Добавлен: 27.03.2024
Просмотров: 12
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Серикбаева
РЕФЕРАТ
Тема: « Газификация угля »
Группа: 22-ГДВ-3
Факультет: Горное дело
Ерболов Б.Р
Усть-Каменогорск
2023
Введение
Уголь – один из базовых элементов современного мирового топливно-энергетического баланса. Данное полезное ископаемое является уникальным материалом, на основе которого может быть получен широкий спектр различных продуктов.
Актуальность развития процессов глубокой переработки угля усилилась в связи с ресурсной ситуацией по всем видам органических энергоносителей и ценовым баллом нефти. Современная технология ищет новых решений химических, энергетических проблем, проблем добычи природных ископаемых.
С целью снижения зависимости от импорта нефти и природного газа при производстве химической продукции многие страны сейчас стремятся активно развивать угольную химию.
Одним из таких технологических решений является газификация твердого топлива. Научные прогнозы показывают, что мировая добыча нефти и природного газа достигнет своего максимума через 20 - 30 лет, а затем начнется неизбежное, в глобальном масштабе, снижение их добычи.
Сегодня практически во всех крупных угледобывающих странах мира резко возрос интерес к подземной газификации угля. Интенсивные работы исследовательского и практического характера проводятся в Китае, где в последние годы построено 8 промышленных станций подземной газификации угля, в Австралии, где в 2003 г. построено крупное предприятие данного профиля — с использованием в этих странах применявшейся ранее в бывшем СССР технологической схемы газификации угольных пластов. Проявляется активный интерес к этой технологии в таких странах, как Индия, Казахстан, Украина, США, Вьетнам, ЮАР, КНДР, Южная Корея и многих других. Вот почему задачи роста добычи и переработки твёрдого топлива приобретают исключительное народнохозяйственное значение.
I.Общие положения
Газификацией называют высокотемпературные процессы взаимодействия органической массы твердых или жидких горючих ископаемых или продуктов их термической переработки с воздухом, кислородом, водяным паром, диоксидом углерода или их смесями, в результате которых органическая часть топлива обращается в горючие газы. Сырьём для процесса обычно служат каменный уголь, бурый уголь, горючие сланцы, торф.
В процессе газификации угля существенное влияние оказывают такие его свойства, как спекаемость, термическая стойкость, температура воспламенения, шлакуемость.
Спекаемость характеризуется способностью измельченного угля образовывать сплошную массу при нагреве без доступа воздуха, термическая стойкость - устойчивостью против измельчения при нагреве. Температура воспламенения соответствует температуре, при которой химическая реакция углерода угля с кислородом начинает протекать за счет собственного тепловыделения. Для бурых углей эта температура равна 180-200°С, для древесного угля 252°С, для каменного угля 300-350°С, для полукокса 395 °С, для кокса 460 °С.
Шлакуемость характеризуется отношением массы шлака к массе золы, образующихся при сгорании угля.
Активность процесса газификации угля характеризуется отношением максимального содержания окиси углерода в полученном газе к содержанию окиси углерода в воздушном дутье (34,7%).
Из геолого-петрографических характеристик угольного пласта на процесс газификации угля оказывают влияние мощность пласта, его строение, проницаемость и особенности строения.
Активность твердых топлив и скорость газификации в значительной степени зависит от минеральных составляющих, выступающих в роли катализаторов. Относительное каталитическое влияние микроэлементов углей при газификации может быть представлено рядом: Mn>Ba>>B, Pb, Be>>Y, Co>Ga>Cr>Ni>V>Cu.
К основным параметрам, характеризующим отдельные процессы газификации твердых топлив, могут быть отнесены:
тип газифицирующего агента;
температура и давление процесса;
способ подачи газифицирующего агента;
способ подвода тепла в реакционную зону.
Все эти параметры взаимосвязаны между собой и во многом определяются конструктивными особенностями газогенераторов.
Обычно газифицирующими агентами служат воздух, кислород и водяной пар.
Температура газификации в зависимости от выбранной технологии может колебаться в широких пределах 850-20000С. Диапазон давлений газификации от 0.1 до 10.0 МПа и выше. Газификация под давлением предпочтительна в случаях получения газа, используемого затем его в синтезах, которые проводятся при высоких давлениях (снижаются затраты на сжатие синтез-газа).
