Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

monomers-Платэ-книга

.pdf
Скачиваний:
610
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
5.26 Mб
Скачать

 

 

 

 

 

 

 

61

 

 

Схема 2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Газификация

 

Газификация воз-

 

 

Газификация

 

Газификация кисло-

воздухом

 

духом и паром под

 

 

кислородом

 

родом и паром под

и паром

 

давлением

 

 

и паром

 

 

давлением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Горючий

(гене-

 

Горючий газ

 

Синтез-газ,

 

Бы-

Газзаме-

раторный)

газ

 

(CO, H2, N2, CH4)

 

газ-восста-

товой газ

нитель при-

(CO, H2, N2,

 

 

 

новитель

(H2, СH4,

родного

небольшие

 

 

 

(CO, H2, N2)

возможны

газа (СH4,

количества CH4)

 

 

 

 

N2 и CO2)

возможны

 

 

 

 

 

 

 

 

N2 и CO2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для различных

 

Для энергетиче-

 

Синтез NH3

 

Бытовое

 

 

промышленных

 

ских предприя-

 

и CH3OH, синтез

 

газоснабжение

 

предприятий

 

тий (предвари-

 

Фишера-Тропша,

 

 

 

 

 

 

 

тельно газ

 

оксосинтез, вос-

 

 

 

 

 

 

 

направляют в

 

становление руд

 

 

 

 

 

 

 

турбины)

 

 

 

 

 

 

Газификация угля является процессом эндотермическим. По способу подвода тепла различают процессы автотермические, при которых тепло, необходимое для газификации, получают путем сжигания части введенного топлива в присутствии кислородсодержащих газифицирующих агентов, и аллотермические, при которых требуемое тепло подводится извне с помощью твердого или газообразного теплоносителя.

Первые процессы газификации угля, разработка которых была начата в США в 1950-х годах, предназначались в основном для получения газа, способного заменить природный газ. В связи с этим первичный сырой газ должен был содержать возможно больше метана и не содержать нежелательные продукты полукоксования угля: масла, смолы, фенолы. Для производства синтез-газа, используемого в производстве аммиака и метанола, в оксосинтезе или в синтезе Фишера-Тропша, напротив, необходимо поддерживать определенные соотношения СО:Н2 и Н2:N2, что достигается не только подбором условий процесса, но и выбором состава газифицирующего агента: он в основном должен состоять из кислорода и водяного пара.

Другая важная характеристика процесса - температура газификации. Она зависит от состава газифицируемого сырья, типа реактора и других параметров. Ниже представлена блок-схема производства синтез-газа (схема

2.2).

62

 

 

 

 

 

 

 

Схема 2.2

 

 

 

 

Твердые топлива (камен-

 

 

Жидкие углеводородные

 

Газообразные углево-

 

ный уголь, бурый уголь,

 

 

 

топлива

 

дородные топлива

 

кокс, дрова)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пар, О2, О2 + пар

 

 

 

Газификация или частичное окисление с получением

 

или воздух + пар

 

 

 

смеси H2 + CO (возможны примеси CO2, CH4 и N2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очистка от смолы, пыли и сернистых соединений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Конверсия CH4 (CH4 + H2O

CO + 3H2),

 

 

 

 

 

 

 

Конверсия CO (CO + H2O

CO2 + H2),

 

 

 

 

 

 

 

Отмывка от CO2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CO + H2

Тонкая очистка от СО

 

H2 (+N2)

В основу классификации способов газификации могут быть положены различные принципы. По состоянию топлива в газогенераторе различают способ газификации в неподвижном слое или в медленно опускающемся слое твердого топлива, газификацию в "кипящем слое", газификацию в потоке пылевидного топлива. Другая классификации основана на различии способов подвода тепла к реактору газификации. По этой классификации различают процессы автотермические и аллотермические.

