История газификации углей

Дутье	Название
Сухой воздух	Воздушный газ
Смесь воздуха и водяного пара	Полуводяной газ
Водяной пар (при внешнем подводе тепла)	Водяной газ
Смесь кислорода и водяного пара	Оксиводяной газ (газ парокислородного дутья)

 

 

 

 

 

 

 

 

            Для сопоставления составов и свойств этих газов следует сделать следующие допущения: газовая смесь состоит только из горючих компонентов (единственный возможный балласт — азот воздуха); газифицируется чистый углерод; не учитываются потери тепла. Газы, отвечающие этим допущениям, называют идеальными генераторными газами.

Получаемые на практике генераторные газы отличаются по выходу и составу от идеальных. Во-первых, уголь нельзя считать чистым углеродом, поэтому выход горючих компонентов в расчете на 1 кг органической массы угля всегда значительно меньше. В первую очередь это относится к молодым углям, отличающимся высоким содержанием кислорода, а тем более к торфу.

Во-вторых, в генераторных газах всегда содержится заметное количество СО2. Химическое равновесие в газогенераторах не достигается, поэтому содержание СО2 всегда превышает равновесную концентрацию. В-третьих, в зоне подготовки угля образуются пары воды и летучие продукты термического разложения, которые попадают в состав газа.

В любом газе содержится большее или меньшее количество азота, что снижает реальную теплоту сгорания газа, так как при сжигании газа часть тепла расходуется на нагревание балластного азота.

В реальных условиях газификации вследствие неравномерного распределения зон и смешения потоков часть горючих газов сгорает с образованием водяного пара и СО2. Кроме того, в реальных условиях газификации неизбежны различные тепловые потери (в окружающую среду, с горячими газами, со шлаком и уносимым топливом). Поэтому фактические значения термических коэффициентов полезного действия значительно меньше величин, рассчитанных для идеальных условий.

 

 

2Процессы газификации.

 

Процессы газификации можно классифицировать по следующим признакам:

1) по теплоте  сгорания получаемых газов (в  МДж/м3): получение газов с низкой (4,18—6,70), средней (6,70—18,80) 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  пылевидных 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 °С), среднетемпературная (800—1300 °С) и  высокотемпературная (выше 1300 °С);

9) по балансу  тепла в процессе газификации: автотермический (стабильная температура  поддерживается за счет внутренних  источников тепла в системе) и  аллотермические, т. е. нуждающиеся  в подводе тепла со стороны  для поддержания процесса газификации. Внешний подвод тепла можно  осуществлять с помощью твердых, жидких и газообразных теплоносителей.

Производство газа из твердых горючих ископаемых может осуществляться на основе двух технологических приёмов: в газогенераторах наземного типа и под землёй (подземная газификация угля).

 

 

3. Газификация угля в газогенераторах наземного типа (технология Лурги)

 

Наиболее перспективной в настоящее время представляется газификация крупнозернистого топлива в плотном слое методом Lurgi, осуществляемым при повышенном давлении. Увеличение давления позволяет существенно повысить теплоту сгорания получаемого газа за счет протекания реакций метанирования. Эти реакции экзотермичны, благодаря чему при давлении 2,8–3 МПа можно сократить потребность в кислороде на 30–35 %. Кроме того, одновременно возрастает производительность газогенератора (пропорционально давлению) и повышается КПД газификации  ( рисунок 2).

     В газогенераторе Lurgi исходный уголь (размер частиц 5–30 мм) из бункера 2 периодически загружают в шахту 7 газогенератора, снабженную водяной рубашкой 12. При помощи охлаждаемого вращающегося распределителя 5 и перемешивающего устройства 6 топливо равномерно распределяется по сечению аппарата. Парокислородное дутье подают под вращающуюся колосниковую решетку 11, на которой находится слой золы. Этот слой способствует равномерному распределению газифицирующего агента. При вращении колосниковой решетки избыточное количество золы с помощью ножей 8 сбрасывают в бункер 14. Образующийся в аппарате газ проходит скруббер 10, где предварительно очищается от угольной пыли и смолы (в случае необходимости смолу можно возвратить в шахту газогенератора). Вращение распределителя 5 и колосниковой решетки 11 осуществляется от приводов 4 и 9.

