Содержание
ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ • Большая российская энциклопедия
Авторы: В. Г. Спиркин
ГАЗИФИКА́ЦИЯ ТВЁРДЫХ ТО́ПЛИВ, процессы превращения органич. вещества твёрдых топлив (каменных и бурых углей, кокса, сланцев, торфа, древесины и др.) в горючий газ, состоящий в осн. из СО и Н2. Осуществляются путём неполного термич. окисления углеродсодержащих соединений в газогенераторах (получаемый газ называют генераторным) при темп-рах 900–1600 °С, давлении 0,1–10 МПа, в присутствии газифицирующих реагентов (окислителей): водяного пара, воздуха, кислорода, диоксида углерода, паровоздушной или парокислородной смеси. Выход продуктов Г. т. т. до 80% по массе.
Основные реакции, протекающие при Г. т. т.: С+Н2О→ СО+Н2; С+0,5О2→СО; С+О2→ СО2; 2СО+О2→ 2СО2; С+СО2→ 2СО; C+2Н2O→ СО2+2Н2; СО+Н2O→СО2+H2. К образованию метана приводят побочные процессы: СО+3Н2→СН4+Н2О; 2СО+2Н2→СН4+СО2.
В газогенераторе имеется неск. реакционных зон: горения, в которой за счёт экзотермич. реакций темп-ра повышается до 1200–1500 °С; собственно газификации, где образуются продукты газификации топлива; зона пиролиза топлива, в которой при разложении твёрдого топлива под действием газообразных продуктов реакций горения и газификации выделяются пары воды, газы и смолистые вещества. Для обеспечения стабильности качественных и количественных показателей процесса Г. т. т. в шахте газогенератора поддерживают постоянный уровень топлива и золы, оптимальный режим по темп-ре и давлению, равномерно распределяют дутьё (газифицирующий реагент) по поперечному сечению шахты. Наиболее эффективна Г. т. т. в кипящем, или псевдоожиженном, слое твёрдого топлива с размером частиц менее 0,1 мм в потоке парокислородной смеси. За счёт дутья частицы топлива находятся во взвешенном состоянии и непрерывном движении. Большая площадь реакционной поверхности и высокая темп-ра процесса обеспечивают максимально интенсивную газификацию сырья.
Иногда, напр. для получения силового газа (используют в двигателях внутр. сгорания) из битуминозных топлив (торфа, каменных или бурых углей), применяют обращённый процесс Г. т. т. При обращённом процессе, в отличие от прямого, дутьё и топливо в газогенераторе перемещаются в одном направлении – сверху вниз.
В зависимости от состава дутья генераторные газы подразделяют на воздушные (дутьё воздухом, темп-ра 1400–1600 °С), парокислородные (дутьё парокислородной смесью или смесью СО2 с О2), кислородные (дутьё технич. О2), смешанные (паровоздушное дутьё), водяные (подача в слой топлива водяного пара), полуводяные (водяной газ с паровоздушной смесью). Парокислородным дутьём под давлением 0,2–0,3 МПа после конденсации водяных паров получают т. н. сухой газ, или синтез-газ, который состоит в осн. из смеси Н2 и CO, с низшей теплотой сгорания 11–12 МДж/м3. При воздушной или паровоздушной Г. т. т. в генераторном газе содержится много N2 и его низшая теплота сгорания порядка 4 МДж/м3.
В зависимости от вида сырья получают газы разл. химич. состава (таблица).
Состав и теплоты сгорания продуктов газификации топлива | ||||||||
Вид сырья | Состав продуктов, % по объёму* | Теплота сгорания низшая, МДж/м3 | ||||||
СО | Н2 | СН4 | Углеводороды | СО2 | О2 | N2 | ||
Кокс | 6–7 | 55–60 | 20–25 | 1–2 | 2–3 | 0,5–1,0 | 7–9 | 16,0 |
Сланцы | 16–17 | 38–40 | 20–22 | 2–3 | 14–16 | 0,1–0,3 | 4–5 | 15,6 |
Угли | 24–26 | 14–16 | 1–3 | 0,2–0,5 | 6–7 | 0,1–0,3 | 50–52 | 5,6 |
Торф | 28–30 | 14–16 | 2–3 | 0,3–0,5 | 8–9 | 0,1–0,3 | 45–46 | 6,2 |
Древесина | 28–30 | 13–15 | 2–4 | 0,3–0,5 | 6–7 | 0,1–0,3 | 46–47 | 6,1 |
Осн. достоинство процессов Г. т. т. – получение из низкокачественного сырья, содержащего много минер. примесей и влаги, газообразного топлива, при сгорании которого выделяется большее количество теплоты и незначит. количество токсичных продуктов.
