Газификация под давлением. Газификация топлива твердым высокотемпературным теплоносителем

1. Газификация под давлением. Газификация топлива твердым высокотемпературным теплоносителем. Другие термохимические способы

переработки
топлива.

2. Увеличение концентрации кислорода в воздухе

Концентрация кислорода в
сухом дутье, % по массе
21,0
40,0
70,6
Состав
СО2
газа,
СО
% по
Н2
объему
СН4
N2
Теплота сгорания,
МДж/кг
6,0
26,0
13,0
0,5
54,5
4,86
14,7
30,9
28,3
0,5
25,6
7,18
17,4
35,2
37,5
0,5
9,4
8,71

3.

Газогенерация при повышенном давлении

4.

Применение
высоких
давлений
при
газификации топлива может быть эффективно
при применении парогазовых установок с
газификацией в кипящем слое.
Преимущества:
1. Увеличивается плотность парогазовой
смеси, что ведет к снижению габаритов
газогенератора и снижению капитальных
вложений,
позволяет
снизить
расход
электроэнергии на собственные нужды.

5.

2. Уменьшается скорость газового потока,
соответствующая устойчивому состоянию
кипящего слоя, и следовательно, увеличивается
время контакта газов с перерабатываемым
топливом
pj pj 0 / p / p0

6.

3. Cокращается время прогрева частицы до
температуры
реакции
и
увеличивается
скорость химических реакций
p p m exp E / RT

7.

Каталитическая газификация
Катализаторы интенсифицируют процессы
газификации
и способствуют термической
конверсии смол (преобразование смолы в
горючие газы).
При газификации биомасы используют
следующие типы катализаторов:
• щелочные металлы (карбонат натрия, калий);
• металлооксидные катализаторы (никелевые,
алюминивые);
• неметаллические катализаторы (доломиты
СаМgCO3, оливин MgFeSiO4).

8.

Щелочные катализаторы
- повышают выход генераторного газа,
стимулируют
паровою
газификацию
и
газификацию углерода углекислым газом;
- не интенсифицируют конверсию смол.

9.

Металлооксидные катализаторы
• значительно увеличивают конверсию смол;
• способствуют конверсии метана в H2 и CO;
• слабо стимулируют паровую газификацию;
• быстро истираются и и склоны к коксованию
поверхности;
• имеют значительную стоимость.

10.

Неметаллические катализаторы
• имеют низкую стоимость и широкое
распространение
(добыча
белорусского
доломита СаМgCO3 около 3 млн. т в год);
• значительно увеличивают конверсию смол (в
4-6 раз);
• увеличивают
содержание
водорода
в
генераторном газе, т.к. СаO (около 30% в
доломите) адсорбирует СО2;
• имеют низкую механическую прочность.

11.

Метод «СО2-акцептор».
В этом
методе 25% расходуемого на
газификацию тепла вносит горячий доломит
(акцептор), а 75% покрывается за счет его
взаимодействия с диоксидом углерода:
СаО + СO2 => СаСO3 + 176,8 кДж/моль

12.

Остаточный
кокс
и
отработанный
акцептор
направляют в регенератор, где
кокс сжигают в воздухе, а за
счет выделяющегося тепла
при температуре более 900°С
происходит
разложение
карбоната кальция на СО2 и
СаО.
Реактор снабжен водяной
рубашкой.

13. АЛЛОТЕРМИЧЕСКИЕ ГАЗОГЕНЕРАТОРЫ

В аллотермических газогенераторах сжигание и
газификация разделены и тепло для
прохождения процесса газификации проводится
через теплопередающую стенку или при помощи
автономного теплоносителя (жидкого или
твердого).

14.

Абляционный реактор.
В абляциоином реакторе теплопередача
происходит с помощью прямого контакта
твердых
частиц
топлива
с
нагретой
теплопередающей
поверхностью
реактора.
Тепло передается поперек тонкой пленки
пиролизной жидкости.

15.

Абляционный пиролиз по сравнению с
другими видами быстрого пиролиза имеет две
особенности:
• высокую
относительную
скорость
движения между частицами топлива и
нагретой поверхностью реактора (более
1,2 м/с)
• высокое давление, прилагаемое к частицам
(более 500 кПа), что приводит к значительным
скоростям абляции (более 1 мм/с).

16.

17.

Пиролиз биомассы с применением жидких
теплоносителей
топливо

18.

Метод
предусматривает
непрерывную
циркуляцию
расплава
карбоната
натрия
между реактором 1 и регенератором 2. В
реакторе в расплав карбоната натрия вводят
измельченную биомассу и водяной пар. При
этом протекают реакции газификации с
образованием СО, Н2 и СН4; температура
расплава понижается от ~1200 до ~930°С.
Охлажденный
расплав с углем и золой
перетекает в регенератор 2, куда вводят
воздух. При этом уголь выгорает, а
температура расплава повышается до 1200°С.

19. Пиролиз биомассы твердым высокотемпературным теплоносителем

20.

бункер
сланца
котелутилизатор
дробилка
пар
сушилка
в атмосферу
очистка
сепаратор
газы
газы
зола
смолы
кокс
технологиреактор
ческая топка
(460-490 С)
(800-850 С)
подогретый
газы
зола
воздух
очистка
охладитель
золы
воздух
конденсация

21.

Степень
эффективности
извлечения
органического вещества из горючего сланца
определяется энергетическим коэффициентом
использования
n
Qпр Qэ.п
э i 1
Qс Qэ.р
э 56 84%

22.

