Автор: Шиллинг Г.-Д. Бонн Б. Краус У.
Теги: технология топлив энергетика сырье горное дело
Год: 1986
Текст
РДШиплинг
ББонн Y Краус
ГАЗИФИКАЦИЯ
УГЛЯ
ГАНС-ДИТЕР ШИЛЛИНГ
БЕРНАРД БОНН
УЛЬРИХ КРАУС
ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ
Редактор издательства Л. М. Неваева
Переплет художника В. П. Христинина
Художественный редактор О. Н. Зайцева
Технический редактор Е. В. Воробьева
Корректор К. А. Кузьмина
ИБ № 6473
Сдано в набор 07.01.86. Подписано в печать 26.03.86. Формат 60Х901Де-
Бумага книжно-журнальная ими. Гарнитура Литературная. Печать высокая.
Усл. печ. л. 11,0- Уел. кр.отт. 11,0- Уч.-изд. л. 12.29. Тираж 1000 экз. Заказ 738/744—11.
Цена 1 р. 20 к.
Ордена «Знак Почета» издательство «Недра», 103633, Москва,
Третьяковский проезд, 1/19
Ленинградская картографическая фабрика ВСЕГЕИ
Schriften
uber wirtschaftliche und
organisatorische Probleme
bei der Gewinnung
und Verwertung
mineralischer Rohstoffe
Herausgegeben von
Professor Dr. phil. G. Bischoff Professor
Dr. rer. nat. G. Liittig • Dr. jur. G. Ott
Dr. jur. H. Reintges
Band 22
Kohlenvergasung
Bestehende Verfahren
und neue Entwicklungen
Dritte, neubearbeitete und erweiterte Auflage
Von
Dr. rer. nat. Hans Dieter Schilling,
Dr. rer. nat. Bernhard Bonn und
Dr. rer. nat. Ulrich KrauB
Herausgegeben von
Professor Dr. rer. nat. Werner Peters
Verlag Gliickauf GmbH • Essen • 1981
(QfeD[]3fe© °
ЕД. Шиллинг
Б.Бонн У Краус
ГАЗИФИКАЦИЯ
УГЛЯ
Перевод с немецкого
и редакция С.Р. ИСЛАМОВА
МОСКВА «НЕДРА» 1986
УДК 662.764
Шиллинг Г.-Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля. Горное дело—сырье—энер-
гия/Пер. с нем.— М.: Недра, 1986. 175 с.
Рассмотрены теоретические вопросы и методы газификации угля, освоенные
в промышленности, а также новые процессы, находящиеся в стадии лаборатор-
ных и полупромышленных исследований, в том числе в кипящем слое, с рецир-
куляцией газа-теплоносителя, с жидким шлакоудалением, с использованием
тепла атомных реакторов. Информация о каждом процессе изложена по единой
схеме: краткая характеристика способа, производительность, используемый уголь,
состав и удельная теплота сгорания сырого газа, описание процесса, производ-
ство газифицирующего агента, технико-экономические данные и др Приведены
схемы процессов.
Для инженерно-технических работников предприятий и научно-исследова-
тельских институтов, занимающихся газификацией угля.
Табл. 1, ил. 49, список лит. — 270 назв.
Рекомендовано к переводу: В. Д. Буткиным, проф., д р техн, наук (Научно-
исследовательский и проектно-конструкторский институт по проблемам развития
Канско-Ачинского угольного бассейна), И. И. Черненковым, каид. техн, наук
(Институт горючих ископаемых)
£ 1ОТЕ'._ *
утг Г у
.i.i * J
2505000000—247
043(01)—86 357—86
ш
© Verlag Gliickauf GmbH, Essen, 1981
© Перевод на русский язык, издательство
«Недра», 1986
ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ
Первое издание этой книги быстро разошлось. Растущий спрос на
книгу, а также начавшееся с 1976 г. прогрессивное развитие гази-
фикации побудили нас к выпуску второго, принципиально перера-
ботанного издания. К нему присоединяется теперь переработанное
г дополненное третье издание. Была сохранена уже апробирован-
ная форма изложения, все данные пересмотрены и в значительной
< гепени обновлены. Дополнительно включено несколько новых спо-
собов газификации, которые были введены в эксплуатацию в Фе-
деративной Республике Германии со времени сдачи в редакцию
второго издания.
Описанная в предыдущем издании технология на базе газоге-
нераторов с вращающейся решеткой и жидким шлакоудалением,
О которых еще в старой литературе имеются обширные обзорные
статьи, также описана в третьем издании. Чтобы удовлетворить
широкий интерес, который в последнее время возрастает, особен-
c. к газогенераторам с вращающейся решеткой, приведено описа-
। не нескольких технологических вариантов со ссылками на источ-
НИКИ.
Выражаю благодарность читателям первых двух изданий этой
книги, чьи советы помогли при переработке текста. Я уверен, что
»..»вое издание, так же как и предшествующие, будет охотно ис-
по 1ьзоваться многими читателями как оперативный и достоверный
с ючник информации.
В. Петерс, проф., д-р естественных наук, управляющий общест-
I । каменноугольной промышленности ФРГ и института Бергбау-
форшунг.
'й'сеп, апрель 1981 г.
1. ВВЕДЕНИЕ
Для энергетического хозяйства наиболее предпочтительным сырь-
ем и энергоносителем является газообразное топливо. Благодаря
таким отличительным свойствам, как экологичность и хорошая
транспортабельность, а также широкому использованию в каче-
стве энергоносителя и химического сырья его значимость в пер-
спективе будет, по-видимому, возрастать.
Дефицит первичных энергоресурсов и постоянно растущий
спрос на энергию будут требовать замены природного газа и нефти
другими энергоносителями во все возрастающем объеме. Расчеты
показывают, что эта замена должна начаться еще до окончания
XX в. В условиях непрерывной борьбы за повышение надежности
энергоснабжения переработка угля в газообразный энергоноситель
и сырье приобретет решающее значение уже в недалеком буду-
щем.
Хотя газификация угля использовалась еще в прошлом веке и
путем целенаправленных исследований достигла наивысшего рас-
цвета в первой половине нашего столетия, особенно в Европе,
сегодня она имеет значимость лишь для некоторых стран со спе-
цифической структурой экономики.
Хотя в ФРГ в 1975 г. из угля было произведено 14,3 % обще-
го объема поступления газа, из этого количества только 0,024 %
было получено путем газификации. (Для сравнения: еще в 1957 г.
газ из угля составлял 92,78 % общего объема, при этом 13,7 %
производилось путем газификации). В этой связи дадим краткую
оценку прошлого и вырисовывающегося будущего значения гази
фикации с целью получения газа из угля.
Производство газа из угля развивается главным образом по
трем направлениям, которые реализованы в промышленном масш-
табе. В количественном отношении, а также в экономическом важ-
нейшим способом является процесс пиролиза. При пиролизе угля
из его летучих компонентов образуются газообразные и жидкие
крекинг-продукты, которые после соответствующего разделения и
переработки находят сбыт в качестве побочных продуктов. Но
при этом речь идет лишь о дегазации угля (отделении летучих),
при которой большая часть исходного вещества остается в виде
твердого кокса.
Большие объемы газа получаются в доменном процессе. Здесь
в результате взаимодействия руды и кокса в присутствии воздуха
образуется окись углерода, которая покидает шахту печи в виде
доменного газа и используется в качестве топлива. Правда, низ-
кая калорийность исключает возможность его транспортирования
на большое расстояние.
6
В обоих вышеупомянутых случаях газ вынужденно производят
как побочный продукт процессов с другим целевым назначением,
поэтому его использование направлено главным образом на сниже-
ние стоимости основного продукта. В противоположность этому
третье направление — полная газификация угля — нацелено исклю-
чительно на производство газа.
В прошлые десятилетия газификация использовалась для того,
чтобы высвободить производство газа из зависимости от произ-
водства кокса, а также с целью получения чистого синтез-газа для
химической промышленности. Так, из газа, полученного в 1957 г.
газификацией (его доля составила 12,8 % общего потребления
газа в ФРГ без земли Саар, что соответствовало 113,4-1015 Дж/
год), около 75 % приходилось на промышленные газогенераторы,
которые поставляли как синтез-газ, так и топливный газ, и при-
мерно 25 % на коксовые генераторы и газовые заводы ком-
мунального назначения.
В связи с быстро возросшим предложением и падением цен
на нефтехимическое сырье в 50—60-х годах химическая промыш-
ленность и большинство коммунальных газовых заводов вынужде-
ны были перестроиться на газификацию нефти и газового бензи-
на, в результате чего производство газа стало экономичнее и тех-
нически упростилось. Газификация угля утратила значение, и про-
изводство генераторного газа в ФРГ непрерывно снижалось вплоть
до 0,03 % общего поступления газа в 1975 г. (в абсолютном исчис-
лении 30-106 м3/год). Из этого объема в коммунальное газоснаб-
жение поставлялась только шестая часть, остальное сжигалось на
газовых и коксовых заводах или потреблялось промышленностью.
Однако доля коксового и доменного газа по уже упоминавшимся
причинам снизилась весьма незначительно: общее производство
газа из угля с 1957 по 1975 г. уменьшилось всего лишь на 35 %
Роль газификации угля в выравнивании диспропорции между
спросом на газ и производством коксового газа, а также ее зна-
чение для химии практически утратились из-за внедрения процес-
сов крекинга нефти и газового бензина, а также за счет поступле-
ния в ФРГ в последние года большого объема природного газа
по умеренным ценам. В совокупности потребление газа в ФРГ
за последние 20 лет возросло более чем в три раза, причем в ос-
новном за счет природного газа. Во второй половине 50-х годов
доля природного газа была еще довольно незначительной (около
2 % общего потребления). Однако уже в 1979 г. его доля состав-
ляла 71,8 %.
Активное наступление природного газа еще отнюдь не завер-
шилось. В отличие от коксового газа его можно транспортировать
на дальние расстояния. Поэтому газораспределительная сеть стра-
ны все более расширяется. Усиливающаяся ориентация на при-
родный газ порождает две проблемы. Во-первых, его ресурсы
ограничены: собственные гарантированные запасы природного га-
за составляют немногим более чем 13-кратный объем годового
потребления в настоящее время, причем добыча газа в стране уже
7
сокращена (в 1979 г. она составила 37 % общего поступления
газа). Следствием этого явится дальнейший рост зависимости
ФРГ от экспорта энергии, что может вызвать серьезные экономи-
ческие последствия в связи с ожидаемым истощением мировых
запасов газа.
Во-вторых, с ростом потребления природного газа будет возра-
стать доля газа, расходуемого на отопление. Это тем более су-
щественно, что в ФРГ строительство новых электростанций на
природном газе требует специального разрешения. Если также
учесть, что частные хозяйства и мелкие потребители отдают пред-
почтение все возрастающей замене других видов топлива газом
из-за его экологичности и точной дозируемости, т. е. экономично-
сти расходования, то это приведет к усилению сезонных колебаний
в сбыте газа. Однако ввиду значительной стоимости газопроводов
они должны в течение года как можно дольше работать в режиме
основных нагрузок, но при очень сильных колебаниях потребле-
ния эта цель путем устройства аккумулирующих емкостей уже не
может быть достигнута с приемлемыми затратами. К тому же
вблизи главных центров потребления часто отсутствуют геологи-
ческие предпосылки для размещения крупных газохранилищ.
В США, где эта проблема в некоторых местах уже назрела и
становятся ощутимыми проявления нехватки газа, крупные фир-
мы более 10 лет ведут исследовательские и конструкторские рабо-
ты в области производства заменителя природного газа (ЗПГ).
Вначале эти исследования были направлены на производство вы-
сококалорийного газа из нефти. Однако вследствие сильного роста
цен на нефтяное сырье в качестве исходного сырья стал активно
использоваться уголь.
После 1973 г. в Европе, особенно в ФРГ, при значительной фи-
нансовой поддержке официальных кругов также активизировались
работы по газификации угля. Усилия направлены главным обра-
зом на развитие таких процессов, как производство синтез-газа,
восстановительного газа для производства железа, а также деше-
вого чистого топлива для промышленности и электроэнергетики.
При этом отпадает необходимость расходовать на вышеперечис-
ленные цели скудные запасы природного газа, нефти или произ-
водимых из нее вторичных продуктов, но, с другой стороны, со-
храняются технологические преимущества использования газа. В
январе 1980 г. правительством ФРГ была утверждена программа
переработки угля, в рамках которой промышленность представила
12 проектов-предложений только по газификации угля. Таким об-
разом, с пуском промышленных установок для газификации угля,
начиная с середины 90-х годов, угольный газ сможет вносить
свой вклад в повышение надежности энергоснабжения.
С целью решения этих новых задач и в связи с широкими воз-
можностями использования газа из угля представляется уместным
обобщенно изложить технические предпосылки и состояние гази-
фикации угля. Цель и назначение настоящей книги — описать про-
цессы газификации и предоставить сравнимые, насколько это воз-
8
можно, количественные данные по этим процессам с тем, чтобы
облегчить деловое обсуждение преимуществ и недостатков гази-
фикации угля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ;
Jahrilicher Uberblick uber die Entwicklung der Gaswirtschaft der Bundesrepublik
Deutschland,
herausgegeben vom Bundesministerium fur Wirtschaft, Referat III C 4;
zusatzlich jeweils verbffentlicht in der Zeitschrift Gas und Wasserfach (Gas)
2. Основные реакции газификации угля
Газификацию угля можно упрощенно описать пятью основны-
ми химическими реакциями.
Газификация кислородом или воздухом (неполное горение)
С +1 2О3 = СО; ДА/ =— 123,1 кДж моль. (1)
Горение в кислороде
С + О2 — СО2; ДА/ = — 404,7 кДж моль. (2)
Газификация углекислым газом (реакция Будуара)
С СО2 — 2СО; ДА/ — 159,9 кДж/моль. (3)
Газификация водяным паром (реакция водяного газа)
С Н2О = СО + Н2; ДА/=118,5 кДж моль. (4)
Газификация водородом (гидрогазификация)
С + 2Н2 = СН4; ДА/ = — 87,5 кДж моль. (5)
При получении газовой смеси с определенным соотношением
СО/Н2 для последующего использования в ракциях синтеза имеет
значение следующая реакция:
СО + Н2О = Н2 + СО2; ДА/ = —40,9 кДж/моль. (6)
Повышение теплоты сгорания газа достигается путем метани-
зации:
СО + ЗН2 = СН4 + Н2О; ДА/ = — 205,9 кДж моль. (7)
Энтальпии реакций даны при нормальных условиях (298 К;
1,013 бар). Для углерода была принята стандартная энтальпия
образования №=12,5 кДж/моль. Таким образом учтены свойства
коксового углерода вместо графитизированного.
Приведенные уравнения (1)—(7) заключают в себя информа-
цию о стехиометрии и энергетике реакций при газификации, но
ничего не говорят об их полноте и характере протекания. Такие
сведения могут быть получены только путем учета термодинами-
ческих и кинетических закономерностей, а также условий стацио-
нарного режима.
Как и все химические реакции, обсуждаемые здесь реакции
(1)—(7) также стремятся к состоянию равновесия. Это означает,
что после достаточного времени реагирования, в зависимости от
температуры и давления, исходные и конечные продукты оказыва-
ются в устойчивом соотношении друг с другом, которое характе-
ризуется константой равновесия Кр. Индекс р показывает, что в
данном выражении отдельные компоненты представлены через их
парциальные давления.
Из термодинамических соотношений
&G"(T) - — RT\nKp(T)
и
ДО" (Г) = ДА/°(7) — 7AS"(7),
где AG° — свободная стандартная энтальпия реакции *; АН" —
етандартная энтальпия реакции; AS0 — стандартная энтропия ре-
акции; Т — температура.
С помощью эмпирических формул для расчета теплоемкостей
в зависимости от температуры для Кр может быть получено сле-
дующее выражение:
1g 7^(7)= а 74 bT^-c-r+d\gT + e.
Константы a, b, с, d, е являются эмпирическими интерполяци-
онными величинами, табличные значения которых можно найти в
литературе [1].
Для уравнений реакции (3)- (7) даются отдельные выражения
для константы и стехиометрические соотношения, которые так-
же необходимы для соответствующих полей газовых компонентов
в состоянии равновесия.
Для реакции (3):
Кр -*2со .
---—------! -Хсо Ч Асог I-
Р ХСО2
Для реакции (4):
—р со н . .р лн,о — 1, лн„о = Асо-
Р 4 го
Для реакции (5):
= Асн, + хн.= 1-
Х На
Для реакции (6):
ZG _ —соа in . . лн, 4 Лсо + Ан.о = 1 -
Асо4го
Для реакции (7):
Асн.Аню . v , J j г Л _ 1
р =-----------—, -*сн< 4 Лн2о “г Лсо ; Ан, ->
__________ АСОЛ На
* Более распространенное название функции АО0 — потенциал или энергия
Гиббса. Прим, переводчика.
10
Здесь р — общее давление, а х-—мольная доля соответствую-
щего газа. Эти величины связаны с парциальным давлением р&
через выражение хА=рд1р. Умножение мольной доли на 100 дает
объемную долю данного газа в процентах. На основе этих данных
вычисляется равновесный состав в зависимости от температуры.
При высоком давлении реальное поведение газов учитывается пу-
тем введения фугитивностей.
На рис. 1 приведены равновесные кривые, соответствующие
реакциям уравнений (3)—(7). По оси ординат откладывается объ-
емное содержание конечного продукта.
Из рис. 1 следует, что для важнейших реакций газификации
путем изменения давления и температуры в сравнительно узкой
области могут быть достигнуты значительные смещения равнове-
сия в сторону исходных или конечных продуктов.
По виду кривых можно выделить две группы реакций. Если в
реакциях (3) и (4) рост температуры благоприятствует образова-
нию конечных продуктов, то в реакциях (5)—(7) с повышением
температуры равновесие смещается в сторону исходных продуктов.
Эта информация имеет большое значение для получения желае-
мого продукта и выбора реакционной температуры.