Существует также способ подземной газификации угля – термич. превращение органич. веществ твёрдых горючих ископаемых на месте их залегания в недрах земной коры в горючий газ и вывод его на поверхность через буровые скважины; идея подземной газификации каменного угля предложена Д. И. Менделеевым в 1888.
Газы, полученные Г. т. т., используют как топливо в энергетич., металлургич., керамической и др. отраслях пром-сти, в двигателях внутр. сгорания, газовых турбинах. Кроме того, они служат сырьём для произ-ва водорода, аммиака, метанола и др. Актуальность Г. т. т. возрастает, поскольку мировые разведанные запасы ископаемых твёрдых топлив значительно превосходят запасы нефти и газа.
|
|
5.
1. Введение в газификацию | netl.doe.gov
Газификация – это технологический процесс, при котором любое углеродсодержащее (углеродсодержащее) сырье, такое как уголь, может быть преобразовано в топливный газ, также известный как синтез-газ (сокращенно синтез-газ). Газификация происходит в газификаторе, как правило, в сосуде с высокой температурой/давлением, где кислород (или воздух) и пар непосредственно контактируют с углем или другим исходным материалом, вызывая ряд химических реакций, которые превращают сырье в синтетический газ и золу/шлак ( минеральные остатки). Синтез-газ получил такое название из-за своей истории как промежуточного продукта при производстве синтетического природного газа. Состоит в основном из бесцветных, легковоспламеняющихся газов без запаха, моноксида углерода (CO) и водорода (H 2 ), синтетический газ имеет множество применений. Сингаз можно дополнительно преобразовать (или преобразовать) только в водород и диоксид углерода (CO 2 ) путем добавления пара и реакции над катализатором в реакторе конверсии водяного газа. Когда водород сгорает, он не создает ничего, кроме тепла и воды, что позволяет вырабатывать электричество без углекислого газа в выхлопных газах. Кроме того, водород, полученный из угля или другого твердого топлива, можно использовать для очистки нефти или производства таких продуктов, как аммиак и удобрения. Что еще более важно, синтез-газ, обогащенный водородом, можно использовать для производства бензина и дизельного топлива. Полигенерационные установки, которые производят несколько продуктов , уникально возможны с технологиями газификации. Углекислый газ можно эффективно улавливать из синтез-газа, предотвращая выброс парниковых газов в атмосферу и обеспечивая возможность его использования (например, для повышенной нефтеотдачи) или безопасного хранения.
Газификация предлагает альтернативу более устоявшимся способам преобразования сырья, такого как уголь, биомасса и некоторые потоки отходов, в электричество и другие полезные продукты. Преимущества газификации в конкретных приложениях и условиях, особенно в экологически чистом производстве электроэнергии из угля, могут сделать ее все более важной частью мировых энергетических и промышленных рынков. Стабильная цена и обильные поставки угля по всему миру делают его основным сырьем для будущих технологий газификации. Рынки размещения технологии с учетом многих технико-экономических и политических факторов, включая стоимость, надежность, доступность и ремонтопригодность (RAM), экологические соображения, эффективность, гибкость сырья и продукта, национальную энергетическую безопасность, восприятие и политику общественности и правительства, а также инфраструктуру. определит, реализует ли газификация весь свой рыночный потенциал.
На приведенном ниже рисунке показан процесс газификации угля, отражающий гибкость исходного сырья, присущую газификации, а также широкий спектр продуктов и полезность технологии газификации.