При переработке белорусских сланцев
получен
следующий
массовый
выход
продуктов
термического
разложения
(температура в реакторе 480 С):
•смола – 7,4% (теплота сгорания 41,5 МДж/кг),
•газовый бензин – 0,2% (44,6 МДж/кг),
•полукоксовый газ 3,3% (35,3 МДж/кг),
•вода пирогенетическая – 2,8%,
•полукокс – 86,3%.

23.

При переработки торфа с влажностью 45%
получен
следующий
массовый
выход
продуктов
термического
разложения
(температура в реакторе 500-850 С):
• смола – 2,5-12%
36,4 МДж/кг),
(теплота
сгорания
• газовый бензин – 3-4% (44,6 МДж/кг),
полукоксовый газ 3,3% (16,8-23 МДж/кг),
вода пирогенетическая – 2,8%,
• полукокс – 86,3% (29,8-34 МДж/кг).

24.

Утилизация золы
Содержание золы:
в древесном топливе – 1%,
в соломе – 3–5%,
в торфе – 4–6%,
в сланцах – 61–82%.
Древесная зола и зола соломы содержат
необходимые для растений питательные
вещества
(калий,
магний,
фосфор).
Следовательно, зола древесины и соломы
могут применяться в качестве удобрений.

25.

Зола торфа по своему составу не пригодна в
качестве
удобрения.
Эту
золу
можно
использовать в дорожном строительстве в
качестве основы для дороги.
Химический состав золы белорусских
горючих сланцев: SiO2 = 20,0–53,2%,
Fe2O3 = 4,1–11,7%, TiO2 = 0,30–0,93%,
CaO = 7,5–45,0%, Al2O3 = 6,1–17,6%,
MgО = 1,7–7,2%, K2O =1,1–6,3%, Na2O = 0,15–
0,63%.

26.

Пути использования сланцевых зол:
• изготовление строительных автоклавных
материалов (крупная фракция);
• производство
высокомарочного
сланцезольного
портландцемента
(мелкая
фракция);
• производство
низкомарочных
вяжущих
материалов (мелкая фракция);
• укрепление оснований под дороги;
• известкование кислых почв.

27.

Подземная газификация
(предложена Д.И. Менделеевым в 1888 г.)

28.

Подземная
газификация
имеет
ряд
специфических особенностей:
- отсутствие движения топлива (образование
газа происходит в результате передвижения
очага горения и газогенерации);
- отсутствие
газонепроницаемых
стенок,
вследствие
чего
реакционный
канал
непосредственно граничит с топливным
пластом, который подвергается термической
обработке и обрушению;

29.

- проникание грунтовых вод, благодаря чему
процесс протекает с участием водяного пара;
- соприкосновение реакционного канала с
минеральными
породами,
которые могут
каталитически влиять на процесс.
Теплота сгорания такого газа невелика
(3,6-4,2 МДж/м3)
По аналогичному принципу в настоящее
время получают сланцевый газ.

30. СИНТЕТИЧЕСКОЕ ЖИДКОЕ ТОПЛИВО

- сложная смесь углеводородов, получаемая
из сырья не нефтяного происхождения.

31.

Принципиальное различие в химическом
составе биомассы и нефти заключается в
разном соотношении водород/углерод, которое
составляет около 0,5-0,7 для биомассы и
порядка 1,2 для нефти.
Следовательно, для превращения биомассы
или сланцев в синтетическое жидкое топливо
(СЖТ) необходимо удалить из них золу,
превратить твердое органическое вещество в
жидкое, обогатить его водородом и удалить из
него кислород, азот и серу в виде Н2О, NH3 и
Н2S.

32.

Можно выделить три направления получения
СЖТ:
• пиролиз (выход 6-30%);
• ожижение биомассы;
• газификация и преобразование генераторного
газа в СЖТ.

33.

Ожижение биомассы
Гидрогенизация с применением CO и пара.
Нагревание биомассы производится в атмосфере
CO и водяного пара при температуре 400 °С и
давлении 5 МПа. Из продуктов реакции
извлекается газ и синтетическая нефть.
Соответствующие реакции идут в присутствии
катализатора (щелочных металлы, кобальт,
никель и др.):
CO H 2O CO2 H 2
Cn H 2O n n 1 H 2 nH 2O H CH 2 n H

34.

Обработка
биомассы
растворителями
органическими
Измельченную древесину ожижают в среде
моноксида углерода и водного раствора
щелочи при высоком давлении,
СnHmО + СО = СnHm + СО2

35.

Преобразование генераторного газа в СЖТ.
В 1920-х гг. Ф. Фишер и Г. Тропш впервые
установили, что из смеси СО и Н2 на
металлических катализаторах (железо и
кобальт)
под
давлением
образуются
углеводороды.
Co
nCO 2n 1 H 2
Cn H 2 n 2 nH 2O
Fe
2nCO n 1 H 2
Cn H 2 n 2 nCO2

36.

Получение метилового спирта
Метиловый спирт (метанол) – ядовитая
жидкость,
получаемая
в
процессе
каталитической реакции между H2 и CO при
температуре 330 °С и давлении 15 МПа в
присутствии катализаторов - смеси ZnO (оксид
цинка) и CuO (оксид меди): :
CO + 2H2 = CH3OH
Теплота сгорания метанола 23 МДж/кг

37.

Гидрогенизация.
Измельченную,
разложившуюся
или
переваренную биомассу, например навоз,
нагревают в атмосфере водорода до
температуры около 600 °С при давлении около
5 МПа в присутствии никеля.
Получают
при
этом
горючие
газы
преимущественно метан СН4 и этан С2Н5.