Физико-химическая сущность процесса газификации

Газификация протекает в слое топлива, между частицами которого проходит газовый поток, унося с собой продукты реакции и подавая воздух и пары воды. Слой топлива по существу не является неподвижным, так как его частицы газифицируются или выгорают, и для поддержания процесса слой восполняется новыми частицами. Таким образом, при непрерывности процесса наряду с газовым потоком возникает поток частиц топлива, пополняющих израсходованные на газификацию. Для создания газового потока используется разрежение, создаваемое двигателем, или же при наддуве источником движения служит перепад давлений, создаваемый вентилятором.
Слой топлива в автотракторных газогенераторах движется под действием силы тяжести. Этим объясняется, что различного типа газогенераторы имеют один и тот же вид вертикально поставленного цилиндра с нисходящим потоком топлива. Слой топлива, где протекают основные процессы газификации, называется активной зоной.
В зависимости от направления газового потока по активной зоне газогенераторы разделяются на следующие типы: прямого процесса, обращенного процесса, горизонтального процесса.
Рассмотрим работу газогенератора прямого процесса (рис. 26.2, а). Воздух входит в активную зону через патрубок 1 и колосниковую решетку 2, а газы отбираются сверху. Основные процессы газификации совершаются в камере газификации 3, имеющей футеровку. Топливо загружается в бункер 4 газогенератора, снабженный в верхней части загрузочным цилиндром 5 с загрузочным люком 6.
Кислород воздуха, реагируя с углеродом топлива, не может израсходоваться в первом ряду частиц, а расходуется на известном протяжении активной зоны. Участок горящего слоя топлива, в пределах которого расходуется основная масса кислорода и выделяется основное количество тепла, называется зоной горения, или кислородной зоной — I. Окислительные процессы, идущие в зоне горения, можно представить в виде следующих реакций:

Реакции (26.4) и (26.5) экзотермические, т. е. протекают. с выделением тепла, в результате чего температура кислородной зоны поднимается до 1500° и выше. В связи с тем, что в газогенераторах прямого процесса практикуется подача с дутьем воды (пара), указанная температура колеблется от 1200 до 1700°, в зависимости от сорта топлива и количества подаваемого пара. Основным продуктом деятельности зоны горения является CO2 и выделяющееся тепло.
Окись углерода в генераторном газе образуется в основном в результате следующих реакций, протекающих в так называемой зоне восстановления — II:

Реакции (26.6) и (26.7) — эндотермические, т. е. идут с поглощением тепла, выделившегося в зоне горения.
Параллельно указанным реакциям идет образование метана:

При избытке воды возможна реакция:

В связи с протеканием эндотермических реакций температура зоны восстановления находится в пределах 700-1100°.
Зона горения и зона восстановления составляют активную зону газогенератора. Выше активной зоны расположена зона сухой перегонки — III и зона подсушки — IV. В зоне сухой перегонки образуются различные продукты, в том числе из древесины: древесный уголь, вода, смолы, кислоты и газы. В зоне подсушки выделяются пары воды. Температура в зоне сухой перегонки 250-500°, в зоне подсушки 100-150°.
Генераторный газ представляет собой смесь газов и паров, образующихся во всех зонах. В состав газа входят следующие основные компоненты: CO, H2, CH4, CO2 и N2. Кроме того, газ несет с собой пары воды, смолы, кислоты и пыль. Горючими составляющими генераторного газа являются CO, H2 и CH4. Смолы, кислоты, вода и пыль являются вредными примесями газа. Газогенераторы прямого процесса дают газ с большим количеством вредных для работы двигателя примесей (смолы, кислоты); в связи с этим они непригодны для получения силового газа из битуминозных (смолосодержащих) топлив, например из древесины. Очистка газа от смол и кислот, вполне возможная на стационарных установках, весьма затруднительна на автомобиле и тракторе. Поэтому в автотракторных газогенераторах прямого процесса используют только бессмольные сорта топлива (древесный уголь, кокс и др.).
Основным преимуществом автотракторных газогенераторов обращенного процесса является возможность газифицировать в них битуминозные сорта топлива, получая при этом газ с содержанием смол в количестве, не влияющем вредно на работу двигателя. В газогенераторах обращенного процесса воздух поступает не снизу, а сверху активной зоны, например через фурмы 7 (см. рис. 26.26). Следовательно, зона горения I находится над зоной восстановления II. Выше зоны горения располагаются зоны сухой перегонки III и подсушки IV. Газообразование по отдельным зонам происходит аналогично описанному для газогенераторов прямого процесса, но продукты сухой перегонки и подсушки, не имея выхода сверху, проходят через активную зону. При этом органические кислоты и смолы разлагаются под действием высокой температуры, давая горючие газы, или сгорают. Газогенераторы обращенного процесса в присадке воды не нуждаются, так как пары поступают в активную зону из бункера непосредственно.
Газогенераторы горизонтального процесса (см. рис. 26.2в) имеют сопло, подводящее дутье в толщу активной зоны, и газоотбор через колосниковую решетку с противоположной стороны. Эти газогенераторы отличаются весьма компактной активной зоной, работающей на повышенном тепловом режиме. В качестве топлива могут употребляться только бессмольные сорта (древесный уголь, торфяной кокс, антрацит). Такие газогенераторы отличаются простотой, легкостью и быстрым пуском в ход. Из всех типов наибольшее распространение на автомобилях и тракторах получили газогенераторы обращенного процесса, работающие на древесной чурке.