Доклад
по теме
“Газтфикация
углей”
Выполнил учащийся
10 класса В
Козлов Максим
Лицей №1
1998 г.
В связи со сложной экологической ситуацией современная технология ищет новых
решений химических, энергетических проблем, проблем добычи природных ископаемых.
Одним из таких технологических решений является широкомасштабная газификация
твердого топлива. Почему именно твердого топлива, если в современных
промышленности и энергетике господствующее положение занимают нефть и природный
газ. 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. Заметим кстати, что в США эта
закономерность уже действует. Так, добыча природного газа в США в 1975 г.
Составляла 558 млрд. м3, а в 1986 г. снизилась до 473 млрд. м3.Расчёты, проведённые
учёными разных стран, показывают, что реальных запасов нефти на Земле хватит
на 40 - 50 лет, природного газа - на 30 - 40 лет, запасов же угля хватит на 200 - 250 лет.
Эти прогнозные оценки исходят из экономически извлекаемых запасов угля, на самом
деле их значительно больше. Прогнозные запасы угля, доступного к разработке,
оцениваются в 2,5 -3 трлн. тонн. Если исходить из современной ежегодной мировой
добычи угля (примерно 3 млрд. тонн), то его хватит на 1000 лет, а если учитывать
развитие техники добычи горючих ископаемых, например подземную газификацию, то
даже при увеличении добычи угля до 6 млрд. тонн в год этих запасов хватит более чем на
500 лет. А ведь не исключено открытие новых залежей угля. Эти цифры находятся в
полном соответствии с заключениями исследователей, считающих, что геологические
запасы угля составляют 90 - 97 % от общих ресурсов горючих ископаемых планеты, на
долю же нефти и газа приходится лишь 3 - 10 %.В России запасы угля составляют 90 % от
запасов всего органического топлива страны и 53% от мировых запасов угля, т.е. они
практически неисчерпаемы. Вот почему задачи роста добычи и переработки твёрдого
топлива в нашей стране приобретают исключительное народнохозяйственное значение.
В чем же суть наиболее широкомасштабных и экологически приемлемых методов
переработки твёрдых горючих ископаемых.
Сжигание и газификация твердого топлива
Когда в промышленных печах или в топках тепловых электростанций сжигают нефть, природный газ или твёрдое топливо, получают горячий дымовой газ. Высокий тепловой потенциал этого газа необходимо использовать сразу, например для нагрева воды с целью получения пара, для нагрева металла или для других тепловых процессов. Полученный горячий газ невозможно хранить или передавать на большие расстояния - он остынет . Этот газ , после использования его теплового потенциала , выбрасывают через дымовые трубы в окружающую среду .
Когда газифицируют уголь, получают горючий газ, который можно хранить, транспортировать на большие расстояния. Этот газ легко очистить от таких вредных примесей, как соединения серы, он может быть использован не только как горючее, но и как химическое сырьё для разнообразных синтезов в зависимости от используемых газифицирующих уголь средств. Чем же отличаются эти два метода переработки твердого топлива - сжигание и газификация , дающие столь разные конечные продукты ? В основном только одним: процесс сжигания топлива проводится с избытком кислорода - технология сжигания, а процесс газификации проводится с недостатком кислорода и, следовательно, с избытком углерода - технология газификации.
В первом случае получается дымовой газ, в котором весь углерод топлива переходит в диоксид углерода. Он содержит также диоксид серы , избыточный кислород и много азота из воздушного дутья . Во втором случае состав газа , получаемого при газификации углей , чрезвычайно разнообразен и зависит от условий проведения процесса газификации (давления , температуры , концентрации в используемом дутье кислорода). В случае газификации твердого топлива при недостатке кислорода сера топлива переходит в сероводород. Если состав дымового газа довольно постоянен , то состав газов газификации твердого топлива можно резко варьировать .
