2146

На рис. 5.3 представлен газогенератор для газификации угля по технологии Лурги. В газификаторе используется крупнокусковое топливо, которое подвергается газификации в неподвижном или медленно опускающемся слое.

Сырой уголь вначале отмывают, дробят, классифицируют и при необходимости сушат. Затем его подают в газогенератор через периодически работающий шлюз, механически распределяя по сечению шахты (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Газогенератор для газификации угля по технологии Лурги: 1 – колосниковая решетка; 2 – угольный шлюз; 3 – распределитель угля; 4 – мешалка; 5 – зона газификации; 6 – водяная рубашка; 7 – зольный шлюз; 8 – подогреватель пара

Газификация осуществляется парокислородной смесью, которая вдувается в реактор через вращающуюся колосниковую решетку. Лежащий на ней слой золы обеспечивает равномерное распределение и подогрев газифицирующего агента, который нагревается до требуемой температуры (600−700 0С) в тонкой зоне горения. Затем следуют зоны газификации водяным паром, дегазации и гидрогазификации угля при 500−600 0С.

Далее сырой газ подсушивается углем, медленно движущимся вниз, и затем (при температуре 300−800 0С, в зависимости от типа угля) покидает газогенератор. Газогенератор выполнен в виде сосуда с двойной стенкой с водяным охлаждением под давлением. Зола периодически удаляется через шлюзовой бункер в нижней части генератора.

119

Газ, выходящий из реактора, охлаждается водой в промывочном охладителе до температуры 180−200 0С. При этом отмываются вынесенные из газогенератора угольная пыль и смола. Далее в котле-утилизаторе производится пар низкого давления (0,5−0,7 МПа). При этом температура газа снижается на 20−30 0С.

Часть воды, отделенной в котле-утилизаторе, подается в промывочный охладитель. В нем конденсируется легкая масляная фракция. Затем жидкие стоки вместе с содержащимися в них твердыми компонентами из промывочного охладителя поступают в смолоотделитель. Выделенная запыленная смола снова подается в газогенератор на верхний слой угля. Он эффективно выполняет роль уловителя пыли, которая затем подвергается пиролизу и газификации. Сырой газ состоит из Н2 и СО и в данном процессе определяется температурой газификации и составом газифицирующего агента.

Дальнейшая очистка сырого газа осуществляется отмывкой. Преимуществом технологии Лурги является использование принципа

противотока: загружаемое сырье медленно опускается в реакторе, а газифицирующие агенты движутся ему навстречу – снизу вверх. Это создает благоприятное условие для интенсификации реакции газификации.

На рис. 5.4 представлена схема газификации угля по технологии Винклера в псевдоожиженном слое. Состояние псевдоожижения реализуется при подаче потока газа сквозь слой измельченного топлива (до 8 мм) снизу вверх.

В зависимости от используемого угля и выбранных условий газификации наблюдаются значительные колебания состава производимого газа. В среднем содержание основных компонентов в нем изменяется в следующих пределах (% объемных): Н2 – 35−46; СО – 30−50; СО2 – 13−25;

СН4 – 1−2; N2 – 0,5−1,5. Высшая теплота сгорания составляет

10−13 МДж/м3.

Из угольного бункера, находящегося под небольшим давлением СО2 для исключения проскока пламени, топливо непрерывно загружается в газогенератор через подающий шнек. Газифицирующий агент подводится через водоохлаждаемые сопла.

Встроенный в шахту котел-утилизатор служит для того, чтобы в газификаторе не превышалась температура размягчения золы. Затем газ проходит последовательно через второй котел-утилизатор, нагреватель питательной воды, мультициклон, промывочный охладитель и каплеуловитель.

Преимуществом технологии Винклера является простота конструкции реактора и сравнительно низкие капиталовложения. Следует отметить также хорошие условия теплообмена в псевдоожиженном слое, что делает режимные параметры процесса близкими к изотермическим.

120

К недостаткам технологии можно отнести унос мелких частиц непрореагировавшего топлива с получаемым газом.

Рис. 5.4. Схема газификации угля по технологии Винклера: 1 – бункер сырья; 2 – питатель; 3 – газификатор с псевдоожиженным слоем; 4 − теплообменники; 5 – мультициклон; 6 – промывочный охладитель; 7 – каплеотделитель; 8 – водосборник

На рис. 5.5 представлена схема газогенератора для газификации угля по технологии Копперса-Тотцека. Твердые топлива газифицируют кислородом и водяным паром при нормальном давлении в режиме прямотока (т.е. сырье и газифицирующий агент движутся в одном направлении). Данная технология позволяет переработать любой уголь, при этом его крупность не должна превышать 0,1 мм.

Состав сырого газа изменяется в следующих пределах (% объемных):

СО – 56−66; Н2 – 21−32; СО2 – 7−12; N2 – около 1; Н2S – 0,5−1; СН4 – 0,1.

Теплота сгорания газа составляет 10−12 МДж/м3.

