При высокотемпературной обработке твердого горючего в среде кислорода воздуха, водяного пара, диоксида углерода и водорода органические составляющие горючего нацело преобразуются в газообразные продукты. Главные направления газификации угля и состава товаров приведены на рисунке 5.

Набросок 5 – Методы газификации угля

К истинному времени освоены разные модификации промышленных процессов газификации углей, более всераспространенными из которых являются технологии Лурги (стационарный слой кускового угля), Винклера (кипящий слой угольных частиц),
Копперс–Тотцека (пылеугольный поток), Тексако (водоугольная суспензия) и их раз-личные модификации. На опытно-промышленном уровне на данный момент отрабатывается около
20 технологий газификации угля последнего поколения. Эффективность процессов газификации может значительно повышаться при использовании соответственных катализаторов, позволяющих снижать температуру при сохранении высочайшей скорости процесса и регулировать состав товаров.

Воздействие катализатора на процесс газификации твердого горючего иллюстрируется схемой (набросок 6).

Набросок 6 – Процесс газификации угля

Катализатор может ускорять как реакции прямого перевоплощения углерода в газообразные соединения (маршрут 1), так и газофазные реакции товаров теплового перевоплощения угля (маршрут 2). По сей день в большей степени разрабатывали процессы каталитической газификации, основанные на ускорении реакции прямого перевоплощения угля в газообразные соединения. В этих случаях для действенного воздействия катализатора нужно обеспечить его неплохой контакт с жестким сырьем. Для этого употребляют катализаторы, наносимые на поверхность угля, также способные расплавляться либо возгоняться в критериях процесса, проникая в поры угля. Более всераспространенными катализатороми процесса газификации углей являются соединения щелочных, щелочноземельных и неких переходных (Ni, Fe, Co) металлов.

Посреди технологий, проходящих опытно-промышленную отработку, следует выделить в качестве более многообещающих процесс ЭКСОН – каталитическая газификация угля водяным паром в кипящем слое, процесс МОЛТЕН СОЛТ – парокислородная газификация при завышенном давлении и расплаве соды, процесс ПАТГАЗ – газификация при атмосферном давлении в расплаве железа. Используемые расплавы играют роль теплоносителя и катализатора [1].

3.2.1 Разработка Лурги

Более многообещающей в текущее время представляется газификация крупнозернистого горючего в плотном слое способом Lurgi, осуществляемым при завышенном давлении, [2, 3]. Этот способ применяется на 16 заводах различных государств мира, на которых эксплуатируется более 60 газогенераторов Lurgi. Повышение давления позволяет значительно повысить теплоту сгорания получаемого газа за счет протекания реакций метанирования. Эти реакции экзотермичны, по этому при давлении 2,8–3 МПа можно уменьшить потребность в кислороде на 30–35 %. Не считая того, сразу растет производительность газогенератора (пропорционально давлению) и увеличивается КПД газификации.

В газогенераторе Lurgi (набросок 7) начальный уголь (размер частиц 5–30 мм) из бункера 2 временами загружают в шахту 7 газогенератора, снабженную водяной рубахой 12. С помощью охлаждаемого вращающегося распределителя 5 и перемешивающего устройства 6 горючее умеренно распределяется по сечению аппарата. Парокислородное дутье подают под крутящуюся колосниковую решетку 11, на которой находится слой золы. Этот слой содействует равномерному рассредотачиванию газифицирующего агента. При вращении колосниковой решетки лишнее количество золы при помощи ножей 8 сбрасывают в бункер 14. Образующийся в аппарате газ проходит скруббер 10, где за ранее очищается от угольной пыли и смолы (в случае необходимости смолу можно вернуть в шахту газогенератора). Вращение распределителя 5 и колосниковой решетки 11 осуществляется от приводов 4 и 9.

1, 3, 13, 15 – затворы; 2, 14 – бункеры; 4, 9 – приводы; 5 – распределитель угля;
6 – перемешивающее устройство; 7 – шахта; 8 – ножики; 10 – скруббер;
11 – колосниковая решетка; 12 – водяная рубаха

Набросок 7 – Газогенератор Lurgi

В шахте газогенератора поддерживают давление ~ 3 МПа, потому, чтоб обеспечить неопасную загрузку горючего и выгрузку золы, любой из бункеров 2 и 14 пичкают 2-мя конусообразными затворами 1, 3, 13 и 15. При загрузке горючего в бункер 2 затвор 1 отк
рыт, а затвор 3 закрыт. Для передачи горючего в шахту затвор 1 закрывают, по обводной газовой полосы соединяют бункер с шахтой газогенератора (для выравнивания давления) и открывают затвор 5. Перед последующей загрузкой горючего в бункер 2 закрывают затвор 3, сбрасывают газ в линию низкого давления, продувают бункер азотом либо водяным паром, а потом открывают затвор 1.