Рассматриваемые реакции можно разделить на группы по ха-
рактеру влияния давления на равновесие. Реакция (6) практи-
чески не зависит от давления, и поэтому, если пренебречь неиде-
альностью поведения отдельных компонентов, ей соответствует
только одна равновесная кривая. Зато во всех остальных реакциях
давление оказывает влияние на равновесие. При этом можно вы-
делить, с одной стороны, реакции (3) и (4), равновесие которых с
ростом давления смещается в сторону исходных продуктов, а с
другой — реакции (5) и (7), в которых повышение давления бла-
гоприятствует образованию конечных продуктов.
Чтобы получить представтение о степени влияния давления,
на рис. 1 дополнительно нанесены равновесные кривые для повы
шейного давления 20 бар (2 МПа).
Из этих соотношений становится ясно, что при гидрогазифи-
кации угля образованию метана благоприятствуют высокое давле-
ние водорода и относительно низкая реакционная температура. За
то образование большого объема окиси углерода при газифпка
ции происходит только при высокой температуре и нормальном
давлении, так как в этих условиях равновесие практически пол-
ностью смещено в сторону окиси углерода.
При разработке технологической концепции способа газифпка
ции необходимо принимать во внимание местоположение равно-
весия рассматриваемых реакций в выбранной области температур
и давлений. В принципе из приведенных уравнений реакций (3)—
(7) и соответствующих выражений для констант равновесия мож-
но получить единственное обобщенное уравнение реакции и соот-
ветствующую константу равновесия, которая определяет равновес-
ный состав с учетом всех перечисленных реакций. Однако такой
подход является некорректным, поскольку в этом случае счита-
б
Рис. 1. Зависимость объемного содер-
жания продуктов реакции по уравне-
ниям (3)—(7) (соответственно а—д) от
температуры Т
ется, что все равновесные процессы равноправны и протекают од-
новременно друг с другом Такая картина не соответствует реаль-
ности. В газогенераторе существует пространственное распреде-
ление температур, давления и концентраций. Поэтому равновес-
ный состав пространственно изменяется в зависимости от темпе-
12
и лишь после того, как
и газ.
Состав газа, %
Рис. 2. Состав газа в слое-
вом генераторе (высота
зольного слоя 16 см)
ратуры и давления. Не все реакции протекают одновременно, не-
которые развиваются последовательно друг за другом. Состав га-
за, измеренный по высоте слоевого реактора, в котором уголь
газифицируется влажным воздухом, представлен на рис. 2 [3].
В тонком слое топлива кислород воздуха сразу же превраща-
ется в окись углерода. Разложение пара и образование окиси угле-
рода происходят в гораздо большем объеме
израсходуется кислород и нагреются уголь
Решающее влияние на действитель-
ный состав газа оказывает скорость уста-
новления равновесия, которая описывает-
ся реакционной кинетикой. Скорость хи-
мического реагирования, которая может
быть получена только экспериментально,
до сих пор не учитывалась в вышеприве-
денных рассуждениях о протекании реак-
ций, но она неявно присутствует в конфи-
гурации кривых (см. рис. 2). Скорость
очень мала для всех реакций газифика-
ции при низкой температуре и экспонен-
циально увеличивается с ростом послед-
ней. Поэтому необходимо различать со-
став газа, соответствующий термодина-
мическому равновесию, и состав, дости-
жимый согласно кинетике при заданном
времени реагирования. Равновесный со-
став продуктов реакции представляет со
бой соотношение компонентов в газовой
смеси, достижимое только в предельном
случае бесконечно долгого времени реа-
гирования при неизменных условиях, и поэтому характеризует пре-
дельно возможное состояние.
Каждая из реакций уравнений (1)—(7) имеет собственную ки-
нетику. Отсюда следует, что каждая реакция при равных реакци-
онных условиях имеет различную скорость. Поэтому не следует
ожидать, что достижение равновесных значений для всех реакций
произойдет одновременно. Дополнительное влияние оказывают
уже упоминавшиеся выше пространственные распределения кон-
центраций, температур и давлений.
В промышленном процессе газификации время пребывания оп-
ределяется скоростью течения реагирующей газовой смеси и ре-
акционным объемом. Тем самым определяется отрезок времени,
предоставляемый для развития реакции. Скорость реагирования
регулируется посредством выбора температурных условий и дав-
ления. Заданные таким образом граничные условия однозначно
определяют стационарный состав газа. Задача химической техно-
логии заключается в следующем; на основе известных граничных
условий рассчитать газогенератор таким образом, чтобы состав
сырого газа оказался по возможности близким к требуемому.
13
По вышеуказанным причинам могут получаться продуктовые
газы, в которых доли отдельных компонентов не соответствуют
термодинамически равновесным значениям. Из-за влияния термо-
динамических и реакционно-кинетических закономерностей, усло-
вий стационарности, а также дополнительного наложения рас-
пределений концентраций, температуры и давления оказывается
невозможным заранее указать точный состав продуктового газа.
Однако при этом можно вычислить его приближенно.
До сих пор не учитывались некоторые дополнительные воздей-
ствия. Прежде всего, продукты одних реакций могут влиять на
общий процесс путем торможения скорости других реакций. Кро-
ме того, в промышленном процессе, в котором используется уголь
или кокс, на скорость реагирования оказывает влияние зола.
Зола при определенных условиях селективно катализирует от-
дельные реакции газификации. Это означает, что скорость реак-
ции при определенной температуре и давлении повышается в при-
сутствии катализатора. Катализ не оказывает влияния на термо-
динамические закономерности и соответственно на состояние рав-
новесия, хотя может влиять на концентрации, достигаемые в ста-
ционарном режиме.
Так как содержание золы и ее состав варьируются от пласта
к пласту и даже внутри одного пласта, точный предварительный
расчет действительного состава газа еще более затрудняется и
при каждом составе золы будут получаться различные составы
газа. Но для конкретных видов угля оказывается все-таки возмож-
ным получить средние составы сырого газа, производимого в про-
мышленном реакторе. По вышеуказанным причинам они колеблют-
ся в определенных пределах, однако все-таки могут служить в ка-
честве вполне пригодных исходных данных для проектирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Tabellenwerte fur Konst, a, b, с usw.
a) Landolt-Bornstein, Zahlenwerte und Tabellen, 6. Auflage, Teil 4, Berlin —
Gottingen—Heidelberg, 1961
b) Nat Bureau of Standards, Circular 500
„Selected Values of Chemical Thermodynamic Properties11
Washington, 1952
с) С. E. Wicks, F. E. Block
„Thermodynamic Properties of 65 Elements — their Oxides, Halides, Carbides
and Nitrides"
Bulletin 605, Bureau of Mines, 1963
d) R. C. Weast (Ed.)
„Handbook of Chemistry and Physics"
Chemical Rubber Co.
2. S. Peter, G. Woyke, G. Baumgartel
„Zur katalytischen Wasserdampfvergasung von Kohle bei hohen Driicken"
Chem. — Ing. Tcchn. 48 (1976) Nr. 9, S. 742
3. F. Sabel
„Zur Frage der Gasbildung in Gaserzeugern"
Chem. — Ing. Techn. 24 (1952), S. 339
14
4. К. Hedden
„Die Bedeutung der Reaktionsgeschwindigkeit fur die Abgaszusammensetzung
bei Vergasungsprozessen"
Chem.— Ing. Techn. 30 (1958), S. 125
5. H. Jiintgen, К. H. van Heek
Kohlevergasung- Grund lagen und technische Anwendung
Thiemig Verlag Miinchen (im Druck)
3. Варианты способов газификации
Химические реакции, составляющие процесс газификации угля,
относятся к классу гетерогенных реакций типа газ—твердое и
сопровождаются достаточно большими перетоками энергии. По-
этому при разработке способа газификации угля ведущую роль
играют вопросы тепломассообмена. Это крайне трудная технологи-
ческая проблема: согласовать таким образом динамику химиче-
ских реакций и связанных с ними процессов тепломассообмена со
свойствами используемого угля, конструкционными материалами,
а также стационарными и динамическими режимами работы реак-
тора, чтобы получаемый сырой газ по возможности ближе соот-
ветствовал предполагаемому назначению или путем относительно
простых операций переработки или превращения приводился к тре-
буемому составу. Очевидно, что ввиду сложности суммарного про-
цесса для достижения поставленной цели приходится идти на мно-
жество компромиссов, которые могут определяться внешними гра-
ничными условиями. Этим самым объясняется наличие большого
числа самых различных способов газификации, которые были уже
опробованы или еще находятся на стадии разработки.
Для полной газификации угля необходимо подвести к нему
большое количество тепла, чтобы обеспечить энергией восстано-
вительные реакции. Поэтому в зависимости от выбранного спосо-
ба теплопередачи процессы газификации могут быть разделены на
несколько групп. Более подробная классификация проводится по
таким характеристикам, как энергоиспользование, производствен-
ные возможности и состав газа. С наиболее общих позиций спосо-
бы газификации делятся на аллотермические и автотермические
сообразно с тем, подводится тепло в реактор снаружи либо оно
производится в процессе реагирования внутри газификатора.
Аллотермический способ предоставляет больше возможностей:
либо приводить газообразный, жидкий или твердый теплоноситель
в непосредственный контакт с нагреваемым углем, либо нагревать
загружаемый уголь косвенно — через теплообменную поверхность.
Все эти варианты были уже опробованы. Прямой теплоподвод
даже нашел промышленное применение в способе «Вельцгаз», од-
нако в этом виде он годится только для газификации бурого угля
из-за низкой теплоемкости газов.
Твердые теплоносители были опробованы в нескольких новых
процессах. При этом обычно в качестве теплоносителя использу-
ется сам уголь, который сначала нагревается путем частичного
15
сжигания, а затем подается в реактор газификации. Ранее ши-
роко распространенные промышленные циклические генераторы
водяного газа, в которых чередуются периоды продувки и газооб-
разования, могут также рассматриваться как отдельный вариант
реактора с твердым теплоносителем. В данном случае в одном и
том же реакторе, но в разных местах одновременно протекают
эндо- и экзотермические процессы.
В некоторых предложенных процессах в качестве теплоносите-
лей используются также жидкости, расплавленные шлаки, метал-
лы и соли. Правда, при этом в большинстве случаев используется
только высокая теплоемкость теплопередающей жидкости, по-
скольку газификация и горение осуществляются автотермически
в том же самом реакционном пространстве. Теплопередающая жид-
кость при этом служит для быстрого нагрева загружаемого угля
и, кроме того, для выравнивания кратковременных колебаний тем-
пературы, которые могут возникать из за нерегулярности подачи
угля и газифицирующего агента. Также был опробован двухкамер-
ный способ, в котором сжигание и газификация происходят в раз-
дельных реакционных объемах. Теплообмен между камерами осу-
ществляется посредством расплавленного шлака.
В новых разработках для паровой газификации угля теплом
высокотемпературного ядерного реактора используются хорошие
теплопередающие свойства псевдоожиженного слоя для косвенно-
го подвода тепла гелиевым теплоносителем через погружные по-
верхности теплообмена.
Обычно в автотермических процессах путем изменения состава
газифицирующего агента добиваются такой согласованности пер-
вичных эндо- и экзотермических реакций, чтобы суммарный про-
цесс развивался желаемым образом. При этом наиболее часто в
качестве побочной теплогенерирующей реакции используют ча-
стичное сжигание угля с воздухом или кислородом.
Как следствие, в сыром газе, кроме значительного содержания
СО+СО2, может присутствовать азот, в то время как в аллотер-
мических способах он отсутствует. Но, с другой стороны, очень
большое преимущество состоит в том, что в автотермических про-
цессах исключаются потери при теплопередаче Кроме того, газо-
генераторы оказываются более простыми в изготовлении. Далее,
по мере необходимости путем регулирования содержания кислоро-
да в газифицирующем агенте можно быстро и точно дозировать
тепло, необходимое для реагирования. Благодаря этим преиму-
ществам все используемые в настоящее время промышленные спо-
собы газификации (см. раздел А) без исключения являются авто-
термическими.
В автотермических газогенераторах за счет применения кисло-
рода предоставляется возможность поднять температуру сущест-
венно выше, чем это возможно в аллотермических реакторах.
Вследствие этого значительно ускоряются реакции газификации
Этим способом можно также газифицировать и сравнительно
инертные угли или угли с высоким содержанием балласта. Правда,
1о
при повышении температуры необходимо тщательно следить за
тем, чтобы угольная зола или еще не достигала температуры раз-
мягчения и могла удаляться в сухом виде, или доводилась до
жидкого состояния в соответствующим образом модифицированных
генераторах с огнеупорной футеровкой. Эксплуатация в промежу-
точной области приводит к налипанию вязкой размягченной зоны
и вызывает неполадки в работе газификатора. Соответствующая
регулировка достигается путем изменения соотношения пар/кис-
лород.
Однако частичное сжигание — не единственно возможный спо-
соб генерации тепла. Во всех газификаторах при достаточно низ-
ких температурах до определенной степени может развиваться ре-
акция метанообразования [см. реакцию (5)] за счет водорода,
который образуется из водяного пара. Эта реакция экзотермпчна
и может вносить значительный вклад в тепловой баланс реакто-
ра. Превалирующая гидрогазификация, при которой водород как
газифицирующий агент непосредственно взаимодействует с углем,
развивается только после соответствующего нагрева реагентов.
При этом всегда остается не полностью газифицированный угле-
родсодержащий остаток, который необходимо утилизировать ка-
ким-либо другим способом, чтобы достичь удовлетворительной сте-
пени использования углерода.
Меньшее значение для теплового режима реактора газифика-
ции имеет слабоэкзотермическая реакция конверсии [см. реакцию
(6)], которая также протекает при невысокой реакционной тем-
пературе и наличии в газификаторе избыточного пара и окиси уг-
лерода.
В американском способе «СО2-акцептор», чтобы, по крайней
мере, отчасти компенсировать теплозатраты на паровую газифи-
кацию, используется экзотермическое взаимодействие СО2, обра-
зующегося при газификации, с обожженным доломитом, который
добавляется к загружаемому углю. Поскольку эта также не до
конца протекающая реакция поставляет недостаточное количество
тепла, акцептор и загружаемый уголь должны предварительно по-
догреваться. Следовательно, здесь речь идет так же, как и при гид-
рогенизации, о комбинированном авто-аллотермическом способе.
Хотя способ теплоподвода является существенным моментом
процесса газификации угля, все-таки для характеристики его как
процесса преобразования энергии при практическом использова-
нии доминирующей проблемой оказывается способ подвода угля и
газифицирующего агента. При выборе последнего теплоподвод
должен играть подчиненную роль. Поэтому оказалось целесооб-
разным классифицировать процессы газификации по способу под-
вода реагентов.
Противоточная подача угля и газифицирующего агента, реали-
зованная в большинстве слоевых генераторов, приводит к тому,
что в разных местах при различных температура^ .угольного слоя ..
доминируют различные реакции процесса газификая;у^ J? Л
2 Зак. 738 I ’
-I 1нв. uv. 6W5
Свежий уголь предварительно нагревается водородсодержащим
газом и подвергается полукоксованию, вследствие чего в сыром га-
зе содержится сравнительно много смол, масел и углеводород-
ных газов. Далее образовавшийся полукокс в зоне газификации
взаимодействует с перегретым водяным паром, а слабореакцион-
ный углеродный остаток в нижележащей зоне горения практиче-
ски полностью выгазовывается кислородом свежего газифицирую-
щего агента. Поток дутья нагревается при прохождении через го-
рячий слой золы и зону горения, а образовавшийся в зоне полу-
коксования и подогрева сырой газ снова охлаждается, так что,
кроме очень выгодного направления потоков, достигается отлич-
ное теплоиспользование. Для слоевой газификации используется
только кусковой уголь, который образует достаточно рыхлую за-
сыпку. До сих пор в слоевых реакторах использовались неспекаю-
щиеся или в худшем случае слабоспекающиеся угли или кокс.
Новые разработки на базе газогенератора Лурги под давлением
обеспечили возможность работы и на спекающихся углях.
Большим недостатком слоевых газогенераторов старой кон-
струкции являлась их сравнительно низкая производительность,
которая оставалась неудовлетворительной и при использовании
крупнокускового угля. Выход из этого положения заключался в
повышении реакционной температуры выше температуры плавле-
ния золы (генераторы с жидким шлакоудалением) и в переходе
к эксплуатации под давлением. Оба варианта были успешно реа-
лизованы. Правда, генераторы с жидким шлакоудалением пригод-
ны только для газификации кокса; они сейчас уже не производят-
ся. Генераторы под давлением со встроенной мешалкой могут ра-
ботать на любом кусковом угле; промышленные газификаторы та-
кого типа изготовляются до настоящего времени. В новых разра-
ботках пытаются приспособить к промышленному использованию
жидкошлаковый генератор под давлением, который может рабо-
тать на кусковом угле (не хуже, чем на слабоспекающемся). Срав-
нительно высокая производительность, достигнутая на этом газо-
генераторе, ограничивается пропускной способностью угольных
шлюзов.
Если мелкозернистая засыпка продувается воздухом при повы-
шенном давлении, то из-за высокой скорости потока она разрых-
ляется и твердые частицы приходят в колебательное, циркуляци-
онное движение. Этот принцип был использован и при газифика-
ции угля. Вследствие активного перемешивания твердых частиц
в реакторе с псевдоожиженным слоем отсутствуют четко выражен-
ные реакционные зоны, как, например, в плотном слое. Наоборот,
псевдоожиженное состояние зернистого материала обеспечивает
однородное распределение температуры по объему слоя, в резуль-
тате чего реакции газификации развиваются также гораздо одно-
роднее. В противоположность поведению твердого материала со-
став газа по высоте слоя полностью изменяется: в нижней части
слоя преобладают процессы горения; в верхней — газификации;
отдельная зона полукоксования отсутствует. Кроме того, загру-
18
жаемый уголь очень быстро нагревается до реакционной темпера-
туры.