Исходный уголь измельчается и одновременно сушится дымовыми газами. После этого угольная пыль потоком азота подается в бункер, а затем в загрузочную воронку. Далее через шнековые питатели поступает в смесительную головку, где смешивается с парокислородным потоком и вдувается в горелки газогенератора. Процесс газификации происходит при температуре около 1500−1900 0С.

121

Полученный газ вначале проходит котел-утилизатор, вырабатывающий пар высокого давления, затем осуществляется его очистка. После обработки в скрубберах Вентури содержание пыли составляет около 5−15 мг/м3. В случае необходимости оно может быть снижено до 0,25 мг/м3 при пропускании газа через электрофильтр. Затем газ охлаждается и подвергается обессериванию традиционными методами.

Рис. 5.5. Газогенератор для газификации угля по технологии КопперсаТотцека (вариант с двумя горелочными головками)

Поскольку загрузка газогенератора топливом очень мала, он быстро реагирует на любые изменения режимных параметров. Путем вариации скорости подачи топлива шнековыми питателями быстро осуществляется регулировка мощности газификатора в пределах 60−100 %.

При необходимости работа может быть остановлена практически мгновенно. Вывод временно остановленной горячей установки на полную производительность требует всего около 30 минут.

Так как единственно движущимися частями газогенератора являются шнеки, отпадает вопрос износоустойчивости, а техническое обслуживание в процессе эксплуатации сводится к минимуму.

Производство кислорода осуществляется на традиционных установках разделения воздуха. Однако для привода может быть использован пар высокого давления из котла-утилизатора. Получающийся при этом азот применяется в качестве транспортирующего агента для угля, как продувочный газ при перерывах в эксплуатации и т.д. В водяной рубашке газогенератора производится пар низкого давления в объеме, превышающем его расход в газификаторе.

Различные конструкции реакторов данного типа позволяют проводить процесс во вращающемся или вихревом потоке, в потоке, направленном вверх, а также с переменным направлением. При любом варианте топливо

122

сначала реагирует с кислородом, при этом достигается максимальная температура, а затем накопленный потенциал теплоты расходуется в эндотермических реакциях газификации.

Преимущества подобных процессов: более низкая стоимость пылевидного топлива по сравнению с крупнокусковыми (технология Лурги) или фракционированием (технология Винклера), возможность перерабатывать спекающиеся угли без их предварительной подготовки, отсутствие в продуктах смол, масел и т.д.

Таблица 5.1

Типовые характеристики автотермических технологий газификации угля [29]

Процессы, в которых потоки газообразных реагентов и сырья движутся параллельно и прямолинейно (в спутном потоке), обладают невысокими значениями коэффициентов тепло- и массообмена. Это приводит к необхо-

123

димости использования нескольких последовательно соединенных однотипных реакторов, сверхтонкого измельчения топлива, увеличения температуры процесса. О применении аппаратов с вращающимся или вихревым потоком для повышения интенсивности газификации пылевидного сырья уже упоминалось при обсуждении технологии Копперса-Тотцека. Использование насадки в виде псевдоожиженного слоя позволяет решить задачу интенсификации массо- и теплообмена.

Впромышленном масштабе широко используется процесс Тексако

[29].Особенностью процесса является то, что уголь подается в реактор в виде водоугольной суспензии. Это позволяет радикально решить некоторые проблемы, присущие методам газификации пылевидного топлива. Самым существенным преимуществом технологии Тексако является возможность проводить процесс при более высоком давлении, что повышает производительность газификатора.

Другим преимуществом способа является возможность использовать вместо чистой воды стоки, содержащие органические компоненты, кото-

рые при температуре процесса 1300−1500 0С полностью превращаются в синтез-газ.

Основные показатели некоторых автотермических технологий газификации твердого топлива сопоставлены в табл. 5.1 [29].

5.4. Аллотермические технологии газификации

При аллотермических методах газификации подвод теплоты для компенсации эндотермических реакций осуществляется с помощью подаваемого в газогенератор теплоносителя или через стенки реактора, благодаря чему нет необходимости сжигать непосредственно в газификаторе часть сырья для получения теплоты. Это позволяет снизить содержание двуокиси углерода в продуцируемом газе, следовательно, уменьшаются затраты на его отмывку, если целью процесса является получение синтез-газа. Кроме того, отпадает необходимость в использовании дорогостоящего кислорода в качестве компонента газифицирующего агента и из капитальных затрат исключаются расходы на станцию разделения воздуха.

Аллотермические технологии более конкурентоспособны в тех случаях, когда можно исключить значительные капитальные вложения во вспомогательное оборудование (станции разделения воздуха, котлыутилизаторы и т.п.).

Вследствие большого разнообразия технологических процессов аллотермической газификации их общепринятая классификация отсутствует. Это разнообразие обусловлено поиском наиболее эффективного варианта организации теплопереноса, поскольку ключевой проблемой таких техно-

124

логий является обеспечение интенсивного подвода теплоты в зону протекания эндотермических реакций газификации.

В аллотермических процессах стадии пиролиза топлива играют более значительную роль, чем в автотермических. Следствием этого является сравнительно высокое содержание в продуцируемом газе метана и других углеводородов. Подобные газы находят применение в энергетике, однако без дополнительной конверсии и очистки они не могут использоваться в химических и биотехнологических синтезах.