По способу подачи газифицирующего агента и по состоянию топлива при газификации различают слоевые процессы, при которых слой кускового топлива продувается по противоточной схеме газифицирующими агентами, а также объёмные процессы, в которых большей частью по прямоточной схеме топливная пыль взаимодействует с соответствующим дутьем.
II.История газификации углей
Первый патент на способ газификации угля был выдан в 1788 г. Роберту Гарднеру. А в 1792 г. инженер Вильям Мэрдок, работавший у знаменитого изобретателя парового двигателя Джеймса Уатта, изготовил первый газификатор и начал использовать угольный газ для освещения.
В 1807 г. в Лондоне, а в 1815 г. в Балтиморе (США) на улицах зажглись первые газовые фонари. Уже через 10-20 лет многие крупные города Европы и Америки имели газовое освещение. Но наивысшего расцвета технология газификации достигла к середине XX века.
Однако уже в 1960-е годы природный газ и нефть существенно потеснили уголь, и углегазовая промышленность была разрушена в считанные годы. Отрезвление от наступившей эйфории пришло во время первого нефтяного кризиса начала 1970-х годов. Тогда с целью укрепления энергетической независимости в США была принята программа с многомиллиардным бюджетом по развитию нового поколения угольных технологий. За ними последовали и многие другие страны.
III. Физико-химические основы процесса
Газификацией называют высокотемпературные процессы взаимодействия органической массы твердых или жидких горючих ископаемых или продуктов их термической переработки с воздухом, кислородом, водяным паром, диоксидом углерода или их смесями, в результате которых органическая часть топлива обращается в горючие газы.
Единственным твердым остатком при газификации должна явиться негорючая часть угля — зола. В действительности не удается полностью перевести органическую массу угля в газ, и в шлаке остается часть горючей массы топлива.
Общие принципы работы аппаратов для газификации — газогенераторов—можно рассмотреть на примере простейшего газогенератора, изображенного на рис 1.
Рис.1. Схема работы слоевого газогенератора: А — устройство газогенератора 1 — затвор, 2 — корпус газогенератора, 3 — колосниковая решетка; 4 — чаша для отвода золы; Б — изменение состава газа по высоте газогенератора (паровоздушное дутье, обогащенное кислородом)- 1 — кислород, 2 — водяной пар, 3 — диоксид углерода, 4 — монооксид углерода, 5 — водород, 6 — метан и пары смолы; В — распределение температур по высоте газогенератора.
Газогенератор такого типа представляет собой вертикальную шахту из листовой стали, футерованной огнеупорным кирпичом. В верхней части его имеется загрузочный люк, снабженный затвором 1. В нижней части газогенератора установлена колосниковая решетка 3, через которую в шахту непрерывно подается газифицирующий агент. Сверху непрерывно поступает уголь. При подаче в газогенератор воздуха в зоне, расположенной непосредственно у колосниковой решетки (окислительная зона, или зона горения), происходит горение твердого горючего ископаемого с образованием СО и СО2 по реакциям:
2С + О2 = 2СО + 218,8 МДж/кмоль углерода
С + О2 = СО2 + 394,4 МДж/кмоль углерода
Образующийся диоксид углерода в восстановительной зоне восстанавливается новыми порциями углерода в оксид углерода:
СО2 + С = 2СО— 175,6 МДж/кмоль углерода
Если вместе с воздухом в генератор подают также водяной пар, то в восстановительной зоне дополнительно протекают реакции:
С + Н2О = СО + Н2 — 132,57 МДж/кмоль углерода
С + 2Н2О = СО2 + 2Н2 — 89,5 МДж/кмоль углерода
В этом случае образующийся газ содержит два горючих компонента: оксид углерода и водород.
В газовой фазе могут протекать и другие реакции. Так, возможна реакция между оксидом углерода и водяным паром:
СО + Н2О=СО2 + Н2 + 43,1 МДж/кмоль
При взаимодействии СО и Н2 может образоваться метан:
СО + ЗН2 =СН4 + Н2О + 203,7 МДж/кмоль
который в условиях процесса подвергается термическому распаду:
СН4 —> С + 2Н2 —71,1 МДж/кмоль
Сочетание всех этих реакций и определяет состав образующегося газа, который изменяется по высоте газогенератора. После окислительной и восстановительной зон, называемых вместе зоной газификации, выходят горячие газы при температуре 800—900 °С. Они нагревают уголь, который подвергается пиролизу в вышележащей зоне. Эту зону принято называть зоной пиролиза, или зоной полукоксования. Выходящие из этой зоны газы подогревают уголь в зоне сушки. Вместе эти две зоны образуют зону подготовки топлива. Таким образом, при слоевой газификации сочетается термическая переработка топлива и собственно газификация полукокса или кокса, полученного в зоне подготовки топлива. Поэтому газ, отводимый из аппарата, содержит не только компоненты, образовавшиеся в процессе газификации, но и продукты пиролиза исходного твердого горючего ископаемого (газ пиролиза, пары смолы, водяной пар). При охлаждении отводимого из газогенератора газа происходит конденсация смолы и воды, которые далее необходимо очистить и подвергнуть переработке.
