XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2020
СПОСОБЫ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Переработка твердого топлива с целью получения энергии методом газификации является весьма перспективным направлением, способным обеспечивать высокую эффективность и высокие экологические показатели производства.
Применение в энергетике твердых топлив, как традиционных (углей), так и нетрадиционных (биотоплив, разного рода горючих отходов), необходимость расширения которого диктуется развитием топливно-сырьевой отрасли, сталкивается с рядом серьезных ограничений. Прежде всего, это относительно большая сложность энергетического оборудования и ограниченный КПД традиционных энергоустановок, использующих твердое топливо, по сравнению с парогазовыми и поршневыми установками, использующими природный газ и нефтепродукты.
Еще одна задача энергетики наряду с повышением КПД и экологических показателей энергоустановок — это вовлечение в оборот низкосортных и альтернативных топлив, в том числе возобновляемых, и разного рода горючих отходов.
Развитие технологий газификации топлив представляется наиболее перспективным направлением решения обеих основных проблем — повышения энергетической эффективности и экологических показателей энергоустановок.
Экологически чистая газификация твердого топлива решают задачу комплексного освоения сырья, значительно сокращают отходы и вредные выбросы в атмосферу. В связи с этим необходимы исследования способов газификации твердого топлива.
Процесс газификации топлива близок процессу горения. В основе обоих процессов лежит химическое соединение восстановителя (углерода и водорода) с окислителем (кислородом). Отличие в том, что при сгорании происходит полное окисление топлива в условиях избытка кислорода, а газификация идет в условиях дефицита кислорода, при этом полного окисления топлива не происходит.
При газификации в качестве окислителей, которые иногда называют газифицирующими агентами, используют кислород (или обогащенный им воздух), водяной пар, диоксид углерода либо смеси указанных веществ. В зависимости от соотношения исходных реагентов, температуры, продолжительности реакции и других факторов можно получать газовые смеси разного состава.
Если говорить о самом процессе, то свое начало газификация берет в XVII веке. С момента возникновения идея газификации прошла через многие стадии развития. Впервые горючий газ был получен в 1699 г. англичанином Дином Клейтоном (Dean Clayton) в экспериментах с исследованием пиролитического разложения каменного угля. Было замечено, что при ограничении доступа воздуха под угольный слой из твердого топлива получается газ. Этот газ может быть сожжен после выделения его из топлива путем подвода вторичного воздуха. Газодобывание и собственно газогенератор возникли только тогда, когда использование газа было полностью отделено от процесса его добывания.
Создателем первого газогенератора принято считать французского инженера Филиппа Лебона, родившегося в Браше 29 мая 1767 г. Однажды, в 1788 г., бросив горсть древесных опилок в стоявший перед ним на огне сосуд, Лебон увидел, что из сосуда поднялся густой дым, который вспыхнул на огне и дал яркое светящееся пламя. Лебон понял, что случай помог ему сделать открытие чрезвычайной важности. Продолжая свои опыты, он создал в миниатюре первый газовый завод.
В основе газификации лежит либо неполное горение топлива (при недостатке кислорода), либо полное горение с последующим реагированием углерода с углекислотой и водяным паром с целью получения горючих газов. На рис. 1 схематично представлен механизм процесса газификации. Условно, весь процесс газификации разбивают на этапы:
1 —нагрев и сушка топлива;
2 —пиролитическое разложение топлива на газообразные продукты и твердый остаток;
3
—газификация угольного остатка
Рис. 1 Механизм газификации
Состав и масса газов, получаемых в результате газификации, зависят, в основном, от температуры процесса, вида топлива и скорости нагрева частиц. На рис. 2 приведена классификация методов газификации, в зависимости способа воздействия на сырье. Также на схеме показаны возможные области его использования.
Рис. 2 Классификация методов газификации твердого топлива
Самый простой — это метод, при котором процесс газификации происходит только за счет воздуха. Продуктом газификации является воздушный генераторный газ с низкой теплотой сгорания, состоящий преимущественно из водорода и окиси углерода, разбавленный азотом воздуха и некоторым количеством углекислоты.
В отличие от газификации воздухом, газификация паром требует внешнего источника теплоты, если пар используется в качестве единственного газифицирующего агента. В этом случае получаются преимущественно водород, окись углерода и отчасти углекислота, к которым примешивается водяной пар. Также подачей водяного пара можно существенно снизить температуры в зоне восстановления и повысить теплоту получаемого смешенного газа. Получаемый при этом газ называется водяным генераторным газом. Сравнивая с воздушной газификацией, при газификации паром получается газ с более высокой теплотой сгорания.
