраците сильно затрудняет процесс газификации: производительность газогенераторов уменьшается, увеличивается унос, ухудшаются качество газа и другие показатели работы. 
В силу этого к размеру кусков топлива предъявляются жесткие требования, и перед подачей в газогенераторы оно подвергается просеиванию (грохочению), при котором иногда значительная часть топлива отсеивается и направляется для использования, например, в топках паровых котлов. 
Другим недостатком газогенераторов с плотным слоем при газификации топлив при атмосферном давлении является их малая производительность, и на больших предприятиях для удовлетворения потребности в газе необходимо устанавливать десятки газогенераторов. 
Важной задачей является также повышение теплоты сгорания генераторного газа, которая в зависимости от сорта топлива и других факторов при обычной газификации, как было указано выше, равна 1000 - 1 600 ккал/м. куб. В ряде случаев такая теплота сгорания является недостаточной с точки зрения требований, предъявляемых к газообразному топливу. Кроме того, транспорт низкокалорийного газа из-за большого содержания балласта очень дорог, дальнее газоснабжение становится неэкономичным. 
Ниже излагаются методы газификации, способные в той или иной мере устранить указанные недостатки. 
Газификация бурых углей в «кипящем» слое представляет собой метод получения больших количеств технологического или энергетического генераторного газа из мелкозернистых бурых углей. В СССР способ газификации в кипящем слое был обстоятельно исследован в ряде научных институтов: в ГИАП ((Государственном институте азотной промышленности), ВТИ и др. Кипящий слой имеет место при скоростях потока воздуха и газов, выходящих за пределы устойчивости плотного слоя. Вращательно-пульсирующее движение частиц топлива при этом напоминает движение кипящей жидкости, почему такой слой и называется кипящим. При этом газовоздушный поток не циркулирует в слое, а прямоточно продувает его. 
По опытам М. К. Письмен [Л. 6], основной характеристикой кипящего слоя является увеличение объема слоя при продувке его воздухом, или, иначе, увеличение высоты слоя по сравнению с плотным слоем. На рис. 6-11 показана зависимость относительной плотности слоя от относительной скорости потока, представляющей собой отношение скорости потока, средней по всему сечению шахты, к критической скорости витания отдельной частицы, характерной для данной фракции. Из графика видно, что при нормальном «кипении» слой увеличивается в 1,5—3 раза по сравнению с плотным слоем. 
РИС 6-11  
Особенность кипящего слоя заключается в подвижности частиц в нем и в интенсивном перемешивании частиц по всему слою, чем и отличается кипящий слой от взвешенного, где имеет место некоторая сепарация частиц по их крупности и удельному весу. 
Исключение составляют газогенераторы с жидким шлакоудалением, о чем сказано ниже. 
Процесс газообразования в кипящем слое по исследованиям X. И. Колодцева, Н. А. Семененко и Л. Н. Сидельковского аналогичен газообразованию в плотном слое. Здесь также имеется кислородная и восстановительная зона. Но эти зоны имеют в данном случае большие по высоте размеры. Энергичное перемешивание частиц выравнивает температуру слоя, а так как эта температура значительна по величине, то происходит глубокое разложение продуктов сухой перегонки и в газе содержится мало смол, кислот и фенолов, что, с одной стороны, упрощает их очистку, но, с другой стороны, снижает теплоту сго¬рания газа. 
Высокая удельная производительность газогенераторов объясняется тем, что частицы мелкозернистого топлива в кипящем слое находятся в раздвинутом состоянии и совершают вращательно-пульсирующее движение в потоке воздуха и газа. Большая удельная поверхность топлива, энергичное обтекание частиц воздухом и газом, вращательно-пульсирующее движение частиц и их соударение обеспечивают постоянное «обновление» поверхности топлива (благодаря удалению с нее образовавшейся золы) и интенсивное течение реакций газообразования. 
На рис. 6-12 показана конструкция промышленного газогенератора с кипящим слоем, предназначенного для газификации низкосортного топлива (бурый уголь, отходы углей и кокса разных марок). 
Топливо, поступающее в газогенератор, подвергается предварительной подготовке, заключающейся в подсушке до влажности Wр = 7-12% и в измельчении. Размер частиц топлива допускается 0,5—12 мм. Подготовленное топливо подается в приемный бункер газогенератора. Из бункера топливо шнеками непрерывно подается на колосниковую решетку газогенератора. 
