«…без веры, что природа подчиняется законам, не может быть никакой науки…»

Норберт Винер

«…Нет ничего практичнее, чем хорошая теория…»

Людвиг Больцман

«…Смешанные тела изменяются… от потери одной или нескольких составляющих… необходимы силы, которые могли бы уничтожить сцепление между частицами.

Легче всего такое действие производит огонь…»

М. В. Ломоносов

Сначала небольшое историческое отступление от темы.

Человек, перейдя к оседлому образу жизни, в качестве первой внешней энергетической установки для обработки земли в сельскохозяйственных целях стал использовать быка. А лошадь, гораздо более перспективный «энергоноситель», превосходящий по скоростным ха­рактеристикам быка в несколько раз, смог освоить только через пару тысячелетий. Причина здесь, видимо, проста: чтобы запрячь быка достаточно одной верёвки (шея у быка мощная, а скорость передвижения небольшая), а вот с лошадью так не получалось — шея у неё гораздо уязвимее, особенно при сравнительно высокой скорости перемещения. На поиск технологи­ческого решения под названием «хомут» и ушли эти тысячи лет. Зато после этого удалось использовать («распаковать») энергию лошади и в разы повысить производительность логи­ческой системы «земледелие».

Нечто подобное происходит и с энергетикой в целом. Применимость различных энер­гоносителей в реальной жизни обуславливается достигнутым технологическим уровнем. По утверждению химиков, в одном литре воды содержится в 300 раз больше энергии, чем в лит­ре бензина. Но эта энергия так «упакована», что современными методами для её «распаков­ки» нужно затратить в три раза больше энергии, чем будет получено после этой операции. Поэтому этот источник энергии пока находится в ожидании соответствующих технологиче­ских решений — своего «хомута».

Но это не значит, что сегодня не существует никаких вариантов повышения энергоэф­фективности и экологической безопасности сложившейся на сегодня энергетической модели мира. Многие серьёзные учёные и специалисты считают, что одним из таких вариантов «распаковки» энергии, заключённой в конденсированных топливах, может служить их пред­варительная Газификация/пиролиз с получением ценных газообразных, жидких и твёрдых энергоносителей/химических веществ и одновременным снижением техногенной нагрузки на экосистему Земли. Помимо упомянутых во вступлении, к таким учёным, в частности, от­носятся:

— вице-президент и академик РАН, д. х.н. С. М. Алдошин;

— академик РАН, д. т.н. А. Е. Шейндлин;

— академик РАН, д. х.н. К. Н. Трубецкой;

— член-корреспондент РАН, академик РАЕН и МАНЭБ, д. х.н. А. Л. Лапидус;

— член-корреспондент РАН, д. т.н. Н. И. Воропай;

— член-корреспондент РАН, д. т.н. А. Д. Рубан;

— вице-президент и академик РАЕН, д. т.н. В. Ж. Аренс;

— академик РАЕН и РИА, д. т.н. А. Г. Нецветаев;

— академик РАЕН, д. т.н. Е. В. Крейнин;

— академик РАЕН, д. т.н. В. М. Чебаненко;

— академик РИА, д. х.н. В. В. Мясоедова;

— академик РЭА, д. т.н. Г. А. Солодов;

— член-корреспондент РИА, д. т.н. А. Ф. Рыжков;

— академик НАН Украины и МИА, д. т.н. В. И. Большаков;

— академик НАН Украины, д. ф.-м. н. Ю. П. Корчевой;

— академик НАН Украины, д. т.н. А. Ю. Майстренко скоропостижно скончался в Киеве 17 декабря 2011 г., но оставил после себя научную школу газификации угля);

— академик Академии горных наук Украины, д. т.н. И. Г. Товаровский;

— Д. т.н. А. С. Малолетнев, д. т.н. М. Я. Шпирт, д. т.н. Ф. Г. Жагфаров, д. т.н. В. В. Сергеев, Д. т.н. С. Г. Степанов, д. т.н. С. П. Сергеев, д. т.н. С. Р. Исламов, д. т.н. М. Л. Щипко, д. т.н. Г. Ф. Кузнецов, д. т.н. Ю. А. Стрижакова, д. т.н. Н. И. Абрамкин, д. э.н. В. П. Пономарёв, д. т.н. А. А. Беляев, д. т.н. Л. Я. Шубов, д. т.н. А. М. Клер, д. т.н. Э. А. Тюрина, д. т.н. В. Н. Пиялкин, д. х.н. Д. А. Пономарёв, д. т.н. Н. Н. Ефимов, д. т.н. А. В. Белов, д. т.н. И. А. Коробецкий, д. т.н. Б. И. Кондырев, д. т.н. С. А. Гончаров, д. ф.-м. н. А. В. Фёдоров, д. т.н. В. Е. Мессерле, д. т.н. С. Н. Лазаренко, д. т.н. А. П. Тапсиев, д. т.н. С. А. Кондратьев, д. т.н. А. Н. Анушенков, д. т.н. С. И. Сучков, д. ф.-м. н. В. М. Гремячкин, д. т.н. С. А. Прокопенко, д. т.н. В. И. Ковбасюк;