Выделившиеся летучие вещества подвергаются гидрокрекингу
горячим водородсодержащим газом, поэтому на выходе из газоге-
нератора в сыром газе имеется очень незначительное содержание
смолы и углеводородных газов. За счет классификации газовым
потоком выносится значительно больше мелочи. Поэтому запылен-
ность сырого газа очень высока. Пыль с достаточно высоким со-
держанием углерода может быть использована как вспомогатель
ный фильтрующий материал благодаря ее большой внутренней
поверхности или может быть возвращена в газогенератор.
Благодаря присущей псевдоожиженному слою высокой под-
вижности твердых частиц, которые, кроме того, обладают большой
теплоемкостью, теплопередача от слоя к стенке или к погружен-
ной в слой поверхности нагрева осуществляется с очень высокой
интенсивностью. Это свойство использовано в новом процессе га-
зификации с целью аллотермического подвода тепла в газогенера-
тор через теплообменник («способ погружного нагревателя»). Теп-
ло, необходимое для газификации, в этом случае может подво-
диться «экологически чисто», например, из высокотемпературного
ядерного реактора с помощью охлаждающего агента. При этом
отпадает необходимость в сжигании ископаемых топлив. В таком
способе значительно возрастает выход газа на единицу введенного
топлива и соответственно уменьшается выход СО2.
Аппараты с кипящим слоем благодаря особым гидротехниче-
ским свойствам флюидизированного слоя достаточно гибки по от-
ношению к переменным нагрузкам, которые не оказывают силь-
ного влияния на термический кпд газогенератора. Эта особенность
вместе с однородным распределением температуры является осно-
вой использования техники псевдоожижения во многих новых спо-
собах газификации. Недостатками такого способа оформления про-
цесса являются ограничение на рабочую температуру (ниже тем-
пературы размягчения золы) и относительно большие габаритные
размеры газогенераторов с кипящим слоем, обусловленные нали-
чием значительного отстойного пространства над реакционной зо-
ной. В новых разработках пытаются преодолеть эти недостатки:
первый — с помощью «антиразмягчающих» добавок, второй — пу-
тем повышения давления.
Из-за интенсивного перемешивания твердого материала газоге-
нераторы с кипящим слоем нельзя отнести к противоточным аппа-
ратам. Наоборот, они скорее проявляют свойства реактора с по-
перечным или прямоточным движением реагентов. Так, например,
выходящий из кипящего слоя газ имеет фактически реакционную
температуру. В связи с этим повышается требование к использо-
ванию тепла отходящих газов, чтобы обеспечить высокий термиче-
ский кпд.
Если скорость потока газифицирующего агента увеличить на-
столько, чтобы сила воздействия на частицы превышала их вес,
то наступает режим пневмотранспорта (взвешенный поток). Во
2* 19
взвешенном потоке оказывается возможным проводить газифика-
цию при повышенной температуре. При этом не требуется очень
большого объема реактора, так как вследствие чрезвычайно быст-
ро протекающих процессов реагирования время пребывания в ре-
акционной зоне может приниматься достаточно малым. Реакцион-
ная зона в таком газогенераторе уменьшается до размеров факе-
ла, образуемого прямоточным движением угля и газифицирующего
агента. Высокая реакционная температура (более 1500 °C), кото-
рая необходима для полного использования угля и беспрепятствен-
ного жидкого шлакоудаления, достигается за счет уменьшения
содержания водяного пара в газифицирующем агенте. Газифика-
ция осуществляется главным образом в результате неполного окис-
ления углерода. Паровая газификация играет только подчиненную
роль и служит практически лишь для снижения температуры в
реакторе до уровня, определяемого термическими свойствами ма-
териалов.
Следствием такого технологического режима является высокое
содержание окиси углерода в сыром газе в зависимости от реак-
ционной способности используемого угля, который, как правило,
должен подвергаться конверсии для получения целевого продук-
та. При производстве синтез-газа этот способ имеет преимуще-
ство, состоящее в том, что в газе содержатся лишь следы метана,
а смола и другие высшие углеводороды отсутствуют.
Реактор со взвешенным потоком может работать на угле лю-
бого типа, однако для достижения высокой степени газификации
углерода требуется очень тонкое измельчение. Кроме того, вслед-
ствие высокой температуры газов на выходе из реактора необхо-
дима глубокая утилизация тепла, чтобы достичь высоких значе-
ний термического кпд. Расход кислорода для этого газогенератора
довольно высок по сравнению с другими типами реакторов. Пря-
моточное движение угля и газифицирующего агента с неблагопри-
ятными условиями для тепломассообмена в некоторых способах
пытаются модифицировать за счет организации вихревого движе-
ния с тангенциальным подводом. Вследствие различной инерцион-
ности твердого материала и газа в реакционной зоне реализуется
относительное движение фаз, улучшающее массоперенос.
Эксплуатация газогенераторов со взвешенным потоком при по-
вышенном давлении позволяет надеяться на достижение более
высокой удельной производительности. Однако до сих пор не ре-
шен удовлетворительно вопрос о подаче угольной пыли в газогене-
ратор под давлением и дозировкой угля в реакционную зону. В
настоящее время это главные трудности в разработке новых реак-
торов.
В газогенераторах с жидким теплоносителем уголь и газифи-
цирующий агент вдуваются в расплавленный слой теплоносителя,
который благодаря высокой теплоемкости способствует равномер-
ному и стабильному превращению угля, а также сглаживанию
последствий переменных нагрузок. В качестве теплоносителя бы-
ли предложены угольный шлак, расплавы солей и металлов. К
20
числу преимуществ данного способа относят сравнительную про-
стоту вывода остатка, так как остаток и теплоноситель находятся
в одинаковом (жидком) агрегатном состоянии, и относительно
простую подачу флюса для улучшения текучести шлака. При ис-
пользовании соответствующих добавок может достигаться и зна-
чительное обессеривание газа, который, кроме того, благодаря
высокой реакционной температуре не содержит смол и высших
углеводородов. Прямоточное движение угля и газифицирующего
агента оказывается благоприятным из-за рециркуляции тепла в
слое теплоносителя, однако потребление кислорода в этом генера-
торе также довольно высокое. Для экономичной эксплуатации тре-
буется развитая система утилизации отходящего тепла.
Топливные газы, производимые при газификации угля, по теп-
лотворности могут быть разделены на три группы, которые одно-
временно различаются и по целевому назначению. К низкокало-
рийным относятся газы, которые производятся паровоздушной га-
зификацией и имеют теплоту сгорания около 3,8—7,6 МДж/м3.
Из-за низкого удельного энергосодержания бедные газы не годят-
ся для транспортирования, чаще всего их используют для сжига-
ния вблизи от места производства. Процессы получения низкока-
лорийного газа в настоящее время приобретают особое значение
как предвключенные ступени для углесжигаюших электростанций
с парогазовыми турбинами.
При парокислородной газификации получают газ с теплотой
сгорания около 10,5—16 МДж/м3, который может перерабатывать-
ся в водород, восстановительный газ или синтез-газ, а также либо
непосредственно, либо после карбюризации использоваться как
топливный газ.
Путем гидрогазификации производится газ очень богатый ме-
таном с теплотой сгорания более 21 МДж/м3, который пригоден
для производства ЗПГ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Н W. v. Gratkowski,
in Ullmanns Encyklopadie der techn. Chemie
3. Aufl. Bd. 10, S. 396, Munchen u. Berlin 1958
2. J. Schmidt
Technologie der Gaserzeugung
Bd II Vergasung
Leipzig 1966
3. M. Meunier
\ergasung fester Brennstoffe und oxydative Urtiwandlung von
Kohlenwasserstoffen
Weinheim 1962
4. I. Howard-Smith u. G. J. Werner
Coal Conversion Technology: A. Review
New Jersey 1976
5. H. Hiller u. F. Bieger
in: Rohstoff Kohle, Weinheim u. New York 1978
(Sonderausgabe aus der 4 Auil. von Ullmanns Encykl. der techn. Chemie)
6. R A. Glenn (Hrsg.)
Gas Generator Research and Development
21
Survey and Evaluation, 2 Bde.
Bituminous Coal Res., Inc, Monroeville 1965
BCR Report L-156 for OCR, Dept of Int, Wash. D C
7 К Littlewood
Gasification: Theory and Application
Prog. Energy Combust. Sci. 3 (1977) 35—71
4. Основные направления развития
новых технологических концепций
Как уже упоминалось во введении, газ, полученный при гази-
фикации угля, в будущем может найти применение прежде все-
го для производства:
заменителя природного газа (ЗПГ);
синтез-газа для химической промышленности;
топливных газов для технологического и энергетического сжи-
гания;
восстановительного газа для металлургических целей, напри-
мер для прямого восстановления железной руды.
В соответствии с требованиями, которые предъявляются к газу
в каждой из перечисленных областей применения, ведется актив-
ная разработка проектов.
Во всех этих случаях потребителю выгодно получать газ под
давлением. Поэтому в настоящее время основные усилия проекти-
ровщиков сосредоточены на дальнейшем усовершенствовании су-
ществующих способов для работы под давлением, а также на раз-
работке принципиально новых технологических процессов под дав-
лением. Повышение давления позволяет прежде всего увеличить
производительность, так как соответственно повышается концен-
трация газифицирующего агента. В то же время (см. гл. 2) дав-
ление оказывает воздействие на равновесие в процессе газифика-
ции. Так, например, повышается содержание метана в сыром газе,
что является большим преимуществом для производства ЗПГ, од-
нако в других случаях оказывается невыгодным из-за необходи-
мости в дополнительной операции разделения или преобразования
(риформинга).
Путем повышения реакционной температуры содержание ме-
тана можно сделать, наоборот, достаточно малым, тогда произ-
водство синтез-газа под давлением может стать выгодным. По-
вышение давления, кроме того, благоприятно отражается на га-
баритных размерах газогенератора и скрубберов, а также дает
значительную экономию затрат на компрессию, так как произве-
денный газ занимает больший объем, чем газифицирующий агент.
К тому же при эксплуатации под давлением оказывается воз-
можным применение физических способов отмывки газа, которые
неэффективно или неэкономично работают при атмосферном дав-
лении и имеют преимущества в виде незначительной стоимости
моющего агента, минимального его потребления и в том числе
незначительного потребления энергии на регенерацию.
22
Целью разработок для многих процессов газификации является
повышение реакционной температуры. Этим прежде всего достига-
ется дальнейшее увеличение производительности и вместе с тем
уменьшение удельного объема газификатора. Кроме того, снижа-
ется выход смол или нежелательных углеводородов. За счет сдви-
га равновесия при высоких температурах получается газ с более
высоким восстановительным потенциалом вследствие низкого со-
держания СО2 и более глубокого разложения водяного пара (см.
рис. 1, а, б).
Для использования газа в качестве восстановителя железной
руды требуется восстановительный потенциал более 90 % (восста-
новительный потенциал определяется объемным содержанием (% )
восстановительных компонентов СО-|-Н2). В некоторых способах
достигнуть этой цели надеются без дополнительного обогащения
газа.
Все способы с псевдоожиженным слоем, которые представлены
среди новых разработок, имеют верхний температурный предел,
задаваемый заранее температурой плавления золы: при плавле-
нии золы псевдоожижение нарушается. В способах с плотным
слоем (с жидким шлакоудалением) и со взвешенным потоком этой
границы не существует, поскольку зола может удаляться в рас-
плавленном виде. В этих случаях температура в газификаторе мо-
жет достигать 1500—1900 °C. Для обеспечения хорошей текучести
шлака необходима очень высокая температура. Температурная об-
ласть, в которой зола только размягчается, но еще не расплавле-
на (приблизительно 1000—1500 °C), является недопустимой для
газификации угля.
В высокотемпературных газогенераторах вследствие вывода
шлака в расплавленном виде, а также высокой температуры сы-
рого газа потери тепла выше, чем в реакторах с сухим золоуда-
лением. Выше и потери излучением, что в совокупности приводят
к значительно большему потреблению кислорода. Отчасти этот
недостаток компенсируется практически минимальным потребле-
нием пара.
В высокотемпературных газогенераторах пара для регулиро-
вания верхней температурной границы требуется заметно меньше,
чем в слоевых газификаторах с сухим золоудалением, благодаря
высокой температуре пар разлагается почти полностью и его ох-
лаждающее действие оказывается существенно большим.
Преимущества высокотемпературных газогенераторов заключа-
ются в малом выходе аммиачной воды вследствие низкого потреб-
ления пара, отсутствии смол и масел, значительно упрощаются
мероприятия по защите окружающей среды. Так, например, в
слоевом способе переработка аммиачной воды из-за присутствия
в ней биологически неразрушающихся веществ требует сравнитель-
но больших затрат.
В производстве высококалорийного газа (ЗПГ) по энергетиче-
ским соображениям выгодно иметь высокое содержание метана
уже на стадии получения сырого газа, так как в уравнении реак-
23
цни механизации (7) значительная часть энергии, химически свя-
занной в реагентах, высвобождается в виде теплового эффекта
реакции. Однако при более высоких температурах образование ме-
тана подавляется. Поэтому в ряде новых способов посредством
разделения процесса газификации на несколько ступеней пыта-
ются в различных температурных областях отдельно оптимизиро-
вать реакции, составляющие процесс газификации (а иногда да-
же и путем различной организации массообмсна в реакционных
ступенях). Так, например, в способе «Хайгаз» (США) после суш-
ки уголь вначале подвергается гидрокрекингу (во взвешенном по-
токе при 650 °C) водородсодержащим газом, который получается
путем двухступенчатой газификации остаточного кокса в кипя-
щем слое, соответственно при 950 и 1050 °C. Этим способом до-
стигают содержания метана свыше 18 % в неочищенном газе.
Другая цель, которая преследуется при разработке технологи-
ческих процессов, — это желание избавиться от дорогостоящей
кислородной установки. Необходимый для газификации кислород,
как правило, получается из воздуха путем сжижения и низкотем-
пературной ректификации. Этот способ требует высоких капиталь-
ных и эксплуатационных затрат, которые удорожают производи-
мый газ. Поэтому в некоторых способах пытаются разделить на-
грев и паровую газификацию угля таким образом, чтобы вместо
чистого кислорода для сжигания можно было использовать воздух.
Подвод тепла в реактор производится следующим образом: ал-
лотермическим способом с помощью специального теплоносителя
или через теплообменник за счет нагревания угля посредством
частичного сжигания его в отдельном нагревательном устройстве
перед вводом в газогенератор. К этой же группе относится способ
газификации с использованием тепла ядерного процесса. При этом
делается еще один шаг вперед, так как для выработки тепла уголь
не сжигается, а в качестве источника тепла используется процесс
деления ядра в высокотемпературном ядерном реакторе. Таким об-
разом получают экономию за счет исключения кислородной уста-
новки и, кроме того, за счет снижения потребления угля. Конечно,
предпосылкой для реализации такой технологии является наличие
сравнительно дешевого высокотемпературного источника тепла.
Его можно еще использовать и в низкотемпературной области
для производства электроэнергии.
Из вышеизложенного следует, что разделение реакций окис-
ления и газификации автоматически требует аллотермического спо-
соба организации процесса. Преимущества — исключение кисло-
родной установки, разделение производства тепла (СО2) и произ-
водства газа (водяной пар) — и недостатки — большие потери при
теплопередаче, сужение области рабочих температур — могут вза-
имно уравниваться только в отдельных случаях, и поэтому в об-
щем случае невозможно отдать предпочтение какому-то единствен-
ному решению.
В то время как описанные выше процессы разрабатываются с
целью производства по возможности высококачественного газа,
24
процессы производства топливных газов, например для электро-
станций, представляют интерес только как способ временной пере-
дачи энергосодержания угля газообразному носителю для после-
дующего его использования в парогазотурбинном процессе. Так
как в этом случае не требуется складирования или транспортиро-
вания на дальнее расстояние, наличие азота не является помехой
и в качестве газифицирующего агента может использоваться воз-
дух. Специально для использования в комбинированном парога-
зовом процессе газ должен поставляться под давлением.
Во многих комбинированных процессах, находящихся еще в
стадии разработки, предпринимаются попытки использовать широ-
кие возможности генераторов с кипящим слоем при работе с пере-
менными нагрузками. Однако возникает проблема с газоочисткой.
Поскольку из-за наличия балластного азота получается большое
количество неочищенного газа, который выносит из газогенерато-
ра много пыли, возникает необходимость разработки укрупненных
скрубберов. Кроме того, все операции очистки должны произво-
диться при температурах выше точки росы водяного пара, чтобы
уменьшить потери неочищенного газа. Для этой цели спроектиро-
ван ряд новых способов очистки, которые к настоящему времени
находятся уже в стадии промышленной разработки. Идеальным
решением было бы осуществление обеспыливания и обессерива-
ния при высоких температурах (вблизи температуры газов на
выходе из газогенератора), чтобы в последующем использовать
газ в «горячем виде». Этот фактор является решающим при очист-
ке восстановительных газов для металлургических целей.
Важной задачей является усовершенствование механического
оборудования существующих способов. Так, например, в слоевых
способах пытаются путем встраивания подходящих мешалок сде-
лать возможным использование сильноспекающихся углей. Во
всех способах с применением повышенного давления усилия раз-
работчиков преимущественно направлены на решение вопроса с по-
дачей угля в реактор с избыточным давлением. Если в традици-
онных газогенераторах под давлением фирмы «Лурги» еще обхо-
дятся шлюзами, то для высокотемпературных газогенераторов под
давлением, которые имеют существенно больший расход, уже необ-
ходимы новые системы подачи питания, так как скорость подачи
угля определяет производительность аппарата. Поэтому чрезвы-
чайно большие потоки твердого материала, которыми оперируют в
современных процессах, оказываются препятствием на пути даль-
нейшего повышения производительности процессов газификации
угля.
Таким образом, представляется необходимым обеспечить опере-
жающие темпы разработки механического оборудования для ре-
шения общей проблемы термического оборудования для газифи-
кации угля.
