Меню Рубрики

Установки для газификация твердого топлива

ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ

ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ, превращ. твердых топлив (углей, торфа, сланцев) в горючий газ, состоящий гл. обр. из СО и Н2, при высокой т-ре в присут. 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 р-циями осуществляются следующие:

Т. обр., прямой продукт газификации твердых топлив (т. наз. сырой газ) всегда содержит нек-рые 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 р-ций неполного окисления твердых топлив существенно зависит от т-ры, к-рая 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 т-ру с учетом потерь тепла в самом газогенераторе, можно обеспечить желаемую т-ру, к-рую, как и давление, устанавливают обычно исходя из технол. соображений (в зависимости от способа удаления шлаков и т.д.). С ростом давления в продуктах газификации твердых топлив увеличивается концентрация СН4.

В случае парокислородной газификации твердых топлив при низких давлениях после конденсации водяных паров получают сухой газ (его часто наз. синтез-газом), к-рый состоит в осн. из смеси СО и Н2 и имеет теплоту сгорания 11-12МДж/м 3 . При воздушной или паровоздушной газификации твердых 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 твердых топлив хорошо изучена, что позволяет рассчитывать состав продуктов исходя из состава угля и условий процесса. Кинетич. параметры газификации твердых 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 пром-сти 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.

В газогенераторе типа Лурги медленно опускающийся слой кусков твердого топлива размером 5-30 мм продувают снизу парокислородной смесью под давл. ок. 3 МПа. По высоте слоя образуется неск. зон с разл. т-рами: наиб. т-ра в ниж. части слоя (однако она не должна превышать т-ру плавления золы); далее т-ра уменьшается вследствие эндотермич. р-ций (2) и (3). При т-ре ниже 800-900 °С газификация прекращается, и в верх. части слоя преобладает полукоксование, поэтому продукты газификации содержат смолы, фенолы и др. в-ва, к-рые удаляются при очистке. Уд. расход газифицируемого топлива достигает 2,4 т/(м 2 *ч). Макс. диам. большинства существующих аппаратов

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 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 твердых топлив, в к-рой окислителем служит СО2 [см. р-цию (2)]. Для компенсации эндотермич. эффекта этого процесса используется промежуточная р-ция:

Образовавшийся СаСО3 направляется в спец. реактор, где благодаря теплу, выделяющемуся при сгорании топлива, разлагается на СаО и СО2, к-рые 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 твердых 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 т-ре, 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 к-рых горячие газы из газогенератора охлаждаются в паровом котле-утилизаторе. Получаемый пар применяют в самом процессе газификации или для выработки электроэнергии.

При газификации твердых топлив под давлением 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 твердых топлив практически вся S, содержащаяся в исходном топливе, переходит в H2S, для удаления к-рого применяют сорбцию или разл. жидкие р-рители, напр. 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 в-ва, допускающие безопасное их захоронение (напр., серу удаляют в виде CaSO4). Если содержание S в исходном топливе велико, ее целесообразно извлекать из продуктов газификации как дополнит. товарный продукт.

До нач. 60-х годов в СССР газификация твердых 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 твердых 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 твердых топлив возрос. В отличие от таких процессов термич. переработки твердых топлив, как коксование и полукоксование, при газификации в газ превращаются обычно до 80% орг. массы. К достоинствам газификации твердых топлив следует отнести также и то, что низкокачеств. твердые топлива, содержащие много балласта (минер. компоненты, влага), превращ. в топливо, при сжигании к-рого выделяется незначит. кол-во соед., загрязняющих окружающую среду.

===
Исп. литература для статьи «ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ» : 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.

Страница «ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

источник

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

Газификация твердого топлива.

Газификацией твёрдых топлив (ГТТ) называется процесс преобразования (конверсии) органической части твёрдого топлива (ТТ) в генераторный газ (ГГ), удобный для последующего сжигания, как в горелках котлов различного назначения, так и в камерах сгорания (внешних и внутренних) двигателей различных типов.

Главным преимуществом технологии ГТТ (по крайней мере, с экологической точки зрения) является низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду.

Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (более 3-х секунд) нахождением газообразных продуктов ГТТ сначала в зоне окисления (горения) при температурах 1 000 . 1 200 0С, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования ГГ. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ — диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов.

Ещё одним преимуществом газификации в сравнении с прямым сжиганием ТТ является образование гораздо меньших объёмы газов, подлежащих очистке. Кроме того, в результате более полного (в сравнении с прямым сжиганием ТТ) сгорания газообразного топлива образуется значительно меньшее (в разы, а, по некоторым позициям, и на порядки) количество вредных для окружающей среды химических соединений (как в дымовых газах, так и в зольном остатке).

Всё это позволяет существенно сэкономить на дорогостоящем оборудовании газоочистки дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу (стоимость такого оборудования, например, в составе мусоросжигающих заводов составляет более 50%) и оборудовании обеззараживания твёрдых вторичных отходов.

