Применение газогенераторных установок

Предпосылки создания газогенераторных установок
В нашей стране на протяжении долгого времени (когда ещё не начали использовать природный газ) газификация твердого топлива являлась весьма важным направлением в энергетике. На многих предприятиях было установлено мощное газогенераторными оборудование, а автомобили оснащались двигателями, работающими на генераторном газе.

В 30-е годы XX века индустриализация в СССР проходила очень стремительно. Для обеспечения таких темпов требовался огромный парк автомобильной техники, для работы которого в свою очередь требовалось громадное количество углеводородного топлива – бензина и солярки. Нефтепродуктов постоянно не хватало.

Принцип работы газогенераторных установок

Для того чтобы решить эту проблему широко применялись мобильные газогенераторы, которые были изобретены еще во время первой мировой войны. Схема газогенераторной установки проста. Загруженное в газогенератор топливо поджигается через воздушный клапан при помощи факела. Воздух, необходимый для газификации, засасывается в камеру через фурменные отверстия благодаря разрежению, создаваемому всасывающим действием двигателя. Причем его количество должно быть недостаточно для полного сгорания топлива. При этом углерод топлива соединяется с кислородом воздуха, образуя углекислый газ (СО2) и окись углерода (СО). Далее они попадают в зону восстановления, где проходит через слой раскаленного угля, лежащего на колосниковой решетке. В результате негорючий СО2 превращается в горючий СО. Входящий в состав топлива водород частично соединяется с кислородом, образуя воду, которая присоединяется к влаге топлива, а остальной выделяется в чистом виде. Под влиянием высоких температур в камере газификации часть влаги соединяется с углеродом, образуя окись углерода и водород. Окись углерода, вместе с ранее образованной и полученной в результате восстановления углекислого газа, переходит в состав генераторного газа. Водород же, полученный в результате разложения воды, суммируется со свободным водородом, причем часть этого водорода переходит в состав генераторного газа, а другая часть вступает в химическую реакцию с углеродом топлива, образуя метан. Теоретически весь кислород воздуха должен израсходоваться при газификации, однако в действительности часть его сохраняется и переходит в состав генераторного газа. Вода, не разложившаяся при газификации, переходит в генераторный газ в виде пара. В слое топлива, находящегося непосредственно над зоной горения, происходит процесс пиролиза топлива (или сухой перегонки), то есть нагрев без доступа воздуха.

Продуктами сухой перегонки являются древесный уголь или кокс, а также летучие вещества, смолы и влага, выходящие в газо- и парообразном состоянии. Все продукты сухой перегонки в описанном типе генератора целиком проходят через зону горения и восстановления, где подвергаются процессам газификации, несколько более сложным, чем описано, но дающим те же основные продукты. Над зоной сухой перегонки находится зона подсушки, где происходит высыхание топлива. При выходе из генератора газ имеет высокую температуру и засорен золой и частицами угля. В таком виде он не может использоваться в двигателе и перед поступлением в цилиндры должен быть очищен и охлажден.

Создание и развитие газогенераторных установок

У истоков работ по автомобильным газогенераторам стоял профессор В. С. Наумов, который в 1927 году построил и испытал установку с прямым процессом газификации древесного угля. С 1928 года автомобильными газогенераторами начал заниматься научный автотракторный институт (НАТИ), а 5 марта 1930 года решением Президиума ВСНХ тракторный отдел и газогенераторная лаборатория института древесины и орглеса переводятся в научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ). 25 марта в институте из подотдела создается газогенераторный отдел, в котором разворачиваются работы по применению твердого топлива для автотракторных двигателей, а также ведется проектирование, постройка и испытания газогенераторных установок для водного транспорта (их ставили на катера, самоходные баржи) и других нужд народного хозяйства.

На смену простейшим установкам, работавшим на древесном угле, пришли более сложные, которые использовали в качестве исходного продукта газификации древесные чурки. Их применение предъявляло более жесткие требования к конструкции газогенератора. Тем не менее, соблазн использовать обычную древесину стал причиной, по которой многие конструкторы направили внимание на дровяные установки. Над ними работали:

• трест «Лесосудомашстрой» и ЦНИИМЭ (генераторы «Пионер» С. И. Декаленкова 1933-1935 гг.);

• «Газогенераторстрой» (А. А. Введенский, 1934-1935 гг.);

• НАТИ (И. С. Мезин, А. И. Пельтцер, С Л. Косов, 1935-1936 гг.);

• ГАЗ (Н. Т. Юдушкин, 1936-1939 гг.);

• ЗИС (А. И. Скерджиев, 1936-1939 гг.);

• Лесотехническая академия имени Кирова в Ленинграде (профессор Е. В. Фролов, 1935 г.).

