Сущность газогенераторного процесса

Генераторный газ

В связи со сложной экологической ситуацией современная технология ищет новых решений химических, энергетических проблем, проблем добычи природных ископаемых.

Одним из таких технологических решений является широкомасштабная газификация твердого топлива. Почему именно твердого топлива, если в современных промышленности и энергетике господствующее положение занимают нефть и природный газ. Научные прогнозы показывают, что мировая добыча нефти и природного газа достигнет своего максимума через 20-30 лет, а затем начнется неизбежное, в глобальном масштабе, снижение их добычи. Заметим кстати, что в США эта закономерность уже действует. Так, добыча природного газа в США в 1975 г. составляла 558 млрд. м³, а в 1986 г. снизилась до 473 млрд. м³.Расчёты, проведённые учёными разных стран, показывают, что реальных запасов нефти на Земле хватит на 40-50 лет, природного газа - на 30 - 40 лет, запасов же угля хватит на 200-250 лет. Эти прогнозные оценки исходят из экономически извлекаемых запасов угля, на самом деле их значительно больше. Прогнозные запасы угля, доступного к разработке, оцениваются в 2,5-3 трлн. тонн. Если исходить из современной ежегодной мировой добычи угля (примерно 3 млрд. тонн), то его хватит на 1000 лет, а если учитывать развитие техники добычи горючих ископаемых, например подземную газификацию, то даже при увеличении добычи угля до 6 млрд. тонн в год этих запасов хватит более чем на 500 лет. А ведь не исключено открытие новых залежей угля. Эти цифры находятся в полном соответствии с заключениями исследователей, считающих, что геологические запасы угля составляют 90-97 % от общих ресурсов горючих ископаемых планеты, на долю же нефти и газа приходится лишь 3-10 %.

В России запасы угля составляют 90 % от запасов всего органического топлива страны и 53% от мировых запасов угля, т.е. они практически неисчерпаемы. Вот почему задачи роста добычи и переработки твёрдого топлива приобретают исключительное народнохозяйственное значение.

Газогенераторный процесс газификации заключается в полном превращении твердого топлива под воздействием кислорода в горючий газ. Кислород может вводиться в виде свободного кислорода или же в виде пара или газа, содержащего кислород.

В отличие от процесса сухой перегонки твердого топлива, при котором только небольшая часть органической массы переходит в газ и смолу, а основным продуктом является твердый углистый остаток, при газификации твердого топлива вся горючая часть превращается в газ и жидкие горючие продукты без остатка, за исключением золы и шлака.

Процесс газификации проводится в аппаратах, называемыми газогенераторами. Последний представляет собой металлическую шахту, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Нижняя часть шахты, называемая фартуком, погружена в металлическую вращающуюся чашу, заполненную во время работы водой. Вода в чаше служит гидравлическим затвором, отключающим внутреннее пространство газогенератора от наружного атмосферного воздуха. К чаше жестко закреплена колосниковая решетка, которой поступающее снизу дутье распределятся по сечению газогенератора и подводится к слою топлива. Топливо и газогенератор загружается сверху через загрузочную коробку.

Слой топлива и шлака опирается на колосниковую решетку и на поддон – дно чаши. Образующиеся в процессе газификации зола и шлаки при вращении чаши автоматически удаляются шлаковым ножом. По мере протекании процесса топливо постепенно опускается вниз, а на его место поступают все новые и новые порции.

Образующийся генераторный газ, собирающийся в верхней части над слоем топлива, отводится по выводному патрубку. Для наблюдения за работой газогенератора, добавления шлаков и разравнивания слоя топлива служат шуровочные отверстия.

По характеру протекающих процессов в газогенераторе различают пять зон: зона подсушки топлива; зона сухой перегонки; зона восстановления; кислородная зона; зона шлака.

Первые две зоны образуют зону подготовки топлива, а вторые две – зону газификации.

Поступающее в газогенератор дутье проходит сначала слой шлака и при этом несколько подогревается. Затем кислород дутья проникает к поверхности раскаленного кокса и вступает в реакцию с углеродом. Продуктами реакции являются СО₂ и СО одновременно, причем количество СО₂ обычно больше; реакция протекает с выделением большого количества теплю в конце кислородной зоны по мере расходования последних долей кислорода начинают протекать восстановительные процессы. При дальнейшем движении газов вверх восстановление СО₂ и Н₂О интенсивно продолжается и к концу восстановительной зоны количество СО₂ и Н₂О становится небольшим. Кислородная и восстановительные зоны, в которых образуются основные горючие компоненты генераторного газа - Н₂О и СО₂.

В выходящем из зоны газификации газе, кроме указанных компонентов, содержится значительное количество азота и воздуха дутья, СО₂ и Н₂О. Газы эти имеют высокую температуру; в их составе отсутствует кислород, поэтому при дальнейшем движении вверх они нагревают опускающиеся к низу куски топлива и производят их сухую перегонку с выделением паров смолы, пирогенной воды и других жидких погонов, неконденсирующихся горючих и негорючих газов и твердого углистого остатка. Поднимаясь еще выше, газы вместе с летучими продуктами пирогенетического разложения, будучи еще достаточно нагретыми, подсушивают топливо с выделением из него водяных паров. Таким образом, процесс образования газа в генераторе является зональным процессом. Однако четкого разграничения в генераторе отдельных зон нет; одна зона частично может проникать в другую, а накладываться на нее.