Дутье подают через колосниковую решетку под таким давлением, что слой топлива приходит в движение, напоминающее кипение жидкости. Омываемые газовой средой мелкие частицы угля бурно выделяют газы и могут легко перемешиваться. В плоскости колосниковой решетки имеется спиральная лопасть, выполняющая роль золоудалителя. Часть золы из генератора поступает в коробку и отсюда шнеком подается в сборник золы, откуда непрерывно удаляется. Другая часть золы выносится потоком газа и улавливается в циклонных пылеуловителях. 
Газогенератор работает на парокислородном дутье. Около 80% дутья поступает через колосниковую решетку и примерно 20% —через фурмы, расположенные выше слоя топлива. Делается это для того, чтобы можно было в какой-то мере прогазифицировать мелкие угольные 
частицы, обильно выносимые потоком газа из слоя. 
Рис. 6-12  

Для этой же цели газогенератор имеет большую высоту. Давление дутья под колосниквой решеткой 3000 мм вод. ст. Давление в самом генераторе поддерживается около 2500 мм вод. ст. Температура парокислородной смеси 85—100° С. 
Пар в большом количестве добавляется к кислороду или воздуху, так как температура слоя не должна быть выше 800-—900° С. При повышенных температурах зола размягчается, частицы топлива начинают слипаться и слой зашлаковывается. При невысоких температурах слоя степень разложения пара очень невелика (~0,2—0,3). При буром угле напряжение по нижней части шахты газогенератора составляет 1 750 кг/м2 • ч и более. 
После газогенератора газ проходит через пылеуловитель и направляется к котлу-утилизатору, производящему пар с давлением 20 кгс/см2. Получаемый пар не только покрывает все потребности газификации, но и используется для других целей. 
После котла газ проходит очистку в батарейных циклонах и в дезинтеграторах и транспортируется в сеть. 
Парокислородное дутье применяется при выработке без азотного технологического газа. При выработке энергетического газа (например, для газоснабжения газовых турбин или промышленных печей) газогенераторы могут работать и на паровоздушном дутье, но качество газа при этом снижается. По данным ВНИГИ, проводившего испытания полупромышленного газогенератора с кипящим слоем на бурых углях (райчихинском, артемовском и бабаевском), теплота сгорания газа при паровоздушном дутье получена равной 1 000—1 100 ккал/м3 вместо 2 100—2 200 ккал/м* на парокислородном дутье, к. п. д. газифи¬кации при этом составляет 50—54%, а термический к. п. д. — 74—84%. К достоинствам газогенератора с кипящим слоем относятся высокая производительность (один газогенератор может дать до 70 000 ж3 газа в час) и устойчивый режим работы. Недостатками являются: необходимость предварительной сушки углей с большой влажностью, громоздкость сооружений из-за низкого съема газа с единицы объема газогенератора, большое содержание пыли в газе, что усложняет очистку газа, низкая степень разложения пара и большой удельный расход кислорода. 
Газификация топлива под высоким давлением. При высоких давлениях в шахте газогенератора, помимо обычных реакций, продуктами которых являются водород и окись углерода, протекают еще со значительной скоростью вторичные реакции образования метана при взаимодействии водорода с углеродом топлива и окисью углерода: 
 Реакция образования метана протекает с резким сокращением объема газов, поэтому повышение давления и благоприятствует их протеканию. Увеличение содержания метана в газе сильно повышает его теплоту сгорания. После удаления из сырого газа значительной части двуокиси углерода (что легко достигается промывкой его под давлением) теплота сгорания газа при газификации под давлением 20 кгс/см2 достигает 4 000 ккал/м3 и выше и он может быть использован в качестве бытового газа. 
Особенностью процесса газификации под давлением является возможность получения большого количества, жидких продуктов высокого качества. 
При газификации топлива под давлением 20 кгс/см2 общий выход смолы примерно такой же, как при полукоксовании данного топлива, а выход бензиновой фракции значительно больше, чем при полукоксовании. Увеличение выхода бензина является следствием крекинг-смолы под давлением в присутствии водорода. 
