1.1 Автотермические процессы
Газогенератор с «кипящим» слоем горючего. Газификацию твердого
тонкодисперсного горючего в «кипящем» слое (газогенератор типа Винклера)
начали изучить с 1922г (рис.1). В этом процессе употребляют юные
высокореакционные бурые угли (размер частиц — до 9 мм).
Газогенератор представляет собой вертикальный цилиндрический (шахтный)
аппарат, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Газогенератор
рассматриваемого типа работает при атмосферном давлении. 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 шахте 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.
Рис.1 Газогенератор типа Винклера
Жесткий остаток – зола — удаляется в сухом виде, потому температуру в
11
аппарате поддерживают не выше 1100°С (ниже температуры плавления золы).
Часть золы (~70%) уносится из аппарата газовым потоком и потом выделяется в
выносном циклоне, 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.
Чтоб повысить температуру в газогенераторном процессе и избежать
расплавления золы горючего, в уголь, поступающий в газогенератор, добавляют
кальцинированную (обожженную) известь.
Газогенератор с аэрозольным потоком горючего. Газификация в аэрозольном
потоке горючего (газогенератор типа Копперса — Тотцека) разрабатывается с
1938г. Газогенераторы подобного типа — это 1-ая попытка сделать
универсальный газогенераторный процесс для газификации твердого горючего
хоть какого типа, от юных бурых углей до каменных углей и антрацитовой
пыли. В таком газогенераторе можно газифицировать также томные нефтяные
остатки — нефтяной кокс. Подготовка угля к процессу заключается в его
измельчении до пылевидного состояния (размер частиц — до 0,1 мм) и сушке (до
8% влажности).
Схема газогенератора этого типа приведена на рис. 2. 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
12
Рис. 2 Газогенератор Koppers – Totzek: 1-бункеры, 2- шнеки, 3-горелочные
головки, 4-реакционная камера, 5-камера остывания и гранулирования
шлака, 6-газослив.
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.
1.2 Аллотермические процессы — газификация с применением
промежных теплоносителей.
Очень увлекателен в технологическом отношении метод газификации
жестких топлив с применением водянистых теплоносителей, в качестве которых
предложено использовать расплавы металлов, солей и другие среды.
Примером может служить способ компании Kellog (рис.3). Этот способ
предугадывает непрерывную циркуляцию расплава карбоната натрия меж
реактором 1 и регенератором 2. В 1-ый из этих аппаратов, конкретно в
слой расплава, вводят угольную пыль и водяной пар. При всем этом протекают
реакции газификации с образованием СО, Н2 и СН4; температура расплава
снижается от ~1200 до ~930°С.
13
Рис.3 Схема газификации угля с внедрением расплавленного
теплоносителя по способу Kellog.
Суммарный выход газообразных товаров составляет 19—20% (масс.) от
введенного угля. Охлажденный расплав совместно с непрореагировавшим
углем и золой перетекает в регенератор 2, куда вводят воздух. При всем этом
часть угля выгорает, а температура расплава вновь увеличивается до 1200°С.
В реакторе и регенераторе поддерживают давление 8—8,5 МПа. Нагретый
расплав транспортируется в реактор потоком водяного пара. Некое
количество расплава (~8%) безпрерывно выводят из цикла в установку 3
выделения золы, где он охлаждается аква веществом карбоната натрия.
Потом частички золы отфильтровывают, раствор упаривают и Nа2СО3
возвращают в цикл в качестве теплоносителя. Достоинством
рассматриваемого процесса является отсутствие сернистых соединений в
получаемом газе, благодаря тому, что вся содержащаяся в горючем сера
связывается карбонатом натрия в сульфид (Na2S). На стадии регенерации и
обогрева расплава выделяется сероводород:
Наряду с водянистыми теплоносителями разрабатываются методы
газификации с применением жестких теплоносителей. Посреди их одним из
более увлекательных является метод Coalcon. В нем теплоносителем служит
14
зола перерабатываемого угля. Процесс проводится при завышенном
давлении (0,7—7 МПа). Установка (рис.4) состоит из реактора 1, в каком
осуществляется газификация угля перегретым паром в псевдоожиженном
слое, и регенератора 2, где коксовый остаток сгорает в воздухе (тоже в
псевдоожиженном слое).
Рис.4 Схема газификации угля по способу Coalcon: 1-реактор, 2-
регенератор.
