2.1 . Газификация угля

Газификация угля представляет собой процесс превращения каменного или бурого угля с помощью газифицирующих агентов в смесь газов: оксида и диоксида углерода, водорода, метана, водяного пара и азота. В качестве га-зифицирующих агентов обычно используют воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода и водород, а также смеси этих веществ.

Образующийся при газификации угля метан применяется как замени-тель природного газа, а смесь СО и Н2 (синтез-газ) с разным соотношением компонентов используется во многих последующих синтезах. Основными реакциями при газификации являются реакции неполного окисления углеро-да органической массы:

С + 0,5О2 СО,

С + СО2 2 СО,

С + Н2О СО + Н2.

Эти реакции описывают гетерогенные превращения угля с образовани-ем газообразных продуктов. Следует учитывать, что первичные продукты га-зификации, например СО2, могут реагировать с углеродом угля. Из твердого топлива также получают продукты его термического разложения: диоксид углерода, воду, водород и продукты полукоксования (углеводороды), кото-рые в свою очередь могут взаимодействовать с раскаленным углеродом.

Наряду с описанными реакциями происходят вторичные превращения :

С + 2 Н2О СН4 + О2,

С + О2 СО2,

СО + Н2О СО2 + Н2 ,

СО + 3Н2 СН4 + Н2О.

Реакции газификации протекают со скоростью, приемлемой для техни-ческих целей, только при таких высоких температурах, при которых образо-вание высших углеводородов практически исключается. Серу, находящуюся в твердом топливе в связанном состоянии и являющуюся нежелательной примесью, переводят в сероводород и сероуглерод.

Основные газифицирующие агенты, состав образующихся продуктов, а также возможное применение полученных газовых смесей приведены на схеме 2.1.

61

Схема 2.1

Газификация воз-Газификация Газификация кисло-

Газификация

духом и паром под кислородом родом и паром под

воздухом

и паром давлением и паром давлением

Горючий (гене-Горючий газ Синтез-газ, Бы-Газ- заме-

раторный) газ (CO, H2, N2, CH4)газ-восста-товой газ нитель при-

(CO, H2, N2, новитель (H2, СH4, родного

небольшие (CO, H2, N2)возможны газа (СH4,

количества CH4)N2 и CO2) возможны

N2 и CO2)

Для различных Для энергетиче-Синтез NH3 Бытовое

промышленных ских предприя- и CH3OH, синтез газоснабжение

предприятий тий (предвари-Фишера-Тропша,

тельно газ оксосинтез, вос-

направляют в становление руд

турбины)

Газификация угля является процессом эндотермическим. По способу подвода тепла различают процессы автотермические, при которых тепло, не-обходимое для газификации, получают путем сжигания части введенного то-плива в присутствии кислородсодержащих газифицирующих агентов, и алло-термические, при которых требуемое тепло подводится извне с помощью твердого или газообразного теплоносителя.

Первые процессы газификации угля, разработка которых была начата в США в 1950-х годах, предназначались в основном для получения газа, спо-собного заменить природный газ. В связи с этим первичный сырой газ дол-жен был содержать возможно больше метана и не содержать нежелательные продукты полукоксования угля: масла, смолы, фенолы. Для производства синтез-газа, используемого в производстве аммиака и метанола, в оксосинте-зе или в синтезе Фишера-Тропша, напротив, необходимо поддерживать оп-ределенные соотношения СО:Н2 и Н2:N2, что достигается не только подбором условий процесса, но и выбором состава газифицирующего агента: он в ос-новном должен состоять из кислорода и водяного пара.

Другая важная характеристика процесса - температура газификации. Она зависит от состава газифицируемого сырья, типа реактора и других па-раметров. Ниже представлена блок-схема производства синтез-газа (схема 2.2).

62

Схема 2.2

топлива (камен-Жидкие углеводородные Газообразные углево-

Твердые

ный уголь , бурый уголь, топлива дородные топлива

кокс, дрова)

Пар, О2, О2 + пар Газификация или частичное окисление с получением

или воздух + пар смеси H2 + CO (возможны примеси CO2, CH4 и N2)

Очистка от смолы, пыли и сернистых соединений

Конверсия CH4 (CH4 + H2O CO + 3H2),

Конверсия CO (CO + H2O CO2 + H2),

Отмывка от CO2

CO + H2

Тонкая очистка от СО

H2 (+N2)

В основу классификации способов газификации могут быть поло-

жены различные принципы. По состоянию топлива в газогенераторе раз-

личают способ газификации в неподвижном слое или в медленно опус-

кающемся слое твердого топлива, газификацию в "кипящем слое", гази-

фикацию в потоке пылевидного топлива. Другая классификации основана

на различии способов подвода тепла к реактору газификации. По этой

классификации различают процессы автотермические и аллотермические.

Важной характеристикой этих способов является также размер частиц угля. Если перерабатывают мелкозернистый или пылевидный уголь, процес-сы систематизируют по принципу организации потока. Такие угли газифици-руют при подаче в одном направлении и угля, и газообразного газифици-рующего агента. Это техническое решение имеет ряд преимуществ по срав-нению с процессами газификации в неподвижном слое:

- более низкую стоимость мелкозернистого топлива по сравнению с кусковым;

- возможность применения сырья любой степени газификации, прежде всего любой спекаемости;

- отсутствие побочных продуктов - смолы, масла, фенолов и др.

Если газификацию проводят при повышенном давлении, значение этих факторов еще более возрастает, так как производительность генератора уве-личивается пропорционально давлению.