Важной характеристикой этих способов является также размер частиц угля. Если перерабатывают мелкозернистый или пылевидный уголь, процессы систематизируют по принципу организации потока. Такие угли газифицируют при подаче в одном направлении и угля, и газообразного газифицирующего агента. Это техническое решение имеет ряд преимуществ по сравнению с процессами газификации в неподвижном слое:

-более низкую стоимость мелкозернистого топлива по сравнению с

кусковым;

-возможность применения сырья любой степени газификации, прежде всего любой спекаемости;

-отсутствие побочных продуктов - смолы, масла, фенолов и др.

63

Если газификацию проводят при повышенном давлении, значение этих факторов еще более возрастает, так как производительность генератора увеличивается пропорционально давлению.

2.1.1. Автотермические процессы

Автотермические способы газификации, широко используемые в промышленности, проводятся в стационарном и "кипящем слое", в потоке пылевидного топлива.

Газификация кускового топлива в стационарном слое является самым старым способом производства газа: смесь воздуха и водяного пара в качестве газифицирующего агента применили впервые примерно 150 лет назад.

Газификацию, как правило, проводят в цилиндрической шахте, оборудованной вращающейся решеткой. В этом случае топливо, подаваемое сверху, газифицируется газообразным агентом, поступающим к нему противотоком. Уголь сначала подсушивают и затем газифицируют при температуре свыше 1273 К. Золу удаляют снизу с помощью вращающейся решетки. Если в качестве газифицирующего агента применяют кислород и водяной пар, можно установить такую температуру, при которой зола удаляется в жидком состоянии.

На рис. 2.3 представлены газогенераторы трех различных типов для газификации угля в стационарном слое. Агрегаты различаются конструкцией отдельных узлов, например решетки, систем шлюзования угля и распределения угля по сечению.

Генераторы с вращающейся решеткой (рис. 2.3, а, б) благодаря простейшей конструкции наиболее пригодны для газификации кокса. Обычно промышленные генераторы имеют диаметр до 5 м при высоте слоя топлива 1,3-1,8 м. В непрерывном производстве при использовании воздуха, обогащенного кислородом, и водяного пара, получают низкокалорийный газ (теплотворная способность 5,2 кДж/м3) следующего состава (в % (об.)):

СО ………………27,8

СО2 …………… 3,6

Н2………………..12,4

N2 ……………… 56,О

Генераторы с жидким шлакоудалением (рис. 2.3, в) не имеют решеток. Шахта цилиндрической формы к низу переходит в конус и оканчивается цилиндрической частью, в которой и собирается жидкий шлак. Обычно в качестве сырья используют кокс. Смесь водяного пара и кислорода или осушенного воздуха, которую применяют в качестве газифицирующего агента, предварительно перемешивают и с помощью форсунок, равномерно распределенных по окружности, вводят поверх слоя шлака. Шлак периодически удаляют через выпускное отверстие. Температура выходящего газа (если в процессе используют смесь кислорода и водяного пара) составляет 623-673 К. Производительность процесса при газификации доменного кокса кислоро-

64

дом - ~ 15000 м3/ч, теплотворная способность 11,8 МДж/м3. Газ имеет следующий состав (в % (об.)):

СО…………..

64,6

СО2

…………..

5,7

Н2 ……………

28,7

N2

……………

1,0

Расход кислорода в газогенераторе составляет 0,25 м33 неочищенного синтез-газа, а расход пара - 0,3 кг/м3.

а

б

в

Рис. 2.3. Газогенераторы с вращающейся решеткой (а, б) и жидким шлакоудалением (в)

а - 1 - водяная охлаждающая рубашка; 2 - вращающаяся решетка; 3 - чаша для золы;

б - 1 - шлюз; 2 - водяная рубашка; 3 - мешалка, охлаждаемая водой; 4 - вращающаяся решетка; 5 - чаша для золы

В промышленности реализован также процесс газификации угля смесью кислорода и водяных паров под давлением при удалении золы в твердом состоянии. Газификацию осуществляют при давлении 3 МПа парокислородной смесью, подаваемой в реактор через вращающуюся колосниковую решетку. Частицы угля размером преимущественно 5-30 мм загружают через шлюзовую емкость в генератор, в котором уголь с помощью распределителя насыпается равномерно по всему сечению шахты.

