Технология использования сжатых газов (стр. 21 )

7.2.2  Газификация твердых топлив

Газификацией твердого топлива является процесс превращения его в горючие газы путем окисления органической части и углерода кислородом и кислородными соединениями (водяным паром или двуокисью углерода). В результате газификации получают генераторные газы и твердый остаток – золу и шлак. Газификация представляет собой универсальный метод превращения любого твердого топлива в газообразное. Газифицировать можно дерево, бурые угли, каменные угли, антрацит, горючие сланцы, кокс и др.

Генераторный газ составляет такой вид горючих газов, который применяется во множестве производств не только потому, что легко получается из всяких углеродистых сортов горючих веществ и дает возможность пользоваться всякими низшими родами топлива (например, торфом, опилками, каменноугольной мелочью) для получения желаемых во множестве случаев (например, в стеклоделии и в металлургии) высоких температур, не достигаемых при простой топке такими видами топлива, но и потому, что генераторные газы сгорают вполне, развивая всевозможное тепло, при смешении лишь с надлежащим количеством воздуха, тогда как всякие виды твердого топлива для такого сгорания требуют огромного избытка воздуха. Образование таких генераторных газов происходит в простых горнах или небольших шахтных (вертикальных, более или менее цилиндрических) печах, называемых генераторами, которые можно рассматривать как части обычных печных топок, в которых горение совершается лишь наполовину. Возможность тех явлений, которые ведут к образованию генераторного газа, основывается на способности всяких видов угля и всяких видов углеродистого топлива образовать в первый момент горения лишь углекислый газ CO2 и уголь, а вместе с тем образовавшемуся углекислому газу с накаленным углем свойственно при отсутствии избытка воздуха образовать горючую окись углерода CO (по уравнению CO2+C=2CO), которая и составляет горючую составную часть генераторного газа.

Состав генераторного газа зависит от вида газифицируемого топлива, рода окислителя и условий процесса. В зависимости от состава дутья получают генераторные газы: воздушный, паровоздушный, водяной, парокислородный. Воздушным газом называют газ, получаемый при действии на топливо кислорода воздуха. Если к воздуху добавляют некоторое количество водяного пара, получают паровоздушный пар. При взаимодействии топлива только с водяным паром получают водяной газ, а смеси водяных паров с кислородом – парокислородный газ.

Применяемые для газификации топлива аппараты называют газогенераторами. Газификация топлива проводится в аппаратах непрерывного действия, в которых процесс построен на принципе противотока – топливо перемещается сверху вниз, а дутье подается снизу вверх. Газ выводится из верхней части газогенератора, зола удаляется из нижней части. Схема конструкции простейшего газогенератора показана на рис. 7.2. Газогенератор представляет собой цилиндрическую шахту, футерованную огнеупорным кирпичом 2. Реакционная зона газогенератора оборудована водяной рубашкой 3 для получения водяного пара, а нижняя часть имеет механизированную колосниковую решетку 4 с гидрозатвором для распределения дутья и удаления шлака. Шахта газогенератора 1 снабжена устройствами для механизированной подачи топлива.

Твердое топливо в газогенераторе претерпевает следующие изменения. В верхней зоне происходит его сушка горячим генераторным газом, в следующей зоне – пиролиз топлива – коксование, в результате из топлива выделяются летучие продукты (газ и смола). Образующийся в зоне пиролиза кокс поступает в зону восстановления, где кокс реагирует с образующимися в зоне горения углекислым газом и парами воды. В зоне восстановления получают горючие газы, оксид углерода, водород и метан, на это расходуют часть кокса. Далее кокс поступает в зону горения, где вступает в реакцию горения с кислородом воздуха. В зоне горения при высокой температуре происходит плавление золы и образование шлака. Образовавшийся шлак, предварительно охлаждаясь дутьем, поступает в гидрозатвор механизированной решетки, где окончательно охлаждается и дробится.

Рисунок 7.2 – Газогенератор

Применение повышенного давления при газификации твердого топлива позволяет получить газ, близкий по составу косовому газу, при этом в несколько раз возрастает интенсивность процесса. Повышенное давление позволяет транспортировать газ на дальние расстояния ( до 300 км). Схема газогенератора для газификации топлива при повышенном давлении показана на рис. 7.3. Корпус генератора состоит из двух обечаек – внешней, которая воспринимает давление, и внутренней, в которой давление выровнено с обеих сторон. Пространство между обечайками заполнено водой. Образующийся водяной пар поступает в пароприемник 1. Таким образом, стенки цилиндра не подвергаются действию повышенного давления, которого они не могли бы выдержать при высокой температуре.