Дымовой газ трудно очистить от содержащихся в нем оксидов азота и серы, так как это связано с большими расходами вещества и энергии. Процессы очистки генераторных газов
от сероводорода, пылевидного уноса хорошо освоены и проводятся с большой полнотой и относительно экономично, а оксиды азота в них практически отсутствуют. Из-за дымовых выбросов появляются разрушительные кислотные дожди, а в результате очистки генераторных газов от сероводорода появляется нужная народному хозяйству сера. Так различная технология переработки угля приводит в одном случае к экологически неприемлемым конечным результатам , в другом - к экологически чистым .
Какими же приемами, какой технологией достигаются такие результаты? Какова технология газификации угля.
Универсальность методов газификации
твердого топлива
Газификация твердого топлива является универсальным методом его переработки. Универсальность методов газификации твердого топлива может рассматриваться в трех направлениях .
Во-первых, методам газификации подвластны любые твердые топлива, начиная от торфа самых молодых бурых углей и кончая каменными углями и антрацитом, независимо от их химического состава, состава зольной части, примесей серы, крупности, влажности и других свойств. Во-вторых, методами газификации твердого топлива можно получать горючие газы любого состава, начиная от чистых водорода (Н), оксида углерода (СО), метана (N) , их смесей в различных пропорциях пригодных для синтеза аммиака, метанола, оксосинтеза, и кончая генераторным газом, который можно использовать для энергетических установок любых типов и любого назначения. Наконец, в-третьих, немаловажной особенностью методов газификации твердого топлива являются их масштабные изменения. Газогенераторные установки могут обслуживать крупнейшие химические комбинаты , выпускающие миллионы тонн аммиака или метанола в год , снабжать горючим газом крупнейшие ТЭЦ и в то же время могут обеспечивать газом небольшие автономные энергетические и химические установки (например газогенераторные установки для автомобилей) , поселки и деревни , небольшие химические , машиностроительные или другие заводы .
Методы газификации твердых топлив
(общие принципы)
Процесс превращения твердого топлива в горючий газ известен с 1670 г. За последние 150 лет техника газификации достигла высокого уровня и широко развивается. В настоящее время существует более 70 типов газогенераторных процессов . часть которых используется в промышленных масштабах .
Многообразие разрабатываемых и действующих процессов находит свое объяснение. Первое заключается в исключительном различии физических и химических свойств твердых топлив разных месторождений: по элементарному составу, происхождению, содержанию летучих веществ, содержанию и составу золы, влажности, соотношению в угольной массе Н/С, спекаемой углей, их термической стойкости. Второе - в различии во фракционном составе добываемых углей: крупнокусковой уголь , угольная мелочь , топливная пыль . Третья причина - различные состав и требование к получаемому конечному продукту : генераторный (энергетический) газ - теплота сгорания (1) - 3800-4600 кДж/нм3; синтез-газ (технологический) для химической технологии - 10 900 - 12 600 кДж/нм3;восстановительный газ (для металлургических и машиностроительных производств) - 12 600 - 16 800 кДж/нм3;городской газ (отопительный) - 16 800 - 21 000 кДж/нм3; синтетический природный газ (богатый газ) для транспортировки на дальние расстояния - 25 000 - 38 000 кДж/нм3.
Не последнюю роль здесь играют и постоянные поиски новых технических решений для снижения энергоматериальных затрат на процесс, затрат на обслуживание, капитальных вложений, повышение надежности процесса.
При всем своем многообразии эти процессы делятся на два основных класса. Автотермические процессы газификации , при которых тепло , необходимое для проведения эндотермических процессов , для нагрева газифицируемого материала и газифицирующих средств до температуры газификации (900-1200 ‘C) , производят за счет сжигания в кислороде части газифицируемого топлива до диоксида углерода . В автотермических процессах сжигание части топлива и газификации протекают совместно в едином газогенераторном объеме . В аллотермических процессах газификации сжигание и газификация разделены и тепло для происхождения процесса газификации подводятся через теплопередающую стенку внутри единого газогенераторного объема или при помощи автономно нагретого теплоносителя, который вводится в газифицируемую среду.