Первая газогенераторная установка НАТИ-1 работала на обычных дровах. В 1932 году была изготовлена установка НАТИ-3, предназначенная для моторного катера с двигателем ХТЗ или СТЗ. Тогда же появилась и первая автомобильная установка. Она была создана при поддержке общества Автодор. Установка называлась «Автодор-П» и была сконструирована инженером И. Мезиным при участии инженера НАТИ А. Пельцера и Друяна. «Автодор-П» представляла собой газогенераторную установку цельнометаллической конструкции с фурменной подачей воздуха по периферии топливника. Смеситель установки целиком заимствован с НАТИ-3. В НАТИ По типу «Автодор-П» С. Мезин спроектировал две установки: НАТИ-11 для ГАЗ-АА и НАТИ-10 для ЗИС-5. А после испытаний в начале 1936 году НАТИ-11 была передана для серийного производства заводу «Свет шахтера», выпускавшему до этого шахтерские лампы. Приобретенный в этой работе опыт позволил создать более совершенные конструкции. Одной из них стала установка НАТИ-Г14, созданная под руководством С. Г. Коссова. Ее серийное производство под руководством инженера НАТИ Н. Г. Юдашкина было налажено на Горьковском автозаводе для автомобиля ГАЗ-42. Он же ранее разработал и организовал производство газовой версии двигателя ГАЗ-А. В проект газогенераторной установки был внесен ряд изменений с учетом технологий ГАЗ-А, оборудование которого, рассчитанное на массовое производство, резко отличается от оборудования завода «Комета», где эти установки выпускались раньше. В марте 1939 года XVII съезд ВКП(б) поставил перед машиностроителями задачу: «Перевести на газогенератор все машины на лесозаготовках, а также значительную часть тракторного парка сельского хозяйства и автомобильного парка». Военные операции съедали основную массу производимого в стране топлива. Только в боевых действиях против Финляндии было задействовано около 100 000 автомобилей. Во время Великой Отечественной Войны газогенераторные трактора и автомобили стали основным видом механического транспорта в тылу, особенно в сельском хозяйстве и на лесозаготовках. А автомобили ЗИС-21 и ГАЗ-42 эксплуатировались не только в тылу, но и на фронтах. В частности, половина транспортных автомобилей блокадного Ленинграда, Ленинградского фронта и Краснознаменного Балтийского флота была оснащена газогенераторными установками. Для установки на обычные грузовики были разработаны установки НАТИ-Г69 для ЗИС-5 и НАТИ-Г59 для ГАЗ-АА. К концу войны в СССР эксплуатировалось 200 000 газогенераторных автомобилей, тракторов, передвижных электростанций, катеров, мотовозов и других установок. Можно с уверенность сказать, что в условиях нехватки нефтепродуктов газогенераторный автотранспорт внес существенный вклад в Победу нашей страны над гитлеровской Германией. После войны в 1946 – 1952 годах Уральский автомобильный завод выпускал модернизированный УралЗИС-21А, а с 1952 года УралЗИС-352 с установкой НАМИ-Г78. С 1953 года Минский тракторный завод выпускал трелевочный трактор КТ-352Т. Это были последние серийные газогенераторы.

 

Трудности использования газогенераторных установок

Самой большой трудностью было создание долговечной и эффективной камеры сгорания – выбор конструкции и материала. Были испытаны керамика, углеродистая сталь с алюминиевым покрытием, кремнистый чугун, жаропрочная хромоникелевая сталь. Последняя давала наилучшие результаты, но никель был дефицитен и импортировался. Выполненные же из других материалов камеры сгорания оказывались недолговечными – быстро прогорали.

Газогенераторные установки (генератор, охладители и очистители газа) были довольно громоздкими и тяжелыми. Их масса колебалась от 400 до 600 кг. В результате газогенераторная модификация, скажем, грузовика ЗИС-5 теряла полтонны грузоподъемности.

Очень сложно компоновалась вся система на легковом автомобиле, что требовало инженерной изощренности от конструкторов.

Как известно, при переводе с бензина на газ мощность двигателя внутреннего сгорания падает. Для компенсации такой потери приходится увеличивать степень сжатия. Так, на ГАЗ-М1-Г она была увеличена с 4,6 до 6,4. Кроме того, его двигатель был оборудован впускным коллектором без подогрева отработавшими газами (ненужного при газовом топливе) и отдельные детали подверглись некоторым переделкам. Несмотря на эти меры, мощность двигателя достигала только 37 л. с., а максимальная скорость – 87 км/ч. Расход древесных чурок составлял 32 кг на 100 км пути.

Несмотря на все дополнительные трудности по обслуживанию газогенераторных установок, десятки тысяч оснащенных ими автомобилей как в предвоенный период, так и в годы войны помогли существенно сэкономить жидкое топливо. Но уже с середины 50-х годов интерес к газогенераторным двигателям резко пошел на убыль. Это было связано с разработкой огромных запасов нефти в Западной Сибири. В настоящее время в условиях постоянного удорожания нефтепродуктов и природного газа, газогенераторные установки снова начинают становиться актуальными. Принцип газификации твердого топлива эффективно реализован в пиролизных котлах «БУРЖУЙ-К», отличительной особенностью которого является экономичность, полная автономность и доступная цена.

При подготовке статьи были использованы материалы сайтов

• http://www.sibpromtrans.ru/red_book/gazgen.htm

• http://www.gazgen1.narod.ru/Gaz/Gaz2.doc

• http://www.sibpromtrans.ru/red_book/gazgen.htm