Широкое применение в промышленности нашли также газогенераторы со стационарным слоем и жидким шлакоудалением. Такие реактора разработали немецкая фирма "Лурги" (рис. 2.4) и позднее английская фирма "Газ Коунсил"(рис. 2.5). Протекающие в верхней части реактора реакции анало-

65

гичны газификации под давлением с сухим удалением золы. Поэтому на рисунке 2.5 изображена только нижняя часть генератора.

Рис. 2.4. Генератор для газификации угля в стационарном

слое под давлением по способу "Лурги"

 

1 - шлюзовая емкость для угля; 2 - привод питателя;

3 - ре-

шетка; 4 - привод решетки; 5 - водяная рубашка;

6 - шлюзо-

вая емкость для золы; 7 - скруббер-холодильник;

8 - зона сушки;

9 - зона термического разложения; 10 - зона газификации; 11зона горения

В этом случае газифицирующим агентом является кислород со столь небольшим количеством пара, что зола остается жидкой. Жидкий шлак собирается в днище ванны газогенератора и находится там до момента поворота кислородно-газовой горелки в сторону отверстия в днище ванны. При этом давление понижается и шлак переходит в "закалочную" камеру, в которой осуществляется его гранулирование в воде. Гранулы периодически выгружают через шлюзовую емкость, работающую под давлением.

66

Этот способ эффективен для получения синтез-газа, причем соотношение СО:Н2 в газе можно изменять в широком интервале. Процесс осуществляют при давлении свыше 2,0 МПа.

Рис. 2.5. Газогенератор под давлением с жидким шлакоудалением

1 - под; 2 - поворачивающаяся горелка; 3 - "закалочная" камера; 4 - шлюзовая емкость для золы

В газогенераторе со стационарным слоем под давлением и с жидким шлакоудалением обычно получают газ следующего состава (в % (об)):

СО …………… 58,0

СН4

……………. 9,1

Н2

……………..25,6

N2

…………….. 1,0

СО2

…………… 6,3

 

 

2.1.2.Газификация в "кипящем слое" Получение оксида углерода

Наибольшее распространение в промышленности получил процесс газификации мелкозернистого угля в "кипящем слое", разработанный фирмой "Винклер". По этому способу во время Второй мировой войны производили большую часть синтез-газа, использовавшегося в синтезе Фишера-Тропша.

Дробленый и подсушенный уголь вводят шнеком в "кипящий слой" газогенератора. Золу, температура плавления которой должна быть выше температуры газификации, выводят снизу через футерованную шахту. Полученный синтез-газ для удаления основной части захваченной им пыли повторно газифицируют в верней части газогенератора, а затем подвергают обработке в котле-утилизаторе, мультициклоне, конденсаторе-холодильнике и каплеуловителе. Степень газификации углерода достигает 90%. Ниже приведен состав сырого газа (в % (об.)).

СО…………. 30-50 СН4 …….…… 1-2

67

Н2……….……35-46

N2 ……...……0,5-1,5

СО2 …….……13-25

 

Как и в процессе получения водорода риформингом метана, оксид углерода синтез-газа, полученного газификацией угля в присутствии катализаторов, превращают по реакции с водяным паром в диоксид углерода и водород. Это позволяет, с одной стороны, получить больше водорода, а с другой - вместо СО удалять из реакционной смеси СО2, что значительно проще. Технически не имеет смысла добиваться полного удаления СО путем конверсии. Для решения этой задачи обычно применяют метанирование на гетерогенном катализаторе:

СО + 3Н2 СН4 + Н2О.

Образующийся метан при последующем использовании водорода проявляет себя как инертный газ.

Оксид углерода наряду с применением в составе синтез-газа необходим для карбонилирования олефинов в присутствии карбонилов металлов до ненасыщенных карбоновых кислот и их производных (синтез Реппе) или для карбонилирования олефинов в присутствии кислотных катализаторов в производстве карбоновых кислот разветвленного строения (реакция Коха).

