История газификации углей

                                       Содержание

Введение

1. Общие положения…………………………………………………………....4
2. История газификации углей…………………………………………………6

1. Физико-химические  основы процесса………………………………….6
2. Процессы газификации…………………………………………………11
3. Газификация угля в газогенераторах наземного типа (технология Лурги)……………………………………………………………………13

3. Подземная газификация……………………………………………………14

4. Петроэнергетика.  Глубинное тепло земли и возможности его использования………………………………………………………………20

 

Заключение

Приложение…………………………………………………………………42

            Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           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.

Все известные невозобновляемые энергетические запасы Земли это ограниченные ресурсы недр. Их современный лимит исчисляется десятилетиями. Буквально на глубине нескольких километров температура пород достаточна для экономически выгодного получения тепла. Используемые сегодня гидрогеологические ресурсы составляют всего 1 % общих ресурсов геотермальной энергии. Неисчерпаемая тепловая энергия Земли – основа будущей энергетики. Для страны она может стать постоянным, надежным источником обеспечения дешевыми и доступными электроэнергией и теплом при использовании новых высоких, экологически чистых технологий по ее извлечению и поставки потребителю.

 

 

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.

 

1.  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.

 

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, приведены ниже: