Материал: Реферат на тему Газификация твердых топлив

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Технология нефти и газа»

Реферат

по дисциплине «Химическая технология топлива и углеродных материалов. Часть 3»

на тему: «Газификация твердых топлив»

Уфа 2020

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 3

1 Сущность процесса газификации 5

2 Сырье процесса газификации 6

3 Химизм процесса газификации 7

4 Методы газификации 8

4.1 Технология Лурги 10

4.2 Технология Винклера 14

4.3 Технология Копперс–Тотцека 17

4.4 Технология Тексако 20

5 Подземная газификация угля 21

6 Список используемых источников 21

Введение

За многие миллионы лет природа накопила богатейшие запасы углерода в виде угля, нефти и природного газа. Сейчас эти ископаемые виды топлива используются человеком для получения энергии и химических продуктов.

В конце прошлого-в начале нынешнего века большинство продуктов органической химии производилось из каменных углей. По мере увеличения добычи нефти химические вещества угольного происхождения начали вытесняться продуктами нефтехимического синтеза, производимыми более простыми и менее энергоемкими методами. Однако оценка разведанных мировых запасов различных видов ископаемого органического сырья приводит к выводу о том, что месторождения нефти и газа будут в значительной степени исчерпаны уже в начале первых десятилетий XXI века. Запасов же угля должно хватить на ближайшие несколько сот лет. Вывод о необходимости постоянного увеличения масштабов использования угля в энергетике и промышленности подтверждается данными по сопоставлению запасов нефти, газа, угля и сложившейся в настоящее время структурой их мирового потребления (рисунок 1).

Рисунок 1 – Соотношение мировых запасов и потребления угля, нефти и газа

Увеличение потребления ископаемых углей будет сопровождаться ростом экологической нагрузки на окружающую среду, поскольку при традиционном способе использования угля – сжигании – образуется больше вредных побочных продуктов по сравнению с нефтью и газом.

Снижение ущерба окружающей среде от угольной энергетики может быть достигнуто путем перехода к использованию экологически более безопасных видов топлива угольного происхождения. К ним относится облагороженный, или т.н. «чистый уголь», путем термохимической переработки которого, получают синтетические газообразные и жидкие топлива. Выбросы вредных веществ при использовании этих синтетических топлив значительно ниже, чем в случае применения рядового угля.

Впервые синтез углеводородов был осуществлен в начале XX века: Сабатье и Сандеренсом был синтезирован метан, Е.И. Орловым – этилен. В 1923 году немецкими химиками Фишером и Тропшем, сотрудниками фирмы «Рурхеми», была разработана технология синтеза жидких углеводородов из смеси газов СО и Н₂. Данный процесс впоследствии был назван их именами – синтез Фишера–Тропша (ФТ-синтез).

Технология производства жидкого топлива из угля методом ФТ-синтеза включает две главных стадии: газификацию угля с целью получения газа (смесь монооксида углерода и водорода) и каталитическую переработку газа в жидкие углеводороды. Процесс Фишера–Тропша для получения нефти и нефтепродуктов из угля использовался в Германии в 1930–1940-х годах.

После Второй мировой войны промышленное производство жидкого топлива из угля получило развитие в ЮАР: эта страна испытывала дефицит нефти. Первая промышленная установка для получения жидкого топлива по процессу Фишера–Тропша была введена в действие южноафриканской компанией Sasol в «одноименном» г. Сасолбург в 1956 году: конверсия осуществляется на кобальтовых и железистых катализаторах при температуре около 200 °С. В дальнейшем в этой стране той же компанией были построены еще 6 модифицированных «нефтеугольных» установок. К настоящему времени почти 70 % ежегодного спроса на нефтепродукты в ЮАР обеспечиваются их производством из угля.

Учитывая большие запасы угля в стране, использование его для получения синтетических энергоносителей не повлияет на какие-то экономические аспекты мирового соотношения в потреблении энергоресурсов.

1 Сущность процесса газификации

Газификация – преобразование органической части твёрдого или жидкого топлива в горючие газы при высокотемпературном (1000—2000 °C) нагреве с окислителем (кислород, воздух, водяной пар, CO₂ или, чаще, их смесь), в результате которых органическая часть топлива обращается в горючие газы.

Полученный газ называют генераторным по названию аппаратов, в которых проводится процесс — газогенераторов.

Основные направления газификации угля и состава продуктов приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Способы газификации угля

Общеизвестны достоинства газообразного топлива:

1 оно хорошо приспособлено к транспортированию на большие расстояния;

2 при горении не оставляет золы;

3 не выделяет копоти и больших объёмов дымовых газов;

4 процесс сжигания газа легко автоматизировать;

5 температура пламени, как правило, значительно выше аналогичного показателя, получаемого при непосредственном сжигании конденсированных топлив.

Кроме того, искусственные горючие газы являются ценным сырьём для химической промышленности (синтез аммиака, производство искусственных жидких топлив, масел, смазок и др.).

2 Сырье процесса газификации

В качестве сырья для газификации могут выступать практически все углеродсодержащие материалы природного и техногенного происхождения, в частности:

1 горючие ископаемые (каустобиолиты);

2 биомасса, в т.ч. специально выращиваемая фитомасса;

3 углеродсодержащие отходы производства и потребления, включая бытовые и коммунальные отходы, в т.ч. иловые осадки канализационных и сточных вод.