Широко распространенный способ получения СО базируется на прямом окислении углерода. Превращение достаточно чистого углерода в виде кокса в присутствии кислорода приводит сначала к образованию диоксида

углерода

 

С + О2

СО2,

который при высоких температурах, низком давлении и в присутствии избытка углерода в дальнейшем реагирует с ним с образованием преимущественно оксида углерода

С + СО2 2СО.

Суммарная реакция неполного окисления углерода

2С + О2 2СО свидетельствует о сильно экзотермическом характере процесса, что всегда

создает трудности при отводе тепла и регулировании температуры реактора. В связи с этим газификацию проводят в присутствии водяного пара или вместо чистого кислорода применяют воздух. В этом случае получают так называемый генераторный газ, содержащий наряду с оксидом углерода небольшое количество диоксида углерода и 65-70% азота.

Превращение диоксида углерода в оксид углерода осуществляют при температурах 1173-1573 К в зависимости от скорости потока.

В полученном оксиде углерода в качестве примесей могут находиться следующие соединения: водород, диоксид углерода, метан, азот, кислород, аргон, пары воды, насыщенные и ненасыщенные углеводороды, сернистые соединения, оксиды азота и ацетилен. Требования к чистоте оксида углерода определяются типом процесса, в котором он используется. Как правило, сер-

68

нистые соединения, пары воды и ацетилен могут отравлять катализатор, поэтому при использовании в каталитических процессах их следует удалять.

Азот, аргон и метан нужно удалять, прежде всего, в тех случаях, если их применяют в процессах, в которых применяется рециркуляция непревращенного сырья, и поэтому "инерты" могут накапливаться. Для удаления сернистых соединений, ацетилена и азота используют специальные физические и химические методы очистки. Диоксид углерода и воду удаляют путем адсорбции и абсорбции. В итоге задача получения чистого оксида углерода из газовой смеси, содержащей СО, Н2 и СН4, может быть решена двумя различными путями: низкотемпературным разделением компонентов в жидкой фазе путем конденсации и селективной абсорбцией оксида углерода. Сжижение оксида углерода и метана начинается в зависимости от давления в области от 173 до 93 К. Путем разделения газовой и жидкой фаз и последующей дистилляции жидкой фазы получают чистые СН4 и СО. Глубокое охлаждение газа осуществляется холодом, получаемым за счет эффекта Джоуля-Томпсона и расширения газа.

Выделение СО селективной абсорбцией реализовано в промышленности в трех вариантах: меднощелочной промывкой, формиатной промывкой и с помощью процесса "Косорб" (фирма "Теннеко").

При медно-щелочной промывке оксид углерода связывается с медным комплексом, находящимся в аммиачном растворе. Последующим нагреванием оксид углерода снова переводится в газообразное состояние.

Извлечение оксида углерода с помощью формиатной промывки осуществляют при давлении 17-35 МПа. Оксид углерода связывается метилатом натрия в метанольном растворе и при нагревании при давлении 2 МПа снова переходит в газообразное состояние.

Иногда оксид углерода связывают медноалюминийхлоридным комплексом. Образующийся аддукт стабилен в растворе толуола, а при нагревании в вакууме полностью отдает оксид углерода.

2.1.3. Гидрогенизация угля

Для получения ценных химических соединений из угля используют процессы термической обработки (полукоксование, коксование) или термической обработки в присутствии водорода под давлением (гидрогенизация).

Термическое разложение угля сопровождается образованием кокса, смолы и газов (главным образом метан). Смолы полукоксования каменных углей в основном содержат ароматические соединения. Смолы полукоксования бурых углей наряду с ароматическими соединениями содержат также значительное количество насыщенных циклоалканов и алканов. Кокс является целевым продуктом полукоксования. При термической переработке угля в присутствии водорода можно почти полностью перевести органическую массу угля в жидкие и газообразные углеводороды.

