Газогенераторная установка: принцип работы, преимущества и недостатки

Практика использования дров в качестве топлива в наше время даже применительно к котельному оборудованию кажется морально устаревшей. И все же данный принцип работы энергетических систем имеет неоспоримые преимущества, что, соответственно, отражается и в появлении новых технологических концепций. В данном случае рассматривается газогенераторная установка, эксплуатационные особенности которой давно привлекают внимание конструкторов из сферы автомобилестроения. Разумеется, о традиционной топке дров под капотом речи не идет, однако вырабатываемая такими агрегатами энергия имеет прямое отношение к сжиганию твердого топлива.

Конструкции газогенераторного оборудования

Техника состоит из преобразователя, вентилятора, скруббера, трубопроводной подводящей инфраструктуры, камеры сжигания и подключающей фурнитуры. Конструкция ориентируется на условия термической переработки твердого топлива с целью выработки тепловой или электрической энергии. Это может быть моноблочная или модульная установка с возможностью выполнения замены отдельных элементов. Корпуса компонентов изготавливаются из металла (листовая сталь) путем сварочной компоновки. В нижней части монтируется металлическая платформа, которую можно дополнять и ходовой частью в зависимости от конкретного конструкционного решения. В верхней же части обычно организуется система загрузки с бункером, к которому подводятся каналы подачи кислорода. В промышленных газогенераторных установках для выработки электроэнергии иногда предусматриваются механические органы загрузки топлива с автоматической регулировкой. Но в этом случае и камера сгорания должна быть обеспечена специальными индикаторами, которые будут подавать команду на внесение очередной порции топлива.

Функциональные зоны газогенератора

Все внутреннее пространство агрегата можно условно поделить на четыре отдела:

• Зона просушки. Своего рода камера подготовки топлива, в которой те же дрова обретают оптимальную температуру без излишков влаги. Обычно температурный режим на этом участке составляет 150-200 °С.
• Зона сухой перегонки. Еще один этап подготовки твердотельного топлива, но в условиях более высокого температурного режима до 500 °С. На этой стадии газогенераторная установка обугливает дрова с целью выведения из них смол, кислот и других нежелательных веществ.
• Зона горения. Этот отдел размещается на уровне подключения воздушных каналов, по которым направляется воздух для поддержания стабильности горения. Конструкционно это обычная камера сжигания, которая присутствует во всех твердотопливных котлах. Средняя температура в ней варьируется от 1100 до 1300 °С.
• Зона восстановления. Участок между колосниковой решеткой и камерой сгорания. По аналогии с современными пиролизными котлами можно представить этот отдел как место повторного сгорания. Сюда из зоны сжигания попадает раскаленный уголь, который может выниматься или тут же утилизироваться.

Принцип работы газогенераторной установки

Рабочий процесс данного оборудования основывается на неполной переработке углерода, выделяемого при сжигании топлива. В качестве твердотопливных элементов могут выступать как дрова с углем, так и биоматериалы наподобие торфяных брикетов, пеллетов или гранул из отходов деревоперерабатывающей промышленности. Полученный углерод при взаимодействии с подведенными потоками воздуха может присоединять к себе атомы кислорода. Полученный газ потенциально может отдать объем энергии, соответствующей лишь 30% от изначально загруженного топлива, из которого он был выработан. С другой стороны, для переработки углерода требуется гораздо меньше ресурсов – как минимум, кислород требуется в минимальном объеме. И уже в процессе вторичного сжигания газогенераторная установка вырабатывает целевую энергию, пригодную для использования. На этом этапе могут задействоваться различные преобразователи и аккумуляторные батареи – в зависимости от типа энергии, которую планируется получать из газовоздушной смеси.

