2. Методы газификации угля

Процессы газификации можно классифицировать по следующим признакам [5]:

1. назначение получаемого газа и его теплота сгорания:

• энергетический (3,8-6,7 МДж/м³);

• синтез-газ, или же технологический газ для химической промышленности или восстановительный газ для металлургии (8,4-12,6 МДж/м³);

• бытовой газ (14-19 МДж/м³);

• богатый, или синтетический природный газ (25-38 МДж/м³);

2. температура процесса:

• низкотемпературная газификация (до 800°С);

• среднетемпературная газификация (800—1300°С);

• высокотемпературная газификация (выше 1300°С);

3. давление процесса:

• избыточное (до 1-2 МПа);

• среднее избыточное (2-3 МПа);

• высокое избыточное (выше 3 МПа);

4. химический состав газифицирующего агента:

• оксигазификация (оксикомпоненты: воздух+пар; обогащенный кислородом воздух+пар; кислород+пар; пар);

• гидрогазификация с водородом;

• углекислотная газификация с диоксидом углерода;

5. способ подвода тепла в реакционную зону:

а) автотермический процесс — подвод тепла осуществляется за счет сжигания в кислородной среде 30-40% поступающего в процесс газифицируемого топлива;

б) аллотермический процесс:

• подвод тепла осуществляется твердым, жидким или газообразным теплоносителем, перегретым в выносной топке или в специальной части газогенератора за счет сжигания части газифицируемого топлива;

• подвод тепла осуществляется через стенку реактора или с помощью погруженных в реакционный объем нагревательных элементов, внутри которых находится теплоноситель.

6. размер частиц газифицируемого топлива:

• кусковой (8-50 мм);

• мелкозернистый (1-8 мм);

• пылевидный (0-1 мм);

7. характер движения газифицируемого топлива:

• неподвижный (фиксированный) слой;

• кипящий слой;

• взвешенный слой (аэрозольный поток);

8. технологический принцип проведения процесса:

• периодический;

• непрерывный;

Ниже приведены схематичные изображения основных типов газогенераторов, применяемых для осуществления процесса непрерывной газификации.

Рис. 1. Основные типы газогенераторов [4]:

а) с фиксированным слоем («Лурги»);

б) с псевдоожиженным слоем («Винклер»);

в ) с аэрозольным слоем («Копперс-Тотцек»).

По способу «Лурги» газификация угля осуществляется под давлением 30 атм. [3] Уголь с частицами размером преимущественно 5-30 мм периодически загружают в шлюзовую емкость газогенератора. Газификацию осуществляют парокислородной смесью, подаваемой в реактор через вращающуюся колосниковую решетку. Расположенный на решетке небольшой слой золы служит одновременно для распределения и подогрева газифицирующего агента. Частицы угля при газификации в стационарном слое проходят зоны сушки, термического разложения, газификации и горения. В табл. 3 приведен состав генераторного газа, получаемого при различных способах газификации.

Основными достоинствами процесса являются хорошая теплопередача и экономия энергии на компримирование газа.

Табл. 3. Состав целевого газа при использовании различных методов газификации.

Состав сырого газа	Процесс
	«Лурги»	«Винклер»	«Копперс-Тотцек»
СО	19,7	30-50	57,2
Н2	37,2	35-46	30,7
СО2	30,2	13-25	10,5
С2Н2	0,4	-	-
СН4	11,8	1-2	0,1
N2	0,7	0,5-1,5	1,2

Фирмой «Винклер» разработан процесс газификации мелкозернистого угля в псевдоожиженном слое. По этому способу во время второй мировой войны в Германии получали большую часть синтез-газа, используемого в синтезе Фишера-Тропша. Здесь дробленый и подсушенный, но не отсортированный уголь (преимущественно бурый) вводят шнеком в псевдоожиженный слой. Полученный синтез-газ для удаления захваченной пыли поступает в зону повторной газификации в верхней части газогенератора, а затем в котел-утилизатор, мультициклон, конденсатор-холодильник и каплеуловитель. Степень газификации углерода достигает 90%, КПД аппарата около 82%.

Преимущества способа «Винклер» определяются менее жесткими требованиями к исходному углю, а также гибкостью процесса. Основными недостатками метода являются низкое давление процесса (в основном, атмосферное) и наличие пыли в получаемом газе.

