§6 Газификация

В сложившейся структуре потребления твердых природных энергоносителей - 75-80% добываемого угля направляются на производство энергии прямым сжиганием на электростанциях и для отопления; 15-20% специальных углей и шихт требует металлургическая промышленность и лишь около 5% - химическая промышленность. За последние 10 лет потребление ТПЭ в энергетике снизилость с 30% до 18%, при этом неуклонно возрастает доля природного газа.

Ближайшие годы явились важным этапом изменения структуры энергопро-изводства в нашей стране в направлении снижения доли нефти и угля и замены их, где это экономически оправдано на газ. К тому же добыча, транспортировка ТПЭ на современном этапе требуют значительно больших усилий и затрат в силу того, что основная часть их удалена от центров энергопотребления и располагается в суровых климатических условиях. Интенсификация процессов добычи и переработки ТПЭ приводит к возрастанию мелких классов. Обостряются проблемы переработки низкосортных углей, в первую очередь высокосернистых.

Однако проблема предотвращения вредных выбросов тепловых электростанций в окружающую среду требует не только увеличения темпов перевода электростанций на газ, но и внедрения многоступенчатого сжигания топлив с их предварительной газификацией в первой ступени. Этот метод позволяет комплексно снизить более чем в 10 раз выбросы окислов серы и азота, СО₂ и Н₂S, а летучей золы - на 99%, в том числе тяжелых и редких металлов.

Газификация - это процесс превращения ТПЭ в смесь горючих газов газифицирующими агентами (преимущественно окислителями), при высоких температурах. Основная цель процесса наиболее полно перевести органическую массу в, так называемые, восстановительные газы - СО, Н₂, СН₄.

В СССР в 50-е годы было установлено 2500 газогенераторов, работающих на угле и сланце. Приоритетность добычи и потребления не­фти и газа, преимущество их транспортировки привели к резкому сокращению переработки углей газификацией, уменьшению до десятков газогенераторных станций.

Практически все ТПЭ, многие органические материалы, в том числе и отходы производств (возможно, некоторые с предварительной подготовкой) могут служить сырьем для данного процесса. Принципиально к сырью газификации нет особых требований и сырьевая база его на перспективу неограниченна, а программу развития технологии газификации по современным оценкам можно считать уникально долгосрочной.

В настоящее время в России и в странах СНГ, определились 3 основных направления использования газификации:

- газификация низкосортных, в первую очередь сернистых углей, и сжигание очищенных газов на тепловых электростанциях;

- производство заменителей природного газа, используемого как в промышленном, энергетическом, так и бытовом секторах народного хозяйства;

- газификация с целью получения синтез-газа (смеси СО и Н₂), водорода и других восстановительных газов для химической промышленности.

Физико-химические основы процесса.

В основе процесса газификации ТПЭ лежат реакции преимущественно углерода с газами. Процесс газификации ТПЭ состоит из основных трех стадий: термической деструкции органической массы с образованием летучих и кокса, горения кокса и его взаимодействия с газифицирующими агентами, в роли которых выступают кислород, воздух, водяной пар, диоксид углерода и их смеси. Минеральные составляющие ТПЭ в высокотемпературном процессе переходят в шлак.

Параллельно основным (1-4) может протекать и ряд вторичных реакций (5-12), существенно изменяющих состав продуктов.

Тепловой эффект реакции

кДж/моль

1. 2С+О₂2СО -110,0

2. С+О₂СО₂ -393,5

3. С+СО₂2СО +172,5

4. С+Н₂ОСО₂+Н₂ +131,3

5. С+2Н₂ОСО₂+2Н₂ +89,7

6. С+2Н₂СН₄ -87,4

7. СО+О₂2СО₂ -570,7

8. 2Н₂+О₂2Н₂О -484,6

9. СН₄+2О₂СО₂+2Н₂О -803,5

10. СО+Н₂ОСО₂+Н₂ -43,0

11. СО+3Н₂СН₄+Н₂О -208,7

12. 2СО+2Н₂СН₄+СО₂ -247,2

Реакции образования важных целевых продуктов - СО и Н₂ являются эндотермическими и с повышением температуры вероятность их образования увеличивается, что наглядно демонстрируют известные реакции Будуара (рис. I.1).

Анализ влияния Т и Р показывает их существенную роль на состав продуктов. Так с увеличением давления увеличивается селективность.

О

РИС. I.1. Кривые Будуара.

писание процесса сложно в следствии его неизотермичности и зависимости скорости от размера частиц сырья, их свойств, сложного опреде-ления области протекания реакции (диффузионной или кинетической). Следует отметить, что строгого общего описания кинетики процесса на данный момент не существует. Важно отметить, что основные принципы описания топохимических реакций позволяют рассчитать прогнозируемый состав продуктов реакции, задаваясь составом сырья, температурой и давлением процесса. Часто состав реакционной смеси определяется не кинетикой, а термодинамикой-равновесием.

По подводу тепла процессы газификации делятся на авто- и аллотермические они могут осуществлятся при атмосферном и при повышенном давлениях.

По типу газифицирующего агента - воздушные, кислородные, воздушно-кислородные, паровоздушные, парокислородные и пр.

По способу выведения золы процессы газификации делятся на твердофазные и жидкофазные способы удаления золы.

Наибольшее значение имеют в настоящее время два принципа классификации:

1. По состоянию топлива в газогенераторе (основном аппарате процесса газификации), стационарном или слабо продвигающимся, псевдоожиженном и пылевидном;

2. По назначению процесса: получение заменителя природного газа (SNG), обогащенного метаном; получение синтез газа, имеющего в составе преимущественно СО и Н₂ в различных соотношениях.

Каждая из этих двух классификаций, естественно характеризуется дополнительно и по выше указанным показателям, существенно увеличивая варианты конструирования газогенераторов и проектирования технологии газификации в целом.

Выбор технологии газификации таким образом основывается на составе сырья, его свойствах, крупности частиц и определяется также подводом тепла, давлением, газифицирующим агентом, типом выведения зольной части.

При паровоздушном дутье получают “воздушный газ” - с высоким содержанием N₂ и СО. Газификация паром приводит к получению “водяного газа”, содержащего СО и Н₂, наиболее приближенного к получению “синтез-газа”. Введение кислорода (парокислородное дутье) - снижает содержание СО₂ в сравнении с воздушным газом – “оксиводяной газ”. Наиболее сложный состав имеет “полуводяной газ” при паровоздушном дутье, который, как правило, используют как заменитель природного газа.