25
5. Форма изложения
Систематическое изложение материала может быть организова-
но по различным принципам, основанным на множестве парамет-
ром, характеризующих процесс газификации угля. Однако доля
отдельных факторов остается в значительной степени произволь-
ной и зависит от того, какой цели должна служить разрабатывае-
мая система. Настоящее сопоставление должно облегчить обзор
современного состояния технических возможностей. По этой при-
чине в качестве грубого критерия для классификации была вы-
брана глубина технологической проработки способа и его концеп-
ции. В частности, все процессы разделены на эксплуатируемые в.
настоящее время промышленностью, процессы газификации, кото-
рые уже не будут или еще не используются в промышленности,
и процессы газификации, находящиеся в стадии разработки и на
лабораторном уровне.
Процессы с использованием тепла ядерного процесса будут
объединены в отдельной главе, поскольку основаны на новой кон-
цепции. Оправданием этому служит также тот факт, что эти спо-
собы тесно связаны с промышленными установками (ядерными
реакторами), так что подобная установка может предложить в.
экологически чистом виде тепло, газ и электроэнергию.
В последние годы возобновился интерес к подземной газифика-
ции угля, залегающего в пластах, близких к поверхности. По-
скольку, во-первых, речь идет о процессе газификации и, во-вто-
рых, в различных странах деятельность в этом направлении сегод-
ня активизируется при довольно значительных финансовых затра-
тах, представляется уместным появление подземной газификации
в обзоре по газификации угля. Конечно, специфика этого способа
не позволяет технически сравнивать его с наземными процесса-
ми, поэтому некоторые типичные технологические процессы под-
земной газификации рассмотрены в заключительной главе.
В пределах каждой из указанных групп процессы упорядочены
по применяемому типу реактора: вначале процессы со слоевыми
генераторами, затем следуют процессы с применением кипящего
слоя, затем — взвешенного потока и, наконец, способы с жидкими
теплоносителями.
Материал расположен в следующей последовательности:
А. Технологические процессы, используемые в настоящее время
в промышленности (и их дальнейшее развитие)
1. Процессы на базе генераторов с вращающейся решеткой
(генераторы двойного водяного газа)
2. Процесс «Лурги» U
3. Процесс Винклера
4. Процесс «Копперс-Тотцек»
Б. Технологические процессы, не реализованные к настоящему
времени в промышленности и находящиеся в стадии разработки
1. Процесс «Вельцгаз»
2. Процессы на базе генератора с жидким шлакоудалением
25
3. Процесс на базе генератора с жидким шлакоудалением при
повышенном давлении
4. Процесс «Лурги-Рур-100»
5. Процесс «Хайгаз»
6. Процесс «Когаз»
7. Процесс «СО2-акцептор» Lu t-
8. Высокотемпературный процесс «Винклер»
9. Процесс «Бигаз»
10. Процесс «Агломерэйтинг Аш»
11. Процесс «Синтэйн» V Н'. Wf
12. Процесс «Шелл-Копперс»
13. Процесс «У-газ»
14. Процесс «Тексако»
15. Процесс «Руммель-Отто»
16. Процесс «Саарберг-Отто»
17. Процесс «Рургаз» с вихревой камерой
18. Процесс «Комбасчен Инжиниринг»
19. Процесс «Вестингауз»
В. Процессы газификации, находящиеся в стадии проектирова-
ния (лабораторные испытания)
1. Процесс «Экссон»
2. Процесс «Хайдрэйн»
3. Процесс «Моултен Солт»
4. Газификация в расплаве железа
Г. Газификация угля с использованием тепла ядерного реакто-
ра
1. Паровая газификация бурого угля
2. Паровая газификация каменного угля
3. Гидрогазификация бурого угля
4. Гидрогазификация каменного угля
Д. Примеры использования подземной газификации угля
1. Показатели установки газификации в Ангрене (СССР)
2. Показатели установки газификации в Южно-Абинске
(СССР)
3. Результаты испытания в Ханне (США).
В настоящей книге рассматриваются прежде всего только сами
способы газификации и не принимаются во внимание различные
варианты комбинированных процессов, которые предусматривают
использование продуктового газа в парогазовом цикле производ-
ства электроэнергии. Решение основано на том, что эта ступень
технологического использования газа в принципе может быть ком-
бинирована с любым процессом газификации, но предпочтитель-
нее с работающим под давлением. Поэтому комбинированные про-
цессы вообще не ориентируются на конкретный способ, хотя ча-
ще всего они разрабатываются в связи с определенным процессом
газификации.
При рассмотрении примеров, приведенных в разделе Д, в отли-
чие от всех других способов особое внимание уделяется реактору
для переработки угля. Кроме того, необходимые для технологиче-
27
ской установки блоки, такие как, например, ступени газоочистки
и метанизации, будут описаны только в общем виде. Подборка
материала ограничивается в основном типовыми способами га-
зификации. Технологические варианты, которые незначительно от-
личаются от них, отдельно не рассматриваются.
Чтобы облегчить сравнение, а также для наглядности, все спо-
собы описываются по единой схеме, причем приведенные ниже
разделы за исключением последнего по возможности представле-
ны полно и широко. Указанные литературные источники выбраны
так, что они позволяют получить детальную информацию о рас-
сматриваемом способе. Достаточно полный охват публикаций и
патентной литературы выходит за рамки этой книги.
Описание различных способов газификации дается в следую-
щей последовательности:
схема газификации; производительность установки; характе-
ристика применяемого угля; состав и калорийность неочищенного
газа; описание процесса; производство газифицирующего агента;
техническая характеристика процесса; строительство установки;
список литературы.
Схема газификации включает краткую характеристику процес-
са, типа реактора, газифицирующего агента и условий проведения
процесса. Затем приводятся размеры единичного реактора, опро-
бованного к настоящему времени, расход угля, а также производи
тельность по газу и (если имеются данные) габариты реактора.
Если приводимые в последующем данные относятся к реактору
другого размера, то в соответствующем месте это отмечается.
Характеристика угля, используемого в соответствующих процес-
сах, включает тип угля; крупность; содержание золы и поведение
зольного расплава; углеподготовку (измельчение, сушка). При-
веденный состав неочищенного газа всегда относится к сухому,
обессмоленному газу на выходе из реактора.
Описание способа включает по возможности подробную харак-
теристику материальных потоков, проходящих через газогенера-
тор, а также непосредственно связанных с ним вспомогательных
агрегатов, подключаемых до и после газогенератора, таких как
углеподготовка, золоудаление, утилизация тепла и газоочистка.
В некоторых случаях включается тонкая газоочистка, если она
специальным образом связана с процессом газификации. Здесь же
приводятся доступные данные о динамическом поведении реакто-
ра газификации. Правда, такие сведения можно найти в литера-
туре только в единичных случаях.
В сведениях о производстве газифицирующего агента особое
внимание уделяется тому, может ли потребность в газифицирую-
щем агенте покрываться за счет утилизационного пара или требу-
ется подача пара от другой установки.
Технические характеристики позволяют непосредственно срав-
нивать различные процессы. Зачастую необходимые данные невоз-
можно было непосредственно взять из литературы. Но если пред-
ставлялась возможность однозначно рассчитать или просто пере-
28
считать показатели, то такие расчеты выполнялись. Оценки про-
изводились в исключительных случаях, а также только тогда, ког-
да они могли быть получены сравнительно простым н надежным
способом.
Для многих из описанных способов представлялась возмож-
ность привести показатели процесса газификации. При этом ис-
пользовались следующие единые определения:
степень конверсии угля; отношение содержания углерода в про
дуктах газификации к содержанию углерода в топливе;
коэффициент полезного действия (кпд) процесса газифика-
ции — отношение химически связанного тепла в осушенном газе
к химически связанному теплу в топливе;
термический коэффициент полезного действия — отношение по-
лезного химически связанного и физического тепла в продуктах
газификации к химически связанному и физическому теплу в топ-
ливе и газифицирующем агенте.
Удельные показатели по мере необходимости приведены к
массе поданного угля, к объему произведенного неочищенного га-
за и на 1 ГДж энергии в произведенном неочищенном газе (в со-
ответствии с составом газа и теплотой сгорания).
Температура выходящего газа — температура, которую имеет
газ непосредственно на выходе из реактора газификации, т. е. пе
ред котлом-утилизатором.
Данные о потреблении газогенераторами воды и энергии для
большинства способов в литературе не найдены.
Далее также приводятся имеющиеся в распоряжении данные
о разработчике, изготовителе и заказчике описанной установки.
Технологические схемы и схемы установок взяты из последних
источников или представлены по литературным данным. Приведен-
ные диаграммы были построены преимущественно на основе сбор-
ных результатов, только в исключительных случаях использовались
оригиналы.
6. Обзор способов газификации
Важнейшие способы газификации угля, рассматриваемые в на-
стоящей работе, с некоторыми техническими характеристиками,,
которые позволяют выполнить приближенную оценку состояния
технологического процесса, представлены в таблице. Так как для
обстоятельного описания способа газификации угля требуется мно-
жество параметров, которые невозможно представить в табличной
форме, значение такой краткой характеристики процесса доволь-
но ограниченное: она может служить лишь для грубой ориентиров-
ки. Напротив, в подробном описании каждого способа сделана
попытка охватить и адекватно представить все важнейшие пара-
метры. Поэтому для получения значимых выводов необходимо
всегда обращаться к подробному изложению.
29>
“ Важнейшие способы газификации угля
Наименование Лурги Винклер Рур-100 Когаз Копперс-ТотцеХ Шелл-Копперс
Состояние разра- ботки Испытан в про- мышленном масш- табе Испытан в про- мышленном масштабе Эксплуатация опытной установ- ки Опытная установ- ка Испытан в про- мышленном масштабе Опытная установ- ка
Тип углей Бурые угли, сла- боспекающийся каменный уголь В настоящее время бурые угли Различные сорта каменного угля Бурые угли, моло- дые каменные угли Все типы углей Все типы углей
Крупность угля, мм Кусковой, 6—40 Мелкозерни- стый <8 Кусковой, >3 Нет данных Пылевидный, <0,1 Пылевидный, <90 мкм
Г азифицирующий агент О2+пар О2+пар О2+пар Пар О2+пар О2 + пар
Направление ма- териальных пото- ков, тип реактора Противоточное, слоевой, вращаю- щаяся решетка Псевдоожи- женный слой Противоточное, слоевой, вращаю- щаяся решетка Псевдоожижен- ный слой, твердый теплоноситель Прямоточное, взвешенный по- ток Прямоточное, взве= шейный поток
Давление, бар (МПа) 20—30 (2—3) Атмосферное 25—45 (2,5—4,5) 1,5—3 (0,15—0,3) Атмосферное 18—35 (1,8—3,5)
Состав сырого га- за, %:
н2 36—40 35-45 39,1 58 22—32 25,6
СО 18—25 30—50 16,5 31 55-66 65,1
со2 27—32 13—25 33,5 6,6 7—12 0,8
сн4 9—10 0,5—2 9,1 4 0.1 Нет данных
Теплота сгорания МДж/м3 11,5 9—13 11,24 12,9 10,6—11,8 11,63
Удельный выход газа на ,1 т уг- ля, м3 1400—1700 1600 1343 Нет данных 1650 2100
Побочные продук- ты Смола, мазут, га- зовый бензин, ам- миак Много пыли, высшие углево- дороды Нет данных Летучая зола, жидкие углеводо- роды Отсутствуют Нет данных
Удельное потреб- ление кислорода, м3 220—300 350 238 Отсутствует 540 644
Удельное потреб- ление пара, т 1—1,4 (давление 30 бар) 0,88 (пар низ- кого давления) 1,81 Нет данных 0,24 (пар низ- кого давления) 0,1
Степень конверсии угля, % 99 90 Нет данных 96 90—96 99
Кпд газификации, % 75—85 75 68 70—77 77,5
Термический кпд, % 75 80 и 86 75—85 Нет данных
к>
Продолжение габл
Наименование Тексако Би-Газ Хайгаз Саарберг-Отто Способы с использованием тепла высоко- температурного ядерного реактора
Паровая газификация Гидрогазификация
Состояние разра- ботки Опытная уста- новка Опытная уста- новка Опытная уста- новка Опытная-уста- новка Полупромыш- ленная уста- новка Полупромышленная ус- тановка
Тип углей Все типы углей Все типы углей Все типы углей, кроме антра- цитов Все типы углей Каменные угли Бурые угли
Крупность угля, мм Пылевидный, <90 мкм Пылевидный, <1 Пылевидный, <1 Мелкозерни- стый, <3 Мелкозерни- стый, <0,1 Мелкозернистый, <0,1
Газифицирующий агент Оэ+пар О2 + пар О2+пар О2+пар (воздух) Пар Водород
Направление мате- риальных потоков, тип реактора Прямоточное, взвешенный поток Прямоточное, взвешенный по- ток Комбиниро- ванный много- ступенчатый процесс, взве- шенный поток/ псевдоожижен- ный слой Прямоточное, жидкий тепло- носитель Псевдоожи- женный слой Псевдоожиженный слой
Давление, бар (МПа) 18—35 (1,8—3,5) 35—100 (3,5-10) 70 (7) До 25 (2,5) •10 (4) 80 (8)
Состав сырого га- за, %: При раз- ложении метана С предвари- тельным по- догревом гидрирую- щего газа
Зак. 738
ез
М2 35 32 30 Около 311 54 63 38
со 52 21 24 Около 38 19 40 15
со2 12 29 24,5 10 18 0,7 16
СП, 0,1 15 18,5 0,5 6 31 21
Теплота сгорания, МДж/м3 11,2 13,6 15 11 12,9 21 15
Удельный выход газа на 1 т угля, м3 1884 Нет данных Нет данных Нет данных 2340 890 810
Побочные продук- ты Нет данных я Жидкие углево- дороды Я Смола, мазут, аммиак Остаточный кокс Остаточный кокс
Удельное потреб- ление кислорода, м3 610 450 1370 я Отсутствует Отсутству- ет, Н2 —550 Отсутству- ет
Удельное потреб- ление пара, т — 1,2 (пар низко- го давления) 0,96 (пар низ- кого давления) м 2,2 (давление 43 бар) 0.44 (давление 41 бар) 0,33 (давле- ние 82 бар)
Степень конверсии угля, % 90—95 Нет данных 96—99 99,5 Нет данных 63 60
Кпд газификации. % До 74 »» Нет данных 73 я Нет данных Нет данных
Термический кпд, % 92 я Я 88—94 я 89 93
В таблице приведены следующие технологические характери-
стики. Первая строка указывает на технический уровень реализа-
ции способа, следующие три строки дают сведения об используе-
мом газифицирующем агенте и предъявляемые требования к углю.
Для некоторых способов были проведены успешные испытания,
нацеленные на расширение ассортимента используемых углей,
но это требует соответствующей модернизации реактора (напри-
мер, способ «Лурги» для газификации под давлением).
В пятой строке сообщается о направлении относительного дви-
жения материальных потоков (топлива и газифицирующего аген-
та). Шестая строка содержит данные о рабочем давлении. Седь-
мая строка (состав неочищенного газа, теплота сгорания), восьмая
(удельный выход газа) и девятая (побочные продукты) характе-
ризуют технологические продукты. Теплота сгорания неочищенно-
го газа определяет область применения газового продукта. Тепло-
та сгорания ниже 7 МДж/м3 (осушенный неочищенный газ при
нормальных условиях) получается при частичном сжигании с воз-
духом и означает, что речь идет о топливном газе с высоким со-
держанием азота. При частичном сжигании с кислородом получа-
ется водяной газ с теплотой сгорания примерно до 11,5 МДж/м3,
который может найти применение как синтез-газ и т. д. При бо-
лее высокой теплоте сгорания неочищенный газ имеет значитель-
ное содержание метана, что позволяет использовать его для даль-
него газоснабжения или для переработки в ЗПГ. При гидрогази-
фикации достигается теплота сгорания более 20 МДж/м3, но при
этом способе образуется остаточный кокс, который может быть
использован, например, для производства водорода.
Десятая и одиннадцатая строки дают информацию о среднем
удельном потреблении газифицирующих агентов (кислород, пар).
В последних трех строках приводятся коэффициенты полезного
действия, определения которых были приведены во введении.
А. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ
В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
1. Процессы на базе газогенератора
с вращающейся колосниковой решеткой
В промышленной технологии газификации твердых горючих иско-
паемых генераторы с колосниковой решеткой известны давно. Од-
нако характерные для этих генераторов трудности с золоудалени-
ем часто приводили к нарушениям эксплуатационного режима и
простоям Внедрение генераторов с вращающейся колосниковой
решеткой, которое началось на рубеже столетий, повысило надеж-
ность непрерывного производства и улучшило условия технической
эксплуатации, что способствовало их широкому распространению.
В настоящее время вновь возрождается интерес к использова-
нию генераторов такого типа для производства низкокалорийного
газа, особенно в тех районах, где отсутствует сеть газоснабжения
природным газом и имеется в распоряжении дешевый уголь.
Так как практически все генераторы с вращающейся решеткой
имеют в принципе одинаковую конструкцию, представляется оправ-
данным, несмотря на некоторые конструкционные различия, рас-
смотреть их обобщенно. В качестве примера приведены эксплуата-
ционные показатели газификации угля по технологии «Веллманн-
Галуша» как наиболее характерные для данного типа генераторов.
Такие процессы, как, например, ДЕМАГ, процессы компаний
«С. Отто ГмбХ» и «X. Коппере ГмбХ», упоминаются только в ссыл-
ках на литературу.
Газогенератор с вращающейся колосниковой решеткой состоит
из цилиндрической шахты, которая в некоторых конструкциях ко-
нически сужается в нижней части. Диаметр шахты в большинстве
случаев колеблется от 1,5 до 3 м, но может достигать и 5 м. Стен-
ка выполняется водоохлаждаемой либо полностью или частично
футерованной. Шахта имеет прочное перекрытие, на котором раз-
мещены загрузочные устройства. Нижняя часть генератора, кото-
рая включает вращающуюся колосниковую решетку и водяную
ванну, может приводиться во вращательное движение вокруг оси
шахты с помощью собственного привода.
