Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы газификации и горения твердого топлива. Учебное пособие
.pdf
31
ГЛАВА 4. ГАЗИФИКАЦИЯ ТГИ
4.1. Физико-химические основы процесса газификации
Газификацией твердого топлива называется термический процесс, при котором органическая часть топлива превращается в горючие газы в присутствии воздуха, водяного пара, технического кислорода, диоксида углерода, а также смеси этих веществ. Твердый
остаток, получаемый после газификации, обычно состоит из минеральной части топлива (золы) с небольшой примесью горючего и
называется шлаком. Полученные газы содержат оксид и диоксид углерода, водород, метан, водяной пар и в виде примеси азот, который
вносится с воздухом.
При газификации битуминозных топлив наряду с газообразными могут получаться и жидкие продукты (смола, уксусная кислота, метиловый спирт и др.), которые можно выделить из газа.
Жидкие продукты получают в процессе сухой перегонки (полукоксования) топлива, предшествующего процессу газификации.
Серу, находящуюся в топливе в связанном состоянии и являющуюся нежелательной примесью, переводят в газообразные сероводород и серооксид углерода, количество последнего незначительно.
Азот может переходить в HCN, NH3.
Перечень газифицирующих агентов, состав образующихся газов, а также возможное применение полученных газовых смесей приведены на рис. 4.1 [8, 9]. В качестве окислителей (газифицирующих
агентов) используются кислород, воздух, водяной пар, диоксид углерода и их смеси.
Процесс газификации твердого топлива – сложный гетерогенный физико-химический процесс, протекающий при высоких температурах, основным звеном которого является взаимодействие твердой фазы (углерода топлива) и газовой фазы (дутья – кислорода,
водяного пара, двуокиси углерода).
Газификация может быть охарактеризована как совокупность
гетерогенных и гомогенных реакций; из них в конечном счете желательны те, которые приводят (в зависимости от цели процесса) к образованию СО, H2 и СН4 в качестве составных частей газа.
На протекание химического процесса при газификации топлива
оказывают влияние природа топлива, а также физические факторы:
32
скорость газообразного потока, тепловой режим в слое топлива, технологическое и аппаратурное оформление процесса (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Способы газификации угля
и направления использования получаемых газов
При взаимодействии углерода топлива с дутьем (кислород, пар)
протекают следующие основные первичные реакции (теплоты реакций даны при 15 ℃ и 1 ат) [9]:
с кислородом:
С + O2 = CO2 + 94250 ккал/(кг·моль);
2С + O2 = 2СО + 52285 ккал/(кг·моль);
с водяным паром:
С + H2O(пар) = CO + H2 – 31690 ккал/(кг·моль);
С + 2H2O(пар) = CO2 + 2H2 – 21420 ккал/(кг·моль).
Этими уравнениями с достаточной полнотой описываются гетерогенные реакции образования желаемых газообразных соединений.
Однако газообразные продукты первичных реакций вступают в свою
очередь во взаимодействие с углеродом топлива, с кислородом, водяным паром и между собой. Наиболее существенными вторичными
реакциями являются
2СО + O2 = 2CO2 + 136215 ккал/(кг·моль);
33
2H2 + O2 = 2H2О + 115670 ккал/(кг·моль);
CO2 + С ↔ 2СО ± 41965 ккал/(кг·моль);
СО + H2О(пар) ↔ CO2 + H2 ± 10270 ккал/(кг·моль);
С + 2Н2 ↔ СН4 ± 20870 ккал/(кг·моль);
2СО + 2Н2 ↔ СН4 + CO2 ± 59000 ккал/(кг·моль).
Кроме того, могут протекать и другие реакции, но их участие в
общем процессе газификации незначительно. Приведенные уравнения не учитывают образования углеводородов С2 и выше. Однако это
ограничение обоснованно, потому что реакции газификации протекают со скоростью, достаточной для технических целей, только при
таких высоких температурах, когда образование высших углеводородов практически исключается.
Гетерогенные реакции взаимодействия углерода топлива с газообразными реагентами (кислородом, водяным паром, двуокисью углерода) являются в действительности весьма сложными и протекают
в несколько стадий [8, 9].