Аналогично производят выгрузку золы из бункера 14. Обычный газогенератор Lurgi имеет поперечник 4–5 м, высоту 7–8 м (без бункеров) и производительность по углю 600–1000 т/день. На рисунке 8 показана принципная технологическая схема газификации угля по способу Lurgi. В таблице 1 приведены главные характеристики схемы газификации по способу Lurgi [3].

А – создание газа; Б – конверсия оксида углерода; В – чистка газа от диоксида
углерода метанолом; Г – извлечение оксибензолов из сточных вод

Набросок 8 – Схема газификации угля в плотном слое по способу Lurgi

Таблица 1 – Главные характеристики способов газификации жестких топлив

Показатель

Способ Lurgi

Способ Winkler

Способ
Koppers–Totzek

1

2

3

4

Производительность газогенератора

по сухому углю, т/ч

40–75

20–35

до 40

по сухому газу, м3/ч

75000

60000

50000

Коэффициент использования углерода, %

90

85

89

КПД газификации, %

75–85

65–85

65–85

Температура, °С

в зоне реакции

750–1100

820–1100

1300–1700

газа на выходе

260–430

900–950

1100–1200

Время пребывания горючего в газогенераторе, с

?5000

100–500

?1

Расход

угля, кг на 1000 м3 сухого газа

800–650

750–610

660–560

кислорода, м3 на 1000 м3 (СО+Н2)

210–250

300–350

400–500

Выход сухого газа, м3 на 1 т угля

1200–1500

1350–1650

1500–1800

Теплота сгорания газа, кДж/м3

11900–16300

7500–9400

10300–11700

Продолжение таблицы 1

1

2

3

4

Состав сухого газа, % (об.)

CO2+H2S

25–31

17–22

10–18

CO

17–25

31–35

50–60

H2

40–42

32–43

29–34

CH4

9–10

0,5–1

0,1

N2

0,5–1

1–19

1–2

Вместе с отмеченными выше плюсами способа Lurgi следует указать, что в этом процессе приходится компримировать кислород, а не конечный газ, что существенно проще в технологическом отношении. Недочеты способа Lurgi: жесткие ограничения по размерам частиц – более 5 мм (потому что при большенном содержании мелочи понижается производительность аппарата); вместе с газификацией происходит тепловое разложение горючего с образованием товаров полукоксования, которые нужно извлекать из газа и перерабатывать; низкая степень разложения водяного пара (30–40 %), вследствие чего остальное его количество при охлаждении газа конденсируется с образованием химически грязной воды, требующей кропотливой чистки.

3.2.2 Разработка Винклера

Очень эффективен и довольно обширно всераспространен в текущее время метод газификации тонкодисперсного (размер частиц наименее 10 мм) горючего в псевдоожиженном слое (способ Winkler). В разных странах мира имеется 16 промышленных установок, на которых эксплуатируется около 40 агрегатов этого типа. Способ имеет значительные плюсы: возможность непрерывной подачи горючего в газогенератор; насыщенную теплопередачу и не плохое смешивание, обеспечивающее изотермический режим в обскурантистской зоне; простоту регулирования температуры и высшую производительность аппарата. Более желательными топливами для газификации по этому способу являются бурые и реакционноспособные каменные угли, буроугольный кокс либо полукокс.

Газогенератор рассматриваемого типа (набросок 9) работает при атмосферном давлении и имеет поперечник 5,5 м, высоту 23 м и производительность до 1100 т угля в день (либо 3000 м3 газа на 1 м2 сечения шахты в час). Дробленый и подсушенный уголь из бункера 1 шнеком 4 подают на распределительную решетку 6. При помощи первичного паровоздушного дутья, подаваемого под решетку, горючее переводится в псевдоожиженное состояние и газифицируется в шах
те 2. Вторичное дутье через фурмы 3 вводят конкретно в псевдоожиженный слой, чтоб повысить степень использования углерода горючего и газифицировать смолистые вещества, выделяющиеся в нижних слоях обскурантистской зоны. Жесткий остаток – зола – удаляется в сухом виде, потому температуру в аппарате поддерживают не выше 1100 °С (ниже температуры плавления золы). Часть золы (~70 %) уносится из аппарата газовым потоком и потом выделяется в выносном мультициклоне, а оставшееся количество через отверстия распределительной решетки 6 ссыпается в нижнюю часть газогенератора, откуда шнеком 7 транспортируется в бункер 9. Для ускорения эвакуации частиц золы с поверхности решетки служит водоохлаждаемый крутящийся скребок 5, работающий от привода 8 [3].

Технологическая схема рассматриваемого способа показана на рисунке 10, главные характеристики приведены в таблице 1.

У метода Винклера есть последующие недочеты: большой унос с газом непрореагировавшего горючего, которое тяжело вернуть на газификацию, потому что оно выделяется в выносном мультициклоне вкупе с огромным количеством золы; пониженные температуры в зоне реакции, лимитируемые выводом золы в сухом виде; невозможность переработки спекающихся каменных углей из-за слипания их частиц нарушается режим работы газогенератора.