Описанная выше конструкция является наиболее распростра-
ненной. Для спекающихся углей было разработано несколько
специальных конструкций. Так, например, в верхней части газоге-
нератора была установлена мешалка для разрыхления спеков.
Иногда решетку выполняют неподвижной, а вращается шахтная
3* 35
стенка. В целом, однако, считается, что эти различия несуществен-
ны, но, тем не менее в разных исполнениях существуют различия
в автоматизации, механической надежности, поведении под нагруз-
кой, а также в способности перерабатывать угли различного ка-
чества.
Газогенератор загружается углем сверху через загрузочное
устройство. Газифицирующий агент, насыщенный паром воздух или
парокислородная смесь вдувается снизу через вращающуюся ре-
шетку. При этом благодаря специальной конструкции решетки
достигается равномерное распределение воздуха.
Благоприятное с точки зрения теплового режима противоточ-
ное движение газифицирующего агента и угля образует по высоте
слоя несколько зон с понижающейся снизу вверх температурой, в
каждой из которых преобладают определенные процессы. В верх-
ней зоне шахты загружаемый свежий уголь подсушивается встреч-
ным потоком горячего газа. В нижней зоне происходит полукок-
сование сухого угля горячим газом с образованием продуктов пи-
ролиза. К этой зоне примыкает зона газификации. В ней предва-
рительно нагретый уголь вступает в эндотермическую реакцию с
перегретым газифицирующим агентом. Остающийся малореак-
ционный кокс сжигается в зоне горения, поставляя тепло, необхо-
димое для газификации Непосредственно на решетке расположен
горячий слой золы, в котором предварительно нагревается гази-
фицирующий агент. Вывод золы осуществляется непрерывно пу-
тем очень медленного вращения плоской или конической колос-
никовой решетки, которая во многих газогенераторах охлаждается
водой и, кроме того, часто изготовляется эксцентрической для
улучшения золоудаления. Иногда предусматриваются дополнитель-
ные устройства для измельчения кусков шлака. В зависимости от
того, выводится зола в сухом виде или через герметичную водяную
ванну в нижней части реактора, различают сухое золоудаление
или гидрозолоудаление.
Газогенераторы с вращающейся колосниковой решеткой наи-
более подходят для газификации кокса. В этом случае исключа-
ется насыщение продуктового газа продуктами полукоксования.
При использовании угля при полукоксовании высвобождаются ле-
тучие составляющие. Тем самым повышается калорийность про-
дуктового газа, но, с другой стороны, продукты пиролиза, такие
как смола и фенолы, а также газы (сероводород и аммиак) значи-
тельно затрудняют переработку сырого газа. В газогенераторах
рассматриваемого типа продукты пиролиза разбавлены газом, и,
следовательно, их концентрация сравнительно мала.
С целью получения более высоких концентраций были разра-
ботаны газогенераторы с двойной шахтой. В них большая часть
образующегося при газификации так называемого «чистого газа»
отводится непосредственно после зоны газификации. Свежий уголь
подвергается полукоксованию только остатками газа. Этот техно-
логический прием приводит к тому, что температура полукоксова-
ния оказывается ниже, чем в одношахтном газогенераторе с вра-
36
щающейся решеткой, что позволяет также снизить унос мелочи.
Получаемая смола более лучшего качества. Она менее загрязне-
на, содержит меньше пека и легче конденсируется.
Еще один побочный продукт образуется в газогенераторах, ос-
нащенных водяной рубашкой. В зависимости от типа газогенера-
тора в нем производится пар от низкого давления до среднего. Ес-
ли получается пар низкого давления (до 1,5 бар), то он использу-
ется в основном для насыщения газифицирующего воздуха. Пар
среднего давления (от 10 бар и выше) частично расходуется для
насыщения дутьевого воздуха.
Газогенераторы водяного газа по существу также являются га-
зогенераторами с вращающейся решеткой. В них непрерывный
процесс газификации воздухом, насыщенным водяным паром, за-
меняется дискретным режимом с чередующимися периодами про-
дувки и газообразования. В первой фазе генератор продувается
воздухом и нагревается за счет сжигания угля. Во второй фазе
на раскаленный кокс подается пар. В результате эндотермического
превращения при охлаждении кокса образуется водяной газ с
высокой концентрацией двуокиси углерода и водорода. За нагре-
вом следуют газовый период и снова период продувки. Такие
газогенераторы, эксплуатируемые при давлении, близком к атмос-
ферному, имели производительность до 3,5 т/ч угля (или 80 т/сут)
и раньше были широко распространены. Их изготовляли для
промышленных целей до конца 50-х годов нашего столетия. Од-
нако с уменьшением производства газа из угля этот тип генера-
тора также потерял свое значение.
В настоящее время в некоторых странах еще действуют уста-
новки, в которых производство газа осуществляется на базе газо-
генераторов с вращающейся колосниковой решеткой. Кроме того,
в последнее время началось возрождение этого типа генератора и
подобные установки сооружаются в целом ряде стран.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1 Общая
Р. Dolch, Wassergas, Chemie und Technik der Wassergasverfahren
Leipzig 1936
W. Gumz, Gas Producers and Blast Furnaces
New York 1950
P. Dolch, Gas- und Wasserf. 41 (1932) 807
G. W. C Allan, J. Inst. Fuel 28 (1955) Sept. 458
Konferenzbenchte, Internationale Tagung fiber die restlose Vergasung von ge-
forderter Kohle, Lfittich 3 8 Mai 1954
Annales des Mines de Belgique, Brussel 1954
H. von Gratkowskj in Ullmann’s Encyklopadie der techn. Chemie, 3, Aull.
Bd. 10, Mfinchen u. Berlin 1958
2. Специальные процессы
Процесс «Керпели-синтезгаз»
— Н. R Batchelder, R G Dressier, R. F. Tenney, R. E. Kruger, R. D. Siegur
Am. Gas. Ass. Proc. 348 -354 (1950)
— L. F. Willmott, H. R. Batchelder, R. F. Tenney
U. S. Bureau of Mines Rep. Invest. 5108 (1955)
Разработчик: нет данных.
37
Предприятие, эксплуатирующее установку: Горное бюро США.
Местонахождение: Луизиана, Миссури (США).
Процесс «Пауэ Газ Меканикл»:
— Р. М. К. Embling, J. Inst. Fuel. 18 (101) (1945) 114
—• Р. М. К. Embling, Int. Conf. Complete Gasif. Mined Coal, Liege 1954, S. 66
— Brit. P. 539664 (Sept., 19, 1941)
— Brit. P. 547 155 (Aug. 17, 1942)
Разработчик: компания «Пауэ Газ Корпорейшн».
Предприятие, эксплуатирующее установку: нет данных.
Местонахождение: а) Южный Стаффордшир (Великобритания); б) Оулдбари
(Великобритания).
Процесс «Юнайтд Газ Импровмеит (ЮГИ)»:
— I. W. Blatchford, Am. Gas. Ass. Progr. 652 (1950)
Разработчик: компания «Юнайтд Инжинирс энд Констракторс».
Предприятие, эксплуатирующее установку: а) Е. И. Дюпон де Немур; б) Га-
зовый завод в Филадельфии.
Местонахождение: а) Белле, Зап. Виргиния (США); б) г. Филадельфия
(США).
Процесс «Келлогг»:
— Anon., Oil and Gas Journal 72 (36) (1974) S. 86—88
Разработчик: компания «М. В. Келлогг».
Предприятие, эксплуатирующее установку: нет данных.
Местонахождение: нет данных.
Процесс «Интернэшнл Фёнэйс Эквипмент (ИФЭ)»:
— Anon., Modern Gas Plant, Broschiire der Intern. Furnace Equipment Co.,
Ltd., Birmingham, U. K.
Разработчик: компания «Интернэшнл Фёнэйс Эквипмент».
Предприятие, эксплуатирующее установку: нет данных.
Местонахождение: нет данных.
Процесс «Демаг»:
— S. A. Burke, G. A. Sparham, J. Iron and Steel Inst. 172 (1952) S. 257
— О. V. Neudeck, Bericht A 3. Intern. Tagung
Kohlevergasung, Liittich Mai 1954
Brennstoff Warme Kraft 4 (1952) S. 128
ДЭ (Дженерал Электрик) — процесс (ДЕГАЗ):
— Anon., World Coal 4 (1978) April, S. 36
Разработчик: нет данных.
Предприятие, эксплуатирующее установку: компания «Дженерал Электрик»
Местонахождение» Скенектади, Нью-Йорк.
Процесс «Рилей»:
— W. Р. Earley, R. A. Lisaukas, А. Н. Rawdon, Proc, of the 88 th. Nat. Meeting
fo AIChE, Philadelphia, Pennsylvania, 12.—8. Juni 1980.
Разработчик: компания «Рилей Стоукер Корпорейшн», Ворсестер, Массачу-
сетс, США.
Генераторы компаний «Д-р С. Отто и К° ПмбХ» и «X. Коппере ГмбХ» описаны
в Ульмановской энциклопедии технической химии, 3-е издание, т. 10, издатель-
ство «Урбан и Шварценбах», Мюнхен—Берлин, 1958.
3. Генераторы газа полукоксования
Владельцами установок были или являются газовые заводы многих городов.
Двухстадинный процесс ВД/ГИ:
— J. Williams, Industrial Fuel Gas from Coal by Two-Stage Gasification.
Broschiire der Woodall-Duckham Ltd. Crawley, U. K., 1974
— Schuster, Gas- u. Wasserfach 93 (1952) 57
— F. Domann u. H. Schmitt, Erdol u. Kohle 12 (1959) 883
Разработчик: компания «Импнанти Газ Интернанионали СпА», Мэйленд (дочер-
нее предприятие компании «Бэбкок—Вуделл Дакхем»).
Процесс «Интеграл»:
— F. Schflssel, Montan Rundschau, Sonderheft, Juni 1957
— D. Hillmann, Gas- u. Wasserfach 108 (1967) H. 27 (Gas)
Разработчик: компания «Интеграл Инжиниринг Индустрибедарф ГмбХ», Вена.
Процесс «Стоик» (Процесс «Фостер—Уиллер—Стоик»):
38
— Anon., Coal Age, Dzember 1977, S. 148—151
Разработчик: компания «Стоик Комбасчен», Южная Африка, «Фостер Уиллер
Энеджи Корпорейшн».
Местонахождение: Университетский городок, Дулут, Миннесота, США.
Процесс «Колегаз Нордрейн (КГН)» («Проектирупг Хемнше Ферфарепстехник»
(ПХФ) (новая разработка для газификации забалластированного каменного
угля):
— Broschiire der Fa. Projektierung Chemische Verfahrenstechnik GmbH (PCX’),
Dusseldorf
— Anon., Werkszeitschrift Gewerkschaft Sophia Jacoba 1977, Nr. 2
— W. Kaimann. EA Coal Research, Coal Abstracts, Aug. 1980
4, (8), 4048
Разработчик: нет данных.
Предприятие, эксплуатирующее установку: «Колегаз Нордрейн ГмбХ» (Со-
вместное предприятие «Геверкшафт София Якоба» и ПХФ).
Местонахождение: шахта «Хюкельховен».
Процесс «Веллман-Галуша» (пример технологии на базе
газогенератора с вращающейся решеткой)
Паровоздушная газификация. Схема газификации:
автотермическая газификация угля воздухом и паром при атмос-
ферном давлении в неподвижной засыпке в газогенераторе с вра-
щающейся колосниковой решеткой. Способ был разработан в США
компанией «Мак Доувелл Веллман Инжиниринг» и реализован
на двух промышленных установках для производства отопитель-
ного газа из каменного угля. Другими фирмами были также по-
строены небольшие установки, однако неизвестно, были ли они
введены в эксплуатацию. Согласно последним сообщениям в США
в различных местах предполагается вновь начать эксплуатацию
газогенераторов типа «Веллман-Галуша».
Ниже будут приведены эксплуатационные характеристики при
использовании в качестве дутья воздуха, а затем результаты опы-
тов с использованием кислорода и пара.
Производительность. Газогенератор с внутренним диаметром
3 м и сечением 7,3 м2 с расходом угля 3,2 т/ч производит
12 100 м3/ч газа.
Характеристика применяемого угля. Приведенные данные были
получены на каменном угле с высоким содержанием летучих ве-
ществ (округ Логан, Цедар Гроув Сим, Зап. Виргиния); в прин-
ципе могут применяться спекающиеся и неспекающиеся угли, но
для спекающихся требуется перемешивающее устройство. Непре-
рывное золоудаление осуществляется посредством эксцентриче-
ской вращающейся колосниковой решетки.
Характеристика угля
Влажность, % . . . 37
Выход летучих веществ, % .............. 36,3
Содержание, %:
углерода (связанного) 56,6
золы.............................. . 3'5
Теплота сгорания, МДж/кг 32,54
Крупность угля, мм........................................ 6—50
Температура размягчения золы, °C 1450
39
Данные по углеподготовке отсутствуют.
Неочищенный газ (осушенный и обессмоленный) на выходе из
генератора имеет следующий состав, %:
Н2 . 15
СО . 28,6
С02 3,4
СН< . . 2,7
N2 . 50,3
H2S Нет
данных
Теплота сгорания неочищенного газа составляет 6,587 МДж/м3
(1573 ккал/м3).
Описание процесса. Уголь подается в верхнюю часть газогене-
ратора из накопительного бункера системой шлюзов. Мешалка
служит для равномерного распределения угля и препятствует его
агломерации. От пода газогенератора навстречу углю движется
поток газифицирующего агента — насыщенного паром воздуха.
Уголь газифицируется, зола непрерывно выводится через эксцен-
трично вращающуюся решетку в золосборник. Газогенератор ох-
лаждается водой, производимый при этом пар служит газифици-
рующим агентом. Пылеулавливание и очистка газа осуществля-
ются известными способами. Более подробные данные отсутствуют.
Производство газифицирующего агента — а) воздух: воздухо-
дувка; б) пар: насыщение дутья паром из водяной рубашки газо-
тенератора.
Техническая характеристика паровоздушной газификации
Степень конверсии угля, %............................................. 98
Кпд, %:
газификации......................................................... 72
термический......................................................... 92
Степень разложения пара, % 25,5
Входные потоки
расход
воздуха, м3/ч .
пара.................................
угля, т/ч............................
соотношение пар/кислород ...
Выход продуктов-
неочищенный газ, м3 на 1 т угля .
смола, кг на 1 м3 неочищенного газа
Рабочее давление .......................
Выходящий газ:
температура, °C
давление, бар ... . .
Расход воды для охлаждения газогенерато-
ра, м3/ч . . . .
Расход:
угля на газификацию, т/ч . .
электроэнергии, кВт • ч/т
10 300 (0,85 м3 на 1 м3 неочищен-
ного газа или 3 200 м3 на 1 т
угля)
Нет данных
3,2 (0,264 кг на 1 м3 неочищенно-
го газа)
Отсутствует
3788
0,1
Атмосферное (возможен неболь-
шой наддув от 1,1 до 3 бар)
600-650
1,15
17,5 (5,5 м3 на 1 т угля нли 1,5 л
на 1 м3 неочищенного газа)
3,2
50
Г азоочистка. Без дальнейшей очистки газ имеет ограни-
ченное применение из-за наличия взвешенных твердых частиц.
Длительная непрерывная эксплуатация невозможна, так как при-
40
мерно каждые 3—4 мес требуется очистка системы газопроводов.
Газоочистка и охлаждение для переработки в чистый топливный
газ значительно увеличивают капитальные и эксплуатационные
затраты.
Строительство установки осуществлено компанией «Мак Доу-
велл-Веллман Инжиниринг», Кливленд (США).
Предприятие, эксплуатирующее установку: компания «Мак
Доувелл-Веллман Инжиниринг», Кливленд (США).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. McDowell-Wellman, Bull. 147, 1—16
2. G. М. Hamilton, in Annual Meeting AIME, St. Louis, 1961
3. G. M. Hamilton, Cost. Eng. 8 (3) 4—11 (1963)
4. Anon, Coal Age, May 1977, S. 37 u. 79
Парокислородная газификация. Схема газифика-
ции аналогична предыдущему процессу, однако использование кис-
лорода из-за более высоких реакционных температур требует мо-
дификации реакторной рубашки. Но в принципе реакторы одина-
ковы.
Производительность. Газогенератор с внугренним диаметром
3 м, площадью горения около 8 м2 и реакционным объемом около
21,7 м3 при использовании углей А и Б (см. III) имел следующие
показатели:
Производство газа: А Б
м3/ч 3200 2750
Гкал/ч 8.2 6,7
Расход угля, т/ч 1,25 1,13
Характеристика используемого угля приведена ниже.
А Б
Тип Кокс
(пенсиль- ванский) (сухой)
Теплота сгорания, МДж/кг (ккал/кг) Содержание, %: . 28,6 (6800) 27,9 (6666)
ЗОЛЫ 10,9 12,5
серы . . 0,6 0,6
углерода 84,3 87,5
Выход летучих веществ, % 4,8
Индекс вспучивания 0 0
Крупность, мм ... . '<10 2—70
Температура размягчения золы, °C 1550 1200
Зола удаляется непрерывно.
Углеподготовка включает сушку, измельчение, коксование.
Неочищенный газ (осушенный и обессмоленный) на выходе из
генератора имеет следующий состав, %: А Б
А Б
Н2 . 41,0 31.0 СН4 0,9 0,4
О2* . 0,1 0,6 n2 . 1,5 2.6
СО . со2 . , * Возможна 40,0 . 16,5 погрешность 54.1 11,3 анализа. H2S Нет данных Нет данных
41
Теплота сгорания неочищенного газа из углей типов А, Б со-
ответственно составляет 10,635 и 10,132 МДж/м3.
Описание процесса.
См. предыдущий способ.
Производство газифицирующего агента — а) кислород: кисло-
родная установка; б) пар: нет данных.