Одновременное использование пара и воздуха в качестве газифицирующего агента не является редкостью. В результате получается смесь воздушного и водяного газов (окись углерода, водород, углекислота, азот и водяной пар). Эта смесь газов называется смешанным, или паровоздушным газом. В таком случае кислород воздуха помогает обеспечить необходимую энергию за счет экзотермической реакции горения топлива. Повышенная температура помогает в ускорении процесса выхода летучих из топлива. А пар вступает в реакцию с окисью углерода для получения водорода и углекислого газа.
При кислородной газификации в качестве газифицирующего агента используется чистый кислород, поэтому генераторный газ не будет содержать азота — это, безусловно, является его главным преимуществом. Такой газ можно транспортировать по трубопроводам, использовать для технологических процессов или в качестве исходного сырья для производства химических продуктов и синтетических топлив. В этом случае, на самой станции или поблизости требуется завод, производящий чистый кислород. С экономической точки зрения это повышает капитальные затраты.
Процесс пиролиза является самым экологичным способом газификации твердого топлива. При пиролизе топливо подвергают температурному воздействию без или при недостаточном доступе кислорода. Продуктами пиролиза являются пиролизный газ, который в дальнейшем используется для получения энергии, жидкий конденсат в виде смол и масел, твердые остатки в виде угля и золы.
Вводы: Среди множества способов газификации твердого топлива в настоящее время преобладают газификация воздухом и паром.
Способ газификации кислородом менее распространен по причине значительных экономических затрат на производство чистого кислорода.
Пиролиз является самым экологичным способом газификации твердого топлива. Не имеет широкого применения в связи с необходимостью специального оборудования.
Сергеев В.В. 2008. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Часть 1. Возобновляемые источники энергии. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та,.
Колеров В.С. 1970. Газификационные характеристики растительных отходов. – 5-е изд. – М.–Л. : ЦНИДИ.
Гинзбург, Д.М., 1938. Газификация топлива и генераторные установки. – М.: Металлургиздат.
Канторович Б.В. 1961. Введение в теорию горения и газификация твердого топлива. – М.: Металлургиздат.
Источник
Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.
Газификация твердого топлива.
Газификацией твёрдых топлив (ГТТ) называется процесс преобразования (конверсии) органической части твёрдого топлива (ТТ) в генераторный газ (ГГ), удобный для последующего сжигания, как в горелках котлов различного назначения, так и в камерах сгорания (внешних и внутренних) двигателей различных типов.
Главным преимуществом технологии ГТТ (по крайней мере, с экологической точки зрения) является низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду.
Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (более 3-х секунд) нахождением газообразных продуктов ГТТ сначала в зоне окисления (горения) при температурах 1 000 . 1 200 0С, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования ГГ. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ — диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов.
Ещё одним преимуществом газификации в сравнении с прямым сжиганием ТТ является образование гораздо меньших объёмы газов, подлежащих очистке. Кроме того, в результате более полного (в сравнении с прямым сжиганием ТТ) сгорания газообразного топлива образуется значительно меньшее (в разы, а, по некоторым позициям, и на порядки) количество вредных для окружающей среды химических соединений (как в дымовых газах, так и в зольном остатке).
Всё это позволяет существенно сэкономить на дорогостоящем оборудовании газоочистки дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу (стоимость такого оборудования, например, в составе мусоросжигающих заводов составляет более 50%) и оборудовании обеззараживания твёрдых вторичных отходов.
Наконец, при газификации недожог топлива сравнении с прямым сжиганием существе ниже, т.к. происходит почти 100% конверсия углерода при переходе его из твёрдого в газообразное состояние, а в ГГ / зольном остатке практически отсутствует сажа / непрореагировавший углерод.
Газификации могут быть подвергнуты все известные виды горючих ископаемых (каустобиолитов), а также любые углеродсодержащие отходы в конденсированном виде (по отдельности и в самых разнообразных смесях) с влажностью и зольностью до 50% и широким диапазоном гранулометрического состава (от долей до сотен миллиметров), включая осадки канализационных и сточных вод. При этом можно получить ГГ заданного химического состава или заданной теплоты сгорания, так как эти показатели определяются выбранной схемой газификации, а также температурой, давлением и составом применяемых газифицирующих агентов.
Примерно полтора века (в течение почти всего XIX века и более половины XX века) ГГ уже был в числе основных энергоносителей нашей цивилизации.
