Газификация угля

Газообразные виды топлива играют важную роль в промышленности и в быту, так как они легко транспортируются и могут использоваться в качестве источников тепла во многих технологических процессах, а также как химическое сырье. С точки зрения вероятных ограничений в поставках природного газа и нефти в будущем вполне вероятно, что объем газификации угля будет увеличиваться, а получаемый газ будет использоваться и как топливо, и как химическое сырье.

Коммунальный (бытовой) газ из угля обычно получают при его нагревании без доступа воздуха: данный процесс называется пиролизом или карбонизацией. Образующиеся в этих условиях газообразные и жидкие продукты получают из летучих компонентов угля, а в осадке остается твердый кокс. Обычно этот газ используется в качестве топлива, а жидкие продукты как сырье для химической промышленности. Металлургический кокс для доменных печей также является продуктом карбонизации угля. Но в этом случае основное внимание уделяется получению кокса, а не газа.

В настоящее время при совершенствовании процесса газификации угля главной проблемой является возможно более полное превращение угля в газ при полном отсутствии или небольшом количестве твердого остатка или побочных продуктов. Большая часть существующих разработок, связанных с процессом газификации угля, была выполнена в первое десятилетие текущего столетия.

В принципе все разновидности процесса газификации угля включают в себя его реакцию с водяным паром, в результате которой образуются окись углерода и водород. В связи с тем что данная реакция высокоэндотермична и для ее проведения требуется специальный источник энергии, параллельно (одновременно) идет реакция части угля с кислородом (т. е. его сгорание), в результате которой выделяется требуемое количество тепла. Производным компонентом второй реакции является двуокись углерода, а при соответствующем контроле за количеством кислорода, вступающего в реакцию, образуется большее количество окиси углерода. Таким образом, основной топливный газ, полученный из угля, состоит главным образом из окиси углерода и водорода, количество которых варьируется в зависимости от условий прохождения процесса.

По теплоте сгорания получаемый из угля газ можно разделить на три вида.

Для реакции “углерод (уголь) - кислород” используется воздух, при этом получается газ с низкой теплотой сгорания (3,8 - 7,6 МДж/м³), разбавленный азотом воздуха. Транспортировать его по трубопроводам на значительные расстояния нецелесообразно с экономической точки зрения, и обычно он используется в месте получения. Последние разработки в области газификации угля направлены на получение для теплоэлектростанций газа с высокой теплотой сгорания, содержащего небольшое количество серы, а следовательно при сжигании не загрязняющего окружающую среду. При определенных условиях газификации угля содержащаяся чем сера превращается главным образом в сероводород, который попадает в дымовые газы, а из них она в чистом виде выделяется с помощью хорошо отработанной технологии.

Для реакции “углерод (уголь) - кислород” количество подаваемого кислорода больше, чем воздуха, и при этом образующийся газ содержит меньше азота, а его теплота сгорания достигает 10 - 16 МДж/м³. Этот вид газа экономически целесообразно транспортировать по трубопроводам на небольшие расстояния и использовать не только в промышленности (для получения тепла) и коммунальном хозяйстве, но и в химической промышленности в качестве сырья для получения водорода, метана и метанола.

Газ с высокой теплотой сгорания (более 21 МДж/м³) и в основном состоящий из метана производится посредством так называемой метанизации из окиси углерода и водорода, т. е. из газа со средней теплотой сгорания, который получают из угля описанным выше способом. Когда требуется получить практически чистый метан, другими словами, заменитель природного газа (ЗПГ), первоначально необходимо довести молекулярное соотношение окиси углерода и водорода в газе до 1: 3 с помощью реакции части окиси углерода с паром, в результате которой образуется водород (и двуокись углерода, которая впоследствии удаляется).

Интерес к производству ЗПГ из угля очень высок, так как его можно транспортировать по трубопроводам, предназначенным для природного газа, и применять в одних и тех же установках. Другим способом получения ЗПГ из угля является его прямое взаимодействие с водородом, в результате которого образуется метан. Этот процесс, известный под названием гидрогазификации, пока не применяется в промышленном масштабе главным образом из-за низкого к. п. д.

В настоящее время ведется большая работа по совершенствованию имеющихся и созданию новых методов газификации угля, что обусловлено сложностью происходящих с участием угля химических реакций и технических проблем, связанных с его газификацией, а также различием требований, предъявляемых к качеству получаемого газа.

Известные методы газификации угля. Рабочие параметры известных методов газификации угля приведены в табл. 31.

