Классификация методов газификации твердых горючих ископаемых. Факторы влияющие на состав продуктов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Машиностроительный - технологический институт

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Химия и технология комплексной переработки органического сырья»

на тему: «Классификация методов газификации твердых горючих ископаемых. Факторы влияющие на состав продуктов»

ВВЕДЕНИЕ

Для решения постоянно возникающих энергетических проблем, в качестве технологического решения была предложена широкомасштабная газификация  твердого топлива. Несмотря на то, что в современной промышленности и энергетике первое место занимают добыча нефти и природного газа, как показывают прогнозы, через 20 - 30 лет мировая добыча этих ресурсов достигнет своего пика. Ресурсы нефти и природного газа в скором времени будут исчерпаны, что в последствие приведет к снижению их добычи. К примеру, в США это  снижение уже началось.

Таблица 1. - Добыча природного газа в США

Имеющиеся запасы нефти на Земле будут израсходовании в течении 40 - 50 лет, природного газа - 30 - 40 лет. В качестве альтернативного источника энергии предложено использовать запасы угля, которых должно хватить на период 200 - 250 лет. Данная оценка основана на извлекаемом в настоящее время количестве угля, в действительности запас данного сырья значительно больше. Запасы твердых горючих ископаемых, которые в настоящее время можно освоить, оцениваются приблизительно в 2,5 -3 трлн. т. На основании реальной  добычи твердых горючих ископаемых мировой промышленностью в течение года  (приблизительно 3 млрд. т.), можно говорить о запасах сроком на 1000 лет. А с учетом совершенствования техники и методов добычи угля (имеется ввиду подземная газификация),  даже при увеличении добычи твердых горючих ископаемых в два раза имеющихся запасов должно хватить более чем на 500 лет. А к вышесказанному добавить открытие новых месторождений, то они могут оказаться практически неисчерпаемы. Исходя из заключений исследователей, можно считать, что 90 - 97 % общих ресурсов горючих ископаемых Земли   - это запасы твердых горючих ископаемых, и все лишь 3 - 10 % приходится на долю нефти и газа. Что касается России, то запасы твердых горючих ископаемых составляют около 90 % от запасов всего органического топлива страны, а в контексте мирового масштаба - 53% от запасов угля. С учетом всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что задачи увеличения добычи и переработки угля в нашей стране приобретают исключительное значение для народного хозяйства.

Классификация методов газификации твердых горючих ископаемых.

Газификацией называют процесс получения горючих газов посредством преобразования органической части твёрдого или жидкого топлива с использованием высокотемпературного (1000—2000 °C) нагрева с кислородом, воздухом, водяным паром, CO2 или, чаще, их смесью. Аппараты, в которых происходит процесс газификации, называются  газогенераторы, а образующийся газ – генераторный.

В качестве примера твердых горючих ископаемых, используемых для процесса, можно привести бурый уголь, каменный уголь, мазут, горючие сланцы, дрова, торф, гудрон.

Конверсия - совокупность процессов (пиролиз, неполное горение, полное окисление) которые протекают в ходе газификации твёрдых горючих ископаемых. Данную совокупность можно представить в виде следующих уравнений.

Вместе с основными реакциями могут происходить и следующие процессы:

Имеющиеся способы проведения процесса газификации можно разделить на следующие типы:

1. кусковой — в плотном слое,

2. мелкозернистый — в «кипящем слое»,

3. пылевидный

4. жидкий — в факеле.

В процессе газификации твердых горючих ископаемых в фазу газа переходит около 80 % органической части топлива. Данный метод нашел широкое применение для переработки разных видов топлива низкого сорта в связи с отсутствием чувствительности к качеству сырья и наличию балластов (минеральных примесей и влаги). Что касается сжигания и использования, то из полученного газообразного топлива образуется значительно меньшее количество вредных веществ, по сравнению с прямым сжиганием твердых горючих ископаемых.