Как автотермические, так и аллотермические процессы газификации в зависимости от зернистости топлива могут протекать в плотном слое - крупнокусковое топливо, в «кипящем» слое - крупнокусковое топливо, в аэрозольном потоке - топливная пыль. Эти принципы проведения гетерогенных процессов , разработанные в газогенераторной технике , получили широкое применение в химической технологии при проведении , например , гетерогенных каталитических процессов .
На рис. 1 представлены схемы основных типов газогенераторных процессов, методы подачи в них угля и газифицирующих средств, изменение температуры реагентов по высоте реакционной зоны для различных способов газификации.
Автотермические процессы
1.Газогенератор с «кипящим» слоем топлива. Газификацию твердого мелкозернистого топлива в «кипящем» слое (газогенератор типа Винклера) начали исследовать с 1922 г. В этом процессе используют молодые высокореакционные бурые угли (размер частиц - до 9 мм). Уголь газифицируют паром в смеси с чистым кислородом , или обогащенным кислородом воздухом , или воздухом в зависимости от требований к конечному составу газов - генераторный (воздушный) газ , азотосодержащий газ для синтеза аммиака , безазотистый газ для синтеза метанола .
Газогенератор представляет собой вертикальный цилиндрический (шахтный) аппарат , футерованный изнутри огнеупорным кирпичом . В низу газогенератора расположена колосниковая решетка с движущимся гребком для распределения дутья , она же служит для непрерывного удаления из газогенератора зольной части угля .
После дробления и подсушки сухой уголь поступает в бункер газогенератора , откуда шнеком он подается в низ шахты газогенератора . Дутье (кислород , воздух) и пар подаются через водо-охлаждаемые фурмы газогенератора , расположенные под колосниковой решеткой . Это дутье и создает «кипящий» слой угля , который занимает 1/3 объема газогенератора .
Несколько выше «кипящего» слоя топлива подается вторичное дутье для газификации уносимой в верх газогенератора дисперсной угольной пыли . Температура газификации держится в пределах 850-1100 ‘С в зависимости от температуры плавления золы топлива во избежание ее расплавления . Чтобы повысить температуру в газогенераторном процессе и избежать расплавления золы топлива , в уголь , поступающий в газогенератор , добавляют кальцинированную (обожженную) известь .Повышение температуры увеличивает скорость процесса газификации топлива , способствует его полноте . В верхней части шахты газогенератора установлен котел-нтилизатор для подогрева воды и получения пара , используемого в процессе . Известь , вводимая в процесс может также служить для удаления серы из получаемого газа .
После грубой очистки полученного газа от топливной пыли , уносимой из газогенератора потоком газа , в циклоне газ поступает для тонкой очистки от летучей золы в мультициклон .Далее его очищают от летучей золы в электрофильтрах и в скрубберах с водной промывкой газа. Давление в процессе несколько выше нормального ,что необходимо для преодоления сопротивления системы . Температура получаемого пара - 350-500 ‘C , он может быть использован в другом процессе .
Газогенератор с аэрозольным потоком топлива .Газификация в аэрозольном потоке топлива (газогенератор типа Копперса - Тотцека) разрабатывается с 1938 г. В 1948 г. был сооружен демонстрационный газогенератор для газификации угольной пыли по этому методу , а первый промышленный газогенератор был введен в эксплуатацию в
1950 г. Газогенераторы подобного типа - это первая попытка создать универсальный газогенераторный процесс для газификации твердого топлива любого типа , от молодых бурых углей до каменных углей и антрацитовой пыли . В таком газогенераторе можно газифицировать также тяжелые нефтяные остатки нефтяной кокс .
Подготовка угля к процессу заключается в его измельчении до пылевидного состояния (размер частиц - до 0,1 мм) и сушке (до 8% влажности) . Угольная пыль пневматически с помощью азота транспортируется в угольный бункер , откуда шнеками подводится к смесительным головкам горелочных устройств и далее парокислородной смесью инжектируется в газогенератор . Парокислородные горелки для вдувания угольной пыли располагают друг против друга , поэтому в газогенераторе создается турбулентный слой встречных перекрещивающихся потоков взвешенного в парогазовом слое твердого топлива . В этом турбулентном потоке при температуре 1300-1900 ‘С и происходит безостаточная газификация поступившего в газогенератор топлива . При такой температуре зола топлива плавится и стекает в низ газогенератора , где попадает в водяную баню и гранулируется , а гранулированный шлак удаляется .