— К. т.н. Р. Ш. Загрутдинов, к. т.н. А. А. Гроо, к. т.н. А. Н. Нагорнов, к. т.н. В. В. Тиматков, К. ф.-м. н. Е. А. Салганский, к. т.н. В. Н. Ковалёв, к. т.н. В. А. Брянцев, к. т.н. Ю. Д. Юдкевич, к. т.н. А. Н. Булкатов, к. ф.-м. н. Д. Г. Григорук, к. т.н. И. В. Гребенюк, к. т.н. А. Ю. Зоря, к. т.н. А. С. Медников, к. т.н. В. В. Степанов, к. т.н. К. И. Наумов, к. т.н. А. П. Кузмин, к. т.н. С. К. Тризно, К. т.н. В. И. Ростовцев, к. т.н. Е. В. Дворникова, к. т.н. И. О. Михалёв и др.

Газификацией конденсированных топлив (ГКТ) называется термохимический процесс преобразования (конверсии) органической части (главным образом, содержащегося в ней уг­лерода) конденсированных топлив (КТ) в горючий генераторный газ (ГГ), удобный для по­следующего сжигания, как в горелках котлов различного назначения, так и в камерах сгора­ния (внешних и внутренних) двигателей различных типов.

Газификация является чрезвычайно сложным гетерогенным физико-химическим про­цессом, которому присуща сложная кинетика. Этот процесс развивается в полидисперсной и гетерогенной среде в условиях фильтрационного и диффузионного переноса газов. Для про­цесса характерно наличие одновременного переноса энергии, импульса и массы в весьма сложной и неоднородной геометрической системе, а также присутствие фазовых превраще­ний с тепловой деформацией слоя, явлениями спекания и изменения структуры и свойств минеральной части топлива и зольного остатка. При этом имеют место быть гомогенные и гетерогенные химические превращения, непрерывно протекают многочисленные последова­тельные и параллельные, прямые и обратные химические реакции.

Общеизвестны достоинства газообразного топлива: оно хорошо приспособлено к транспортированию на большие расстояния, при горении не оставляет золы, не выделяет ко­поти и больших объёмов дымовых газов, процесс сжигания газа легко автоматизировать, температура пламени, как правило, значительно выше аналогичного показателя, получаемо­го при непосредственном сжигании конденсированных топлив. Кроме того, искусственные горючие газы являются ценным сырьём для химической промышленности (синтез аммиака, производство искусственных жидких топлив, масел, смазок и др.).

Главным преимуществом технологий ГКТ с экологической точки зрения является сравнительно Низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду.

Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (особенно для гази­фикации в плотном слое) нахождением газообразных продуктов ГКТ сначала в зоне окисле­ния (горения) при температурах от 1000-1200 0С и выше, а затем в восстановительной (бес­кислородной) зоне формирования ГГ. Это препятствует образованию различных оксидов (в т. ч. азота и серы), а наиболее опасные вещества (Диоксины, фураны, полихлорбифенилы, бенз(а)пирены и другие Полициклические ароматические углеводороды) подвергаются тер­мическому разложению и восстановительному дехлорированию.

Ещё одним преимуществом газификации по сравнению с прямым сжиганием КТ явля­ется образование гораздо меньших объёмов газов, подлежащих очистке. Кроме того, в ре­зультате более полного (по сравнению с прямым сжиганием КТ) сгорания газообразного то­плива образуется значительно меньшее (в разы, а, по некоторым позициям, и на порядки) ко­личество вредных для окружающей среды химических соединений (как в дымовых газах, так и в зольном остатке).

Всё это позволяет существенно сэкономить на дорогостоящем оборудовании газоочи­стки дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу (стоимость такого оборудования, напри­мер, в составе мусоросжигающих заводов составляет более 50%), и оборудовании обеззара­живания конденсированных вторичных отходов.

Наличие значительного объёма балластных инертных компонентов (прежде всего, азо­та N2 и диоксида углерода СО2,) в ГГ также имеет свою положительную сторону — генера­торный газ по сравнению с природным гораздо менее взрывоопасен.

Наконец, при газификации недожог топлива сравнении с прямым сжиганием сущест­венно ниже, т. к. происходит почти 100-процентная конверсия углерода при переходе его из конденсированного в газообразное состояние, а в ГГ и зольном остатке практически отсутст­вует сажа (непрореагировавший углерод).

В качестве сырья для газификации могут выступать практически все углеродсодержа — щие материалы природного и техногенного происхождения, в частности:

— Горючие ископаемые (каустобиолиты);

— Биомасса, в т. ч. специально выращиваемая фитомасса (например, в фотобиореакторах и/или «энергетических лесах»);

— углеродсодержащие Отходы производства и потребления, включая бытовые и комму­нальные отходы, в т. ч. иловые осадки канализационных и сточных вод.