В этом процессе изменяется и состав твердой фазы. В зону газификации, как отмечалось выше, поступает уже не уголь, а кокс, а из окислительной зоны выводится раскаленный шлак, который охлаждается в чаше 4 с водой, выполняющей одновременно функции гидравлического затвора, а затем выводится из аппарата.
Из изложенного выше следует, что газификация представляет собой сложное сочетание гетерогенных и гомогенных процессов. Возможно и последовательное, и параллельное протекание этих реакций. Механизм этих процессов до сих пор еще до конца не выяснен. Так, если первой стадией взаимодействия кислорода и углерода в зоне горения считают образование поверхностного углерод-кислородного адсорбционного комплекса, то вопрос о том, что является первичным продуктом взаимодействия водяного пара с раскаленным коксом, является предметом дискуссий.
В газогенераторе протекает ряд экзотермических и эндотермических реакций. Равновесия реакций смещены в сторону образования СО и СО2.
Равновесие эндотермических реакций при повышении температуры смещены в сторону образования соответственно СО и Н2, но выход указанных продуктов (равновесный) уменьшается при повышении давления.
Равновесие экзотермической реакции сдвинуто в сторону образования исходных продуктов при температурах выше 1000°С и не зависит от давления. Образование метана более вероятно при повышении давления газификации.
Термодинамические расчеты позволяют определить равновесные составы газов в зависимости от температуры и давления газификации. Однако использовать результаты этих расчетов для предсказания реального состава газов трудно из-за значительных различий в скоростях реакций и влияния на процесс ряда технологических факторов.
Скорость реакций газификации лимитируется скоростью химических превращений в газовой фазе и на поверхности твердой фазы, а также скоростью диффузии. При температурах 700—800°С процесс газификации тормозится преимущественно химической реакцией, а при температурах выше 900 °С — преимущественно диффузией. В реальных условиях суммарный процесс газификации протекает в промежуточной области, и скорость его зависит от кинетических и диффузионных факторов.
Процессы газификации интенсифицируют путем повышения температуры, увеличения давления газификации (что позволяет значительно увеличить парциальные давления реагирующих веществ), а также увеличения скорости дутья, концентрации кислорода в дутье или развития реакционной поверхности. Для приближения процесса газификации к кинетической области используют тонкоизмельченный уголь и ведут процесс при высоких скоростях газовых потоков. Выход газа, его состав и теплота сгорания изменяются в зависимости от того, что используется в качестве дутья. Названия газов, получаемых при использовании различных видов дутья, произведены ниже:
| Дутье | Название |
| Сухой воздух | Воздушный газ |
| Смесь воздуха и водяного пара | Полуводяной газ |
| Водяной пар (при внешнем подводе тепла) | Водяной газ |
| Смесь кислорода и водяного пара | Оксиводяной газ (газ парокислородного дутья) |
Для сопоставления составов и свойств этих газов следует сделать следующие допущения: газовая смесь состоит только из горючих компонентов (единственный возможный балласт — азот воздуха); газифицируется чистый углерод; не учитываются потери тепла. Газы, отвечающие этим допущениям, называют идеальными генераторными газами.
Получаемые на практике генераторные газы отличаются по выходу и составу от идеальных. Во-первых, уголь нельзя считать чистым углеродом, поэтому выход горючих компонентов в расчете на 1 кг органической массы угля всегда значительно меньше. В первую очередь это относится к молодым углям, отличающимся высоким содержанием кислорода, а тем более к торфу.
Во-вторых, в генераторных газах всегда содержится заметное количество СО2. Химическое равновесие в газогенераторах не достигается, поэтому содержание СО2 всегда превышает равновесную концентрацию. В-третьих, в зоне подготовки угля образуются пары воды и летучие продукты термического разложения, которые попадают в состав газа.