Техническая характеристика парокислородной газификации
А Б
Степень конверсии угля, %
Кпд, %:
газификации .................
термический..................
Степень разложения пара, %
Входные потоки:
расход кислорода, м3:
на 1 т угля ....
на 1 м3 неочищенного газа
на 1 ГДж
расход пара:
т, на 1 т угля.............
кг, на 1 м3 неочищенного газа
Нет данных Нет данных
85,6 81,9
95.6 88,8
53 62
540 558
0,21 0,23
20 23,4
1,41 1
0,55 0,41
т, на 1 ГДж................
расход угля, кг/м3(т/ГДж) .
Соотношение пар/кислород, кг/м3 . . .
Выход продуктов:
неочищенный газ, м3 на 1 т угля
смола ...................................... . .
Рабочее давление, бар
Температура газа иа выходе
Рабочая температура .
Расход воды . . .
Расход электроэнергии и угля
0,05 0,04
0,39 (0,036) 0,41 (0,04)
2,61 1,78
2564 2439
Нет данных Нет данных
1
Нет данных
Газоочистка: нет данных.
Строительство и разработка: см. предыдущий способ.
Предприятие, эксплуатирующее установку: см.
выше.
Местонахождение: см. выше.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. С. С. Wright, L. L. Newman, Am. Gas. Assoc. Proc. (1947) 701
2. С. C. Wright, К. M Borchay, R. F. Mitchell,
Ind. Eng. Chem. 40 (4) (1948) 592
2. Процесс газификации под давгением „Лурги“
Схема газификации: автотермическая газификация под давле-
нием в слоевом реакторе с противоточным движением угля и па-
рокислородной смеси.
Производительность. Газогенератор «Лурги» с успехом исполь-
зовался многочисленными предприятиями во многих крупномасш-
табных промышленных установках. Давно разработанный процесс
43
ДО сих пор является единственным крупномасштабным и достаточ-
но совершенным процессом газификации под давлением. Несмот-
ря на то что многие технологические ступени этого процесса еще
будут совершенствоваться, в техническом отношении этот способ
в настоящее время наиболее глубоко разработан. Промышленные
газогенераторы в Сасолбурге и Секунде (Южно-Африканская
Республика) — крупнейшие в мире установки для газификации
угля. Приведенные ниже эксплуатационные показатели установ-
ки в Сасолбурге были опубликованы компанией «Лурги» и явля-
ются усредненными для аналогичных промышленных установок.
Кроме того, по мере возможности учитывались результаты, полу-
ченные на установках акционерного общества «Штейнколенгаз»
в Дорстене (ФРГ), которые эксплуатировались в 1957—1967 го-
дах:
Диаметр реактора, м ................................Около 3,6—4
Расход угля, т/ч............................. ... 15
Производительность по газу, м3/ч 55 000
Удельный расход угля, т/(м2-ч) ..... 1,2
Удельная производительность по газу, м3/(м2-ч) . 4500
Эти результаты были получены (в оптимальном режиме) на
установке в Сасолбурге и являются средними за последние не-
сколько лет. По данным фирмы «Лурги» новые газогенераторы
диаметром свыше 4 м и высотой слоя топлива более 4—5 м при
давлении 30 бар могут производить неочищенного газа до
75 000 м3/ч. Планируется также соорудить в ЮАР в качестве про-
тотипа 5-метровый газогенератор производительностью более
100 000 м3/ч неочищенного газа.
Некоторые усовершенствования касаются газогенераторов с
Воздушным дутьем взамен кислорода. На электростанции «Кел-
лерманн» близ Люнена (ФРГ) в демонстрационной установке бы-
ла опробована совместная эксплуатация газогенератора «Лурги»
под давлением (воздушное дутье) с электростанцией, работающей
по комбинированному парогазотурбинному циклу. Опыты завер-
шены. Были проведены исследования с целью подбора наиболее
подходящего угля и опробованы различные модификации серо-
очистки.
Дальнейшие усовершенствования технологии «Лурги» под дав-
лением — это отдельно описанные процессы: газогенератор высо-
кого давления с жидким шлакоудалением фирмы «Бритиш Газ
Корпорейшн» и процесс «Лурги-Рур 100». В Европе эксплуатиру-
ются газогенераторы, основанные на принципе «Лурги», в част-
ности в ЧССР, ГДР (комбинат «Шварце Пумпе», около 30 газо-
генераторов) и СФРЮ.
Используемый уголь. В Сасолбурге перерабатывается неспе-
кающийся каменный уголь с влажностью 19,7 % и выходом лету-
чих веществ (на сухую массу) 22,3 %.
Уголь имеет следующий состав на сухую массу, %:
44
С 50,8 N 1,2
Н 2,8 S 0,5
О 8,8 Зола 39,5
В Вестфнлде, а также на ранее эксплуатировавшихся промыш-
ленных установках в Дорстене и Колешилле перерабатывался
слабоспекающийся уголь с индексом вспучивания менее 2. В аме-
риканском промышленном проекте предполагается использовать
также сильноспекающиеся угли, например, питтсбургский уголь с
индексом вспучивания 6,5 и индексом спекания 28. Соответствую-
щие испытания по газификации были успешно проведены в Вест-
филде. Образующийся в газогенераторе вследствие спекания угля
газонепроницаемый слой постоянно разрушался специально встро-
енной мешалкой. По мнению специалистов фирмы «Лурги», имеет-
ся немного углей с таким составом, который препятствовал их ис-
пользованию в газогенераторах «Лурги» под давлением.
Крупность угля. В Сасолбурге было установлено, что наи-
лучшне результаты получают на угле крупностью 6—40 мм, хотя
при испытаниях на различных установках использовался и неклас-
сифицированный уголь, при этом требовались иные режимные ус-
ловия, чем при нормальной эксплуатации, а также заметно сни-
жалась производительность газогенератора. Доля мелочи (менее
1 мм) при испытаниях с углем «Сасол» составляла не более 7 %.
Зола Верхняя граница допустимого содержания золы состав-
ляет в нормальном случае около 35 %, однако газификации под-
вергались и высокозольные угли. Уголь должен иметь минималь-
ное содержание золы. Температура размягчения золы (уголь «Са-
сол»— 1340 С) должна быть по возможности высокой; она опре-
деляет соотношение пар/кислород, при котором реактор может экс-
плуатироваться Нижняя граница интервала размягчения золы
должна находиться около 1000 °C.
Углеподготовка. Для оптимальной эксплуатации необхо-
димо раздробить сырой уголь, классифицировать его и по возмож-
ности высушить. Предельно допустимая влажность угля равна
примерно 30 %. Но общее содержание балласта не должно пре-
вышать 45 %. Если доля мелочи не очень велика, неклассифици-
рованный уголь также обладает достаточной проницаемостью, но
при этом снижается мощность реактора.
Состав неочищенного газа (без влаги и смолы). Получаемый
на установке в Сасолбурге газ используется главным образом как
синтез-газ, частично после СО2-отмывки как коммунальный газ.
Побочные продукты (смола, вода, насыщенная газами, газовый
бензин) также перерабатываются в товарные продукты.
Характеристика неочищенного газа, полученного от различ-
ных типов углей, приведена ниже.
Тип угля Обычный «Сасол» «Дорстен»
Содержание, %:
Н2 38 40 39,1
СО 24 18 22,8
со2 28 31 27,4
сн4 10 9 9,6
45
N2............................... ... Нет данных 1 0,5
H2S................................ . Нет данных 1 0,5
Теплота сгорания:
МДж/м3 11,8 11,2 117
ккал/м3 . . . 2830 2670 2788
Описание процесса. Сырой уголь вначале отмывают, дробят,
классифицируют и при необходимости сушат. Затем его подают
в газогенератор через периодически работающий шлюз, механи-
чески распределяя по сечению шахты. При газификации спекаю-
щегося угля предусматривается распределитель со специальным
устройством, которое разрыхляет слой угля в процессе подогрева
и выгазовывания и препятствует спеканию кокса в большие куски.
Газификация осуществляется при давлении около 30 бар с ис-
пользованием парокислородной смеси, которая вдувается в реактор
через вращающуюся колосниковую решетку. Лежащий на решетке
слой золы обеспечивает равномерное распределение и подогрев
газифицирующего агента. В тонкой зоне горения газифицирую-
щий агент нагревается до реакционной температуры (по данным
фирмы «Рудольф» около 600—700 °C). Затем следует зона, в ко-
торой преимущественно идет газификация водяным паром, в сле-
дующей зоне осуществляются дегазация и гидрогазификация угля
(при 500—600 °C). Далее сырой газ подсушивается углем, мед-
ленно движущимся вниз, и затем при температуре между 300 и
800 °C (в зависимости от типа угля) он покидает газогенератор,
который выполнен в виде сосуда с двойной стенкой с испаритель-
ным водяным охлаждением под давлением Зола периодически
удаляется через шлюзовой бункер в нижней части газогенератора.
Газ, выходящий из реактора, охлаждается водой в промывоч-
ном охладителе до температуры 180—200 °C. При этом отмыва-
ются вынесенные из газогенератора угольная пыль и смола. Да-
лее в котле-утилизаторе производится пар низкого давления (5—
7 бар). При этом температура газа снижается на 20—30 °C. Часть
газированной воды, отделенной в котле-утилизаторе, подается в
предвключенный промывочный охладитель. Кроме того, при обра-
ботке газа в промывочном охладителе конденсируется легкая мас-
ляная фракция. Избыточная газированная вода и пылесмоловая
суспензия из промывочного охладителя подвергаются совместной
обработке в смолоотделителе.
Выделенная запыленная смола снова подается в газогенера-
тор на верхний слой угля. Он эффективно выполняет роль улови-
теля пыли, которая затем подвергается пиролизу и газификации.
Так как состав сырого газа определяется эксплуатационными
параметрами газогенератора, которые в свою очередь выбирают-
ся с точки зрения оптимальности процесса газификации, в боль-
шинстве случаев образуется газ с соотношением Н2/СО, которое
не годится для дальнейшего использования. В связи с этим фир-
ма «Лурги» совместно с фирмой «Штейнколенгаз АГ» разработа-
ли процесс конвертирования неочищенного газа, который осуще-
ствляется непосредственно перед тонкой очисткой газа, при этом
46
последняя даже упрощается. Применяемый для этого катализатор
оказывает одновременно гидрирующее действие, так что оставшие-
ся в сыром газе высшие углеводороды и синильная кислота гидри-
руются, а газовый бензин десульфурируется, что значительно об-
легчает дальнейшую переработку. Специальной подачи пара, необ-
ходимого для конверсии, не требуется, так как неразложившегося
газификационного пара достаточно для того, чтобы снизить оста-
точное содержание СО до 4,5 %.
Часть потока сырого газа подвергается конверсии в две стадии
при 440 и 400 °C. Отводимое тепло используется для производства
пара низкого давления. Главное преимущество данного процесса
заключается в том, что для конверсии неочищенного газа не требу-
ется подачи дополнительных реагентов.
Дальнейшая газоочистка осуществляется посредством ректн-
зольной отмывки, как правило, в две ступени. В качестве отмывоч-
ных жидкостей используют органические растворители (предпоч-
тительно метанол) при температуре от 0 до —50 °C (в Сасолбур-
ге — 55 °C). На первой ступени отмываются газовый бензин и
другие высшие углеводороды, а также остаточный водяной пар
и аммиак. Растворитель освобождается от растворенных органи-
ческих веществ и затем регенерируется посредством дистилляции.
На второй ступени отмывки удаляются H2S, COS и СО2. В каче-
стве растворителя используется поступающий после дистилляции
метанол высокой чистоты. Затем в процессе горячей регенерации
он освобождается от кислых газов и без дальнейшей переработки
подается на первую ступень отмывки.
Для получения серы в печи Клауса (в зависимости от содер-
жания серы в сыром угле) часто приходится ректифицировать кис-
лый газ, чтобы сконцентрировать сероводород.
В Сасолбурге в процессе длительной промышленной эксплуа-
тации остаточное содержание H2S в синтез-газе не превышает
0,2 ppm (соответственно 0,3 мг H2S/hm3).
О динамическом поведении газогенератора данные отсутствуют.
На установке в Сасолбурге выявлено, что для покрытия времен-
ной пиковой нагрузки производительность может быть повышена
примерно на 30 %.
Об установке в Сасолбурге сообщается, что продолжительность
запуска одного реактора до номинальной мощности в настоящее
время составляет примерно 12 ч (ранее — 3 сут), средний коэффи-
циент готовности равен примерно 83 %.
Производство газифицирующего агента — а) кислород: разделе-
ние воздуха по Линде—Фрэнклю; б) пар: часть газифицирующего
пара (10—15 %) получается в охлаждающей водяной рубашке вы-
сокого давления. Пар низкого давления, получаемый в котле-ути-
лизаторе и после конверсии сырого газа, не используется в каче-
стве газифицирующего агента. Процесс является неавтаркическим
в отношении пара.
47
Техническая характеристика процесса <Лурги»
Тип угля Обычный «Сасол» «Дорстен»
Степень конверсии, % Нет данных Нет данных 99,6
Кпд, %: газификации 85 80.8 77,7
термический 68—70' 75.5 Нет данных
Степень разложения пара, % ~36 Нет данных ~40
Входные потоки расход кислорода, м3: на 1 т рядового угля 206 216 299
на 1 м3 неочищенного газа 0,15 0,16 0,175
на 1 ГДж неочищенного газа ЬЗ 14,3 14,7
расход пара, кг: на 1 т рядового угля 1200 1000 1380
на 1 м3 неочищенного газа 0,75 1,07 0,805
на 1 ГДж неочищенного газа 63, Г 66.7 67,4
расход рядового угля, кг: на 1 м3 неочищенного газа . 0,63 0.74 0,585
на 1 ГДж неочищенного газа 52,5 66.4 49
Соотношение пар/кислород, кг/м3 5,8 4.7 4.6
Выход продуктов иа 1 т рядового неочищенный газ, м3 угля: 1595 1350 1708
смола, масло, газовый бензин, кг сырые фенолы, кг ... 90 23,6 73,4
— 3.8 9,1
удобрение (в пересчете на азот), кг Нет данных 8.5 7,3
пар низкого давления, ГДж Давление газификации, бар 30 2 Нет данных Нет данных 23,3
Температура, °C: газификации 760—870 800—900
газа на выходе 370- -600 550
Параметры газифицирующего агента: давление кислорода, бар 32 »» 27,7
давление пара, бар 35,5 27,4
температура пара, °C 440 500
Расход воды Расход электроэнергии на 1 т сырого ГДж 1 угля, . . 4,69 Нет данных 5,86 Нет данных
Г азоочистка. Сырой газ вначале охлаждается в промывочном
охладителе, при этом отделяются высококипящие фракции смолы,
а также пылевой и зольный унос. Затем газ проходит через ко-
тел-утилизатор, в котором отделяется насыщенная газом вода с
легким маслом и фенолами, одна часть которой подается в про-
мывочный охладитель, другая вместе с отделенной смоляной сус-
пензией — в отделитель. Получаемая здесь смола возвращается
на газификацию, но она может также выводиться из процесса,
если предусмотрено иное применение. Насыщенная газом вода
перерабатывается в установке для растворения фенолов.
Часть потока сырого газа конвертируется для достижения же-
лаемого соотношения Нг/СО, после чего снова смешивается с ос-
татком и охлаждается. При этом отделяется водомасляная суспен-
зия, которая затем разделяется в отстойной емкости. Масло мо-
жет использоваться в качестве жидкого котельного топлива или
перерабатываться в горючее, насыщенная газом вода смешивается
с ранее отделенной газированной водой установки растворения фе-
нолов.
48
Выше уже говорилось, что газ для
тонкой очистки подвергается ректи-
зольной отмывке, причем в качестве
побочных продуктов дополнительно по-
лучают газовый бензин и смесь кис-
лых газов. Кислые газы далее пере-
рабатываются в печи Клауса в се-
ру и при необходимости в серную
кислоту.
Установка растворения фенолов слу-
жит для переработки и очистки фенол-
содержащих сточных вод. Отделяемая
в процессе газоочистки газированная
вода содержит водорастворимые сое-
динения, главным образом сырые фе-
нолы, аммиак и смоляные кислоты.
В противоточном экстракторе вода, от-
фильтрованная от взвешенных приме-
сей, подвергается многоступенчатой об-
работке изопропиловым эфиром (в Са-
солбурге вместо него используется бу-
тилацетат). Экстракт разгоняется в
дистиляционной колонне, и раствори-
тель рециркулируется. Очищенная от
органических загрязнений вода, содер-
жащая аммиак и растворитель, подо-
гревается и в десорбционной колонне
освобождается от аммиака и раствори-
теля. Очищенная вода имеет остаточ-
ное содержание до 20 ppm фенола (Са-
солбург — 250 ppm) и до 60 ppm ам-
миака (Сасолбург — 240 ppm).
Отделяемый как побочный продукт
аммиак может перерабатываться с
серной кислотой в аммиачно-сульфат-
Рис. 6. Газогенератор для га-
зификации угля по технологии
«Лурги» (плотный слой,
25 бар):
1 — колосниковая решетка; 2 —
угольный шлюз; 3 — распредели-
тель угля; 4 — мешалка; 5— зона
газификации; 6 — водяная рубаш-
ка; 7 — зольный шлюз; 8 — подогре-
ватель пара
ные удобрения.
Строительство установки ведет фирма «Лурги Мннералольтех-
ник ГмбХ», Франкфурт-на-Майне.
Предприятие, эксплуатирующее установку: кор-
порация «Южно-Африканский уголь, нефть и газ», Сасолбург и
Секунда, Южно-Африканская Республика.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Р. Rudolph; 4th Synthetic Pipeline Gas Symp.