В качества дутья для газификации твердых горючих ископаемых
могут применяться различные газовые смеси. В зависимости от этого
получившиеся парогазовые смеси имеют различные наименования:
1) при дутье воздухом получается воздушный газ (примеси
СО, СО2). Теплота сгорания воздушного газа составляет 4300–
4500 МДж/м3. Ввиду низкой теплоты сгорания данный газ в основ-
ном применяется в электрохимических производствах, где требуется
высокая концентрация СО;
2) при использовании парокислородного дутья (смесь
H2O+O2+СО2) получается парокислородный газ, который по своему
составу близок к синтез-газу. Основным недостатком парокислородной газификации является большой расход кислорода, что значительно увеличивает затраты на производство;
3) паровоздушный (газогенераторный) газ получается при ис-
пользовании в качестве дутья смеси воздуха с водяным паром. Получаемый газ является достаточно дешевым, имеет теплоту сгорания
5700–6200 МДж/м3, используется как топливо. Находит широкое
применение на предприятиях металлургической, керамической, машиностроительной и других отраслей;
4) водяной газ получается при подаче водяного пара на раска-
ленный углерод топлива. Получаемый газ содержит 83–86 % СО и
Н2, предназначен для синтеза химических продуктов. Данный метод
34
газификации имеет ограниченное применение в виду высокого расхода электроэнергии на производство.
4.2. Характеристика основных процессов газификации
Процесс газификации зависит от многих факторов, влияющих
на состав получаемого газа и его теплоту сгорания. В связи с этим до
сих пор отсутствует единая классификация методов осуществления
рассматриваемого процесса. Ниже приведен один из возможных вариантов классификации [1]:
1) по конструктивным особенностям реакционной зоны: в
неподвижном плотном слое топлива; подвижном (медленно опускающемся) слое топлива; псеводоожиженном (кипящем) слое топлива;
пылеугольном, водоугольном факеле;
2) по способу подвода тепла в реактор газификации: при ча-
стичном сжигании топлива в газогенераторе; при смешении топлива
с предварительно нагретым твердым, жидким или газообразным теплоносителем (регенеративный нагрев); при подводе тепла через
стенку аппарата (рекуперативный нагрев);
3) по направлению движения топлива и дутья: прямой (топ-
ливо движется сверху вниз, а газы дутья – снизу вверх); обращенный
(топливо и газы движутся сверху вниз, то есть совпадают); поперечный (топливо движется сверху вниз, а поток дутья и газа движется
поперек слоя топлива – в горизонтальном направлении); комбинированный (топливо движется сверху вниз, основное количество дутья
поступает через фурмы и участвует в обращенном процессе газификации, дополнительное дутье поступает снизу – для выжига остаточного углерода кокса, газ из газогенератора отводится на границе двух
зон восстановления (примерно посередине аппарата);
4) по виду дутья: воздушное; воздушно-кислородное; паровоз-
душное; парокислородное; с использованием СО2;
5) по способу обогащения конечного газа метаном: безоста-
точная газификация топлива в СО, СО2 и Н2 в сочетании с отдельной
стадией метанирования СО и СО2 водородом; газификация с полным
выделением летучих веществ и максимальным образованием метана
в слое топлива; гидрогазификация;
6) по назначению получаемого газа: с заданной теплотой сго-
рания: низкой (до 6,7 МДж/м3); средней (12–18 МДж/м3); высокой
(30–35 МДж/м3); заданного состава;
35
7) по давлению: атмосферное; повышенное давление (0,1–
10 МПа);
8) по способу выведения золы: в твердом виде; в виде жидкого
шлака.
Общая схема производства синтез-газа из топлив разного фазового состава показана на рис. 4.2 [9].
Рис. 4.2. Общая схема производства синтез-газа
Важной характеристикой способов является также размер частиц угля. Если перерабатывают мелкозернистый или пылевидный
уголь, систематизируют процессы по принципу организации потока.
Кусковой уголь обычно газифицируют в стационарном состоянии:
загружаемое сырье медленно опускается, а газифицирующие агенты
вводят снизу. Преимущества этого способа обусловлены очень хорошей теплопередачей. При этом снижаются расходные показатели и
повышается общая эффективность процессов. Кроме того, в этом случае создаются особенно благоприятные кинетические условия для ре-
акций: вновь загружаемое топливо взаимодействует с уже в значительной степени прореагировавшим газифицирующим агентом, а
зола, содержащая только небольшое количество углерода, наоборот,
контактирует с непрореагировавшим газифицирующим агентом.