Что касается нефтяного сырья (имеются ввиду тяжёлые нефтяные остатки), проведение процесса газификации происходит при следующих условиях:

Температура -1400—1500 °C,

Давление - атмосферное или повышенное (4—8 МПа),

Присутствие окислителя — воздух,

Катализаторы - боксит, кислые глины, никель, кобальт.

Процессы газификации также классифицируют по цели:

Синтез газа с определенной теплотой сгорания

Получение газа определенного состава с целью синтеза химических продуктов.

СН4 и Н2  обладают наибольшей теплотой сгорания, в связи с чем для вышеназванной цели необходимо увеличение процента этих газов в получаемых смесях – использование в качестве топлив.

Чем моложе твердые горючие ископаемые, тем выше содержание метана в продуктах газификации. Таким образом количество СН4 зависит от типа топлива, его химической зрелости.

Что касается смесей газов, которые производятся для синтеза, то в них нежелательно присутствие СН4, и как следствие в качестве сырья для производства используются более зрелые твердые горючие ископаемые.

Зависимость процесса газификации от ряда факторов, влияющих на состав получаемой смеси и его теплоту сгорания, не позволяет привести единую общепринятую классификацию методов осуществления процесса. Ниже будут описаны возможные варианты классификации.

Процессы газификации можно классифицировать по следующим признакам:

1.      По теплоте сгорания получаемых газов: получение газов с низкой (4,18-6,7),  средней (6,7-18,8) и высокой (31-40) теплотой сгорания.

2.      По назначению газов: для энергетических (непосредственного сжигания) и технологических (синтезы, производство водорода, технического углерода) целей.

3.      По размеру частиц используемого топлива: газификация крупнозернистых, мелкозернистых, и пылевых топлив.

4.      По типу дутья: воздушное, паровоздушное, кислородное, парокислородное, паровое.

5.      По способу удаления минеральных примесей: мокрое и сухое золоудаление, жидкое шлакоудаление.

6.      По давлению газификации: при атмосферном (0,1-0,13 МПа), среднем (до 2-3 МПа) и высоком давлении (выше 2-3 МПа)

7.      По характеру движения газифицируемого топлива: в псевдостационарном опускающемся слое, в псевдоожиженном (кипящем слое), в движущемся потоке пылевидных частиц.

8.      По температуре газификации: низкотемпературная (до 800), среднетемпературная (800-1300) и высокотемпературная (выше 1300).

9.      По балансу тепла в процессе газификации: автотермические и аллотермические.

Виды газообразного топлива, которые получаются в результате применяемого дутья, зависят от ряда факторов. Их можно классифицировать следующим образом: синтез-газ, воздушный газ, смешанный газ, водяной газ.

Генераторные газы, полученные в результате газификации твердых горючих ископаемых, могут быть использованы в качестве топлива и как источник водорода при производстве аммиака (после очистки от H2S, CS2, CO2).

Газогенераторы, используемые в настоящее время, имеют мощность для твёрдого топлива до 80000 - 60000 м³/ч. В настоящее время задачей развития газификации является повышение производительности (до 200000 м³/ч) и КПД (до 90 %). Данной цели можно добиться, к примеру, повышением давления и температуры процесса (10 МПа и 2000 °C).

Имеется опыт подземной газификации твердых горючих ископаемых, по различным причинам, добыча которых экономически не выгодна.

При газификации твердых горючих ископаемых производят горючий газ, который легко храниться и может быть транспортирован на значительные расстояния. Горючий газ легко очистить от соединений серы, и как уже говорилось, он может использоваться не только как топливо, но и в качестве химического сырья для ряда синтезов, что, в конечном счете, зависит от средств и методов, используемых при газификации твердых горючих ископаемых. Основная технология газификации это проведение процесса с недостатком окислителя и  с избытком углерода. В зависимости от условий проведения процесса газификации угля (температуры, давления, количества в используемом дутье окислителя) состав смеси, получаемой при данном процессе, чрезвычайно разнообразен. При газификации твердых горючих ископаемых  в недостатке окислителя сера из смеси превращается в сероводород. В том случае, когда состав дымового газа постоянен, состав газов газификации твердых горючих ископаемых может резко изменяться.