Chicago, Ill., 30.-31. Okt. 1972
2. H. Hiller, DGMK-Tagung. Hamburg
1. Okt. 1974
3. J. C. Hoogendoorn, Clean Fuels from Coal Sympos.
Chicago, Ill., 10.—14. Sept. 1973
4 Зак. 738
49-
I
Уголь
Рис. 7. Схема газификации угля под давлением по технологии «Лурги» («Лурги
Миииралольтехиик ГмбХ»):
1 — производство газа; 11— коивертироваиие газа; 111— ректизольная промывка, IV — v<*-
лгановка растворения фенолов
Исходный уголь
Паровой
котел
Потери в дымовую ,_____
трубу 3,3 •
Лар высокого давления 3,1
Электростан-
ция 8,0
0г - установка
Потери 2,2
Кислород 0,1
Утилизационный пар 6,6
Зола 1,0 <
Излучение 1,0 <
Потери при конвенти-
ровании и отмывке 9,3
Прочие потери 1,2
3-Газогенератор
СО-конверсия
Отмывка газа
Продуктовый
газ
Пар высокого давления
13.9
Пар охлаждающей
рубашки 2,0
Смола
а Масло
▼ Бензол
Фенол
NH,
H2S
£3,2
9.9'
Li
19
Ь.9
0,9.
10,6
Рис. 8. Диаграмма энергопотоков (в процентах) в процессе газификации под
давлением по технологии «Лурги» (по Ф. Дж. Дэиту)
4. LURGI—Handbuch, 2. Auflage, Frankfurt 1972
5. ; Gasette, Hauszcitschrift der Ruhrgas AG, Marz 1974, S. 6
6. P. Rudolph; FAI Sympos. Coal as Feedstock for Fertilizer Production, N. Del-
hi, Indien, 29.—30. April 1974
7. G. Baron; Chem. Ing. Techn. 46 (1974) 943
8. F. Bieger; Vortrag „Symposium fiber Druckvergasung von Kohlen", Portoroz,.
Okt. 1964.
9. J. A. Gray, Coal and Energy Quarterly No. 11 (1976) 15/22
10. F. J. Dent, В. C. U. R. A Quart. Gazette No. 42 (1960) 1
11. Report on the Trials American Coals in a Lurgi Gasifier at Westfield. Scot-
land, U. S. Government Report FE—105 (1975)
12. J. C. Hoogendoorn, Communication 960, pres, at 112 th
Annual Meeting London, Inst. Gas. Engnrs., 1975
13. 13 th World Gas Conference London 1976, Report of the Commitee on Pro-
duction of manufactured Gases, IGU/B—76
14. T. J. Pollaert, Chem. Engng. Prog. 74 (1978) (No. 8, Aug.) 95
15. C. Hafke, Techn. Mitt. (HDT) 71 (1978) S. 14?
16. Lurgi Mineralotechnik: Kohletechnologie (O 1301/1'1.78)
Lurgi Coal Pressure Gasification Process (O 1352/3.80)
17. H. Puhr-Westerheide, VGB Kraftwerkstechnik 54 (1974) 532
18. H. Meyer-Kahrweg, Haus der Technik, Vortragsveroff. 405 (1978) 91
19. V. Dorstewitz, H. Wien, Kohlevergasung in der Energietechnik, VGB-TB 201 „
Verlag VGB-Kraftwerkstechnik GmbH Essen, (1979) 135—173
3. Процесс Винклера
Схема газификации: автотермическая газификация водяным
паром с воздухом или кислородом в кипящем слое при нормаль-
ном давлении.
Производительность.. Известно 16 промышленных установок с-
36 газогенераторами, номинальная производительность которых по
синтез-газу составляет от 5 до 60 тыс. м3/ч, что соответствует рас-
ходу угля примерно от 3 до 35 т/ч. В настоящее время некоторые*
из этих установок еще находятся в эксплуатации. Новый вариант
процесса предусматривает газификацию сухого бурого угля кис-
лородом или предварительно нагретым воздухом под давлением
(высокотемпературный процесс Винклера). Этот способ более под-
робно описывается в разделе Б.
Приведенные ниже данные являются усредненными эксплуата-
ционными показателями ряда промышленных установок:
Площадь сечения шахты, м2 . От 6,6 до 25
Высота шахты, м................................. До 21,5
Удельная производительность, м3/(м2-ч) 1100—3000
Используемый уголь. Способ пригоден в первую очередь для
бурых углей, которые обладают высокой реакционностью. Однако»
так же газифицировались реакционноспособные каменные угли,
за исключением полукокса и буроугольного кокса — при этом тре-
буются более высокие температуры (ухудшается тепловой ба-
ланс).
Могут еще газифицироваться умеренно спекающиеся угли. Ус-
пешно перерабатываются угли с содержанием золы от 4 до 46 % и.
выходом летучих от 6 до 47 % •
4*
51:
Крупность допускается до 8 мм. Уголь обязательно подвер-
гается дроблению, но не классифицируется. Значительное содер-
жание пыли (например, 60 % крупностью от 0 до 1 мм) не за-
трудняет эксплуатацию, однако приводит к значительным потерям
с механическим уносом.
Зола. Высокое и даже очень высокое содержание золы не
оказывает непосредственного влияния на процесс, однако при этом
ухудшается тепловой баланс. Температура размягчения должна
находиться выше температуры реакции (для бурого угля при-
мерно 800 °C), в наилучшем случае свыше 1200 °C. Содержание
золы в процессе эксплуатации может колебаться.
Углеподготовка. Дробление без классификации. Предва-
рительная сушка необходима для обеспечения механического тран-
спортирования (для бурого угля — влажность 18 % )- Раньше прак-
тиковалась сушка до 8 %.
Состав сырого газа (на сухой объем). В зависимости от исполь-
зуемого угля и выбранных реакционных условий наблюдаются
значительные колебания состава сырого газа. В среднем принима-
ется примерно следующий состав, %:
СО2 . . . 13—25 СН4 . 1 — 1,8
СО . 30—50 N2 0,5—1,5
Н2 . . 35—46
Высшая теплота сгорания составляет 0,2—13 МДж/м3 (2200—
3100 ккал/м3).
При использовании воздуха для газификации на заводе «Лей-
на» получали рабочую газовую смесь с теплотой сгорания
4,58 МДж/м3 (1095 ккал/м3). Так как винклер-газ всегда имеет
сравнительно высокое содержание СО+Н2, почти все установки
строились с целью производства синтез-газа для фабрик удобре-
ний и заводов по технологии Фишера—Тропша. Насколько изве-
стно, энергетический газ производился только на заводе «Лейна»
(вместо кислорода использовался воздух). Планируется использо-
вание газа в установках прямого восстановления.
Описание процесса. Так как способ Винклера предъявляет
очень незначительные требования к свойствам топлива, углепод-
готовка оказывается очень простой. Поскольку допускается исполь-
зование топлива с наличием очень мелких фракций, то, как пра-
вило, достаточно обычного дробления без классификации. Степень
конверсии углерода зависит от зернового состава. Если использу-
ются слишком мелкие фракции, расход топлива при высокой про-
изводительности газогенератора может возрасти за счет потерь
с уносом до 50 % и более. Кроме большой доли непрогазифициро-
ванного уноса, это приводит к значительному увеличению нагрузки
на пылеулавливающие устройства и повышенной эрозии.
Топливо с высоким содержанием крупных фракций также при-
водит к повышенным потерям в результате возникающего в ки-
52
пящем слое преждевременного выпадения крупных зерен, т. е. за
счет повышения содержания углерода в удаляемой золе.
После дробления угля может потребоваться частичная сушка,
чтобы предотвратить образование конгломератов в питательных
устройствах и бункере.
Из угольного бункера, который находится под небольшим дав-
лением защитного газа (СО2), чтобы исключить проскок пламени,
топливо непрерывно через подающий шнек загружается в газоге-
нератор. Он состоит из футерованной шахты с металлическим ко-
жухом, нижняя часть которой выполнена в виде усеченного кону-
са. К этой конической части может быть пристроена колосниковая
камера, через которую подводится первичный газифицирую-
щий агент. В новых газогенераторах чаще колосник отсутствует
и газифицирующий агент подводится через водоохлаждаемые
сопла.
Газ, образующийся в кипящем слое, сначала перемешивается
над кольцевым трубопроводом на высоте 3—4 м от слоя угля со
вторичным газифицирующим агентом, при этом газифицируется
часть вынесенной из слоя пыли. Встроенный в шахту котел-утили-
затор служит для того, чтобы не превышалась температура раз-
мягчения золы. Затем газ проходит последовательно через второй
котел-утилизатор, подогреватель питательной воды, мультициклон,
промывочный охладитель и каплеуловитель.
Если в схеме отсутствует пылеугольная топка, пылевой унос,
отделяемый в котле-утилизаторе и циклоне, снова возвращается
в кипящий слой. Зола переносится через водоохлаждаемый раз-
грузочный шнек в сборную емкость, которая периодически разгру-
жается. В газогенераторе Винклера вследствие высокой интенсив-
ности перемешивания в кипящем слое реагирующее топливо и
инертная зола не разделяются Поэтому отводимая зола имеет
примерно такую же реакционную способность, как и материал ки-
пящего слоя. Кроме того, содержание углерода в кипящем слое
не должно быть ниже 5 %, чтобы воспрепятствовать опасному
проскоку кислорода. Это означает, что зола содержит не менее
5 % недожога, и требуется постоянный контроль за содержанием
углерода.
Раньше для растопки газогенератора применялся растопочный
генератор. В нем сжигали дрова и получали горячие угли, кото-
рые затем транспортировали по соединительному трубопроводу к
основному газогенератору, где осуществлялся дальнейший разогрев
кипящего слоя. В новых установках процесс растопки производит-
ся в основном газогенераторе; при этом используется либо опять
растопка дровами, либо предварительный разогрев слоя газовыми
горелками.
Остановка газогенератора проста и осуществляется очень быст-
ро. После отключения кислорода постепенно снижается подача
пара. Одновременно из циклона подается защитный газ (СО2),
чтобы воспрепятствовать доступу воздуха к еще реакционноспособ-
53
ной пыли. После этой операции пар с добавкой воздуха может
использоваться для эксплуатации генератора в режиме холостого
сжигания (газ сжигается в факеле); если предполагается эксплуа-
тация в режиме горячего резерва, то для охлаждения загрузочных
шнеков вместо пара и воздуха вдувается СО2, и слой при этом
длительное время остается раскаленным.
Газогенератор Винклера обладает исключительной способно-
стью адаптации к переменным нагрузкам; за кратчайшее время
он может быть переведен с минимальной нагрузки (примерно 25 °/о
номинальной) на максимальную (примерно 150 % номинальной)
и превосходит в этом отношении все другие известные газогенера-
торы. При таких перепадах нагрузки кпд уменьшается незначи-
тельно, однако за счет потерь с уносом мелочи существенно сни-
жается степень конверсии углерода.
Производство газифицирующего агента — а) кислород: тради-
ционная установка разложения воздуха; б) пар: газификационный
пар почти полностью подается извне, пар высокого давления по-
ступает из котла-утилизатора. Этого пара, по-видимому, достаточ-
но для эксплуатации установки разложения воздуха.
Техническая характеристика процесса Винклера
Степень конверсии угля, % 55—90'.
Кпд, %: газификации 45—75 термический До 82. Степень разложения пара, % 35—45 Входные потоки расход кислорода, м3: на 1 т угля 365 (0,52 г) на 1 м3 синтез-газа 0,23 на 1 ГДж в синтез-газе 20,8. расход пара, кг: на 1 т угля . 880 иа 1 м3 синтез-газа 0,55 на 1 ГДж в синтез-газе . • 45 расход угля, кг: на 1 м3 синтез-газа 0,64 на 1 ГДж в синтез-газе . . . . 5Г Соотношение пар/кислород, кг/м3 . 24 Выход продуктов: газа на 1 т угля, м3 ... 1580' 0,045 (6 т/ч при производнтельно- пара на 1 ГДж в синтез-газе, т . стн 12 000 м3/ч)
Давление газификации Нормальное (планируется под давлением) Температура, °C: газификации . 850—1100’ выходящего газа 800—1000 Параметры газифицирующего агента: давление кислорода, бар 1,4 давление пара, бар . 3—4 температура пара, °C 350—500’ Расход воды при производительности 12 000 м3/ч, кг/ГДж (т/ч) 48 (6,3) Расход воды для промывки газа . . . Нет данных: Расход электроэнергии, квт-ч/ГДж (кВт) 6,64 (878))
54
Рис 9. Схема процесса Винклера («БАМАГ — Ферфареистехник ГмбХ» (ДЭВИ —
Пауэгаз Инкорп.):
1 — теплообменники; 2 — циклон; 3 — охладитель; 4 — каплеотделитель; 5 — водосборник
Газоочистка в способе Винклера сильно затрудняется на-
личием очень высокого содержания пыли в сыром газе. В боль-
шинстве существующих установок первичное пылеотделение проис-
ходит в котле-утилизаторе, затем следуют мультициклоны. От-
деляемая пыль, которая содержит 40—60 % горючих составляющих,
может либо подаваться в пылеугольную топку, либо возвращать-
ся в газогенератор. Частично пыль используется в качестве ад-
сорбента благодаря большой поверхностной активности.
После сухого пылеотделения в газе еще остается до 10—40 г/м3
пыли. Большая ее часть удаляется в последующем промывочном
охладителе (остаточное содержание около 1 г/м3). Для тонкой
пылеочистки наиболее часто используются дезинтеграторы, с по-
мощью которых содержание пыли снижается менее чем до
10 мг/м3. Иногда применяют мокрые электрофильтры, которые от-
личаются значительно меньшими затратами энергии, или скруббер
Вентури, требующий значительно меньше воды.
Для обессеривания газа в зависимости от внешних условий и
требуемого качества газа предлагаются традиционные способы.
Строительство установки ведет фирма «Дэви Пауэ Газ ГмбХ»,
Кельн, ФРГ.
Предприятия, эксплуатир ующие установку: фаб-
рика «Азотнн ендиньени», Горазде, СФРЮ, «Азот Сании ТАС»
Кютахья, Турция; «Найвелн Лигнит Корпорейшн», Мадрас, Индия;
несколько установок в ГДР.
55
Кокс O?(nap)
Конденсат
СО-конверсии
Электроэнергии
Подпиточная
вода.
Рециркулируе-
мая пыль
Кислород Н
Сероочистка.
Генератор
Питательная I _________
вода
Возврат
Потери
Холодная вода
4 Потери
Потери
Шламовая вода
Пыль из мульти-
циклона.
1 Горячая вода.
т Потери
Пар высокого
давления
Потери
Пар высокого:
давления
Теплая охлаждаю-
щая вода
* СР2
Конденсат
HsS-газ
Потери
Сера
Зола
Потери
Чистый Нг конденсат
Рис. 10. Потоки эксергии и энергии в производстве водорода по технологии
Винклера
Котел-утилизатор-\
Газоочистка
Шламовая
вода
Компрессия
с СОг отмывкой
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. W. Flesch, Gliickauf 90 (1954) 537
2. W. Flesch, G Villing, Erdol und Kohle 15 (1962) 710
3. I. N. Banchik, „Clean Fuels from Coal“ Symp. Chicago, 10.—14.9.1973
4. J. Wilsdorf u. H. G. Biirgel, Chem. Techn. 26 (1974) 329
5. Anon., Broschiire der Davy Power Gas/Bamag Chemietechnik Chemiebau Zie-
rer: 1976
6. J. Anwer, F. Bogner, BWK 28 (1976) 57
7. J. Anwer, F. Bogner, E. Wittstock, BWK 28 (1976) 189
8. I. N. Banchik, T. K. Subramaniam, J. K. Marteen, Hydrocarbon Processing S 6
(1977) No. 3 (MAR) 121
9. B. v. Portatius, Freiberger Forschungshefte A 69 (1957) S. 5—25-
56
Продуктовые потоки Энергия, % Эксергия, %
Общий балат Вход: полукокс кислород пар (4,5ат) питательная вода электроэнергия ВО, 2 0,1 7,3 2,5 9,9 86,7 0 2,1 0,3 10,9
Всего 100 100
Выход (полезный): чистый Нг конденсат пар'(22 ат) пыль из мультициклона, Нг5 (газ) сера 54,4 0.1 43 11 1 0,1 1,3 1л 0,1
Всего 59,9 64,6
flomepu Внешние потери^ пыль в шламовой, воде тепло охлаждающей воды шламовая вода зола С02 30,1 5 17,5 3,7 0,9 13,3 35,4 4,7 1,4 0,8 0,8 11,3
всего 4Ц4 19,0
Внутренние потери: генератор котел-утилизатор еазоочистка сероочистка. СО-конверсия компримирование СО- отмывка 25,8 7,3 2.3 2Л 14 13,7 6,4 39,4 16,2 5,5 1,7 12,1 4,2 1,9
Всеео 59,6 81
Эксереетический показатель входных потоков — 0.904
Эксереетический показатель выходных потоков— 0,835
4. Процесс „Нопперс-Тотцек“
Схема газификации: автотермическая парокислородная гази-
фикация взвешенного пылевого облака при нормальном давлении
в прямоточном режиме. Ведется работа по усовершенствованию
процесса в направлении повышения давления.
Производительность. До настоящего времени было изготовлено
53 газогенератора для 14 промышленных установок. В 14 газо-
генераторах в качестве топлива использовались нефть и газ. До
сих пор сооружались газогенераторы преимущественно с двумя
горелочными головками. Длина такого газогенератора составляет
7,5 м, внутренний диаметр до 3,5 м, внутренний объем — около
57
28 м3. Газогенератор с четырьмя горелочными головками имеет
объем в два раза больше.
Приведенные ниже значения являются усредненными эксплуа-
тационными показателями ряда промышленных установок. Техни-
ческая характеристика основана главным образом на проектных
показателях промышленной установки, опубликованных компанией
«Коппере Питтсбург».
Расход угля составляет для газогенератора с двумя горелочны-
ми головками 13,5 т/ч, с четырьмя — 20,8 т/ч (по проекту 34,4 т/ч).
Производство сырого газа составляет для газогенератора с дву-
мя горелочными головками 21000 м3/ч, с четырьмя — 32 300 м3/ч
(по проекту 55 000 м3/ч).