36
Эти достоинства, однако, оборачиваются и недостатками – под
влиянием прореагировавшего и нагретого газифицирующего агента
протекает полукоксование угля, а нежелательные продукты полукоксования (масло, смола, фенолы) загрязняют газ. Все это значительно
усложняет и увеличивает установку газификации. Кроме того, могут
возникать трудности при переработке спекающихся углей, и для их
устранения необходимо сооружать специальные устройства. Но эти
устройства, обычно находящиеся в движении, и вращающаяся решетка, благодаря которой золу удаляют из реакционного объема в
твердом состоянии, быстро изнашиваются. Поэтому в таких газогенераторах увеличивается время простоя и возрастает стоимость ремонтных работ.
Очень мелкий (пылевидный) уголь газифицируют при подаче в
одном направлении и угля, и газообразного газифицирующего
агента. Этот способ обладает следующими преимуществами по сравнению с газификацией в неподвижном слое:
– меньшая стоимость мелкозернистого топлива по сравнению
с кусковым;
– можно применять сырье любой степени углефикации,
прежде всего любой спекаемости;
– нет побочных продуктов (смола, масло, фенолы, жирные
кислоты) и нет необходимости в очистке от них;
– можно заменять уголь жидкими и газообразными углеводородными топливами.
Если газификацию осуществляют при повышенном давлении,
значение этих преимуществ еще более возрастает, так как производительность газогенератора растет пропорционально давлению.
Кроме того, исключаются или сильно снижаются расходы на компримирование синтез-газа и повышается КПД газификации. Благодаря очень высокой производительности газогенераторов, при газификации угольной пыли под давлением можно весьма интенсивно
охлаждать стенки шахты (для защиты кладки от перегрева) без существенных потерь тепла.
Этим преимуществам противостоят недостатки: в случае углей
с высокой температурой плавления золы затрудняется выбор материала для футеровки реакционной камеры. Кроме того, при большом
содержании золы в топливе и из-за необходимости работать при более высоких температурах в способах газификации с жидким
37
шлакоудалением КПД снижается в большей степени, чем при газификации в стационарном слое.
Независимо от того, стремятся ли к чистому прямотоку, к вращающемуся или к вихревому потоку вокруг оси шахты (газогенератор с вихревым потоком), к потоку, направленному вниз к жидкому
шлаку (с последующим изменением направления над шлаковой ванной и возвращением потока вверх), топливо всегда сначала взаимодействует с кислородом. При этом достигается максимально возможная температура горения. Только после того, как пройдут
окислительные и термические превращения топлива, начинаются
эндотермические реакции газификации, главными из которых являются превращения диоксида углерода и водяного пара в оксид углерода и водород.
4.3. Разновидности технологических процессов
газификации ТГИ
4.3.1. Автотермические процессы
1. Газификация в стационарном слое. Чаще всего газифика-
цию проводят в цилиндрической шахте, оборудованной вращающейся решеткой. В этом случае топливо, подаваемое сверху, газифицируется поступающим к нему противотоком газообразным агентом.
Уголь первоначально подсушивают (если применяют битуминозные
угли, вслед за этим протекает термическое разложение), а затем газифицируют при температуре выше 1000 ℃.
Для газификации битуминозного и особенно спекающегося каменного угля разработаны специальные конструкции для лучшего
использования продуктов полукоксования (их отводят с верха агрегата совместно с получаемым газом), а также для управления состоянием загруженного топлива в зоне спекания. Золу удаляют снизу с
помощью вращающейся решетки. Если в качестве газифицирующего
агента применяют кислород и водяной пар, можно установить такую
температуру, чтобы выделять золу в жидком состоянии. Пары воды,
в соответствии с условиями равновесия, участвуют в эндотермических реакциях газификации и регулируют температуру в зоне газификации и соответственно температуру золы [8].
2. Способ газификации угля под давлением. На рис. 4.3 пока-
зан газогенератор для процесса под давлением [8].