Самым старым является метод, использующий устройство, которое позволяет нагнетать воздух в слой горящего угля через вращающуюся колосниковую решетку. Газ, получаемый с помощью этого метода, раньше применялся довольно широко и особенно в установках для производства кокса, где он при определенных условиях использовался в качестве топливного газа, обеспечивающего работу коксовых батарей, что в свою очередь позволяло применять пиролизный газ в качестве бытового. В настоящее время данный метод газификации угля вновь привлекает к себе внимание возможностью производства топливного газа с низкой теплотой сгорания для коксовых батарей, паровых котлов и газовых турбин. Этот процесс газификации сравнительно прост и надежен, а смолы, фенолы и другие жидкие компоненты, являющиеся побочными продуктами, удаляются обычно с помощью воды.

Процесс “Лурги” (табл. 31), вероятно, является самым известным. Он был доведен до стадии широкомасштабного промышленного использования для газификации бурых углей и лигнитов перед второй мировой войной. В начале 50-х годов его модифицировали для газификации некоксующихся каменных углей. В настоящее время этот метод применяется в ЮАР для производства синтетического газа со средней теплотой сгорания, который используется в качестве промежуточного при получении моторных топлив и различных химических соединений с помощью процесса “Фишера - Тропша”.

Таблица 31

Рабочие параметры некоторых промышленно используемых технологий газификации угля

Преимуществом процесса “Лурги” является то, что он протекает при повышенном давлении, что значительно увеличивает производительность установки и снижает затраты на повышение давления первичного газа, который содержит около 10 % метана, т. е. наиболее оптимальное количество для дальнейшего обогащения до получения ЗПГ. Однако установки, работающие по принципу процесса “Лурги”, требуют использования кускового угля, а применение коксующегося угля ведет к значительному снижению производительности процесса. В связи с образованием побочных продуктов в виде смол, фенола, бензина и подсмольной воды с содержанием NH₃, данный процесс требует обязательного применения воды для их удаления. Дальнейшее совершенствование процесса “Лурги” направлено на повышение его производительности при одновременном снижении потребности в паре с помощью повышения рабочей температуры и разработки метода выгрузки шлака для удаления золы (компания “Бритиш Газ Корпорейшн энд Лурги джоинт дэвелопмент”). Компания “Лурги” совместно с концерном Рурколе АГ (ФРГ) также осуществляет дальнейшую модификацию своей установки с целью увеличения рабочего давления до 100 ´ 10⁵ Па.

Процесс газификации “Винклер”, основанный на переработке угля в кипящем слое при атмосферном давлении, в настоящее время также находит промышленное применение. Однако в связи с ограничениями температурного режима при данном процессе могут использоваться лишь угли с высокой реакционной способностью; в некоторых странах с его помощью газифицируются исключительно лигниты. Конструкция газификационной установки очень проста, но в процессе переработки в итоге остается большое количество углерода, а для 90 %-ной переработки углерода необходима неоднократная рециркуляция летучей золы. Процесс чрезвычайно легко приспосабливается к любым нагрузкам, и с его помощью может быть достигнута очень высокая производительность газификационной установки. Процесс “Винклер” явился одним из первых, который смогли приспособить к успешной работе не только при парокислородном, но и паровоздушном дутье. Большинство имеющихся в настоящее время в эксплуатации установок “Винклер” используются для получения водорода. Недостатком таких газификационных установок является низкое содержание метана в получаемом газе (от 1 до 5%), что обусловливает необходимость дополнительного его метанирования, тогда как при других методах получения синтетического газа в этом нет необходимости. Последние исследования по совершенствованию процесса “Винклер” предусматривают повышение его рабочей температуры и давления до таких величин, которые позволят улучшить состав газа и обеспечат возможность с помощью данного процесса газифицировать угли с более низкой реактивной способностью (угли с низким содержанием летучих).

Процесс “Копперс - Тотцек” (КТ) может применяться для газификации всех марок углей: от бурых с максимальным содержанием летучих до антрацитов с минимальным их содержанием. Новые газификационные установки с четырьмя реакторами могут развивать производительность до 50000 м³/ч исходного газа. Все заводы по производству аммиака, построенные с 1960 г., основаны на использовании процесса КТ для получения синтетического газа. В связи с тем, что рабочая температура данного процесса очень высокая, исходный газ не содержит метана. Процесс КТ не требует использования воды, так как при нем практически не образуются ни смолы, ни другие жидкие углеводороды. Однако в связи с тем, что газификаторы КТ работают при атмосферном давлении, для дальнейшего использования рабочий газ приходится подвергать сжатию, а высокая температура протекания процесса, необходимая для удаления золы в виде образовавшегося шлака, обусловливает потребность в относительно интенсивном парокислородном дутье. Преобразование углерода в газ, особенно при газификации углей с низкой реактивной способностью, не такое полное, как при процессе “Лурги”, но установки для газификации довольно просты в эксплуатации, а динамическое качество их работы особенно устойчиво. Выполненная компанией “Шел энд Копперс” модернизация процесса позволила достичь на опытной установке с повышенным давлением (процесс “Шел-Копперс”) производительности 150 т/сут, при этом исключалась необходимость последующего повышения давления получаемого газа, а также сокращались размеры и стоимость газификационного оборудования.