Газификатор
- Введение в газификацию
- Основы
- Реакции и трансформации
- Подробная химия газификации
- Термодинамика и кинетика
- Состав синтез-газа
- Синтез-газ, оптимизированный для целевых продуктов
- Коммерческие газификаторы
- НИОКР по оптимизации газификатора/системам поддержки установок
- Программа и преимущества систем газификации Министерства энергетики США
Пять процессов газификации
Газификация как неполное сгорание
Газификацию проще всего рассматривать как заторможенное сгорание или неполное сгорание. Он сжигает твердое топливо, такое как древесина или уголь, без достаточного количества воздуха для полного сгорания, поэтому выходящий газ все еще имеет потенциал для горения. Затем несгоревший газ отводится для сжигания в другом месте по мере необходимости.
Газ, полученный этим методом, имеет множество названий: древесный газ, синтетический газ, генераторный газ, городской газ, генераторный газ и другие. Иногда его также называют биогаз , хотя биогаз чаще относится к газу, вырабатываемому микробами при анаэробном сбраживании. В контексте газификации биомассы с использованием газогенераторов с аспирацией мы будем использовать термин генераторный газ , поскольку другие термины имеют значения, которые не обязательно применимы к газу, производимому нашими газификаторами.
Как мы к этому пришли: пять процессов газификации.
Теперь немного усложним. Истинная газификация — это нечто большее, чем просто краткое описание дроссельного сжигания, представленное выше. Более точно он понимается как ступенчатое сжигание . Это серия отдельных тепловых явлений, объединенных для целенаправленного преобразования твердого органического вещества в определенные углеводородные газы на выходе.
Простое неполное сгорание — это грязная каша. Цель газификации состоит в том, чтобы взять под контроль отдельные тепловые процессы, которые обычно смешиваются вместе при сгорании, и реорганизовать их для получения желаемых конечных продуктов. Говоря цифровым языком, «Газификация — это действующая система огня». Как только вы поймете его базовый код, вы сможете разобрать огонь на части и собрать его по своему желанию, а также ошеломляющее разнообразие конечных продуктов и процессов.
Газификация состоит из пяти отдельных термических процессов: Сушка , Пиролиз , Сжигание , Крекинг и Восстановление . Все эти процессы естественно присутствуют в пламени, которое вы видите при горении спички, хотя они смешиваются таким образом, что делают их невидимыми для глаз, еще не посвященных в тайны газификации. Газификация — это просто технология, позволяющая разделить и изолировать эти отдельные процессы, чтобы мы могли прервать «огонь» и направить полученные газы в другое место.
Три из этих процессов сбивают с толку всех новичков в газификации. Как только вы поймете эти три процесса, все остальные быстро встанут на свои места. Эти три неочевидных процесса — пиролиз, крекинг и восстановление. Вот краткая шпаргалка.
Пиролиз
Пиролиз представляет собой нагревание сырой биомассы в отсутствие воздуха с целью ее разложения на древесный уголь и различные смолистые газы и жидкости. По сути, это процесс обугливания.
Биомасса начинает быстро разлагаться под воздействием тепла, как только ее температура поднимается выше 240°C. Биомасса распадается на смесь твердых веществ, жидкостей и газов. Твердые частицы, которые остаются, мы обычно называем древесным углем . Газы и жидкости, которые высвобождаются, мы собирательно называем смолами .
Газы и жидкости, образующиеся при низкотемпературном пиролизе, представляют собой просто фрагменты исходной биомассы, которые отрываются при нагревании. Эти фрагменты представляют собой более сложные молекулы Н, С и О в биомассе, которые мы все вместе называем летучими. Как следует из названия, летучие вещества реактивны. Или, точнее, они менее прочно связаны в биомассе, чем связанный углерод, который представляет собой прямые связи C-C.
Сырьем для газификации является некоторая форма твердого углеродсодержащего материала, обычно биомасса или уголь. Весь органический углеродистый материал состоит из атомов углерода (C), водорода (H) и кислорода (O), хотя и в головокружительном разнообразии молекулярных форм. Цель газификации состоит в том, чтобы разложить это большое разнообразие форм на простые горючие газы H 2 и CO — водород и монооксид углерода.
