Газификация твёрдых топлив

ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ, 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 газификации твердых топлив до 80% по массе.

Основные реакции, протекающие при газификации твердых топлив: С + Н₂O → СО + Н₂; С + 0,5O₂ → СО; С + O₂ → СО₂; 2СO + O₂ → 2СO₂; С + СO₂ → 2СО; С + 2Н₂O → СO₂ + 2Н₂; СО + Н₂O → СO₂ + Н₂. К образованию метана приводят побочные процессы: СО + 3Н₂→ СН₄ + Н₂O; 2СО + 2Н₂ → CH₄ + CO₂.

В газогенераторе имеется несколько реакционных зон: горения, в которой за счёт экзотермических реакций температура повышается до 1200-1500 °С; собственно газификации, где образуются продукты газификации топлива; 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 твердых 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 твердых 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 твердых 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 СО₂ с О₂), 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 так называемый сухой газ, или синтез-газ, который состоит в основном из смеси Н₂ и СО, с низшей теплотой сгорания 11-12 МДж/м³. При воздушной или паровоздушной газификации твердых топлив в генераторном газе содержится много N₂ и его низшая теплота сгорания порядка 4 МДж/м³.

В зависимости от вида сырья получают газы различного химическая состава (таблица).

Основное достоинство процессов газификации твердых топлив - получение из низкокачественного сырья, содержащего много минеральных примесей и влаги, газообразного топлива, при сгорании которого выделяется большее 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 году.

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

Лит.: Манусаджянц О. И., Смаль Ф. В. Автомобильные эксплуатационные материалы. М., 1989; Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л., 1990; Чулков П. В., Чулков И. П. Топлива и смазочные материалы: ассортимент, качество, применение, экономия, экология. М., 1995.