Многие тысячелетия назад последователи пророка Заратушры (Зороастра), а также несколько позднее ремесленники-углежоги (см. Рис. 1) уже использовали похожие на газификацию технологии, сжигая ТТ при недостатке кислорода. Правда, целью «огнепоклон-ников» было увеличение продолжительности процесса горения, а углежогам нужны были твёрдые (древесный уголь и каменноугольный кокс), реже жидкие (дёготь и т.п.) продукты термического разложения топлива. А горючий газ, неизбежно выделяющийся при этом, являлся лишь побочным продуктом и, как правило, никак не использовался.
Принято считать, что человечество использует технологии ГТТ для получения искусственных горючих газов, к которым относится и ГГ, с конца XVII века, когда в Англии в результате нагрева угля без доступа кислорода получили газ, способный гореть на воздухе (хотя существует предание, что ещё в XIII веке некий парижанин по имени Езекииль получал подобным образом горючий газ и использовал его для освещения и обогрева собственного жилища).
Позднее, в конце XVIII века, горючий газ, получаемый из каменного угля и других топлив (главным образом, древесины и, в последующем, нефти), научились использовать. Так, первая в мире газовая турбина, запатентованная в 1791 г. англичанином Джоном Барбером, работала именно на таком газе.
Создателем первого газогенератора считается французский инженер, профессор механики Парижской школы мостов и дорог Филипп Лебон, получивший свой первый патент на постройку газового завода в 1799 г. Через два года, в 1801 г. Лебон получает второй патент, теперь на проект газового двигателя, работающего по принципу парового двигателя, только вместо пара в двигатель подавался ГГ, зажигаемый поочерёдно по ту и другую стороны поршня.
Генераторный газ первоначально был назван «светильным» газом (в английской терминологии: «outdoor lighting»). Такое название объясняется тем, что главным его предназначением в течение почти всего XIX века (в Лондоне с 1812 г., в Санкт-Петербурге с 1819 г., в Париже с 1820 г.) и до начала XX века включительно было освещение улиц и площадей городов Европы, США, Канады и Австралии (см. Рис. 2).
Так, в США к 1868 г. насчитывалось более 970 газовых обществ, в Канаде – 47. В Англии к началу 1890 х годов было 594 газовых завода, 460 тыс. уличных фонарей, протяженность газопроводов– 35 150 км. В 1908 г. в Англии для получения 1 285 млн. м3 «светильного» газа было израсходовано 17 млн. тонн угля (в это время данный газ стали использовать не только в целях освещения и отопления, но и как моторное топливо).
Широко использовался светильный газ также для освещения и отопления общест-венных зданий и частных домовладений, получения горячей воды, приготовления пищи (так, например, в той же Англии в 1891 г. было 2,3 млн., а в 1927 г. – 8,7 млн. потребителей искусственного горючего газа).
К первым промышленным образцам можно отнести газогенераторы, построенные в Германии инженером Бишофом (1839 г.) и в Австрии инженером Эбельманом (1840 г.). Однако впервые серийного производства удостоилось регенеративная печь, изобретённая в 1856 г. Ф. Сименсом в сотрудничестве со своим брат В. Сименсом (Германия). Производимое Сименсами оборудование ГТТ на многие десятки лет стало важнейшим и незаменимым элементом стекло- и сталеплавильных производств, сварочных и нагревательных печей, работающих на основе регенеративного принципа.
В России устроителем первого аппарата для получения светильного газа был переводчик Министерства коммерции, в последствие учёный-металлург, полковник Корпуса горных инженеров и (с 1830 г.) член-корреспондент Петербургской Академии наук Пётр Григорьевич Соболевский (см. Рис. 3). 
Начиная с 1804 г. он вёл работы по созданию промышленной газовой установки, альтернативной конструкции Ф. Лебона, т.к. патент во Франции приобрести не удалось. К ноябрю 1811 г. все оригинальные технические решения им совместно с Д’Оррером были успешно реализованы, «… терпением они преодолели все трудности и, наконец, имели счастья достигнуть совершенного успеха …». 2 декабря 1811 г. газета «Северная почта» опубликовала статью «О пользе термолампа, устроенного в Санкт-Петербурге гг. Соболевским и Д’Оррером», в которой были и такие слова: «… Многие любители наук любопытствовавшие несколько раз видеть сии опыты, удостоверились, что свет, сожиганием водотворного газа производимый, весьма ясен, не издаёт чувствительного запаха и не производит дыму, следовательно, не имеет копоти … Польза сего изобретения … и выгоды, оным доставляемая, суть столь обширны и многоразличны, что даже при самом точнейшем исследовании кажутся они почти невероятными, и потому самому изобретению оне можно почесть одним из важнейших открытий …».
