главная > справочник > химическая энциклопедия: Газификация твердых топлив

Газификация твёрдых топлив, превращ. твердых топлив (углей, торфа. сланцев) в горючий газ, состоящий главным образом из СО и Н2, при высокой т-ре в присутствии окислителя (газифицирующего агента). Проводится в газогенераторах (поэтому получаемые газы наз. генераторными).

Газификацию твердых топлив можно рассматривать как неполное окисление углерода. наиб. часто окислителями служат О2 (р-ция 1), СО2 (2) и водяной пар (3):

Наряду с основными реакциями осуществляются следующие:

Т. обр., прямой продукт газификации твёрдых топлив (т. наз. сырой газ) всегда содержит некоторые кол-ва СО2, Н2О, СН4 и, кроме того, иногда и высших углеводородов, а при использовании воздуха - еще и N2. Из-за наличия в угле гетероатомов, прежде всего S и N, образуются H2S и NO2.

Скорость реакций неполного окисления твердых топлив существенно зависит от температуры, которая при отсутствии катализатора должна быть выше 800-900 °С. При окислении твердого топлива чистым О2 в адиабатном режиме т-ра была бы слишком высокой, поэтому в кач-ве газифицирующего агента (дутья) обычно используют воздух, парокислород-ную или паровоздушную смесь. Изменяя состав дутья (в частности, соотношение водяного пара и О2) и его начальную температуру с учетом потерь тепла в самом газогенераторе, можно обеспечить желаемую температуру, которую, как и давление. устанавливают обычно исходя из технол. соображений (в зависимости от способа удаления шлаков и т.д.). С ростом давления в продуктах газификации твёрдых топлив увеличивается концентрация СН4.

В случае парокислородной газификации твёрдых топлив при низких давлениях после конденсации водяных паров получают сухой газ (его часто наз. синтез-газом), который состоит в осн. из смеси СО и Н2 и имеет теплоту сгорания 11-12МДж/м 3 . При воздушной или паровоздушной газификации твёрдых топлив образовавшийся газ содержит много N2 и имеет теплоту сгорания ок. 4 МДж/м 3 . Он служит топливом в котлах электростанций, технол. топках, отопит. котельных установках; транспортировка его на большие расстояния нерентабельна.

Термодинамика процессов газификации твёрдых топлив хорошо изучена, что позволяет рассчитывать состав продуктов исходя из состава угля и условий процесса. Кинетич. параметры газификации твёрдых топлив можно вычислить только приближенно с использованием эмпирич. характеристик и коэффициентов. Такие расчеты показали, что состав получаемого газа зависит от геометрии газогенератора и режима процесса.

В промышленности используются газогенераторы трех осн. типов, различающиеся характером взаимод. твердого топлива с дутьем. Интенсивность процессов в газогенераторе оценивается уд. расходом газифицируемого топлива, или его расходом на единицу площади аппарата в единицу времени.

4 м. При увеличении диам. до 5м расход угля составляет

40т/(м 2 *ч), производительность газогенератора 10 5 м 3 /ч. Сухой газ, получаемый из бурого угля в этом газогенераторе, обычно содержит (% по объему): Н2 - 39, СО-20, СН4 и др. углеводородов - 11, СО2-30. Недостатки газогенератора - вероятность спекания угля в слое, загрязнение газа продуктами полукоксования и, кроме того, невозможность использования мелких кусков топлива.

В газогенераторе типа Копперс-Тотцек газификации твёрдых топлив подвергают угольную пыль с размером частиц 3 . Макс, производительность газогенератора (25-50)*10 3 м 3 /ч. Достоинства: возможность газификации любых топлив, включая шламы и отходы обогащения угля, отсутствие в газе продуктов полукоксования; недостатки: затраты энергии на тонкий помол и сушку топлива, большой расход О2.

В газогенераторе типа Винклера кипящий слой мелкозернистого топлива с частицами размером 2-10 мм продувают парокислородной смесью при атм. давлении. Т-ру в кипящем слое (900-950 °С) выбирают так, чтобы зола удалялась в твердом виде. При этом крупные частицы золы выводятся через ниж. часть аппарата, а мелкие - с газом. Уд. расход газифицируемого топлива благодаря интенсивному тепло- и массообмену достигает 2,5-3,0 т/(м 2 *ч). Сухой газ, получаемый из бурого угля в этом газогенераторе, содержит (% по объему): Н2-39, СО-35, СН4-1,8, СО2-22. Недостатки газогенератора: необходимость сортировки топлива и использования циклонов и систем рециркуляции, т. к. большое кол-во непрореагировавшего топлива уносится с газом.

