Газификация твёрдых топлив

Газифика́ция твёрдых то́плив, процессы превращения органического вещества твёрдых топлив (каменных и бурых углей, кокса, сланцев, торфа, древесины и др.) в горючий газ, состоящий в основном из СО и Н₂ . Осуществляются путём неполного термического окисления углеродсодержащих соединений в газогенераторах (получаемый газ называют генераторным) при температурах 900–1600 °С, давлении 0,1–10 МПа, в присутствии газифицирующих реагентов (окислителей): водяного пара, воздуха, кислорода, диоксида углерода, паровоздушной или парокислородной смеси. Выход продуктов до 80 % по массе.

Основные реакции, протекающие при газификации твёрдых топлив:

${{\ce {C+H_2O -> CO+H_2}}}$ ; ${{\ce {C+0,5O_2 -> CO}}}$ ; ${{\ce {C+O_2 -> CO_2}}}$ ; ${{\ce {2CO+O_2 -> 2CO_2}}}$ ; ${{\ce {C+CO_2 -> 2CO}}}$ ; ${{\ce {C+2H_2O -> CO_2+2H_2}}}$ ; ${{\ce {CO+H_2O -> CO_2+H_2}}}$ .

К образованию метана приводят побочные процессы:

${{\ce {CO+3H_2 -> CH_4+H_2O; 2CO+2H_2 -> CH_4+CO_2}}}$ .

В газогенераторе имеется несколько реакционных зон:

1) горения, в которой за счёт экзотермических реакций температура повышается до 1200–1500 °С;

2) собственно газификации, где образуются продукты газификации топлива;

3) зона пиролиза топлива, в которой при разложении твёрдого топлива под действием газообразных продуктов реакций горения и газификации выделяются пары воды, газы и смолистые вещества.

Для обеспечения стабильности качественных и количественных показателей процесса газификации твёрдых топлив в шахте газогенератора поддерживают постоянный уровень топлива и золы, оптимальный режим по температуре и давлению, равномерно распределяют дутьё (газифицирующий реагент) по поперечному сечению шахты. Наиболее эффективна газификация твёрдых топлив в кипящем, или псевдоожиженном, слое твёрдого топлива с размером частиц менее 0,1 мм в потоке парокислородной смеси. За счёт дутья частицы топлива находятся во взвешенном состоянии и непрерывном движении. Большая площадь реакционной поверхности и высокая температура процесса обеспечивают максимально интенсивную газификацию сырья.

Иногда, например для получения силового газа (используют в двигателях внутреннего сгорания) из битуминозных топлив (торфа, каменных или бурых углей), применяют обращённый процесс газификации твёрдых топлив. При обращённом процессе, в отличие от прямого, дутьё и топливо в газогенераторе перемещаются в одном направлении – сверху вниз.

В зависимости от состава дутья генераторные газы подразделяют на воздушные (дутьё воздухом, температура 1400–1600 °С), парокислородные (дутьё парокислородной смесью или смесью CO₂ с O₂ ), кислородные (дутьё техническим О₂ ), смешанные (паровоздушное дутьё), водяные (подача в слой топлива водяного пара), полуводяные (водяной газ с паровоздушной смесью). Парокислородным дутьём под давлением 0,2–0,3 МПа после конденсации водяных паров получают т. н. сухой газ, или синтез-газ, который состоит в основном из смеси Н₂ и CO, с низшей теплотой сгорания 11–12 МДж/м³ .

При воздушной или паровоздушной газификации твёрдых топлив в генераторном газе содержится много N₂ и его низшая теплота сгорания порядка 4 МДж/м³ .

В зависимости от вида сырья получают газы различного химического состава.

Состав и теплоты сгорания продуктов газификации топлива

Состав продуктов, % по объёму
Вид сырья								Низшая теплота сгорания, МДж/м³
	CO	H₂	CH₄	Углеводороды	CO₂	O₂	N₂
Кокс	6–7	55–60	20–25	1–2	2–3	0,5–1,0	7–9	16,0
Сланцы	16–17	38–40	20–22	2–3	14–16	0,1–0,3	4–5	15,6
Угли	24–26	14–16	1–3	0,2–0,5	6–7	0,1–0,3	50–52	5,6
Торф	28–30	14–16	2–3	0,3–0,5	8–9	0,1–0,3	45–46	6,2
Древесина	28–30	13–15	2–4	0,3–0,5	6–7	0,1–0,3	46–47	6,1

Основное достоинство процессов газификации твёрдых топлив – получение из низкокачественного сырья, содержащего много минеральных примесей и влаги, газообразного топлива, при сгорании которого выделяется большое количество теплоты и незначительное количество токсичных продуктов.

Существует также способ подземной газификации угля – термическое превращение органических веществ твёрдых горючих ископаемых на месте их залегания в недрах земной коры в горючий газ и вывод его на поверхность через буровые скважины; идея подземной газификации каменного угля предложена Д. И. Менделеевым в 1888 г.

Газы, полученные газификацией твёрдых топлив, используют как топливо в энергетической, металлургической, керамической и других отраслях промышленности, в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах. Кроме того, они служат сырьём для производства водорода, аммиака, метанола и др. Актуальность газификации твёрдых топлив возрастает, поскольку мировые разведанные запасы ископаемых твёрдых топлив значительно превосходят запасы нефти и газа.

Манусаджянц О. И. Автомобильные эксплуатационные материалы : учебник для автотранспортных техникумов / О. И. Манусаджянц, Ф. В. Смаль. – Москва : Транспорт, 1989. – (Среднее специальное образование. Учебник).
Стаскевич Н. Л. Справочник по газоснабжению и использованию газа / Н. Л. Стаскевич, Г. Н. Северинец, Д. Я. Вигдорчик. – Ленинград : Недра, 1990.
Чулков П. В. Топлива и смазочные материалы: ассортимент, качество, применение, экономия, экология / П. В. Чулков, И. П. Чулков. – Москва : Политехника, 1995.

Газификация твёрдых топлив

Литература