1 – бункера; 2 – шахта; 3 – фурмы вторичного дутья; 4, 7 – шнеки; 5 – скребок;
6 – распределительная решетка; 8 – привод

Набросок 9 – Газогенератор Винклера

1 – бункер; 2 – газогенератор; 3 – котел-утилизатор; 4 – водоподогреватель;
5 – мультициклон; 6 – конденсатор-холодильник; 7 – газодувка; 8 – каплеуловитель; 9 – отстойник; 10 – емкость для пыли

Набросок 10 – Схема газификации угля в псевдоожиженном слое по способу Винклера

3.2.3 Разработка Копперс–Тотцека

Одним из более действенных современных методов газификации пылевидного горючего (поперечник частиц наименее 0,1 мм) является способ Koppers–Totzek. Схема газогенератора этого типа приведена на рисунке 11.

Из бункеров 1 подсушенное пылевидное горючее шнеками 2 подают через особые форсунки 3 («горелочные головки») в горизонтальную обскурантистскую камеру 4. В ней находятся две (а в последних конструкциях газогенераторов Koppers–Totzek – четыре) форсунки, расположенные друг против друга. В форсунках горючее смешивается с кислородом и водяным паром, при этом подача последнего организована таким макаром, что он оплетает снаружи пылеугольный (поточнее, угольно-кислородный) факел, тем предохраняя футеровку обскурантистской камеры от шлакования, эрозии и деяния больших температур. Особенность рассматриваемого процесса состоит в том, что зола в водянистом виде выводится из нижней части обскурантистской камеры, охлаждается и удаляется в виде гранулированного шлака.

1 – бункеры; 2 – шнеки; 3 – горелочные головки; 4 – обскурантистская камера;
5 – камера остывания и гранулирования шлака; 6 – газослив

Набросок 11 – Газогенератор Koppers–Totzek

На рисунке 12 представлена схема газификации угля по способу Koppers–Totzek.

Газообразные продукты отводят через высшую часть обскурантистской камеры на остывание и чистку от пыли. Температура газификации составляет (зависимо от температуры плавления золы) 1500–1700 °С. Благодаря этому достигается высочайшая степень перевоплощения углерода, при этом все органические вещества угля преобразуются исключительно в газообразные продукты и при их охлаждении не выделяется смола. Это значительно упрощает чистку сырого газа. Другим достоинством рассматриваемого способа является возможность переработки фактически всех топлив независимо от их спекаемости. Недочеты процесса: необходимость в особом оборудовании (для узкого размола горючего) и поболее высочайший расход кислорода по сопоставлению с другими промышленными способами газификации.

Газогенератор Koppers–Totzek с 2-мя форсунками имеет поперечник 3–3,5 м, длину ~7,5 м и объем около 28 м3. У четырехфорсуночной модели объем приблизительно в два раза больше. Основная неувязка при эксплуатации этих газогенераторов заключается в необходимости обеспечить бесперебойную подачу горючего, потому что из-за малого времени его пребывания в обскурантистской зоне малозначительные перерывы в питании углем могут привести к возникновению свободного кислорода в газогенераторе и в аппаратуре, расположенной после него. Это, в свою очередь, может приводить к образованию взрывоопасных концентраций на
ходящихся там газообразных товаров.

1 – бункер для начального угля; 2 – мельница; 3 – циклоны; 4 – бункер для
угольной пыли; 5 – топка; 6, 17 – электрофильтры; 7 – бункеры; 8 – котел
утилизатор; 9 – газогенератор, 10 – устройство для выгрузки золы;
11 – водяной скруббер; 12, 15 – газодувки; 13 – холодильник; 14 – отсекатель;
16 – газгольдер сырого газа; 18 – отстойник; 19 – градирня

Набросок 12 – Схема газификации угля по способу Koppers–Totzek

Технологическая схема газификации угля по способу Корpers–Totzek изображена на рисунке 12, главные характеристики приведены в таблице 1.

Следует отметить, что конкретно этот метод на данный момент более всераспространен в мире (в эксплуатации находится около 50 агрегатов). А именно, на базе этого способа вырабатывается приблизительно 5,3 млн т аммиака в год, тогда как с внедрением газогенераторов Winkler – только 550 тыс. т, на базе способа Lurgi – только 180 тыс. т [3].

3.2.4 Способ Тексако

Суть газификации угля по способу Тексако заключается в последующем: в высшую часть цилиндрического газогенератора под давлением 20–40 бар подают кислород и водоугольную суспензию. Процесс газификации угля заканчивается в потоке в течение нескольких секунд при температурах 1350–1500 °С. Дальше продукты газификации поступают в камеру остывания, в какой водянистый шлак высаживается в водяную ванну, а газы отводятся в систему остывания и чистки. Кислород выходит из воздуха в разделительных установках, а выделяющийся азот подается в камеру сгорания газотурбинной установки [4].