Наряду с усовершенствованием описанных типов газогенераторов, заключающемся, в частности, в применении по-выш. давления (в газогенераторах Лурги до 10 МПа, в других-3-4 МПа), разрабатываются новые, более экономичные и производительные агрегаты. Напр., интересна схема газификации твёрдых топлив, в которой окислителем служит СО2 [см. реакцию (2)]. Для компенсации эндотермич. эффекта этого процесса используется промежуточная реакция:

Образовавшийся СаСО3 направляется в спец. реактор, где благодаря теплу, выделяющемуся при сгорании топлива, разлагается на СаО и СО2, которые вновь поступают в газогенератор. Достоинства метода: не требуется дорогостоящий О2; сжигание топлива в воздухе (при разложении СаСО3) происходит вне газогенератора, поэтому получаемый газ не содержит N2 и имеет высокую теплоту сгорания. Недостаток: необходимость сепарации и циркуляции твердых горючих реагентов (СаО и СаСО3), что приводит к усложнению и возрастанию стоимости установки. Разрабатываются также процессы газификации твёрдых топлив с использованием тепла, получаемого от ядерных реакторов и передаваемого газообразным или твердым теплоносителем, в расплаве Fe и др.

Сырой газ покидает газогенератор при высокой температуре, а иногда и давлении и содержит большое кол-во примесей. Поэтому газогенераторные установки обязательно включают системы утилизации тепла и очистки газа. наиб. распространены схемы, в которых горячие газы из газогенератора охлаждаются в паровом котле-утилизаторе. Получаемый пар применяют в самом процессе газификации твёрдых топлив или для выработки электроэнергии.

При газификации твёрдых топлив под давление. газ м. б. использован в газотурбинной установке, однако при этом необходима высокотемпературная очистка его от пыли. Для очистки сырой газ обычно охлаждают, при этом конденсируются смола и водяные пары. Пыль, содержащуюся в газе в кол-ве 50-150 г/м , удаляют в циклонах. При двухступенчатой циклонной очистке содержание пыли снижается до 20-40 мг/м 3 . Часто газ отмывают от пыли водой. Более тонкая очистка осуществляется в фильтрах разл. конструкции.

При газификации твёрдых топлив практически вся S, содержащаяся в исходном топливе, переходит в H2S, для удаления которого применяют сорбцию или разл. жидкие р-рители, например диметиловый эфир этиленгликоля. При этом, как правило, удаляется и СО2. Синтез-газ, используемый для получения СН3ОН, промывают метанолом при — 150°С. В этом случае из газа удаляются практически все примеси, однако стоимость такой очистки достаточно высока. Реагенты, поглощающие примеси из газа, регенерируют, а сами вредные примеси превращают в вещества, допускающие безопасное их захоронение (напр., серу удаляют в виде CaSO4). Если содержание S в исходном топливе велико, ее целесообразно извлекать из продуктов газификации твёрдых топлив как дополнит. товарный продукт.

До нач. 60-х годов в СССР газификации твёрдых топлив была распространена достаточно широко: более 350 газогенераторных установок вырабатывали из разл. типов твердых топлив около 35 млрд. м 3 /год газов разного назначения. Однако вследствие быстрого роста добычи прир. газа и организации общесоюзной сети газоснабжения газификацию твёрдых топлив практически перестали применять. В пром. масштабах газифицируют лишь прибалтийские сланцы (кукерситы); получаемый при этом газ служит побочным продуктом, а осн. продукт - сланцевая смола.

В последний период в связи с необходимостью экономии углеводородных топлив интерес к газификации твёрдых топлив возрос. В отличие от таких процессов термич. переработки твердых топлив, как коксованиеи полукоксование, при Г. в газ превращаются обычно до 80% орг. массы. К достоинствам газификации твёрдых топлив следует отнести также и то, что низкокачеств. твердые топлива, содержащие много балласта (минер. компоненты, влага), превращ. в топливо, при сжигании которого выделяется незначит. кол-во соед., загрязняющих окружающую среду.

Лит.: Лавров Н. В., Шурыгин А. П., Введение в теорию горения и газификации топлива, М., 1962; Альтшулер В. С, К ли ри ко в Г. В., Медведев В. А., Термодинамика процессов получения газов заданного состава из горючих ископаемых, М., 1969; Эпик И., "Известия АН ЭССР. Сер. Геология", 1982, т. 31, № 2, с. 42-55; его же, "Известия АН ЭССР. Сер. Химия", 1983, т. 32, № 2, с. 81-97; Химические вещества из угля, пер. с нем., под ред. И. В. Калечица, М., 1980. © Э.Э. Шпильрайн.