Теплоносителем являются гранулки золы. Их выводят из регенератора и
вводят в псевдоожиженный слой реактора. Размельченный и подсушенный
уголь подают в высшую часть псевдоожиженного слоя приблизительно на тот же
уровень, куда поступают гранулки золы. Последние отделяются от угля в
псевдоожиженном слое за счет разности плотностей. Более томные гранулки
золы собираются в нижней части газогенератора, откуда транспортером их
подают в регенератор 2. Туда же вводят некое количество коксового
остатка, отводимого из верхней зоны реактора 1. При сгорании последнего в
воздухе выделяется нужное для процесса тепло. Температура в
регенераторе 1100—1150°С, в реакторе на 100—150°С ниже. В данном
процессе выходит газ последующего состава: до 39% (об.) СО, 48—66% (об.)
15
Н2, 3—28% (об.) СО2, до 5% (об.) СnН2n и 2—7% (об.) СН4.
Способ «СО2-акцептор». Веcьма необычным образом применен жесткий
теплоноситель в процессе, именуемом «СО2-акцептор». В этом способе в
отличие от других потребность в тепле покрывается за счет взаимодействия
твердого оксида кальция (акцептора) с диоксидом углерода по реакции,
протекающей с выделением тепла в количестве 176,8 кДж/моль:
СаО + СO2 => СаСO3
Акцептор регенерируют в отдельной ступени (используя тепло, выделяющееся
при сжигании остаточного кокса) и возвращают в процесс. В качестве сырья
употребляют бурый уголь и другие высоко реакционноспособные горючего, так
как температура в газогенераторе ограничена величиной 850°С, т. е. уровнем
тепловой стабильности карбоната кальция. Схема газогенератора показана на
рис.5.
Рис.5 Газогенератор, работающий по способу «СО2-акцептор».
16
Размельченный до 0,15—1,2 мм уголь вводят в нижнюю часть
псевдоожиженного слоя, где он подвергается тепловому разложению.
Получаемые при всем этом летучие продукты потом газифицируются водяным паром
так же, как и углерод горючего. Реактор футерован огнеупорным материалом и
обеспечен водяной рубахой. В высшей части аппарата имеется циклон для
выделения жестких частиц из газового потока. Давление в газогенераторе 1—2
МПа. Остаточный кокс и отработанный акцептор направляют в регенератор, где
кокс сжигают в воздухе, а за счет выделяющегося тепла происходит разложение
карбоната кальция на СО2 и СаО. Регенерированный акцептор ворачивается в
газогенератор; с ним вводится тепло, нужное для процесса. Около 25%
используемого на газификацию тепла заносит жаркий доломит, а 75% выделяется
при его реакции с СО2.
1.3 Подземная газификация
Возможность воплощения процесса газификации угля конкретно в
пласте под землей была высказана еще Д. И. Менделеевым в 1888 г. Принцип
подземной газификации очень прост (рис.6). С поверхности земли к угольному
пласту бурят две скважины 1 на расстоянии 50—100 м друг от друга,
соединяемые горизонтальным штреком 4. В одну из скважин подают незапятнанный
воздух либо воздух, обогащенный кислородом, через другую отбирают
Рис. 6 Схема подземной газификации угля
17
образующийся газ, а горизонтальный штрек является обскурантистским
местом, в каком протекает газификация.
Существует также бесшахтный способ подземной газификации. В этом
случае нужным условием является повышение естественной
проницаемости пласта угля меж отверстиями для подачи дутья и отбора газа.
Это обеспечивается при помощи направленного образования трещинок (к примеру,
гидравлическим разрушением, электродроблением, прожиганием либо бурением
тонких соединительных каналов меж скважинами). Сравнимо не так давно
начали использовать наклонное бурение — под углом к поверхности
пласта и с постепенным искривлением шурфа в слое угля. Таким макаром,
при бесшахтном способе нет горизонтальных штреков. В пласте бурят ряд
вертикальных скважин маленького поперечника, часть из которых служит для
подачи дутья, а другие — для отвода образующегося газа. Движение газов
меж скважинами осуществляется за счет газопроницаемости пласта.