В шахте газогенератора поддерживают давление ~ 3 МПа, поэтому, чтобы обеспечить безопасную загрузку топлива и выгрузку золы, каждый из бункеров 2 и 14 снабжают двумя конусообразными затворами 1, 3, 13 и 15. При загрузке топлива в бункер 2 затвор 1 открыт, а затвор 3 закрыт. Для передачи топлива в шахту затвор 1 закрывают, по обводной газовой линии соединяют бункер с шахтой газогенератора (для выравнивания давления) и открывают затвор 5. Перед следующей загрузкой топлива в бункер 2 закрывают затвор 3, сбрасывают газ в линию низкого давления, продувают бункер азотом или водяным паром, а затем открывают затвор 1.

Аналогично осуществляют выгрузку золы из бункера 14. Типичный газогенератор Lurgi имеет диаметр 4–5 м, высоту 7–8 м (без бункеров) и производительность по углю 600–1000 т/сутки. На рисунке 3 показана принципиальная технологическая схема газификации угля по методу Lurgi.

 

4. Подземная газификация

 

Подземная газификация угля (ПГУ) представляет собой промышленный процесс, происходящий под землёй в нетронутых угольных пластах, результатом которого является преобразование угля в синтез-газ.

Основные стадии процесса подземной газификации углей - бурение с поверхности земли на угольный пласт скважин, соединение этих скважин каналами по угольному пласту, и наконец, нагнетание в одни скважины воздушного или кислородного дутья и извлечение из других скважин образовавшегося газа. Газообразование в канале происходит за счет химического взаимодействия свободного и связанного кислорода с углеродом и термического разложения угля.

Получаемый синтетический газ может быть использован в качестве сырья для производства химикатов, жидких топлив, а также для выработки электроэнергии. Технология подземной газификации подходит для угольных пластов, которые залегают слишком глубоко для разработки.

К основным достоинствам технологии ПГУ относятся: а) экономическая привлекательность — себестоимость газа ПГУ заметно ниже себестоимости добычи природного газа; б) довольно высокая степень экологической безопасности — особенно в сравнении с традиционными способами добычи угля, приводящими к возникновению ситуации экологического бедствия в регионах разработки угольных месторождений; в) обеспечение эффекта «газосбережения», выражающееся в замещении газом ПГУ на ТЭЦ и в котельных использовавшегося там природного газа.

Подземная газификация угля выгодна на тех угольных пластах, которые удовлетворяют следующим критериям:

Пласт должен лежать на глубине от 30 до 800 м (100 до 2 600 футов)

Мощность (толщина) пласта должна быть более 5 м (16 футов)

Зольность угля не должна превышать 45 %

Пласт должен иметь минимальные разрывы

Рядом не должно быть водоёмов, чтобы исключить загрязнение питьевой воды.

Среди указанных направлений использования газа подземной газификации угля следует особо выделить возможности химической переработки данного газа. Газ ПГУ обладает уникальным составом, позволяющим организовывать на базе его переработки целый комплекс химических производств самого разного рода, включая производство искусственного жидкого топлива. Газ подземной газификации угля, в отличие от природного газа, содержит в своем составе целый ряд дополнительных компонентов: бензольные углеводороды, каменноугольную смолу, фенолы, метан, олефины, ацетилен и пр. Так, из каменноугольной смолы после ее гидрогенизации возможно получение сырья для производства поверхностно-активных веществ, сажи, растворителей, красителей, полимеров, мономеров, нафталина, бензола и др.

Особо следует выделить наличие принципиальной возможности получения из газа подземной газификации угля искусственного жидкого топлива, которое может быть синтезировано, в частности, методом каталитической конверсии окиси углерода и водорода.