Рассмотрим некоторые технологические схемы аллотермической газификации, различающиеся способом переноса теплоты из окислительной в восстановительную зону.

На рис. 5.6 представлена схема газификации угля по технологии «СО2−акцептор».

Рис. 5.6. Схема газификации угля по технологии «СО2−акцептор»: 1 – углеподготовка; 2 – подогрев угля (530 0С); 3 – приготовление акцептора; 4 – загрузочный бункер; 5 – регенератор акцептора; 6 – циклонный сепаратор; 7 – охладитель; 8 – закаливательная колонна; 9 – газификатор (t = 1100 0С; р = 1 МПа); 10 – удаление кислых газов; 11 – сборник загрязненной воды; 12 – скруббер Вентури

В процессе «СО2−акцептор» осуществляется газификация угля водяным паром в кипящем слое под давлением. Оригинальность этого процесса

125

заключается в том, что примерно 75 % теплоты, необходимой для осуществления эндотермических реакций газификации, покрывается за счет взаимодействия СО2 с веществом-акцептором, например окисью кальция

СаО + СО2 = СаСО3 .

По этой реакции выделяется 3,15 МДж теплоты на каждый килограмм СаО. Акцептор регенерируется в специальном реакторе путем прокаливания СаСО3 и затем возвращается в газификатор. Высокая температура в регенераторе достигается за счет сжигания твердого углеродосодержащего остатка газификации.

Через шлюз высокого давления буроугольный полукокс подается в верхнюю часть газогенератора, а также в регенератор, из которого в газификатор поступает акцептор – отожженная известь. В газификаторе топливо псевдоожижается смесью пара и инертного газа. Образующиеся при газификации двуокись углерода и сероводород реагируют с акцептором. Остаточный кокс и использованный акцептор поступают в регенератор.

Для транспортировки кокса и акцептора используется инертный газ, который образуется при сжигании кокса в регенераторе в кипящем слое при 1020 0С и состоит из N2 и СО2 . Подпитка свежим акцептором осуществляется непрерывно.

Поскольку СО2 удаляется из продуцированного газа непосредственно в газификатор, паровая конверсия и отмывка от двуокиси углерода могут быть исключены. Получаемый синтез-газ имеет отношение Н2 : СО около 3,6. Однако для последующего его использования в процессах химического синтеза требуется использование тонкой сероочистки.

На рис. 5.7 представлена схема газификации угля по технологии «Агломерированная зола». В данной схеме газификация угля осуществляется водяным паром в кипящем слое под давлением с подводом теплоты из топки посредством гранул золы.

Для компенсации большого эндотермического эффекта реакции взаимодействия углерода с водяным паром требуется значительное количество теплоносителя. Для получения зольных гранул используются кокс и уголь крупностью 0,15 мм, а в процессе газификации применяется фракция угля

0,15−2,35 мм.

Углеподготовка включает сушку и измельчение в валковой мельнице. Спекающиеся угли предварительно окисляются в кипящем слое при атмосферном давлении и температуре 400 0С для предварительного спекания. Подготовленное сырье из накопительного бункера поступает через шлюзовую систему в топочную камеру или газогенератор. В верхней части конусообразного газогенератора уголь и нагретые до 1100 0С гранулы золы псевдоожижаются водяным паром. Уголь частично газифицируется, охлаждая теплоноситель до 850 0С.

126

Рис. 5.7. Схема газификации угля по технологии «Агломерированная зола»: 1 – углеподготовка; 2 – предварительная обработка угля; 3 – охладители; 4 – скрубберы Вентури; 5 – топки с кипящим слоем; 6 – газификатор с псевдоожиженным слоем (t = 980 0С, р = 0,7 МПа); 7 – щлюзовые затворы; 8 – турбина; 9 – печь; 10 – циклоны

127

Из нижней части газогенератора в топочную камеру поступает смесь, состоящая из гранул и небольшого количества коксовой мелочи. Кокс, а при необходимости и свежий уголь сжигаются в кипящем слое на воздушном дутье с непрерывной циркуляцией гранул золы между газогенератором и топочной камерой.

Запыленные дымовые газы из топочной камеры подвергаются очистке в циклоне, синтез-газ очищается в скруббере Вентури и направляется потребителю.

На рис. 5.8 представлена схема газификации угля по технологии «Хайгаз», которая представляет собой комбинированный процесс паровой и гидрогазификации в многоступенчатом реакторе.

Рис. 5.8. Схема газификации угля по технологии «Хайгаз»: 1 – сушка и измельчение; 2 – предварительная термообработка; 3 – приготовление пасты; 4 – зона сушки; 5 – I и II ступени газификации; 6 – паровая газификация; 7 – охлаждение; 8 – конверсия СО; 9 – отмывка газа; 10 – метанизация; 11 – сушка газа

На I ступени частично газифицируются и гидрируются преимущественно летучие компоненты угля. На II осуществляется гидрогазификация твердого остатка в кипящем слое парогазовой смесью, обогащенной водородом. Остаточный кокс затем газифицируется водяным паром с целью

128