Наконец, при газификации недожог топлива сравнении с прямым сжиганием существе ниже, т.к. происходит почти 100% конверсия углерода при переходе его из твёрдого в газообразное состояние, а в ГГ / зольном остатке практически отсутствует сажа / непрореагировавший углерод.

Газификации могут быть подвергнуты все известные виды горючих ископаемых (каустобиолитов), а также любые углеродсодержащие отходы в конденсированном виде (по отдельности и в самых разнообразных смесях) с влажностью и зольностью до 50% и широким диапазоном гранулометрического состава (от долей до сотен миллиметров), включая осадки канализационных и сточных вод. При этом можно получить ГГ заданного химического состава или заданной теплоты сгорания, так как эти показатели определяются выбранной схемой газификации, а также температурой, давлением и составом применяемых газифицирующих агентов.

Примерно полтора века (в течение почти всего XIX века и более половины XX века) ГГ уже был в числе основных энергоносителей нашей цивилизации.

Многие тысячелетия назад последователи пророка Заратушры (Зороастра), а также несколько позднее ремесленники-углежоги (см. Рис. 1) уже использовали похожие на газификацию технологии, сжигая ТТ при недостатке кислорода. Правда, целью «огнепоклон-ников» было увеличение продолжительности процесса горения, а углежогам нужны были твёрдые (древесный уголь и каменноугольный кокс), реже жидкие (дёготь и т.п.) продукты термического разложения топлива. А горючий газ, неизбежно выделяющийся при этом, являлся лишь побочным продуктом и, как правило, никак не использовался.

Принято считать, что человечество использует технологии ГТТ для получения искусственных горючих газов, к которым относится и ГГ, с конца XVII века, когда в Англии в результате нагрева угля без доступа кислорода получили газ, способный гореть на воздухе (хотя существует предание, что ещё в XIII веке некий парижанин по имени Езекииль получал подобным образом горючий газ и использовал его для освещения и обогрева собственного жилища).

Позднее, в конце XVIII века, горючий газ, получаемый из каменного угля и других топлив (главным образом, древесины и, в последующем, нефти), научились использовать. Так, первая в мире газовая турбина, запатентованная в 1791 г. англичанином Джоном Барбером, работала именно на таком газе.

Создателем первого газогенератора считается французский инженер, профессор механики Парижской школы мостов и дорог Филипп Лебон, получивший свой первый патент на постройку газового завода в 1799 г. Через два года, в 1801 г. Лебон получает второй патент, теперь на проект газового двигателя, работающего по принципу парового двигателя, только вместо пара в двигатель подавался ГГ, зажигаемый поочерёдно по ту и другую стороны поршня.

Генераторный газ первоначально был назван «светильным» газом (в английской терминологии: «outdoor lighting»). Такое название объясняется тем, что главным его предназначением в течение почти всего XIX века (в Лондоне с 1812 г., в Санкт-Петербурге с 1819 г., в Париже с 1820 г.) и до начала XX века включительно было освещение улиц и площадей городов Европы, США, Канады и Австралии (см. Рис. 2).

Так, в США к 1868 г. насчитывалось более 970 газовых обществ, в Канаде – 47. В Англии к началу 1890 х годов было 594 газовых завода, 460 тыс. уличных фонарей, протяженность газопроводов– 35 150 км. В 1908 г. в Англии для получения 1 285 млн. м3 «светильного» газа было израсходовано 17 млн. тонн угля (в это время данный газ стали использовать не только в целях освещения и отопления, но и как моторное топливо).

Широко использовался светильный газ также для освещения и отопления общест-венных зданий и частных домовладений, получения горячей воды, приготовления пищи (так, например, в той же Англии в 1891 г. было 2,3 млн., а в 1927 г. – 8,7 млн. потребителей искусственного горючего газа).
К первым промышленным образцам можно отнести газогенераторы, построенные в Германии инженером Бишофом (1839 г.) и в Австрии инженером Эбельманом (1840 г.). Однако впервые серийного производства удостоилось регенеративная печь, изобретённая в 1856 г. Ф. Сименсом в сотрудничестве со своим брат В. Сименсом (Германия). Производимое Сименсами оборудование ГТТ на многие десятки лет стало важнейшим и незаменимым элементом стекло- и сталеплавильных производств, сварочных и нагревательных печей, работающих на основе регенеративного принципа.