Сырой газ, называемый прямым продуктом газификации, как правило содержит определенные количества СО2, Н2О, СН4, а иногда и высших углеводородов, а при использовании воздуха - еще и N2. Образуемые H2S и NO2 объясняются наличием в твердых горючих ископаемых  гетероатомов, прежде всего S и N.

При отсутствии катализатора температура поддерживается выше 800-900 °С, поскольку скорость реакций неполного окисления твердых горючих ископаемых  при газификации существенно зависит от этого фактора. Во время окисления твердых горючих ископаемых  очищенным О2 при адиабатном режиме, была бы слишком высокая температура, поэтому обычно используют воздух в качестве газифицирующего агента (дутья), также возможно использование паровоздушной или парокислородной смеси. Изменяя соотношение водяного пара и О2 (состав дутья) и, принимая во внимание потери тепла в самом газогенераторе, начальную температуру можно поддерживать на определенном уровне, который как и давление устанавливают исходя из технологических соображений, к примеру исходя из способа удаления шлаков. Концентрация СН4 с ростом давления в продуктах газификации увеличивается.

Синтез-газ, который состоит в основном из смеси СО и Н2, получается в случае парокислородной газификации твердых горючих ископаемых  при низких давлениях, после конденсации водяных паров. Он  имеет теплоту сгорания 11-12 МДж/м3. В случае паровоздушной или воздушной газификации твердых горючих ископаемых  образовавшаяся смесь имеет теплоту сгорания около 4 МДж/м3 и содержит много азота. Она используется в качестве топлива в технологических топках, котлах электростанций, отопительных установках. Транспортировка данной смеси газов на большие расстояния нерентабельна.

Исходя из состава угля и условий процесса можно рассчитывать состав продуктов, поскольку термодинамика процессов газификации твердых горючих ископаемых хорошо изучена. При  использовании эмпирических характеристик и коэффициентов, кинетические параметры газификации твердых горючих ископаемых можно вычислить только приблизительно. Как показывают расчеты, состав получаемого газа зависит от режима процесса и геометрии газогенератора.

Газогенераторы, используемые в промышленности, бывают трех основных типов, различающихся характером взаимодействия твердых горючих ископаемых с дутьем. Интенсивность процессов в газогенераторе оценивается его расходом на единицу площади аппарата в единицу времени или удельным расходом газифицируемого топлива.

К примеру, медленно опускающийся слой кусков твердого топлива размером 5-30 мм в газогенераторе типа Лурги продувают снизу парокислородной смесью под давлением около 3 МПа. Несколько зон с разными температурами образуется по высоте слоя: нижняя часть слоя имеет наибольшую температуру  (она не превышает температуру плавления золы); далее, вследствие эндотермических реакций (2) и (3), температура уменьшается. Газификация прекращается при температуре ниже 800-900 °С, продукты газификации содержат фенолы, смолы и другие вещества, которые удаляются при очистке в верхней части слоя, поскольку там преобладает полукоксование. Удельный расход газифицируемого топлива достигает 2,4 т/(м2*ч). Максимальный размер большинства существующих аппаратов не превышает 4 м в диаметре. В случае увеличения диаметра до 5м производительность газогенератора составляет 105 м3/ч, а расход угля около 40т /(м2*ч). Состав сухого газа, образуемого из бурого угля в этом газогенераторе, может быть выражен следующим составом Н2 - 39, СО-20, СН4 и др. углеводородов - 11, СО2-30. Спекание угля в слое, загрязнение газа продуктами полукоксования и  невозможность использования мелких кусков топлива являются главными недостатками газогенератора.