69

Таким образом, гидрогенизация углей может применяться для получения не только моторных и авиационных топлив, но и основного нефтехимического сырья.

Гидрогенизационное сжижение угля - сложный процесс, включающий, с одной стороны разуукрупнение структуры органической массы угля с разрывом наименее прочных валентных связей под действием температуры , а с другой - гидрирование разорванных и ненасыщенных связей. Использование водорода необходимо как для увеличения соотношения Н:С в продуктах за счет прямого гидрирования, так и для стабилизации продуктов деструкции элиминированных макромолекул.

Реализация процесса гидрогенизации угля под относительно невысоким давлением - до 10 MПa - возможна с применением донорапастообразователя водорода нефтяного или угольного происхождения и использованием эффективных катализаторов.

Одной из главных проблем при сжижении угля является оптимизация процесса передачи водорода от доноров-пастообразователей к угольному веществу. Существует оптимальная степень насыщенности водородом молекул доноров. Пастообразователь должен содержать на 1-2% водорода больше, чем в продуктах сжижения угля. Введение в структуру доноров различного типа заместителей влияет как на термодинамические, так и на кинетические характеристики. Передача водорода от доноров к переносчикам - молекулам ароматических соединений - протекает ступенчато по свободнорадикальному механизму.

При невысоком давлении (до 10 МПа) использование доноров позволяет углю присоединить не более 1,5% водорода, а для глубокого сжижения угля (90% и более) необходимо присоединить до 3% водорода, что можно осуществить введением его из газовой фазы.

Молибденовый катализатор, применяемый в комбинации с железом и другими элементами, существенно интенсифицирует процесс, увеличивает глубину сжижения угля и уменьшает молекулярную массу продуктов.

Основными первичными продуктами гидрогенизации угля являются гидрогенизат и шлам, содержащий ~ 15% твердых продуктов (зола, непревращенный уголь, катализатор). Газообразные продукты гидрогенизации, содержащие углеводороды С14, аммиак, сероводород, оксиды углерода в смеси с водородом, направляются на очистку методом короткоцикловой адсорбции, а газ с 80-85%-м содержанием водорода возвращается в процесс.

При конденсации гидрогенизата отделяется вода, которая содержит растворенный аммиак, сероводород и фенолы (смесь одно- и многоатомных).

Ниже приведена принципиальная схема химической переработки угля

(схема 2.3).

 

 

 

 

 

 

70

 

 

 

Схема 2.3

 

 

 

 

 

 

Уголь

 

 

 

 

Уголь

 

Подготовка угля и

Катализатор

 

 

Пастообразователь

 

 

 

 

 

 

пасты

 

 

 

 

Водород

 

Водород

Сера

 

 

 

 

 

 

Производство

Гидрогенизация угля

 

Производство

водорода

 

серы

 

 

 

 

 

Газ С14, СО

 

 

 

H2S

 

Разделение продуктов

 

 

 

 

 

NH3, Фенолы С68,

 

 

 

 

 

 

Жидкие продукты

 

Шлам

 

Вода

пиридины

 

 

 

Дистилляция

Переработка шлама

 

Вода

Выделение фенолов

 

 

и пиридиновых ос-

 

 

 

 

 

 

нований

 

Фрак-Шлак

Катализатор

Фрак ция

 

ция

 

 

 

 

с т. кип.

Коксовый

с т. кип.

 

 

 

 

373-513 К

 

 

 

 

 

дистиллят

выше 698 K

 

Водород

 

 

 

Коксование

 

Гидроочистка

 

H2S

Дистилляция

Газ

 

 

 

 

H2O

 

 

 

 

Бензин

Дистилляты

Кокс

 

 

Водород

с т. кип. до

 

 

 

 

 

593 К

 

 

 

 

 

 

 

 

Пиролиз

 

 

Каталитический

 

Гидрирование

Газ

 

 

риформинг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ароматические уг-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Этилен, пропилен

 

леводороды С68

 

Авиатопливо

 

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]