В способе «Копперс-Тотцек» твердое топливо газифицируют кислородом или паром (прямоток) при атмосферном давлении. Не выдвигаются высокие требования к сырью, необходимо лишь, чтобы оно было диспергировано до частиц менее 0,1 мм. Сушку и измельчение угля проводят в одну операцию, причем для сушки используют горячий дымовой газ, получаемый при сжигании угля.

Газогенератор представляет собой горизонтальную камеру, футерованную высокотермостойким материалом. Пылевидный уголь с помощью потока азота подают в расходные бункеры газогенератора, откуда после тщательного перемешивания с кислородом он поступает в реакционную камеру. Соотношение кислорода, угольной пыли и водяного пара выбирают таким, чтобы температура газификации составляла 1500-1600°С. Принцип прямоточной газификации при высокой температуре приемлем для получения высококачественного синтез-газа, поскольку все органические вещества угля превращаются в термодинамически стабильные соединения (СО₂, СО, Н₂, Н₂О), поэтому при охлаждении газа не выделяются конденсированные вещества (смола, масло, бензол, фенолы). Благодаря этому значительно упрощается очистка сырого газа и подсмольной воды.

Применение непрерывной газификации обоснованно, если целевыми продуктами являются синтез-газ, технологический или восстановительный газ для металлургии, бытовой газ или СПГ, т.к. для осуществления такого процесса в качестве газифицирующего агента необходимо применять не воздух, имеющий большое балластное количество азота, а кислород, что реально осуществимо на больших заводах, имеющих в своем составе установку воздухоразделения.

При периодической газификации цикл получения целевого (технологического) газа для промышленного использования и силовых установок составляет 3 или 4 минуты и складывается из двух периодов: воздушного дутья и парового дутья (газования). Полный цикл складывается из шести фаз:

Фаза	Длительность, сек
	При 4-минутном цикле	При 3-минутном цикле
Воздушное дутье ………..…………….	80	58
Продувка паром для удаления воздушного газа….	2	2
Газование с подачей пара
снизу…………………………………….	50	30
сверху………………….………………..	80	68
снизу…………………………………….	26	20
Предварительная продувка воздухом для сокращения потерь воздушного газа………………………………………	2	2

Рис. 2. Газогенератор периодической газификации. [6]

Длительность каждой фазы зависит от свойств газифицируемого топлива (плавкости золы, термостойкости, механической прочности) и принятой интенсивности воздушного дутья и определяется опытным путем.

Табл. 4. Направления использования продуктов газификации угля. [4]

Газифицирующие средства	Получаемый газ	Состав	Основные направления использования
Воздух и пар	Генераторный энергетический газ	СО, Н2, СН4 (мало), N2	Для промышленного использования
Воздух и пар под давлением	То же	СО, Н2, СН4 (много), N2	Для силовых установок (газовые турбины)
Кислород и пар	Технологический газ, синтез-газ, восстановительный газ для металлургии	СО, Н2 (N2),	Для синтеза аммиака, метанола, жидких топлив, оксосинтеза, источник водорода
Кислород и пар под давлением	Технологический газ, синтез-газ, восстановительный газ для металлургии, бытовой газ	СО, Н2, СН4 (СО2, N2)	Для синтеза аммиака, метанола, жидких топлив, оксосинтеза, источник водорода, в бытовых целях
Водород и пар	Бытовой газ, СПГ	СН4 (Н2, СО2, N2),	Для бытовых целей

В 1990-е годы развитие получила внутрицикловая газификация для производства электроэнергии, т.е. использование бинарного цикла, при котором горючий газ утилизируется в газовой турбине, а продукты сгорания используются при получении пара для паровой турбины. Повышенный интерес к внутрицикловой газификации угля в развитых странах объясняется двумя причинами. Во-первых, теплоэнергетические станции (ТЭС) с внутрицикловой газификацией экологически более безопасны, т.к. благодаря предварительной очистке газа сокращаются выбросы оксидов серы, азота и твердых частиц. Во-вторых, использование бинарного цикла позволяет существенно увеличить КПД электростанции и, следовательно, сократить удельный расход топлива. Но необходимо отметить, что удельные капитальные затраты при использовании внутрицикловой газификации примерно в полтора раза выше, чем для традиционной угольной ТЭС. Поэтому ТЭС с внутрицикловой газификацией твердого топлива более привлекательна при наличии экологических ограничений в месте размещения и при использовании дорогого топлива, так как расход топлива на выработку 1 кВт энергии сокращается. Данные условия характерны для развитых стран. В настоящее время использование внутрицикловой газификации твердого топлива считается весьма перспективным направлением в энергетике. [7]