В настоящее время в нескольких странах разрабатывается большое число технологий газификации угля. Как правило, все новые технологии разрабатываются с учетом протекания процесса газификации при повышенном давлении. Это обеспечивает следующие преимущества: увеличивается производительность установки, снижается необходимость последующего сжатия полученного газа, уменьшаются размеры сопутствующего оборудования, облегчается возможность применения различных способов очистки полученного газа, обеспечивается более высокое содержание метана в исходном продукте (правда, при условии низкой температуры процесса газификации).

В некоторых новых технологиях, разрабатываемых в настоящее время в США, процесс газификации выполняется в несколько стадий с тем, чтобы каждая стадия с химической, термальной и технологической точек зрения протекала в оптимальных условиях. Конечная цель всех этих процессов (методы “Хьюгаз”, “Когаз” и “Би-газ”) - получение ЗПГ. Другим направлением разработки является получение синтетического газа под давлением при относительно простом в конструктивном отношении оборудовании. Примерами таких технологий являются процессы “Тексако” и “Саарберг-Отто”, аналогичные по своим особенностям уже упомянутому способу “Шел-Копперс”.

Собственно процесс газификации требует до 30% общего количества угля, сжигаемого с кислородом для получения необходимого тепла. Данное количество угля теряется для поддержания процесса газификации. В странах с высокой себестоимостью добычи, например в Европе, такие потери при производстве газа невыгодны с экономической точки зрения. Для того чтобы улучшить экономические показатели получения тепла, требуемого в процессе газификации угля, в ФРГ разрабатывается способ получения тепла от высокотемпературных атомных реакторов. Потенциальные возможности такой технологии заключаются в значительном увеличении количества получаемого газа (увеличение на 50%) на единицу потребляемого угля и в существенном снижении загрязняющих окружающую среду выбросов (приблизительно на 30%) на единицу количества получаемого газа. При этой комбинации также можно обеспечить превращение атомной энергии в химическую. В настоящее время в ФРГ успешно работают две опытные установки производительностью 4 т/сут каждая (в одной процесс газификации протекает в присутствии пара, в другой - в присутствии водорода) с имитацией поступления тепла от атомного реактора. Уже ведется работа над детальным проектом первой газификационной установки с высокотемпературным атомным реактором, с проектной тепловой мощностью 750 МВт. Предполагается, что в 90-х годах эта установка будет сдана в эксплуатацию.

Основной целью технологических процессов газификации угля “СО-Аксептор”, “Б-газ”, “Кэмбашн Энджиниринг” и “Вестингаз” является замена парокислородного дутья паровоздушным. Они предназначены для производства топливного газа с низкой теплотой сгорания для использования его при сжигании вместе с углем на угольных теплоэлектростанциях. Ожидается, что установки данного типа могут получить широкое распространение на высокопроизводительных электростанциях ряда стран (например, США), так как их применение обеспечивает высокую степень защиты окружающей среды.

Также ведутся работы по применению синтетического газа, получаемого с помощью газификации угля, в качестве топлива для прямого производства электроэнергии. Это позволит повысить эффективность работы небольших тепловых установок. Однако до 2000 г. широкого промышленного применения данного метода не ожидается.

Подземная газификация угля - это превращение твердого полезного ископаемого в месте его залегания в газообразные виды топлива с использованием в качестве химического реагента воздуха или кислорода. Данный способ газификации имеет целый ряд потенциальных преимуществ. Например, при его применении не требуется рабочая сила для подземной добычи угля и к минимуму сводится число проблем, связанных с охраной окружающей среды, которые присущи любому способу разработки угольных месторождений, а также требующие своего решения при размещении образующейся золы и выбросах в атмосферу загрязняющих соединений при процессе газификации угля на заводских установках. С другой стороны, современная технология подземной газификации угля имеет следующие недостатки: очень сложен процесс управления реакцией газификации угля, и конечный продукт до его использования требует повышения качества. Из-за низкой теплоты сгорания получаемого газа его транспортирование на большие расстояния неэкономично, и он может потребляться только местной промышленностью.

Первые эксперименты по подземной газификации угля были проведены в Великобритании в середине прошлого столетия, а более широкие работы были осуществлены в 30-x годах в СССР. Однако начиная с 50-х годов дальнейший прогресс данного метода газификации затормозился в связи с отсутствием экономического стимула и перспектив для успешного промышленного применения. В начале 70-х годов работы по совершенствованию метода газификации пластов бурого и каменного углей в месте их залегания были возобновлены в США и Европе. Но сейчас нет уверенности в том, что данная технология получит значительное развитие в ближайшее время.