Возможности газогенераторного оборудования

Совмещение принципов горения органических видов топлива с выработкой газа рассматривалось еще в начале 20 века. Более того, были успешные практические наработки в этом направлении, которые заменяли собой более распространенные на тот момент генераторы для переработки возобновляемых источников энергии. Сегодня же на фоне популяризации принципов рационального использования ресурсов с акцентом на энергосбережение вновь становится актуальной концепция термохимической конверсии отходов и растительной биомассы. И даже небольшие по мощности газогенераторные установки на 70-80 кВт могут задействоваться в коммунальных или сельских хозяйствах, где в качестве топлива будут применяться местные отходы производств. К примеру, есть практика эксплуатации таких установок в поливочных системах фермерских хозяйств в режиме полной автономии в течении 4-5 ч. Оборудование от 150 кВт находит свое место на крупных производствах, в обслуживании районов и крупных энергетически зависимых объектов.

Применение газогенераторных технологий в промышленности

Впервые газогенераторные технологии стали применяться в стекольной и металлургической промышленности в Европе, а в СССР нашли свое место в народном хозяйстве. К примеру, в середине 20 века по стране были распространены газогенераторные станции, вырабатывающие до 3 МВт из растительной биомассы и торфа. Современное оборудование заметно прибавило в технологическом развитии. Сегодня это целые комплексы, обеспеченные средствами автоматического и даже роботизированного управления под контролем ЭВМ. Мощность газогенераторных установок для выработки электроэнергии в промышленной сфере в среднем составляет 300-350 кВт. В некоторых случаях это целые химические заводы, предъявляющие жесткие требования к топливным материалам. Такие установки применяются на крупных производственных комплексах для обслуживания сразу нескольких систем потребления – силовых узлов (станков, линий сборки, динамомашин, компрессоров), осветительных приборов, вентиляционной инфраструктуры и т. д.

Газогенераторы в транспортной технике

Практика доработки автомобилей под установку газовых генераторов началась еще в довоенные годы. На многие машины в рамках такой модернизации устанавливался генератор электрооборудования с высокой отдачей, так как нужно было обеспечивать достаточно мощный поток кислородного наддува. Для этого применялся электровентилятор. К наиболее заметным разработкам такого типа можно отнести «полуторки» ГАЗ-АА и «трехтонки» типа ЗИС-5, газогенераторные установки которых обеспечивали пробег на одной заправке до 80-90 км. Это немного, но в условиях дефицита жидкостного топлива на лесных хозяйствах данное решение полностью себя оправдывало экономически. Что касается сегодняшнего дня, то преобразование обычных авто с ДВС также мотивируется в основном интересами энергосбережения. Есть успешные примеры переделки легковых автомобилей ГАЗ-24 и АЗЛК-2141, которые на одной заправке проезжают до 120 км, поддерживая скоростной режим в диапазоне 80-90 км/ч.

Как сделать газогенераторную установку для автомобиля своими руками?

Реализовать данный принцип без обращения к специалистам в домашних условиях можно и самостоятельно. Общую инструкцию такой модернизации можно представить так:

• Организуется бункер загрузки. Обычно используют газовый баллон емкостью 40-50 л. Днище в нем вырезается, а в горловине проделывается отверстие или окошко для засыпки топливо. Ориентироваться стоит на применение либо мелкофракционного угля, либо пеллетов.
• Монтируется колосниковая решетка для принятия на себя основной нагрузки.
• Изготавливается циклонный фильтр и фурма, которая примет на себя тепловую нагрузку. Независимо от типа используемого твердого топлива, оно будет выделять продукты сгорания в виде золы и пыли. Данные отходы должны улавливаться сразу после выпуска фильтром.
• Монтаж радиатора. Этот компонент будет выполнять функцию охлаждения газовой смеси. Для газогенераторной установки своими руками можно сделать радиаторную конструкцию из сантехнических труб. Важно лишь правильно рассчитать сечение для оптимальной подготовки углерода.
• Создание фильтра тонкой очистки. Из современных мембранных материалов можно изготовить заслонку для многоуровневой очистки газовоздушной смеси, что повысит мощность генератора энергии.
• Подключение к двигателю. Финальная стадия, в ходе которой при помощи коммутирующих труб выполняется подводка к мотору для направления к нему очищенной газовой смеси.