Газовый поток поднимается вверх газогенератора , где расположены подогреватель воды и паровой котел . Полученный пар используется в процессе , а газ охлаждается в холодильнике-скуббере , где проходит его частичная очистка от унесенной потоком газа топливной пыли и золы . Тонкая очистка газа от пылевого уноса происходит в дезинграторе и мокром (орошаемом водой) электрофильтре . Сухой чистый газ подается потребителю для использования .
Процесс газификации топливной частицы в газогенераторе длится меньше секунды . После очистки полученного газа от сероводорода , диоксида углерода из системы выдается чистый технологический газ , который может быть использован в химической технологии .
Две или четыре горелки , расположенные друг против друга , гарантирует воспламенение топливной смеси и безопасность процесса в целом . Интенсивность процесса при высокой температуре так высока , что в небольшом по объему газогенераторе можно получать
50 000 м3/ч и перерабатывать за сутки 750-850 т угольной пыли .
Аллотермические процессы
Газификация угля с использованием тепла атомного реактора. Чтобы получить высококалорийный безазотистый газ из угля без затрат углерода газифицируемого топлива на подогрев газифицируемой смеси до высокой температуры , используют аллотермические процессы .
Тепло для процесса газификации может быть проведено разными методами ,например за счет подогрева теплоносителя теплом атомного реактора . Теплоносителем в процессе может служить гелий .
Теплоноситель подогревается в атомном реакторе до температуры 850-950 ‘C .Подогретый гелий ( первый гелиевый контур ) направляют в другой теплообменный аппарат , где также циркулирует гелий ( второй гелиевый контур ). Во втором гелиевом контуре нагретый гелий используется в газогенераторе для газификации угля .
Уголь, прежде чем поступить в газогенератор для газификации водяным паром , проходит через газогенератор для низкотемпературной газификации угля ( швелевания ), где из него отгоняются летучие компоненты . Получено в результате швелевания богатый (высококалорийный) газ , содержащий кроме СО и Н2 метан и другие углеводороды ,после его очистки от пыли , смолы , газовой воды присоединяется к газогенераторному газу поступающему из газогенератора , прошедшему пылеочистку и отдавшему свое тепло в котле - утилизаторе .
Далее идет очистка газа от диоксида углерода и сероводорода , и полученный газ , содержащий СО и Н2 ( синтез-газ ) , передается для технологического использования . Если требуется обогатить газ метаном , его направляют в метанатор , где протекает реакция гидрирования СО водородом до метана с образованием воды . После отделения воды полученный синтетический природный газ используют в качестве топлива .
Газификация топливной пыли с использованием низкотемпературной плазмы .В ряде случаев требуется получить из угля сразу газ с высоким содержанием СО и Н2 и малым содержанием диоксида углерода , метана и азота . Этот газ можно получить при очень высокой температуре газификации , порядка 3 000- 3 500 ‘C. Такая температура может быть достигнута в низкотемпературной электрической плазме . При этом исключается влияние источника тепла на состав получаемого газа . Значительно возрастает интенсивность процесса . Он примерно в 10 раз интенсивнее топочных процессов (циклонные топки с жидким шлакоудалением ) . Водяной пар в этом процессе используется в качестве плазмообразующего газа , что исключает забалластирования конечного газа инертным азотом .
В плазмотронах водяной пар нагревают с помощью электрического разряда до плазменного состояния и при температуре порядка 3 000 - 4 000 ‘C его подают в газогенератор . Сюда же например потоком кислорода , подают угольную пыль , которая , попадая в плазму взаимодействует с водяным паром и кислородом . Полученный синтоз-газ подают в камеру охлаждения и очистки газа от зольных частиц . В процессе отсутствуют потери углерода с уносом и шлаком происходит полная стехиометрическое превращение углерода топлива .
