VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Выполнен обзор современных методов газификации твердого топлива. Описана конструкция алло-автотермического газификатора угля.

Ключевые слова: уголь, газификация, плазма, плазменная газификация, синтетическое жидкое топливо, синтез-газ.

Modern methods of gasification of hard fuels were observed. Design allo-autothermal coal gasifier was described.

Keywords: coal, gasification, plasma, plasma gasification, synthetic liquid fuel, synthesis-gas.

В связи растущего дефицита топливно-энергетических ресурсов, в частности угля возникает необходимость в увеличении эффективности использования этого вида топлива и снижения выбросов в окружающую среду. Существующие уже много десятков лет технологии сжигания угля в топке не отвечают современным требованиям, т.к. превышают допустимый уровень загрязнения атмосферы твердыми углеродными частицами, окислами азота. Кроме того, из-за неполного сгорания угольных частиц, существует опасность заражения почвы от выбросов золы и шлаков.

Газификация — высокотемпературный процесс взаимодействия углерода топлива с окислителями, проводимый с целью получения горючих газов (Н₂, СО, СН₄). В качестве окислителей, которые иногда называют газифицирующими агентами, используют кислород (или обогащенный им воздух), водяной пар, диоксид углерода либо смеси указанных веществ. В процессе газификации могут быть получены газы разных составов и теплоты сгорания, пригодные для широкого использования в качестве топлива в промышленности и в быту, а также в качестве химического сырья для различных синтезов, в том числе и для получения жидких продуктов в синтезе Фишера-Тропша. [1]

Существуют десятки способов газификации твердого углеродного сырья. Они могут быть систематизированы по ряду критериев:

1. По состоянию топлива в газогенераторе различают способ газификации в неподвижном слое, газификацию в кипящем слое и газификацию в потоке пылевидного топлива [2].

2. По способу подвода тепла в газогенератор процессы газификации делятся на автотермические и аллотермические. При автотермических процессах для протекания эндотермических реакций в газификаторах сжигают часть (35-40%) подаваемого топлива кислородсодержащими агентами. В аллотермических способах тепло подводится извне [2].

3. По направлению реакционных потоков способы газификации подразделяют на противоточные и прямоточные. В противоточных способах уголь загружается сверху, а газифицирующие агенты подводятся снизу, что обеспечивает хорошую теплопередачу. В прямоточных способах уголь подается в одном направлении с газифицирующим агентом [2].

4. Способы газификации делятся также по способу удаления из газогенератора золы (в твердом или жидком состоянии), по давлению процесса (нормальное и повышенное), по составу полученного газа (энергетический, технологический или заменитель природного газа), освоенные в промышленном масштабе способы газификации твердого углеродного топлива [2].

Плазменная газификация угля предназначена для получения экологически чистого топлива – синтез-газа, свободного от оксидов серы и азота, и представляет собой совокупность следующих основных гомогенных и гетерогенных реакций:

1) C + O₂ = CO₂;

2) CO₂ + C = 2CO;

3) C + H₂O = CO + H₂;

4) C + 2H₂ = CH₄.

Гидрирование окиси углерода в процессе Фишера-Тропша представляет собой комплекс сложных параллельных и последовательных реакций, включающих образование первичного адсорбированного комплекса, рост углеводородной цепи и ее обрыв. Протекание этих реакций приводит к образованию кислот, эфиров и т.д. Путем каталитической переработки синтез-газа на металлических, оксидных, цеолитных и металлокомплексных катализаторах можно получать и другие важнейшие продукты нефтехимического синтеза (олефины, парафины, спирты и др.) [3].

Сущность способа показана на рис. 1. Система пылепитания 1 подает угольную пыль в плазменный реактор 3, туда же подается пар из парогенератора 2. Угольная пыль и пар поступают в зону дуги, горящей между стержневым электродом, проходящим через крышку реактора 5 и кольцевым электродом. Электромагнитная катушка 6 производит вращение дуги в горизонтальной плоскости. Под воздействием высокой температуры в присутствии окислителя - пара уголь газифицируется, в результате образуется синтез-газ, состоящий преимущественно из оксида углерода и водорода. Негорючая часть угля в виде шлака поступает вниз в камеру разделения 4, муфель 9 и далее в шлакосборник 13. Синтез-газ, полученный в первой ступени, направляется в верхнюю камеру разделения 4, куда из системы пылепитания 8 через горизонтальную часть 7 поступает угольная пыль и подается компрессором 10 окислительный агент-воздух. При смешивании аэросмеси, состоящей из угольной пыли и воздуха с синтез-газом, последний возгорается. В результате горения синтез-газа в муфеле 9 выделяется теплота, необходимая для газификации угольной пыли, подаваемой системой пылепитания 8. Процесс разделения полученного синтез-газа и шлака происходит в нижней камере разделения 11, откуда синтез-газ отсасывается через горизонтальную часть 12 компрессором 14. Шлак поступает в шлакосборник 13 [4, 5].

