XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

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.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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.

ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭНЕРГЕТИКЕ. Date Views 25.11.2019 www.cyberleninka.ru/article/n/gazifikatsiya-uglya-i-ee-primenenie-v energetike.

ТЕХНОЛОГИИ ГАЗИФИКАЦИИ В СВЕРХАДИАБАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГЕТИКИ. Date Views 25.11.2019 www.naukarus.com/tehnologii-gazifikatsii-v-sverhadiabaticheskom-rezhime-dlya-resheniya-ekologicheskih-problem-energetiki.

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА. Date Views 25.11.2019 www.cyberleninka.ru/article/n/analiz-tehnologiy-gazifikatsii tverdogotopliva/viewer.

ПИРОЛИЗ И ПЕРСПЕКТИВА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ. Date Views 10.12.19 www.aqua-therm.ru/articles/articles_199.html.