И водород, и монооксид углерода являются горючими топливными газами. Мы обычно не думаем об угарном газе как о топливном газе, но на самом деле он имеет очень хорошие характеристики горения (несмотря на его плохие характеристики при взаимодействии с человеческим гемоглобином). Угарный газ и водород имеют примерно одинаковую плотность энергии по объему. Оба являются очень чистым горением, так как им нужно всего лишь принять один атом кислорода за один простой шаг, чтобы достичь надлежащих конечных состояний сгорания, CO 2 и H 2 O. Вот почему двигатель, работающий на генераторном газе, может иметь такие чистые выбросы. Двигатель становится «дожигателем» для более грязных и сложных ранних стадий сгорания, которые теперь обрабатываются в газификаторе.
Таким образом, в обзоре пиролиз представляет собой применение тепла к биомассе в отсутствие воздуха/кислорода. Летучие вещества в биомассе испаряются в виде смолистых газов, а фиксированные углерод-углеродные цепи — это то, что остается, иначе известное как древесный уголь.
Крекинг
Крекинг — это процесс расщепления больших сложных молекул, таких как смола, на более легкие газы под воздействием тепла. Этот процесс имеет решающее значение для производства чистого газа, совместимого с двигателем внутреннего сгорания, поскольку смолистые газы конденсируются в липкую смолу, которая быстро загрязняет клапаны двигателя. Крекинг также необходим для обеспечения правильного сгорания, потому что полное сгорание происходит только тогда, когда горючие газы тщательно смешиваются с кислородом. В процессе горения возникающие высокие температуры разлагают большие молекулы смолы, которые проходят через зону горения.
Восстановление
Восстановление — это процесс отделения атомов кислорода от продуктов сгорания молекул углеводородов (УВ) с целью возвращения молекул к формам, которые могут снова гореть. Восстановление – это прямой обратный процесс горения. Горение – это сочетание горючих газов с кислородом с выделением тепла, при котором в качестве отходов образуются водяной пар и углекислый газ. Восстановление представляет собой удаление кислорода из этих отходов при высокой температуре с образованием горючих газов. Горение и Восстановление — равноправные и противоположные реакции. На самом деле, в большинстве горящих сред они оба работают одновременно, в той или иной форме динамического равновесия, с повторяющимся движением туда и обратно между двумя процессами.
Восстановление в газификаторе осуществляется путем пропускания диоксида углерода (CO 2 ) или водяного пара (H 2 O) через слой раскаленного древесного угля (C). Углерод в горячем угле сильно реагирует с кислородом; он имеет такое высокое сродство к кислороду, что отщепляет кислород от паров воды и углекислого газа и перераспределяет его по как можно большему числу участков одинарной связи. Кислород больше притягивается к участку связи на C, чем к самому себе, поэтому свободный кислород не может выжить в его обычном двухатомном O 9Форма 0003 2 . Весь доступный кислород будет связываться с доступными сайтами C как индивидуальный O, пока весь кислород не исчезнет. Когда весь доступный кислород перераспределяется в виде отдельных атомов, восстановление прекращается.
В ходе этого процесса CO 2 восстанавливается углеродом с образованием двух молекул CO, а H 2 O восстанавливается углеродом с образованием H 2 и CO. И H 2 , и CO являются горючими топливными газами. , а затем эти горючие газы могут быть отведены для выполнения желаемой работы в другом месте.
Сжигание и сушка:
Это наиболее понятные из пяти процессов газификации. Они делают то, что мы думаем по общему пониманию, хотя теперь они делают это на службе Пиролиза и Восстановления.
Горение – единственный чистый экзотермический процесс Пяти Процессов Газификации; в конечном счете, все тепло, необходимое для сушки, пиролиза и восстановления, поступает либо непосредственно от сгорания, либо косвенно извлекается при сгорании в результате процессов теплообмена в газификаторе. Горение может подпитываться либо смолистыми газами, либо углем от пиролиза. Различные типы реакторов используют один, другой или оба. В газификаторе с нисходящим потоком мы пытаемся сжечь смолистые газы от пиролиза, чтобы получить тепло для восстановления, а также CO 2 и H 2 O для уменьшения в уменьшении.