В России устроителем первого аппарата для получения светильного газа был переводчик Министерства коммерции, в последствие учёный-металлург, полковник Корпуса горных инженеров и (с 1830 г.) член-корреспондент Петербургской Академии наук Пётр Григорьевич Соболевский (см. Рис. 3). Начиная с 1804 г. он вёл работы по созданию промышленной газовой установки, альтернативной конструкции Ф. Лебона, т.к. патент во Франции приобрести не удалось. К ноябрю 1811 г. все оригинальные технические решения им совместно с Д’Оррером были успешно реализованы, «… терпением они преодолели все трудности и, наконец, имели счастья достигнуть совершенного успеха …». 2 декабря 1811 г. газета «Северная почта» опубликовала статью «О пользе термолампа, устроенного в Санкт-Петербурге гг. Соболевским и Д’Оррером», в которой были и такие слова: «… Многие любители наук любопытствовавшие несколько раз видеть сии опыты, удостоверились, что свет, сожиганием водотворного газа производимый, весьма ясен, не издаёт чувствительного запаха и не производит дыму, следовательно, не имеет копоти … Польза сего изобретения … и выгоды, оным доставляемая, суть столь обширны и многоразличны, что даже при самом точнейшем исследовании кажутся они почти невероятными, и потому самому изобретению оне можно почесть одним из важнейших открытий …».
«Северная почта» достаточно подробно описывала как устройство «термо-лампа», так и технологический процесс получения искусственного газа (см. Рис. 4).

Чугунный цилиндр, вделанный в печь, наполнялся дровами, затем отверстие плотно замазывалось, а весь цилиндр сильно подо-гревался горящими дро-вами. «… Подогревание цилиндра продолжается до тех пор, пока отделяется газ, когда же отделение опять прекратится, то сие служит знаком, что дрова, положенные в цилиндр, превратились в уголь совершенно …».

Дрова в цилиндре от сильного жара превращались в древесный уголь с одновременным образованием паров угольной кислоты и дёгтя, а также горючего газа. Газообразные продукты затем поступали в холодильник, где они охлаждались. При этом кислота и дёготь, превращаясь в капли, стекали в приёмный сосуд, а газ, проходя через воду, очищался и поступал в хранилище. Из этого хранилища газ подводился через трубки разной величины к лампам, установленным в помещении или на улице.

Трубки были снабжены на концах кранами и, если к открытому крану поднести зажженную бумагу или спичку, то выходящий из трубки газ загорался, и огонь продолжал гореть у отверстия трубки «… доколе газ выходить не перестает …». Таким образом, его можно употребить или на освещение улиц, или на отопление и освещение помещений.

26 декабря 1811 г. в Санкт-Петербурге на заседании Всероссийского общества любителей словесности, наук и художеств с обстоятельным докладом об изобретении «термолампа» выступил его создатель П.Г. Соболевский. В дальнейшем, стремясь познакомить со своим изобретением как можно более широкие слои публики, автор написал «Руководства к устроению термолампов, содержащие в себе подробное описание употребления их для публичного, так и домашнего освещения, применении оных к отапливанию покоев, к деланию угля и дёгтя и показание способа очищать пригорело-древесную смолу, дабы дать ей качества настоящего уксуса».

24 января 1812 г. согласно указу императора Александра I титулярный советник Соболевский был удостоен высокой награды, ордена Св. Владимира 4 й степени «… за попечения и труды, с коими произвёл в действие устроение термолампа, доселе в России не существовавшего …». В начале 1812 г. также были утверждены проекты газового освещения Монетного двора и других важных правительственных зданий Санкт-Петербурга, а также намечены конкретные меры по внедрению газового освещения улиц, площадей и бульваров российской столицы.

Так, в февральском номере «Санкт-Петербургского вестника» за 1812 год был опубликован «Проект освещения водотворным газом Адмиралтейского булевара и некоторые примечания об устройстве термолампов». Адмиралтейский бульвар должны были освещать сто газовых фонарей, расставленных на равном расстоянии друг от друга. Проект был представлен на рассмотрение Александра I, однако его реализация, как и воплощение в жизнь других аналогичных проектов, было отложено в связи с вторжением в Россию войск Наполеона и начавшейся Отечественной войной.

В 1816 г. П.Г. Соболевский соорудил мощную газовую установку для освещения и отопления производственных помещений Пожвинского завода, расположенного в 150 верстах от г. Перми (см. Рис. 5). После чего заводовладелец В.А. Всеволожский (в его загородном имении Рябово, что в 11 км. от Санкт-Петербурга, также зажглись яркие и жаркие огни газовых ламп) приказал: «… Термоламп … исправить непременно, дабы освещением его мастерские пользовались в полном виде, не имея нужды в свечах, которых на оное и не покупать …». Есть сведения, что несколько позднее газовое освещение и отопление получило распространение и в производственных помещениях ряда оружейных заводов Златоустовского горного округа.

Осенью 1819 г. благодаря активной поддержке столичного генерал-губернатора графа М.А. Милорадовича в Санкт-Петербурге, наконец, зажглись и первые уличные газовые фонари (всего на семь лет позже, чем в Лондоне, и на год раньше, чем в Париже!). Газета «Санкт-Петербургские ведомости» (№ 87 за 1819 г.) свидетельствовала: «… Года 1819, 28 октября, на Аптекарском острове Санкт-Петербурга прошли испытания фонаря, питаемого водотворным газом. Сие событие станет образцом достижений русской науки. Толпа, собравшаяся поглядеть на оную демонстрацию, с восторгом и одобрением следила за тем, как происходило действие. Думается, данный вид освещения имеет дальние перспективы в России …».

источник

Читайте также:  Установка ubuntu для ноутбука