Отличительной технологической особенностью подземной газификации угля является направление движения огневого забоя, дутья и газовых продуктов газификации. В зависимости от этого по технологическому признаку выделяют четыре метода подземной газификации угля: прямой, обращенный, фронтальный и поточный. Эти методы отличаются друг от друга направлением движения огневого забоя, дутья и газовых продуктов газификации.

При прямом и обращенном методах подземной газификации движение окислителя к огневому забою или газообразных продуктов газификации происходит за счет их фильтрации в порах и трещинах угольного пласта. Поэтому эти методы соответственно могут называться прямым фильтрационным или обращенным фильтрационным.

 

Рис. 4. Расположение химико-технологических зон и путь газов в результативный газ при различных методах подземной газификации угля: а - прямой метод; б - обращенный метод; в -фронтальный метод; г - поточный метод; 1- дутьевая скважина; 2 - дутьевой коллектор; 3 - газоотводящая скважина; 4 -- газосборный коллектор.

 

Фронтальный метод подземной газификации угля возможно обеспечить в том случае, когда будет предотвращено смешивание окислителя, подаваемого на забой, и газообразных продуктов газификации, отводимых от забоя. Практически это можно сделать только при газификации из шахтных выработок, поэтому этот метод -пока не применяется.

Для обеспечения поточного метода газификации необходимо соединить концы газифицируемого участка пласта каналом, который называется каналом газификации. В этом случае газификация угля осуществляется по всей длине канала газификации, который во времени увеличивается в диаметре. Огневой забой при поточной газификации движется перпендикулярно к направлению движения окислителя и газообразных продуктов газификации.

Прямой и обращенный методы газификации угля можно рассматривать как поточные в том случае, если считать каждую пору и трещину пласта отдельным каналом газификации. Сумму отдельных пор и трещин при прямом и обращенном методах подземной газификации угля можно представить как систему примерно параллельных каналов газификации. Газификация угля в его порах и трещинах при прямом и обращенном методах может получить превалирующее развитие по одной или нескольким трещинам. В этом случае прямой и обращенный методы переходят в процесс газификации в канале. С учетом изложенного главной отличительной особенностью газификации угля в порах и трещинах при прямом и обращенном методах от газификации в канале является то, что в первых двух случаях движение огневого забоя перпендикулярно к направлению движения дутья и газообразных продуктов газификации весьма ограниченно, а при газификации в канале это направление является преобладающим.

В каждом из вышеперечисленных методов подземной газификации угля происходит реагирование кислорода, углекислоты и водяного пара с горючими компонентами угля и продуктов его газификации. Превалирующим является гетерогенный процесс реагирования кислорода дутья с углеродом угля. Так как удельная реагирующая поверхность угля велика, то газификация его в порах и трещинах в направлении движения дутья заканчивается на небольшой длине реакционной зоны.

При подземной газификации в канале длина кислородной зоны значительно больше, чем при других методах, что позволяет получить максимально возможную общую поверхность реагирования. Для всех методов подземной газификации угля характерно наличие различных зон, в каждой из которых доминирующим является один из процессов. К таким зонам относятся зона окисления или кислородная зона (ЗО), зона восстановления (3В), зона термического разложения (ЗТ), зона частичного термического разложения (ЗЧТ), зона сушки (ЗС) и зона шлаков (ЗШ).

При прямом методе подземной газификации угля кислород воздушного дутья реагирует с коксовым остатком, образовавшимся в процессе нагрева газообразными продуктами газификации участков пласта, расположенных между огневым забоем и газоотводящей скважиной. При этом методе кислород воздушного дутья расходуется на газификацию только коксового остатка, который другим способом газифицировать невозможно. Кроме этого, при прямом методе тепло шлаков используется на нагрев воздушного дутья, а тепло газообразных продуктов газификации, полученных в предыдущих зонах, расходуется на реализацию процессов в последующих зонах, так как в направлении движения газа зоне сушки предшествует зона термического разложения, а ей, в свою очередь, предшествует зона восстановления и т. д.