Температура по высоте слоя топлива непрерывно изменяется: в кислородной зоне она будет максимальной; по мере увеличения высоты слоя температура снижается. Количество газов и паров по мере перехода от кислородной зоны к надслойному пространству непрерывно возрастает.

Продукты реакционной зоны и сухой перегонки могут частично взаимодействовать, но приближенно можно принять, что генераторный газ представляет собой механическую смесь газов, полученных в реакционной зоне и зоне подготовки.

Если принять генераторный газ как механическую смесь, то его теплотворность будет зависеть от теплотворности и количества тех и других газов.

Количество газов сухой перегонки составляет заметную величину в общем объеме генераторного газа.

Так как генераторный процесс представляет собой сочетания процессов сухой перегонки и собственно газификации, то, очевидно, что чем выше произведение выше теплотворность генераторного газа. Самую низшую теплотворность имеет генераторный газ из антрацита и коксика - топлив, в которых летучие почти совсем отсутствуют или содержатся в минимальном количестве. В зависимости от применяемого дутья различаю воздушный, водяной, паровоздушный, парокислородный и регенеративный газы.

Газификация твердого топлива является универсальным методом его переработки. Универсальность методов газификации твердого топлива может рассматриваться в трех направлениях.

Во-первых, методам газификации подвластны любые твердые топлива, начиная от торфа самых молодых бурых углей и кончая каменными углями и антрацитом, независимо от их химического состава, состава зольной части, примесей серы, крупности, влажности и других свойств.

Во-вторых, методами газификации твердого топлива можно получать горючие газы любого состава, начиная от чистых водорода (Н), оксида углерода (СО), метана (СН₄), их смесей в различных пропорциях пригодных для синтеза аммиака, метанола, оксосинтеза, и кончая генераторным газом, который можно использовать для энергетических установок любых типов и любого назначения.

Наконец, в-третьих, немаловажной особенностью методов газификации твердого топлива являются их масштабные изменения. Газогенераторные установки могут обслуживать крупнейшие химические комбинаты, выпускающие миллионы тонн аммиака или метанола в год, снабжать горючим газом крупнейшие ТЭЦ и в то же время могут обеспечивать газом небольшие автономные энергетические и химические установки (например, газогенераторные установки для автомобилей), поселки и деревни, небольшие химические, машиностроительные или другие заводы.

Методы газификации твердых топлив (общие принципы)

Процесс превращения твердого топлива в горючий газ известен с 1670 г. За последние 150 лет техника газификации достигла высокого уровня и широко развивается. В настоящее время существует более 70 типов газогенераторных процессов часть которых используется в промышленных масштабах.

Многообразие разрабатываемых и действующих процессов находит свое объяснение. Первое заключается в исключительном различии физических и химических свойств твердых топлив разных месторождений: по элементарному составу, происхождению, содержанию летучих веществ, содержанию и составу золы, влажности, соотношению в угольной массе Н/С, спекаемой углей, их термической стойкости. Второе – в различии во фракционном составе добываемых углей: крупнокусковой уголь, угольная мелочь, топливная пыль. Третья причина – различные состав и требование к получаемому конечному продукту: генераторный (энергетический) газ – теплота сгорания - 3800-4600 кДж/нм³; синтез-газ (технологический) для химической технологии – 10900-12600 кДж/нм³; восстановительный газ (для металлургических и машиностроительных производств) – 12600-16800 кДж/нм³; городской газ (отопительный) – 16800-21000 кДж/нм³; синтетический природный газ (богатый газ) для транспортировки на дальние расстояния – 25000-38000 кДж/нм³.

Не последнюю роль здесь играют и постоянные поиски новых технических решений для снижения энергоматериальных затрат на процесс, затрат на обслуживание, капитальных вложений, повышение надежности процесса.

При всем своем многообразии эти процессы делятся на два основных класса. Автотермические процессы газификации, при которых тепло, необходимое для проведения эндотермических процессов, для нагрева газифицируемого материала и газифицирующих средств до температуры газификации (900-1200°С), производят за счет сжигания в кислороде части газифицируемого топлива до диоксида углерода. В автотермических процессах сжигание части топлива и газификации протекают совместно в едином газогенераторном объеме. В аллотермических процессах газификации сжигание и газификация разделены и тепло для происхождения процесса газификации подводятся через теплопередающую стенку внутри единого газогенераторного объема или при помощи автономно нагретого теплоносителя, который вводится в газифицируемую среду.

Как автотермические, так и аллотермические процессы газификации в зависимости от зернистости топлива могут протекать в плотном слое – крупнокусковое топливо, в «кипящем» слое – крупнокусковое топливо, в аэрозольном потоке – топливная пыль. Эти принципы проведения гетерогенных процессов, разработанные в газогенераторной технике, получили широкое применение в химической технологии при проведении, например, гетерогенных каталитических процессов.