Рисунок 7.3 – Схема генератора для газификации топлива при повышенном давлении:

1 – пароприемник; 2 и 8 – шлюзы; 3 – внутренний цилиндр;

4 – корпус; 5 – футеровка; 6 – колосниковая решетка;

7 – полый вал

Для защиты от прогорания цилиндр изнутри футеруют. Дутье подают в генератор снизу через полый вал 7, генераторный газ отводят сверху. Периодически топливо загружают и выгружают золу через шлюзы 2 и 8, имеющие по два затвора. При вращении колосниковой решетки 6 зола высыпается в зольный шлюз. Газ выходит из генератора с температурой 250оС, охлаждается, очищается от смолы, газового бензина, диоксида углерода и сернистых соединений.

7.2.3. Подземная газификация углей

В 1888 году предложил метод газификации каменного угля непосредственно на месте залегания, без дорогостоящей добычи, обогащения и транспортировки, путём неполного сгорания с образованием горючих газов. В 30-х годах прошлого века в СССР применительно к угольным шахтам Донбасса проводились интенсивные научные и практические работы. Большой вклад внёс член-корреспондент АН СССР, уроженец Сумщины В 1937 году в Горловке на одной из шахт стала действовать первая в мире промышленная станция подземной газификации угля, поставляющая газ коксохимическому заводу.

Самый экономический бесшахтный метод газификации.

Сначала с поверхности земли к угольному пласту пробуривают буровые скважины (рис. 7.4). Затем в пласте создают гидроструйным или механическим способом реакционные каналы, поджигают пласт электрическими устройствами, после чего к скважинам нагнетают воздух для поддержания горения. В реакционных каналах происходит газификация, обусловленная взаимодействием оксидов углерода и водяного пара, образовавшихся при сжигании угля, с углеродом стенок канала (угля). Из земных недр горючие газы отводят по другим скважинам.

Рисунок 7.4 – Схема подземной газификации угля:

1 – буровые скважины; 2 – реакционные каналы; 3 – газоходы

Подземная газификация угля дает возможность освободить горняков от тяжелого труда под землей, разрабатывать маломощные пласты, расположенные на значительной глубине. Газифицируют таким методом не только каменные, но и бурые угли.

Используют полученные горючие газы как топливо для парогенераторов, газовых двигателей, на газотурбинных электростанциях. В 1940 г. в Харькове под руководством профессора политехнического института была создана первая стационарная газотурбинная установка мощностью 736 кВт (рис. 7.5), которая была испытана на газе подземной газификации в г. Горловке и показала хорошие результаты.

Рисунок 7.5 – Газовая турбина :

1 – рабочий диск с 2 венцами лопаток; 2 – опорно-упорный подшипник; 3 – лабиринтовые уплотнения; 4 – второй опорный подшипник; 5 – муфта сцепления с валом электрогенератора;

А – впуск газа; Б – выпуск отработанного газа

7.3  Коксование каменных углей. Коксовый газ

Металлургический кокс и ценные побочные продукты (каменноугольную смолу и коксовый газ) получают коксованием каменных углей. Для этого смесь каменных углей (марок: коксовые, жирные и газовые) нагревают без доступа воздуха до температуры 1000-1100оС в специальных печах. Схема обогрева коксовой камеры показана на рис. 7.6.

Рисунок 7.6 – Обогрев коксовой камеры:

1 – обогревательные каналы; 2 – камера коксования;
3 – газовые каналы; 4 – подовый канал для подачи воздуха

Такие камеры располагают батареями и строят из огнеупорного материала: динаса и шамота. В шамотных печах максимальная температура в обогреваемых каналах поддерживается не выше 1250оС, а в динасовых – 1450оС. Современные печи строят из динаса.

Процесс коксования осуществляется следующим образом. До 200оС из угольной шихты выделяются влага и адсорбированные углем газы: двуокись углерода и метан. При температуре от 200 до 350оС начинают разлагаться вещества, входящие в состав угля с образованием оксида углерода, воды и других соединений. При повышении температуры до 600оС происходит энергичное разложение угля с выделением газов полукоксования, смолы и образование полукокса.

С повышением температуры полукокс превращается в кокс, выделение смолы, метана и его гомологов уменьшается, а водорода, бензола и толуола – увеличивается. Состав, свойства и количество выделяемого косового газа зависит от исходного угля и технологического режима коксования. Примерное количество основных продуктов коксования, выделенных из 1 т угля, приведено в таблице 7.2.