38
Рис. 4.3. Генератор для газификации угля в стационарном слое под давлением
по способу Lurgi: 1 – шлюзовая емкость для угля; 2 – привод питателя;
3 – решетка; 4 – привод решетки; 5 – водяная рубашка; 6 – шлюзовая емкость
Не промытый, но отсортированный уголь с частицами преимущественно 5–30 мм периодически загружают через шлюзовую емкость в газогенератор. Здесь уголь с помощью распределителя насыпается равномерно по всему сечению шахты. Запас угля над
распределителем настолько большой, что загрузка собственно газогенератора осуществляется непрерывно. Спекшийся уголь вновь разрушается при вертикальных движениях клинообразного подвижного
рычага, охлаждаемого водой в зоне спекания. Рычаг расположен на
распределителе. Из распределителя уголь через разгрузочный люк
проходит вниз. Люк нужен для того, чтобы после загрузки угля оставалось достаточно свободного места для вертикальных движений
рычага.
Газификацию осуществляют при ~ 3 МПа парокислородной
смесью, подаваемой в реактор через вращающуюся колосниковую
решетку. Расположенный на решетке слой золы служит одновременно и для распределения, и для подогрева газифицирующего
39
агента. В небольшой зоне горения выделяется значительное количество тепла, необходимое для эндотермических реакций газификации
и термического разложения угля. Образовавшийся сырой газ, выходя
из генератора сверху, осушает уголь, движущийся противотоком
вниз. Золу в твердом состоянии удаляют из реактора снизу через
шлюзовую емкость [8]. Частички угля при газификации в стационарном слое и движении через газогенератор проходят следующие зоны:
сушки, термического разложения, газификации и горения.
Сырой газ, выходящий из реактора, промывают водой в скруббере-холодильнике для отделения увлеченной им пыли и смолы, а
потом охлаждают в котле-утилизаторе (рис. 4.4). Суспензию смолы с
пылью после разделения в смолоотстойнике снова возвращают в генератор. После конверсии получают газ с нужным соотношением
CO:H2 и окончательно очищают его двухступенчатой промывкой.
Рис. 4.4. Схема потоков при газификации угля под давлением по способу
Lurgi: А – производство газа; Б – конверсия сырого газа; В – промывка
по способу Rectisol; Г – фенолсольванная установка
В обобщенном виде можно указать следующие преимущества
процесса газификации под давлением по способу Lurgi [8]:
40
1) принцип противотока, то есть хорошая теплопередача и при
этом меньший расход кислорода и благоприятные кинетические
условия из-за постоянной концентрации углерода;
2) газификация протекает под давлением, что в случае получе-
ния синтез-газа означает экономию расходов на компрессию.
Недостатки процесса следующие:
1) можно перерабатывать (с учетом сопротивления слоя за-
грузки газовому потоку) частицы только определенного размера; при
значительном количестве более мелких частиц снижается производительность;
2) наряду с газификацией идет термическое разложение топ-
лива с образованием продуктов полукоксования, которые приходится перерабатывать.
3. Способы в псевдоожиженном слое. В настоящее время га-
зификация мелкозернистых бурых углей в «кипящем» слое является
одним из наиболее освоенных в крупном промышленном масштабе
методов получения отопительного и технологического газов.
Газогенератор Винклера новой конструкции с «кипящим» слоем
изображен на рис. 4.5 [9].
Дробленый и подсушенный, но не отсортированный уголь (преимущественно бурый, но также реакционноспособный каменный,
буроугольный кокс или полукокс с зольностью до 40 % и высоким
содержанием пыли) вводят шнеком в псевдоожиженный слой газогенератора. Золу, температура плавления которой должна быть выше
температуры газификации, выводят снизу через футерованную
шахту, сужающуюся книзу. Полученный синтез-газ для удаления основной части захваченной им пыли повторно газифицируют в верхней части газогенератора, а затем подвергают обработке в котле-утилизаторе, мультициклоне, конденсаторе-холодильнике и каплеуловителе. Степень газификации углерода достигает 90 %, КПД равен
82 % [7]. Состав сырого газа, получаемого в газогенераторе Winkler,
% об. (в скобках указаны типичные значения):
– СО – 30–50 (48,2);
– Н2 – 35–46 (35,2);
– СО2 – 13–25 (13,8);
– СН4 – 1–2 (1,8);
– N2 – 0,5–1,5 (0,9).
Теплота сгорания газа Qн = 12300 кДж/м3.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]