Типичные составы газов полученных в автотермических и аллотермических процессах , приведены в таблице .
Наименование процесса Состав конечного газа, % объемный
СО2 СО Н2 СН4 N2
Автотермические процессы
Газификация мелкозернистого топлива в «кипящем» слое 19,0 38,0 40,0 2,0 1,0
(газогенератор Винклера, парокислородный процесс)
Газификация пылевидного топлива в аэрозольном потоке
(газогенератор Копперса-Тотцека, парокислородный про- 12,0 56,0 29,4 0,6 2,0
цесс)
Аллотермические процессы
Газификация с использованием атомного тепла 0,9 4,3 62,9 31,9 ---
(гелиевый теплоноситель, гидрирующая газификация)
Газификация пылевидного топлива в плазме водяного 1,5 41,8 64,6 0,1 2,0
пара
Парогазовый цикл
Любая технология развивается , имеет какую-то незавершенность , подвержена постоянным изменениям . Она несет в себе элементы прошлого , которые не соответствуют современным экологическим нормам , предъявляемым к технологическим процессам . Проанализируем работу современной тепловой электростанции ( ТЭС ) , работающей на твердом топливе . Такие электростанции жизненно необходимы , без них нет промышленности , они вырабатывают электроэнергию для транспорта , предприятий торговли , быта , но они , безусловно , вредны в экологическом плане , так как выбрасывают в окружающее пространство вещества , наносящие вред здоровью людей и ущерб окружающей среде . Из дымовых труб ТЭС выбрасываются миллионы тон золы , сажи , оксидов серы , азота . Взаимодействуя с влагой воздуха , эти выбросы порождают кислотные дожди , которые наносят вред флоре и фауне Земли . Они отравляют водоемы , разрушают сооружения и памятники культуры . Это бедствие современной цивилизации. Ученые считают ,что сравнительная оценка ущерба ,наносимого здоровью человека работой ТЭС на угле и атомной электростанции ,в расчете на одинаковую выработку электроэнергии в год , дает преимущество ядерному циклу по меньшей мере в 100 раз .
Можно ли создать и создается ли такая технология использования твердого топлива в энергетике , которая бы была экологически более приемлемой , чем на современной ТЭС? Да , такая технология разработана , и она входит в современную энергетическую технику под названием комбинированного парогазового цикла .
Она связана в первую очередь с очисткой дымовых газов ТЭС , выбрасываемых в атмосферу , от летучей золы , сажи , оксидов серы , канцерогенных веществ . Сера в результате из вредного выброса превращается в полезный продукт . Растет энергетический КПД ТЭС . Снижается стоимость получаемой электроэнергии .
Рассмотрим принципиальную схему такого комбинированного процесса ( совмещения газогенераторного процесса с процессом получения электроэнергии ) . Газ паровоздушной газификации твердого топлива (угольной пыли ) , полученный в газогенераторе , работающем под давлением , очищают от золы , сернистых соединений , сажи , канцерогенных веществ и сжигают под котлом для получения пара высокого давления . Этот пар , как и обычно , используется в паровой турбине , связанной с генератором для получения электроэнергии , направляемой в сеть . Горячие отходящие газы , покидающие паровой котел при температуре порядка 800-900 ‘С , поступают в газовую турбину , которая , в свою очередь , связана с электрогенератором .
Новая технология действует сразу в трех направлениях: ресурсосбережения , энергосбережения , экологической защиты . Но для обеспечения процесса необходимы добыча угля , его перевозка , перегрузка , подача в топку или газогенератор ; остается на земле зола топлива , которое может содержать радиоактивные элементы . Здесь требуется новый шаг в технологии использования угля .
Подземная газификация угля
Отметим тот установленный факт , что выбросы тепловых электростанции , использующих уголь , могут содержать естественные радионуклиды элементов . Эти радиоактивные элементы есть и в золе , выбрасываемой через трубы вместе с дымовыми газами . Если дымовые газы очищать от золы с эффективностью даже 98,5% , что имеет место лишь на некоторых наиболее современных ТЭС и является очень дорогостоящим процессом , то и в этом случае доза облучения , обусловленная естественными радионуклидами в выбросах тепловых электростанций , превысит аналогичную дозу , полученную населением , живущим вблизи АЭС аналогичной мощности , в 5 и даже в 40 раз .