«Северная почта» достаточно подробно описывала как устройство «термо-лампа», так и технологический процесс получения искусственного газа (см. Рис. 4). 
Чугунный цилиндр, вделанный в печь, наполнялся дровами, затем отверстие плотно замазывалось, а весь цилиндр сильно подо-гревался горящими дро-вами. «… Подогревание цилиндра продолжается до тех пор, пока отделяется газ, когда же отделение опять прекратится, то сие служит знаком, что дрова, положенные в цилиндр, превратились в уголь совершенно …».
Дрова в цилиндре от сильного жара превращались в древесный уголь с одновременным образованием паров угольной кислоты и дёгтя, а также горючего газа. Газообразные продукты затем поступали в холодильник, где они охлаждались. При этом кислота и дёготь, превращаясь в капли, стекали в приёмный сосуд, а газ, проходя через воду, очищался и поступал в хранилище. Из этого хранилища газ подводился через трубки разной величины к лампам, установленным в помещении или на улице.
Трубки были снабжены на концах кранами и, если к открытому крану поднести зажженную бумагу или спичку, то выходящий из трубки газ загорался, и огонь продолжал гореть у отверстия трубки «… доколе газ выходить не перестает …». Таким образом, его можно употребить или на освещение улиц, или на отопление и освещение помещений.
26 декабря 1811 г. в Санкт-Петербурге на заседании Всероссийского общества любителей словесности, наук и художеств с обстоятельным докладом об изобретении «термолампа» выступил его создатель П.Г. Соболевский. В дальнейшем, стремясь познакомить со своим изобретением как можно более широкие слои публики, автор написал «Руководства к устроению термолампов, содержащие в себе подробное описание употребления их для публичного, так и домашнего освещения, применении оных к отапливанию покоев, к деланию угля и дёгтя и показание способа очищать пригорело-древесную смолу, дабы дать ей качества настоящего уксуса».
24 января 1812 г. согласно указу императора Александра I титулярный советник Соболевский был удостоен высокой награды, ордена Св. Владимира 4 й степени «… за попечения и труды, с коими произвёл в действие устроение термолампа, доселе в России не существовавшего …». В начале 1812 г. также были утверждены проекты газового освещения Монетного двора и других важных правительственных зданий Санкт-Петербурга, а также намечены конкретные меры по внедрению газового освещения улиц, площадей и бульваров российской столицы.
Так, в февральском номере «Санкт-Петербургского вестника» за 1812 год был опубликован «Проект освещения водотворным газом Адмиралтейского булевара и некоторые примечания об устройстве термолампов». Адмиралтейский бульвар должны были освещать сто газовых фонарей, расставленных на равном расстоянии друг от друга. Проект был представлен на рассмотрение Александра I, однако его реализация, как и воплощение в жизнь других аналогичных проектов, было отложено в связи с вторжением в Россию войск Наполеона и начавшейся Отечественной войной.
В 1816 г. П.Г. Соболевский соорудил мощную газовую установку для освещения и отопления производственных помещений Пожвинского завода, расположенного в 150 верстах от г. Перми (см. Рис. 5). 
После чего заводовладелец В.А. Всеволожский (в его загородном имении Рябово, что в 11 км. от Санкт-Петербурга, также зажглись яркие и жаркие огни газовых ламп) приказал: «… Термоламп … исправить непременно, дабы освещением его мастерские пользовались в полном виде, не имея нужды в свечах, которых на оное и не покупать …». Есть сведения, что несколько позднее газовое освещение и отопление получило распространение и в производственных помещениях ряда оружейных заводов Златоустовского горного округа.
Осенью 1819 г. благодаря активной поддержке столичного генерал-губернатора графа М.А. Милорадовича в Санкт-Петербурге, наконец, зажглись и первые уличные газовые фонари (всего на семь лет позже, чем в Лондоне, и на год раньше, чем в Париже!). Газета «Санкт-Петербургские ведомости» (№ 87 за 1819 г.) свидетельствовала: «… Года 1819, 28 октября, на Аптекарском острове Санкт-Петербурга прошли испытания фонаря, питаемого водотворным газом. Сие событие станет образцом достижений русской науки. Толпа, собравшаяся поглядеть на оную демонстрацию, с восторгом и одобрением следила за тем, как происходило действие. Думается, данный вид освещения имеет дальние перспективы в России …».
Источник