В любом газе содержится большее или меньшее количество азота, что снижает реальную теплоту сгорания газа, так как при сжигании газа часть тепла расходуется на нагревание балластного азота.
В реальных условиях газификации вследствие неравномерного распределения зон и смешения потоков часть горючих газов сгорает с образованием водяного пара и СО2. Кроме того, в реальных условиях газификации неизбежны различные тепловые потери (в окружающую среду, с горячими газами, со шлаком и уносимым топливом). Поэтому фактические значения термических коэффициентов полезного действия значительно меньше величин, рассчитанных для идеальных условий.
Процессы газификации можно классифицировать по следующим признакам:
1) по теплоте сгорания получаемых газов (в МДж/м3): получение газов с низкой (4,18—6,70), средней (6,70—18,80) и высокой (31—40) теплотой сгорания;
2) по назначению газов: для энергетических (непосредственного сжигания) и технологических (синтезы, производство водорода, технического углерода) целей;
3) по размеру частиц используемого топлива: газификация крупнозернистых, мелкозернистых и пылевидных топлив;
4) по типу дутья: воздушное, паровоздушное, кислородное, парокислородное, паровое;
5) по способу удаления минеральных примесей: мокрое и сухое золоудаление, жидкое шлакоудаление;
6) по давлению газификации: при атмосферном (0,1 — 0,13 МПа), среднем (до 2—3 МПа) и высоком давлении (выше 2—3 МПа);
7) по характеру движения газифицируемого топлива: в псевдостационарном опускающемся слое, в псевдоожиженном (кипящем) слое, в движущемся потоке пылевидных частиц;
8) по температуре газификации: низкотемпературная (до 800 °С), среднетемпературная (800—1300 °С) и высокотемпературная (выше 1300 °С);
9) по балансу тепла в процессе газификации: автотермический (стабильная температура поддерживается за счет внутренних источников тепла в системе) и аллотермические, т. е. нуждающиеся в подводе тепла со стороны для поддержания процесса газификации. Внешний подвод тепла можно осуществлять с помощью твердых, жидких и газообразных теплоносителей.
Производство газа из твердых горючих ископаемых может осуществляться на основе двух технологических приёмов: в газогенераторах наземного типа и под землёй (подземная газификация угля).
IV. Газификация угля в газогенераторах наземного типа (технология Лурги)
Наиболее перспективной в настоящее время представляется газификация крупнозернистого топлива в плотном слое методом Lurgi, осуществляемым при повышенном давлении. Увеличение давления позволяет существенно повысить теплоту сгорания получаемого газа за счет протекания реакций метанирования. Эти реакции экзотермичны, благодаря чему при давлении 2,8–3 МПа можно сократить потребность в кислороде на 30–35 %. Кроме того, одновременно возрастает производительность газогенератора (пропорционально давлению) и повышается КПД газификации.
Рисунок 2 – Газогенератор Lurgi: 1, 3, 13, 15 – затворы; 2, 14 – бункеры; 4, 9 – приводы; 5 – распределитель угля; 6 – перемешивающее устройство; 7– шахта; 8 – ножи; 10 – скруббер; 11 – колосниковая решетка; 12 – водяная рубашка.
В газогенераторе Lurgi исходный уголь (размер частиц 5–30 мм) из бункера 2 периодически загружают в шахту 7 газогенератора, снабженную водяной рубашкой 12. При помощи охлаждаемого вращающегося распределителя 5 и перемешивающего устройства 6 топливо равномерно распределяется по сечению аппарата. Парокислородное дутье подают под вращающуюся колосниковую решетку 11, на которой находится слой золы. Этот слой способствует равномерному распределению газифицирующего агента. При вращении колосниковой решетки избыточное количество золы с помощью ножей 8 сбрасывают в бункер 14. Образующийся в аппарате газ проходит скруббер 10, где предварительно очищается от угольной пыли и смолы (в случае необходимости смолу можно возвратить в шахту газогенератора). Вращение распределителя 5 и колосниковой решетки 11 осуществляется от приводов 4 и 9.
В шахте газогенератора поддерживают давление 3 МПа, поэтому, чтобы обеспечить безопасную загрузку топлива и выгрузку золы, каждый из бункеров 2 и 14 снабжают двумя конусообразными затворами 1, 3, 13 и 15. При загрузке топлива в бункер 2 затвор 1 открыт, а затвор 3 закрыт. Для передачи топлива в шахту затвор 1 закрывают, по обводной газовой линии соединяют бункер с шахтой газогенератора (для выравнивания давления) и открывают затвор 5. Перед следующей загрузкой топлива в бункер 2 закрывают затвор 3, сбрасывают газ в линию низкого давления, продувают бункер азотом или водяным паром, а затем открывают затвор 1.
