Експериментални изследвания на газогенераторна инсталация с тристепенно подаване на въздух, работеща с RDF-пелети

Автор: Сергей Владимирович Кашников, старши преподавател, катедра по топло- и газоснабдяване и вентилация, Санктпетербургски държавен архитектурно-строителен университет (СПбГАСУ)

Публикувано в: Списание СОК №11 | 2025, стр. 42–43

Основни тезиси

• Тристепенното подаване на въздух в газогенераторите е технология, насочена към разделяне на зоните на окисление, пиролиза и редукция, което подобрява управляемостта на процеса.
• Практическото прилагане на зоналното регулиране за гориво от рециклирани отпадъци (Refuse-Derived Fuel, RDF) стана възможно едва с развитието на системите за автоматизация.
• Многостепенното подаване на въздух намалява образуването на смоли и увеличава съдържанието на CO и H₂.
• Целта на изследването е експериментална верификация на тристепенната схема за RDF-пелети и анализ на предимствата ѝ пред класическите системи.

Теоретична част

Модел на подаване на въздух

Изследваната система предвижда самостоятелно подаване на въздух в три зони:

• Първичен въздух — подава се в централната част на газификатора за протичане на реакцията на окисление на въглерода:
  C + O₂ → CO₂

• Вторичен въздух (зона на пиролиза) — догаряне на летливите вещества и намаляване на отделянето на смоли.

• Третичен въздух — участва в реакцията на редукция:
  CO₂ + C → 2CO

Теоретичен модел на разпределение

Общото въздушно разпределение се описва с уравнение:

φобщ = φ₁ + φ₂ + φ₃

където φ₁, φ₂ и φ₃ са дяловете на въздуха, подавани на всяка степен.

Теоретични ефекти

• Намаляване на съдържанието на смоли чрез догаряне с вторичен въздух.
• Повишаване на концентрацията на H₂ при подаване на третичен въздух в зоната на редукция.

Конструкция и параметри на експерименталната инсталация

• Газогенератор от обратен тип с мощност 40 kW, проектиран за работа с RDF-пелети.
• Вертикална шахта от топлоустойчива стомана, височина 2,5 м, диаметър 0,6 м.
• Вътрешната повърхност е облицована с керамични материали, устойчиви на температури до 1200°C.
• Шнеков захранвател с регулируема скорост на подаване от 0 до 50 кг/ч.
• Разпределение на въздуха: първичен — 50%, вторичен — 30%, третичен — 20% (базова конфигурация).

Измервателна апаратура

• Газов анализатор Gasboard-3100 — измерва концентрациите на CO, H₂, CH₄, CO₂ и O₂ с грешка ±1%.
• Термодвойки тип K за контрол на температурния режим.

Анализ на RDF-пелетите (по ГОСТ Р 55127–2012)

Практически резултати

Оптимален режим

При съотношение „въздух/гориво” 1:2 и разпределение 40:40:20 са получени следните резултати:

• Топлинна стойност на генераторния газ: 5,1 МДж/м³
• КПД на газификацията: 72,1%
• Концентрация на CO: 24,7% (срещу 18,5% при едностепенна система — ръст с 33%)
• Съдържание на смоли: 0,09 г/м³ (срещу 0,25 г/м³ — намаление с 64%)

Сравнение на изследваните режими

• Увеличаването на дела на вторичния въздух до 40% (режим 40:40:20) намалява съдържанието на смоли с 64% чрез догаряне на летливите в зоната на пиролиза.
• Подаването на 20% въздух в зоната на редукция повишава концентрацията на CO от 18,5% до 24,7%.
• Увеличаването на дела на първичния въздух над 50% води до прекомерно окисление на въглерода и ръст на CO₂.

Приложение

• Резултатите потвърждават ефективността на тристепенното подаване на въздух за газификация на RDF — гориво, произведено от твърди битови отпадъци.
• Технологията е приложима в системи за топлоснабжаване на сгради и промишлени обекти.
• Разработените условия за ефективна газификация изискват влажност на RDF под 5%.
• Оптималното разпределение на въздуха 40:40:20 може да бъде препоръчано като стандартен режим за подобни инсталации.
• Резултатите са в съответствие с данните от чуждестранни изследвания (Arena, Knoef и др.), при които многостепенното подаване на въздух намалява отделянето на смоли с 50–70%.