Рис. 1. Установка алло-автотермической газификации угля [6]. 1 - система пылепитания; 2 – парогенератор; 3 - плазменный реактор; 4 - верхняя камера разделения; 5 - крышка реактора; 6 - электромагнитная катушка; 7 - горизонтальная часть системы пылепитания; 8 - система пылепитания; 9 – муфель; 10 – компрессор; 11 - нижняя камера разделения; 12 – камера вывода газа; 13 – шлакосборник; 14 – компрессор

Состав синтез-газа из плазменного реактора (по результатам эксперимента с Тугнуйским углем): СО₂ – 1,1%, О₂ – 0,8%, СО – 40,2%, Н₂ – 46,7%, ∑ = 88,8%. Остальные 11,2% - балласт (проценты объемные). Соотношение СО:Н₂ = 40,2:46,7 = 1:1,16. Если работать без корректировки состава газа, то полученный синтез-газ подходит для реакции над Fe – катализатором, для которого требуется соотношение между фракциями СО:Н₂ = 1:1. Количество инертных примесей составляет 13,1% (не должно превышать 10–15%); Выход синтез-газа из 1 тонны Тугнуйского угля и 700 кг пара составит 1,5 т, то есть 2300 м³. Из общего состава полученного синтез-газа: СО – 928,6 м³ – 41,4*10³ моль; Н₂ – 1079 м³ – 48,1*10³ моль. Расчет синтетического жидкого топлива (СЖТ) идет по уравнению химической реакции для Fe – катализатора: 2СО + Н₂ = СН₂ + СО₂. Выход углеводородов при этом составит: 20,7*10³ моль или 290 кг из 1 т угля. Практический выход всех углеводородов не превышает 90% и составит 260 кг. Для Fe – СЖТ составляет 62%, то есть 161 кг из 1 т Тугнуйского угля. По традиционным технологиям практический выход СЖТ находится в пределах 120–140 кг на 1 т угля. Высокий выход СЖТ при плазменном способе объясняется более качественным исходным продуктом (синтез-газом). По сравнению с традиционными технологиями газификации углей плазменная технология обладает следующими преимуществами [6]:

1. Высокая удельная производительность процесса.

2. Отсутствие расхода твердого, жидкого и газообразного топлива.

3. Возможность быстрого нагрева крупнозернистых частиц угля до высокой температуры в зоне газификации за счет теплоты сгорания мелкой фракции (автоаллотермический процесс).

4. Простота технической реализации процесса.

5. Возможность гибкого варьирования технологическими параметрами в широком диапазоне.

6. Компактность оборудования и малые удельные энерго- и металлозатраты.

Список литературы

1. Печуро Н.С. Химия и технология синтетического жидкого топлива и газа. - М.: Химия, 1986. – 460 с.

2. Альтшулер В.С. Новые процессы газификации твердого топлива. - М.: Недра, 1976. – 340 с.

3. Жуков М.Ф., Калиненко Р.А., Левицкий А.А., Полак Л.С. Плазмохимическая переработка угля – М.: Наука, 1990. – 200 с.

4. Буянтуев С.Л., Бадмаев Л.Б. Газификация угля в плазменных реакторах // Вестник БГУ. – 2005. - №4. - С. 21-26.

5. Патент РФ №2171431 от 27.06.2001. Двухступенчатый способ термической подготовки пылевидного топлива и установка для его осуществления / С.Л. Буянтуев, Д.Б. Цыдыпов, А.Ц. Доржиев и др.

6. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. К вопросу о возможности получения синтетического жидкого топлива из углей с помощью низкотемпературной плазмы // Вестник БГУ. – 2009. - №3. - С. 141-146.

Код для цитирования: Скопировать