При этом специально выращенная фитомасса и отходы различного происхождения относятся к возобновляемым источникам энергии.

Требования, предъявляемые к твердому топливу:

1 небольшая влажность, малое содержание серы, низкая зольность и высокая температура плавления золы;

2. куски топлива должны быть прочными и термически стойкими, т.е. не должны растрескиваться и распадаться на мелкие части при нагревании.

3 Химизм процесса газификации

Газификацию твердых топлив можно рассматривать как неполное окисление углерода. наиб. часто окислителями служат О₂ (реакция 1), СО₂ (2) и водяной пар (3):

С + 0,5О₂ → СО (1)

С + СО₂ → 2СО (2)

С + Н₂О → СО + Н₂ (3)

Наряду с основными реакциями осуществляются следующие:

С + О₂ → СО₂ (4)

СО + Н₂О→ СО₂ + Н₂ (5)

С + 2Н₂ → СН₄ (6)

СО + 3Н₂ → СН₄ + Н₂О (7)

СО + Н₂ → 0,5СН₄ + 0,5СО₂ (8)

Прямой продукт газификации твёрдых топлив (т. наз. сырой газ) всегда содержит некоторые количества СО₂, Н₂О, СН₄ и, кроме того, иногда и высших углеводородов, а при использовании воздуха - еще и N₂. Из-за наличия в угле гетероатомов, прежде всего S и N, образуются H₂S и NO₂.

Газ, полученный при газификации угля, в будущем может найти применение прежде всего для производства:

1. заменителя природного газа (СПГ);

2. синтез-газа для химической промышленности;

3. топливных газов для технологического и энергетического сжигания;

4. восстановительного газа для металлургических целей, например для прямого восстановления железной руды.

4 Методы газификации

К настоящему времени освоены различные модификации промышленных процессов газификации углей, наиболее распространенными из которых являются технологии:

1 Лурги (стационарный слой кускового угля);

2 Винклера (кипящий слой угольных частиц);

3 Копперс–Тотцека (пылеугольный поток);

4 Тексако (водоугольная суспензия) и их различные модификации.

На опытно-промышленном уровне сейчас отрабатывается около 20 технологий газификации угля нового поколения. Эффективность процессов газификации может существенно повышаться при использовании соответствующих катализаторов, позволяющих снижать температуру при сохранении высокой скорости процесса и регулировать состав продуктов.

Воздействие катализатора на процесс газификации твердого топлива иллюстрируется схемой (рисунок 3).

Рисунок 3 – Процесс газификации угля

Катализатор может ускорять как реакции прямого превращения углерода в газообразные соединения (маршрут 1), так и газофазные реакции продуктов термического превращения угля (маршрут 2). До настоящего времени преимущественно разрабатывали процессы каталитической газификации, основанные на ускорении реакции прямого превращения угля в газообразные соединения. В этих случаях для эффективного воздействия катализатора необходимо обеспечить его хороший контакт с твердым сырьем. Для этого используют катализаторы, наносимые на поверхность угля, а также способные плавиться или возгоняться в условиях процесса, проникая в поры угля.

Наиболее распространенными катализатороми процесса газификации углей являются соединения щелочных, щелочноземельных и некоторых переходных (Ni, Fe, Co) металлов.

Среди технологий, проходящих опытно-промышленную отработку, следует выделить в качестве наиболее перспективных:

1 процесс ЭКСОН – каталитическая газификация угля водяным паром в кипящем слое;

2 процесс МОЛТЕН СОЛТ – парокислородная газификация при повышенном давлении и расплаве соды;

3 процесс ПАТГАЗ – газификация при атмосферном давлении в расплаве железа. Применяемые расплавы играют роль теплоносителя и катализатора.

Газогенераторы классифицируются:

1 по роду процесса – газогенераторы для получения:

а) воздушного газа;

б) водяного газа;

в) смешанного газа;

2 по характеру слоя:

а) с плотным слоем;

б) со взвешенным слоем;

в) с «кипящим» слоем;

3 по давлению, при котором протекает процесс:

а) атмосферные;

б) высокого давления;

4 по степени механизации процесса:

а) немеханизированные;

б) полумеханизированные;

в) механизированные.

4.1 Технология Лурги

Наиболее перспективной в настоящее время представляется газификация крупнозернистого топлива в плотном слое методом Lurgi, осуществляемым при повышенном давлении. Этот метод применяется на 16 заводах разных стран мира, на которых эксплуатируется более 60 газогенераторов Lurgi.

В газогенераторе Lurgi (рисунок 3) исходный уголь (размер частиц 5–30 мм) из бункера 2 периодически загружают в шахту 7 газогенератора, снабженную водяной рубашкой 12. При помощи охлаждаемого вращающегося распределителя 5 и перемешивающего устройства 6 топливо равномерно распределяется по сечению аппарата. Парокислородное дутье подают под вращающуюся колосниковую решетку 11, на которой находится слой золы. Этот слой способствует равномерному распределению газифицирующего агента. При вращении колосниковой решетки избыточное количество золы с помощью ножей 8 сбрасывают в бункер 14. Образующийся в аппарате газ проходит скруббер 10, где предварительно очищается от угольной пыли и смолы (в случае необходимости смолу можно возвратить в шахту газогенератора). Вращение распределителя 5 и колосниковой решетки 11 осуществляется от приводов 4 и 9.