Аналогично осуществляют выгрузку золы из бункера 14. Типичный газогенератор Lurgi имеет диаметр 4–5 м, высоту 7–8 м (без бункеров) и производительность по углю 600–1000 т/сутки. На рисунке 3 показана принципиальная технологическая схема газификации угля по методу Lurgi.
Рис. 3 – Схема газификации угля в плотном слое по методу Lurgi: А – производство газа; Б – конверсия оксида углерода; В – очистка газа от диоксида углерода метанолом; Г – извлечение фенолов из сточных вод.
V. Подземная газификация
Подземная газификация угля (ПГУ) представляет собой промышленный процесс, происходящий под землёй в нетронутых угольных пластах, результатом которого является преобразование угля в синтез-газ.
Основные стадии процесса подземной газификации углей - бурение с поверхности земли на угольный пласт скважин, соединение этих скважин каналами по угольному пласту, и наконец, нагнетание в одни скважины воздушного или кислородного дутья и извлечение из других скважин образовавшегося газа. Газообразование в канале происходит за счет химического взаимодействия свободного и связанного кислорода с углеродом и термического разложения угля.
Получаемый синтетический газ может быть использован в качестве сырья для производства химикатов, жидких топлив, а также для выработки электроэнергии. Технология подземной газификации подходит для угольных пластов, которые залегают слишком глубоко для разработки.
К основным достоинствам технологии ПГУ относятся: а) экономическая привлекательность — себестоимость газа ПГУ заметно ниже себестоимости добычи природного газа; б) довольно высокая степень экологической безопасности — особенно в сравнении с традиционными способами добычи угля, приводящими к возникновению ситуации экологического бедствия в регионах разработки угольных месторождений; в) обеспечение эффекта «газосбережения», выражающееся в замещении газом ПГУ на ТЭЦ и в котельных использовавшегося там природного газа.
Подземная газификация угля выгодна на тех угольных пластах, которые удовлетворяют следующим критериям:
Пласт должен лежать на глубине от 30 до 800 м (100 до 2 600 футов)
Мощность (толщина) пласта должна быть более 5 м (16 футов)
Зольность угля не должна превышать 45 %
Пласт должен иметь минимальные разрывы
Рядом не должно быть водоёмов, чтобы исключить загрязнение питьевой воды.
Среди указанных направлений использования газа подземной газификации угля следует особо выделить возможности химической переработки данного газа. Газ ПГУ обладает уникальным составом, позволяющим организовывать на базе его переработки целый комплекс химических производств самого разного рода, включая производство искусственного жидкого топлива. Газ подземной газификации угля, в отличие от природного газа, содержит в своем составе целый ряд дополнительных компонентов: бензольные углеводороды, каменноугольную смолу, фенолы, метан, олефины, ацетилен и пр. Так, из каменноугольной смолы после ее гидрогенизации возможно получение сырья для производства поверхностно-активных веществ, сажи, растворителей, красителей, полимеров, мономеров, нафталина, бензола и др.
Особо следует выделить наличие принципиальной возможности получения из газа подземной газификации угля искусственного жидкого топлива, которое может быть синтезировано, в частности, методом каталитической конверсии окиси углерода и водорода.
Отличительной технологической особенностью подземной газификации угля является направление движения огневого забоя, дутья и газовых продуктов газификации. В зависимости от этого по технологическому признаку выделяют четыре метода подземной газификации угля: прямой, обращенный, фронтальный и поточный. Эти методы отличаются друг от друга направлением движения огневого забоя, дутья и газовых продуктов газификации.
При прямом и обращенном методах подземной газификации движение окислителя к огневому забою или газообразных продуктов газификации происходит за счет их фильтрации в порах и трещинах угольного пласта. Поэтому эти методы соответственно могут называться прямым фильтрационным или обращенным фильтрационным.
Рис. 4. Расположение химико-технологических зон и путь газов в результативный газ при различных методах подземной газификации угля: а - прямой метод; б - обращенный метод; в -фронтальный метод; г - поточный метод; 1- дутьевая скважина; 2 - дутьевой коллектор; 3 - газоотводящая скважина; 4 -- газосборный коллектор.