Подземная газификация имеет ряд специфичных особенностей:
-отсутствие движения горючего (образование газа происходит в итоге
передвижения очага горения, вкупе с которым передвигаются в пространстве
зоны подземного газогенератора);
-отсутствие газонепроницаемых стен, вследствие чего обскурантистский канал
конкретно граничит с угольным пластом, который подвергается
термообработке на определенную глубину;
-проникание грунтовых вод в подземный газогенератор, по этому даже на
одном воздушном дутье процесс протекает с ролью водяного пара;
-соприкосновение обскурантистского канала с минеральными породами, при этом
некие из содержащихся в их компонент могут каталитически оказывать влияние на
процесс.
Газ, получаемый при подземной газификации угля (воздушное дутье),
имеет последующий состав: 14—16% (об.) СO2, 8—10% (об.) СО, 1,1 — 1,5% (об.)
18
СН4, 17— 20% (об.) Н2, 1,5—2% (об.) H2S, 53—56% (об.) N2. Теплота сгорания
такового газа невелика (3600—4200 кДж/м3), потому он более подходящ в
качестве энергетического горючего для электрических станций. При использовании в
качестве дутья воздуха, обогащенного кислородом, калорийность газа
увеличивается, и после отмывки от диоксида углерода его можно использовать как
горючее для промышленных печей, для коммунально-бытового употребления либо
как синтез-газ.
2. Газификация биомассы
Газификация древесной породы и другого лигноцеллюлозного сырья в течение
многих лет является одним из главных способов производства
малокалорийного топливного газа. Топливный газ может быть конкретно
применен в котельных, различного вида топках, а после остывания, чистки и
осушки — в качестве горючего в движках внутреннего сгорания. Состав
получаемых при газификации газов находится в зависимости от природы используемого сырья,
типа окислителя, температуры процесса и давления. Самую большую ценность
представляет среднекалорийный газ, в особенности синтез-газ (в основном
состоящий из СО и Н2). При газификации древесной породы получают синтез-газ,
который по составу схож синтез-газу, вырабатываемому газификацией
угля, паровой конверсией природного газа и др. Так как карбогидраты
биомассы [С6(Н2О)5]n содержат много кислорода и воды, в процессе
газификации требуется еще меньше водяного пара, чем при газификации
ископаемых углей. Реакцию окислительной газификации растительной
биомассы производят в автотермическом режиме, добавляя кислород либо
воздух. В Рф имеется опыт сотворения и опытнейшей эксплуатации установок
термический мощностью от 100 кВт до 3 МВт, обеспечивающих создание
топливного газа в объемах от 70 до 2500 м3/час, что соответствует объемам
переработки древесных отходов от 40 до 2200 кг/час.
В ближайшее время возрос энтузиазм к исследованию каталитической газификации
19
биомассы. Найдено, что щелочные катализаторы (карбонаты натрия, калия
и др.) существенно увеличивают выход синтез–газа при газификации биомассы
водяным паром в интервале температур 550-7500С. Карбонаты натрия и калия
являются также действенными катализаторами газификации древесных углей
диоксидом углерода.
Употребляются разные приемы воплощения процессов каталитической
газификации биомассы. Газификация механических консистенций растительной
биомассы и катализатора отличается технической простотой. В особенности
эффективны механические консистенции на базе катализаторов, способных расплавляться
либо возгоняться при температуре процесса. Развитая поверхность контакта
достигается методом формирования в пористой структуре биомассы
высокодисперсных частиц катализатора. А именно, для введения катализатора
в состав древесного угля применяли пиролиз древесной породы тополя с введенными
ионным обменом катионами К, Са, Mg, Co, Ni.
Предложен метод газификации древесной породы, основанный на паровом крекинге
летучих веществ древесной породы в недвижном слое алюмоникелевого
катализатора. При всем этом выход газообразных товаров увеличивается с 50 до 90%
по сопоставлению с некаталитическим процессом. Высочайшее отношение Н2/СО (1,96)
дает возможность использовать продуцируемый синтез-газ для получения
метанола.
Представляются многообещающими процессы окислительной газификации
размельченной растительной биомассы в псевдоожиженном слое катализатора
окисления. На этой базе может быть создание комбинированных процессов
переработки биомассы с одновременным получением топливного газа либо
синтез-газа, также пористых углеродных материалов в согласовании с рис. 7.
3. Синтетическое жидкое горючее
Синтетическое жидкое горючее (дальше СЖТ) — непростая смесь углеводородов,
20