При этом специально выращенная фитомасса и отходы различного происхождения от­носятся к Возобновляемым источникам энергии.

Газифицируемое топливо может обладать широкими диапазонами энергетической плотности (так, содержание углерода может быть до 25% и ниже), гранулометрического со­става (от долей до сотен миллиметров), влажности и зольности (до 50% и выше), может быть использовано по отдельности и в самых разнообразных смесях, в жидком, твёрдом и проме­жуточном между ними (конденсированном) виде.

При этом можно получить ГГ с заданным химическим составом/теплотой сгорания, т. к. это определяется выбранной схемой газификации, температурой, давлением, составом при­меняемых газифицирующих агентов, наличием и свойствами катализаторов.

Большая энциклопедия под редакцией С. Н. Южакова, выпущенная в 1900-1909 гг. книгоиздательским товариществом «Просвещение» (г. Санкт-Петербург) совместно с Библиографическим институтом (города Лейпциг и Вена), определяла «…смысл [га — Зо]генераторной топки…» как «.достижение высоких тепловых эффектов с помощью га­за, получаемого из посредственного по качеству [конденсированного] горючего…».

В основе технологического процесса газификации лежит способность органической части КТ переходить При определённых условиях из конденсированного в газообразное со­стояние с образованием монооксида углерода (угарного газа) и водорода. Назначение обо­рудования ГКТ — создать такие условия.

Одним из таких необходимых условий является обеспечение процесса термохимиче­ской деструкции КТ, называемого Пиролизом. Пиролиз внутри реакторов газогенераторов происходит в результате нагрева топлива при отсутствии кислорода.

Нагрев КТ обычно обеспечивается за счёт окисления части газифицируемого топлива (~ 10-30% в зависимости от характеристик КТ и оборудования газификации) без подвода те­плоты извне, т. е. в автотермическом режиме (хотя существуют и аллотермические газогене­раторы с подводом тепла извне).

Вообще, любые конденсированные топлива или их смеси, в т. ч. произведённые из от­ходов, для автономного сжигания и автотермической газификации должны обладать опреде­лённым процентным соотношением горючей массы, влажности и зольности.

Шведский учёный Таннер установил, что органические вещества могут самостоятельно обеспечивать стабильность процесса горения при содержании в них горючих веществ (С) не менее 23%, а влаги (W) и золы (А) — не более 50% и 60% соответственно, т. е. находиться в «желтой зоне» треугольника Таннера (см. Рис. 1.1).

Отсутствие кислорода в зонах формирования ГГ и пиролиза (вос­становительной зоне и зоне коксова­ния) достигается тем, что подавае­мые в реактор газифицирующие агенты, сбалансированы таким обра­зом, что весь содержащийся в них кислород используется в зоне окис­ления (зоне горения).

В процессах пиролиза КТ, про­исходящего при температуре -400­900 0С, и взаимодействия продуктов пиролиза с кислородом газифици­рующих агентов при температуре -900-1350 0С по экзотермическим химическим реакциям С + О? ^ СО? + 409 кДж/моль и 2С + О?_ ^ 2СО + 246 кДж/моль выделяется теплота.

Эта теплота используется в процес — W

J F О V 20 30 W 50 60 70 80 90 Ffl

Cax— tfptwtarsi &

— сушки/нагрева КТ при темпе­ратуре -150-400 °С; Рис. 1.1 Треугольник "аннера

— взаимодействия продуктов пиролиза с диоксидом углерода и водяным паром при тем­пературе -750-1000 0С по эндотермическим химическим реакциям (С + СО_ ^ 2СО — 162 кДж/моль и С + НО ^ СО + Н’2_ — 137 кДж/моль);

— подогрева газифицирующих агентов при температуре теплоносителей (продуктов га­зификации) -200-900 0С.

В результате вышеприведённых химических реакций происходит образование моноок­сида углерода СО и водорода Н2 — основных горючих компонентов ГГ (другими химически­ми реакциями, имеющими место при газификации КТ, в виду их незначительного влияния на состав и калорийность ГГ, в большинстве случаев «нехимического» применения технологий газификации можно пренебречь).

Условия, необходимые для протекания химических реакций газификации и сопутст­вующих им процессов в соответствующих зонах реактора, обеспечиваются правильной орга­низацией тепломассообмена.

В большинстве случаев эффективность процессов газификации может существенно по­вышаться при использовании соответствующих катализаторов, позволяющих снижать тем­пературу при сохранении высокой скорости процесса и регулировать состав продуктов.

Таким образом, при правильно сбалансированных потоках топлива, инертного мате­риала (при наличии) и газифицирующих агентов, подаваемых в реактор термохимической конверсии углерода, а также при правильной организации тепломассообмена внутри реакто­ра исходное КТ с достаточно высокой эффективностью (химический/термический КПД га­зификации 0,65-0,95) преобразуется в конечные продукты термохимической деструкции сложных органических веществ — горючий ГГ и твёрдый зольный остаток.