Газогенератор высокого давления схематически показан на рис. 6-13. Такие газогенераторы имеют внутренний диаметр шахты до 2,5 м. Для газификации могут быть использованы также и мелкозернистый уголь и отходы угля. Топливо подается в газогенератор из бункера через шлюзовой загрузочный аппарат с двумя затворами. Для удаления шлака из газогенератора применяется зольная шлюзовая камера. 
В процессе газификации под давлением топливо проходит те же зоны, что и при обычной газификации. Подсушка угля лимитируется отсутствием азота как теплоносителя, и поэтому бурый уголь должен подвергаться предварительной сушке, а содержание влаги в нем должно быть не выше 20—25%. 
Напряжение шахты газогенератора при бурых углях составляет примерно 800—1 000 кг/м2-ч. Высокая производительность газогенераторов обеспечивается резким повышением объемных концентраций газов. Интенсивное течение реакций газообразования при высоком давлении позволяет снизить температуру слоя до 900—1 000° С и, таким образом, избежать шлакования. Высокая зольность топлива (даже 30—40%) не является препятствием для этого способа газификации, если зола не шлакуется. 
Возможность одновременного получения газа и ценных жидких продуктов при минимальном расходе кислорода и использовании мелкозернистого топлива (3—10 мм) составляет преимущество газификации под давлением. Недостатком этого, способа является большая сложность оборудования. Трудность изготовления оборудования и его высокая начальная стоимость затрудняют внедрение установок в промышленности, и такой способ газификации в СССР не применяется. 
Рис. 6-13.  

Газогенераторы с жидким шлакоудалением. Газогенераторы с жидким шлакоудалением могут служить для получения воздушного генераторного газа из тощих углей, пригодного для газоснабжения газовых турбин или двигателей внутреннего сгорания. Подобные газогенераторы исследованы X. И. Колодцевым во ВТИ, где в лабораторных условиях достигнуты нагрузки при газификации рядо¬вого антрацита до 1000 кг/м2-ч, а при газификации под небольшим давлением — до 1500 кг/м2-ч с улавливанием жидкого шлака в количестве до 95%. В этом случае целесообразно воздух, идущий на газификацию, подогревать за счет тепла газа, выходящего из газогенера¬тора. В горне газогенератора при продувке слоя топлива горячим воздухом развиваются очень высокие температуры (порядка 1800° С и более) , чем обеспечивается протекание газогенераторного процесса с превращением золы топлива в жидкоплавкое состояние. Газификация пылевидного топлива. Получила некоторое распространение газификация топлива в пылевидном состоянии (угля и торфа). В этом случае в газогенератор поступает смесь очень тонкой угольной пыли с кислородом; туда же подается пар, снижающий температуру стенок газогенератора, благодаря чему увеличивается стойкость футеровки. Большая часть золы выносится с газом в твердом состоянии и улавливается, в газоочистке. 
Подземная газификация углей. Впервые идея подземной газификации углей была высказана в 1888 г. Д. И. Менделеевым. Практически подземная газификация углей впервые в мире была осуществлена в СССР в 1931—1933 гг. путем применения так называемого поточного метода. 
Через шахту, прорубаемую до подошвы пласта, производят подземную выработку. Как видно из рис. 6-14, эта выработка заключается в устройстве канала, дном которого является подошва пласта, а крышей — сам угольный пласт. На различных расстояниях сверху пробурены шурфы и скважины. В самом канале на некоторых участках укладываются штабеля дров и в них запалы, которые могут поджигаться электрическим путем через провод, выведенный наверх. По окончании выработки подземный канал отделяют от шахты перемычкой. После этого через один шурф или скважину подают воздух с давлением в несколько атмосфер, а через другой шурф или скважину отводят газ. После розжига поток воздуха устремляется по каналу и происходит газификация угольного пласта. 
Особое значение имеет подземная газификация углей с большим содержанием балласта (золы и влаги), например в Подмосковном бассейне, и углей, залегающих в маломощных пластах (тоньше 0,7 м), которые обычно не разрабатываются. 
Теплота сгорания газа подземной газификации пока составляет 800—900 /ккал/л3. В настоящее время в связи с быстрым ростом добычи высококалорийного природного газа подземная газификация не развивается. 
Рис. 6-14. 
А.А. Щукин «Газовое и печное хозяйство заводов», издательство «Энергия», Москва-Ленинград, 1966 год. 

Экспериментальные газгены-  ООО "Экосинтез":