Бытовые газогенераторы

Домашнее котельное оборудование также улучшается, дополняясь новым функционалом и эксплуатационными возможностями. Для этой сферы предлагаются газогенераторные установки до 150 кВт на СУГ (сжижено углеродистый газ) в комплектации с системой жидкостного охлаждения, блоком зарядки аккумулятора и защитными приспособлениями. Это полноценный резервный генератор, который можно использовать в случае отключения основного энергоснабжения.

Расчет газогенераторного оборудования по мощности

Независимо от назначения энергетического агрегата, его технико-эксплуатационные показатели должны быть рассчитаны до покупки. Ниже приведен типовой пример расчета газогенераторной установки для домашней системы отопления.

Мощность агрегата усредненно следует соотносить с площадью целевого помещения эксплуатации, имея в виду следующую взаимосвязь: на 10 м2 приходится 1 кВт мощностного потенциала от генерируемой газовой смеси. Так, для площадки на 50 м2 потребуется установка не менее чем на 5 кВт, а если площадь производственного объекта составляет 1000 м2, то нужна будет система обогрева минимум на 100 кВт. Но и это не все. Для каждого проема в стене делается добавка примерно в 1 кВт, не считая поправки на климатические условия. В итоге объект общей площадью 1000 м2 с 10 окнами и 5 дверными проемами потребует использования установки с мощностью 1015 кВт как минимум.

Плюсы технологии

Газогенераторы отлично справляются с базовыми задачами выработки энергии. Так, если обычные твердотопливные агрегаты имеют КПД на уровне 60%, то газовые аналоги – более 80%. Отмечаются и положительные нюансы обслуживания. Поскольку в камере происходит полное сгорание с выводом углекислотной смеси, в дальнейшем не требуется специальная очистка стен оборудования. Безусловно, есть и преимущества экономического характера. Простейшая газогенераторная установка на дровах позволяет сэкономить до 30-40% по сравнению с электрическими обогревателями и котлами, обеспечивающими аналогичный тепловой эффект.

Минусы технологии

Достоинства газогенераторов могли бы их сделать основным средством выработки электрической и тепловой энергии, если бы не слабые места. К ним в первую очередь относится многокомпонентность функциональных частей. Несмотря на простой принцип работы, газогенераторная установка содержит множество взаимозависимых элементов, что усложняет сборку и управление системой. Также стоит подчеркнуть необходимость постоянного поддержания горения путем загрузки топливного сырья. В условиях работающего производства это необходимо делать регулярно, поэтому без контролирующей автоматики обойтись не удастся.

Будущее развития газогенераторных технологий

В пользу продолжения развития газогенераторных агрегатов говорит их органичное сочетание с биотопливными элементами, которые являются безоговорочно одним из самых перспективных источников горючего сырья. В направлении оптимизации конструкций под пеллеты и брикеты с большей вероятностью будет осуществляться движение данной концепции. Что касается газогенераторных установок для автомобилей, то на промышленном уровне их разработка тоже может себя оправдать экономически. К слову, порядка 2 кг дешевых топливных материалов вырабатывают столько же энергии для машины, сколько 1 л бензина. Однако процессу развития в данном направлении все же препятствует необходимость усложнения конструкции автомобилей и появление все новых конкурентных генераторов, которые также приходят на смену обычным ДВС.

Заключение

Электрическим и жидкостным системам генерации энергии сегодня все активнее противостоят технологии альтернативной энергетики. Для той же бытовой среды уже давно выпускаются комплектные солнечные панели и геотермальные батареи. Какое место в этой конкурентной борьбе может занять современный газогенератор? Это не самое практичное в использовании решение именно для бытового применения из-за больших размеров оборудования и хлопотного содержания. Однако промышленность вполне заинтересована в таких установках, поскольку они позволяют рассчитывать на внушительную экономию без снижения мощности.