Можно полагать , что единственным методом , который даст возможность использовать угольные месторождения для получения тепла и электроэнергии с большей радиационной безопасностью , это реализация идеи Рамзая - Менделеева о подземной газификации углей и очистке полученных газов в подземных газогенераторах .
Преимущество подземной газификации не только в этом . В ней исключается тяжелый и очень вредный труд горнорабочих . Транспортировка , погрузка , разгрузка и дробление угля , требующие больших энергетических затрат и загрязняющие топливной пылью окружающую среду , заменяются безвредной и простой транспортировкой очищенного горючего газа в места его непосредственного использования . Подземная газификация в экологическом плане предпочтительней и открытой добычи угля в угольных разрезах , так как в ней отсутствует нарушение верхнего покрова Земли . Наконец , подземная газификация предоставляет широкие возможности для автоматизации процесса .
В России работы по подземной газификации углей начались в 30-х гг. После Второй Мировой войны ее опыт стали использовать в США , Великобритании ,Франции , ФРГ , Бельгии и других странах . Способ подземной газификации углей дает возможность эксплуатировать глубокозалегающие пласты угля и пласты малой мощности . Например , общие запасы каменного угля в ФРГ составляют примерно 230 млрд. тонн , в то время как потенциально извлекаемые запасы методами современной горной техники составляют лишь 24 млрд. тонн . Таким образом , 90% запасов угля остаются неиспользованными . Однако процесс подземной газификации пока находится в стадии полупромышленных исследований . По расчетам в США газ подземной газификации обходился бы в 1,3-3,9 раза дешевле газа , получаемого с Аляски , и в 1,45 раза дешевле газа получаемого наземном газогенераторе .
Схема подземного газогенератора представлена на рис. 2 . Расскажем о некоторых особенностях подземной газификации, которые до сих пор препятствуют ее широкому использованию в промышленности . Здесь еще много не решенных задач , которые ждут своих исследователей и инженеров . Подземная газификация находится в большой зависимости от геологических и гидрогеологических особенностей залегания угля . Поэтому трудно , а иногда пока и невозможно достигнутые на одном месторождении технические показатели запроектировать и получить на другом . Даже в одном месторождении постоянно изменяются условия газификации. Поэтому при воздушной , кислородной и паровой газификации получить устойчивый процесс с постоянным составом газа довольно сложно . Необходима такая научная концепция подземной газификации , которая бы позволила получать устойчивые результаты путем воздействия на процесс каких -либо факторов или включения в процесс ряда залежей ( площадей ) , которые бы усредняли состав конечного газа направляемого потребителю , например тепловой электростанции для выработки тепла и электроэнергии или химическому комбинату для синтеза аммиака или метанола .
Основные стадии подземной газификации углей :
Бурение наклонно- горизонтальных скважин для подводки дутья и отвода полученного горючего газа в сеть .
Создание в угольном пласте между этими скважинами реакционных каналов ( путем прожигания угольного пласта ).
Газификация угольного пласта нагнетанием дутья во входящие каналы и отвод полученного газа из отводящих каналов .( Зола топлива , содержащая естественные радиоактивные нуклиды , остается под землей . )
Окончательная очистка газа .
Бес шахтный способ использования угольных залежей , отсутствие терриконов возле угольных залежей и отвалов золы возле тепловых электростанций - таков новый облик добычи и использования угля . Решение глобальных экологических проблем требует коронного изменения отношения к природе посредством создания такой технологии , которая не приводила бы к ее возмущению . Такой технологией является подземная газификация твердого топлива .
Разработка процессов газификации твердого топлива в самых разных их проявлениях : парогазового цикла , плазменной газификации топлива , подземная газификация угля дает условие для широкого использования твердого топлива .
Список ситературы:
1. Детская энциклопедия.
2. Справочник по химии.
3. Пособие для учителей по химии.