Опытная установка уже введена в эксплуатацию. Процесс га-
зификации под давлением будет отдельно описан в соответствую-
щей главе.
Используемый уголь. Может использоваться любой уголь, за
исключением нефтяного кокса или мазута.
Крупность составляет 70 %—0,075 мм или не более чем
10 % остатка на сите 0,09 мм.
Зола. Верхний предел зольности составляет около 40 % на
сухую массу угля. Температура размягчения золы не имеет прин-
ципиального значения, так как в данном способе используется
жидкое шлакоудаление. В отдельных случаях может потребовать-
ся добавка шлакообразующего флюса.
Углеподготовка. Сушка в процессе измельчения, содер-
жание влаги 2—8 %.
Состав сырого газа приведен ниже, %.
СО . 55—66 N2 . 1
СО2 . 7—12 СН4 . 0.1
Н2 21—32 H2S . 0,5—1
Теплота сгорания (высшая): 10,6—11,8 МДж/м3 (2540—
2820 ккал/м3). При использовании низкореакционного топлива
(например, кокса) содержание СО2 очень высокое, но содержание
Н2 — низкое, для высокореакционных — наоборот (экстремальный
случай природного газа: 34 % СО, 61,3 % Н2).
Описание процесса. Хотя процесс Копперс-Тотцек в широких
пределах не зависит от вида используемого угля, для каждого ти-
па угля необходимо соответствующим образом подстраивать топ-
ливоподготовку. Уголь измельчается до размера частиц меиее
75 мкм и при этом одновременно сушится дымовыми газами, полу-
ченными при сжигании части продуктового газа (до остаточной
влажности 2—5 % в зависимости от типа угля). Затем угольная
пыль в потоке азота, полученного в установке разложения возду-
ха, подается пневматическим путем в угольный бункер, откуда
периодически загружается в газогенератор через загрузочную во-
ронку. Далее через шнековые питатели, которые обеспечивают
хорошее количественное регулирование, угольная пыль поступает
в смесительную головку, где смешивается с парокислородным по-
током и вдувается в горелки газогенератора. Относительно низкие
58
температуры и высокие скорости транспортирования (выше скоро-
сти воспламенения пылеугольно-кислородной смеси) надежно пре-
пятствуют проскоку пламени в подающую трубу между смеси-
тельной головкой и горелками.
Вследствие высоких температур газификации (около 1500—
1900 °C) смоло- или фенолсодержащие продукты не образуются,
что значительно упрощает газоочистку. Примерно половина золы
в виде жидкого шлака стекает вниз по стенкам газогенератора, за-
каливается в водоохлаждаемой емкости и выводится из нижней
части газогенератора в гранулированном виде. Другая половина
уносится с продуктовым газом в виде летучей золы. Чтобы вос-
препятствовать зашлаковыванию котла-утилизатора, газ на выходе
из газогенератора впрыском воды охлаждается до температуры
ниже размягчения золы.
Продуктовый газ проходит вначале котел-утилизатор, в кото-
ром производится пар высокого давления (в зависимости от проек-
та до 100 бар); затем осуществляется пылеочистка газа в двух
скрубберах Вентури. Объем производимого пара превышает его
расход на привод компрессоров кислородной установки. После об-
работки в скрубберах Вентури в газе еще содержится около 5—
15 мг/м3 пыли. В случае, если накладывается более строгое огра-
ничение на содержание пыли (например, для компримирования),
необходимо пропустить газ через электрофильтр, при этом содер-
жание пыли снижается до 0,25 мг/м3. Затем следуют охлаждение
газа и обессеривание, которые в зависимости от конкретной си-
туации могут осуществляться традиционными способами.
Рнс. 11. Газогенератор «Коппере-Тотцек» (вариант с двумя горелочными голов-
ками)
59
Путем изменения скорости подачи шнековых питателей легко и
быстро осуществляется регулировка мощности в пределах 60—
100 %. При необходимости остановка газогенератора может быть
произведена практически мгновенно. Поскольку загрузка газоге-
нератора топливом очень мала, его реакция на любые регулирую-
щие воздействия оказывается очень быстрой. Вывод временно ос-
тановленной, горячей установки на полную производительность по
газу требует около 30 мин, достижение номинальной производи-
тельности по пару требует несколько большего времени.
Так как единственными движущимися частями газогенератора
являются подающие шнеки, по существу отпадает вопрос износо-
устойчивости, а техническое обслуживание в процессе эксплуата-
ции сводится к минимуму. Коэффициент готовности установки в;
целом в большинстве случаев превышает 95 %.
Производство газифицирующего агента — а) кислород: тради-
ционная установка разложения воздуха необходимой производи-
тельности может использовать для привода пар высокого давле-
ния из котла-утилизатора. Получающийся при этом азот исполь-
зуется в качестве транспортирующего агента для угля, в качестве
продувочного газа при перерывах в эксплуатации и т. д.; б) пар:
в водяной рубашке газогенератора производится пар низкого дав-
ления в объеме, превышающем расход на газификацию.
Техническая характеристика процесса «Копперс-Тотцек»
Степень конверсии угля, %........................ . 90—96 (98 при повы-
шенном давлении)
Кпд, %:
газификации ....................................... 70—77
термический....................................... 75—85
Степень разложения пара, %......................... 85—90
Входные потоки
расход кислорода, м3:
на 1 т угля (сухого) ............................................. 535
на 1 м3 сырого газа............................................. 0,325
на 1 ГДж в сыром газе 30,Г
расход пара, кг:
на 1 т сухого угля . , . . . 236
на 1 м3 сырого газа............................................. 0,143
иа 1 ГДж в сыром газе 13,3
расход сухого угля, кг:
иа 1 м3 сырого газа................................................ 0,6Т
на 1 ГДж в сыром газе............................................ 56,6
Соотношение пар/кислород, кг/м3 . 0,44
Выход продуктов:
газа на 1 т сухого угля, м3 ............. 1640
пара на 1 ГДж в сыром газе, кг:
водяная рубашка (142 °C, 3,7 бар) 11,2
котел-утилизатор (400 °C, 45 бар) 67,6
Давление газификации .... Атмосферное
Температура, °C:
газификации . 1500 1900
выходящего газа . . 1260
60 \
Параметры газифицирующего агента
кислород:
концентрация, % ...................... 98
температура, °C.................................................. 100
пар:
давление, бар ........................ 3—4
температура, °C 140
Расход воды на 1 ГДж в сыром газе, л:
водяная рубашка (110 °C)............................................ 11,7
для охлаждения газа (32 °C)........................................ 8,4
котел-утилизатор (110 °C)........................................... 71,2
для охлаждения золы 71,7
Потери при сушке составляют 2,36 кг/ГДж в сыром газе. Ос-
тальные потребности в энергии покрываются производимым в уста-
новке паром; дополнительно расходуется электроэнергии
10,7 кВт-ч/Гкал.
Газоочистка обеспечивает необходимое качество газа.
Содержание пыли может быть снижено примерно до 0,25 мг/м3,
содержание серы путем использования традиционных (при необхо-
димости многоступенчатых) способов — до любого требуемого зна-
чения. Особым преимуществом данной технологии является отсут-
ствие смоло или фенолсодержащих газов и сточных вод и при
этом очень упрощается газо- и водоочистка.
Строительство установки ведет компания «Крупп—Коппере
ГмбХ», Эссен, ФРГ.
Рис. 12. Схема процесса «Копперс-Тотцек» («Крупп—Коппере ГмбХ»):
/ — шлакоохладитель; 2 — питатель; 3 — бункер; 4 — газогенератор; 5 — котел-утилизатор;
6 — скруббер Веитури; 7—охладитель сырого газа; 8 — абсорбционная колонна; 9— гра-
дирня; 10 — емкости
61
'Л 1кг угольной пыли
179
Теплота парообразования (8 паре)
S3
Физическое тепло пара
Газогенератор
280
184
97
Излучение
Физическое тепло
шлака
Недожог в шлаке
S12
Охлаж-
ден ие
Котел - утилизатор
Насос
73 Излучение
Конден-
сатор
19 У/, Турбина
Охлажде-
ние
Теплота парообразования (из пара)
1223 Энергопотребление
Зля Ог~установки
Рис. 13. Тепловой баланс процесса газификации «Копперс-Тотцек» (значения
даны в ккал)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. F. Totzek, К. Н. Osthaus, Brennstoff-Chem. 31 (1950) 173
2. К. Н. Osthaus, Т. W. Austen, Gas-World, 12. Jan. 1963, S. 98
3. К. H. Osthaus, VGB-Kraftwerkstechn. 54 (1974) 221
4. J. F. Farnsworth, H. F. Leonhard, D. M. Mitsak, R. Wintrell, Vortrag bei As-
sociation of Iron and Steel Engineer’s 1974, Ann. Convent., 22.—24. Apr. 1974,
Philadelphia, Pa.
5. J. E. Franzen, E. K. Goeke, 6th Synthetic Pipeline Gas Sympos., 28.—30. Okt.
1974 Chicago, III.
6. J. E. Franzen, E. K. Goeke, Hydrocarbon Processing 55 (1976) S. 134
7. H. Staege, Glilckauf 113 (1977) S. 416
.8. J. E. Franzen, Techn. Mitt. Krupp. Forsch. Ber. 35 (1977) S. 83
Б. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,
НЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В НАСТОЯЩЕЕ
ВРЕМЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
И НАХОДЯЩИЕСЯ В СТАДИИ
РАЗРАБОТКИ
1. Процессы „Вельцгаз11
(с циркуляционным газом)
Вначале в качестве сырья для промышленной газификации исполь-
зовались только кокс и неспекающийся каменный уголь. Расту-
щая потребность в водороде для химического производства, а так-
же значительные издержки, связанные с использованием кокса в
качестве сырья, привели к тому, что в 20-х годах появился интерес
к газификации бурого угля. Для использования этого угля необхо-
димо было разработать соответствующую технологию непрерывно-
го действия, которая могла бы преодолеть трудности, связанные,
например, со специфически низкой температурой плавления золы.
С другой стороны, высокая реакционная способность бурого угля
позволяет осуществлять газификацию при низких температурах.
В этой ситуации успешным оказывается применение способа
«Вельцгаз», так как физического тепла циркулирующего газа до-
статочно для поддержания реакции газификации бурого угля, од-
нако при этом существует опасность перегрева слоя топлива с
последующим зашлаковыванием и образованием спеков. В то же
время способ поставляет непрерывный поток свободного от азота
водяного газа, не требуя дорогих материалов для тонкой очистки.
В газогенераторах «Вельцгаз» уголь газифицируется водяным
паром. Тепло для нагрева топлива и реакционное тепло эндотер-
мического превращения вносится в газогенератор потоком цирку-
лирующего газа (вельцгаза), который также содержит и пар для
газификации. Технологические различия заключаются в способе
подвода тепла. Это тепло передается циркулирующему газу в ре-
генераторах, которые нагреваются путем сжигания, например, ге-
нераторного газа или остаточных газов синтеза. Стоимость этого
внешнего нагрева в значительной мере определяет экономичность
технологии в целом. В качестве циркулирующего газа в большин-
стве случаев находит применение специально отводимый пиролиз-
ный газ, наличие метана и смолы в котором препятствует непо-
средственному использованию в качестве синтез-газа. Иногда так-
же подмешивается часть очищенного газа. Пиролизный газ, отво-
димый в верхней части газогенератора, сначала очищается от смо-
лы, затем в смеси с газификационным паром возвращается в реге-
63
нераторы. Там при температуре более 1000 °C значительная часть
метана разлагается. Водяной пар при этом препятствует сажеобра-
зованию. Затем горячий циркулирующий газ входит в реактор и
пронизывает слой топлива, отдавая тепло. В плотном слое также
образуются зоны подсушки, полукоксования и газификации.
В промышленных генераторах «Вельцгаз» практически исполь-
зовались только буроугольные брикеты. Они в зависимости от тех-
нологии более или менее полностью газифицировались. Чистый
газ (водяной газ) в большинстве случаев отводится непосредствен-
но над зоной газификации. Остаток служит для полукоксования и
подсушки брикетов.
Ограничение области применения реакционноспособным топли-
вом, как, например, бурым углем, при использовании генераторов
«Вельцгаз» обусловлено принципиальными причинами. Количе-
ство тепла, которое должно компенсировать тепловые затраты на
нагрев и реагирование топлива, вносится в слой топлива циркуля-
ционным газом. При этом используется только часть общего коли-
чества тепла, транспортируемого вельцгазом, которая находится
на высоком температурном уровне (между температурой на вхо-
де в газогенератор и конечной температурой реакции водяного га-
за). Температура на входе в газогенератор ограничена, например,
температурой размягчения золы или для тугоплавкой угольной
золы наивысшей допустимой температурой для футеровки регене-
ратора, а реакционная температура зависит только от топлива.
Поэтому, если разница между температурой на входе и конечной
реакционной температурой для менее реакционного топлива мала,
необходимо в качестве компенсации для достижения достаточной
глубины превращения значительно увеличить кратность циркуля-
ции вельцгаза.
Рециркуляция больших объемов горячего газа требует соответ-
ствующего укрупнения рекуператороЬ и влечет за собой повы-
шенные потери физического тепла. Кроме того, низкая концентра-
ция пара в циркулирующем газе приводит к уменьшению скоро-
сти реагирования. Эти особенности использования низкореакцион-
ного топлива применительно к способу «Вельцгаз» оставляют за
ним возможность применения практически только реакционных бу-
рых углей. Но, с другой стороны, становится ясно, что сглажива-
ние колебаний нагрузки, а также регулирование температуры га-
зификации и расходов осуществляется непросто.
В качестве эксплуатационных показателей способа «Вельцгаз»
приводятся данные способа «Пинч-Хиллебранд». Другие способы
освещаются более кратко.
Процесс «Пинч-Хиллебранд-синтез-газ»
Схема газификации: аллотермическая паровая газификация вы-
сокореакционного топлива в плотном слое при нормальном дав-
лении с противотоком циркулирующего газа (внешний нагрев).
Производительность. Промышленная установка с 11 газогене-
раторами была построена для завода гидрирования компании
64
«Юнион Рейнише Брауколен Крафтштофф АГ» в г. Весселинге
(ФРГ) и эксплуатировалась до начала 60-х годов. Ряд газогенера-
торов эксплуатировался на городских газовых заводах. Приведен-
ные данные являются эксплуатационными показателями одного из
газогенераторов установки в Весселинге.
В газогенераторе с внутренним диаметром 5,36 м, внешним
диаметром 5,8 м и поверхностью пода 9 м2 производилось
5500 нм3/ч водяного газа, что соответствует 62 ГДж/ч. Расход
буроугольного кокса составлял 3 т/ч. Нормальная нагрузка газоге-
нератора составляла 50 т/сут. Номинальная — 72 т/сут.
Используемый уголь. Типугля: бурые угли, в некоторых газо-
генераторах также торфяные брикеты. Влажность 13—18 %.
Крупность: данных нет.
Зола. Температура размягчения должна быть не ниже 1000 °C,
зольность около 5 %.
Углеподготовка. Необходимо брикетирование малозольно-
го бурого угля.
Неочищенный газ. Получается одновременно пиролизный и так
называемый чистый газ (свободный от продуктов полукоксования).
Пиролизный газ насыщается паром и используется для газифика-
ции.
Состав пиролизного и водяного газов приведен ниже, %:
Пиролизный газ Водяной (чистый) газ
н2 .... . . 48 56
со ... . . 26 28
со2 . . . 17,5 14
сн4 . . . . 6,5 1
n2 .... . . 1,2 1
СпНпг . . 0,8 —
Теплота сгорания водяного газа составляет 11,28 МДж/м3
(2694 ккал/м3).
Описание процесса. Бурый уголь брикетируется, брикеты нахо-
дятся в верхней части газогенератора. Оттуда они подаются в
шахту полукоксования.
Полукоксование осуществляется в коническом простран-
стве частью газов процесса газификации. Газ входит в зону полу-
коксования с температурой около 700 °C и выходит при 100 °C.
Газификация. Из конического пространства для полукок-
сования топливо поступает в кольцеобразное пространство для га-
зификации; там уголь полностью газифицируется циркуляцион-
ным газом и паром, которые предварительно были нагреты в реге-
нераторе до 1200—1300 °C. Часть чистого газа с температурой
700 °C отбирается над зоной газификации, остаток поступает в
зону полукоксования.
Регенератор. На каждый газогенератор требуются два ре-
генератора, которые нагреваются в течение 16 мин. Для нагрева
до 1400—1600 °C в регенераторе сжигается смесь воздуха с газом,
в то время как второй регенератор отдает свое тепло очищенному
5 Зак. 738 65
циркулирующему газу. В качестве топливного газа может исполь-
зоваться часть продуктового газа. Наиболее отработанной явля-
ется схема со сжиганием газа из второго газогенератора (генера-
тора с вращающейся решеткой). Зола непрерывно выводится гид-
росмывом.
Газоочистка. Газ полукоксования (100 °C) перед нагревом
в регенераторе проходит через смолоотделитель; чистый газ
(700 °C) сначала обогревает котел-утилизатор для производства
пара с температурой 230 °C, входит в охладитель, где смешивается
с паром, проходит через электростатический пыле-смолоотделитель
и смешивается с продуктами дегазации или подвергается дальней-
шей очистке для использования в качестве синтез-газа. Неочищен-
ный газ содержит примерно 0,5 г/м3 серы, из которой 0,1 —-орга-
нически связанной. Большая часть серы связывается золой с вы-
соким содержанием известняка.
Пылеотделитель: циклон, электростатический отделитель.
Смолоотделитель: электростатический отделитель.
Производство газифицирующего агента. В качестве газифици-
рующего агента служит смесь из пара, синтез-газа и газа полу-
коксования; водород образуется за счет реагирования пара с уг-
лем и термического разложения газа полукоксования в регенера-
торе (без сажеобразования из-за присутствия пара).
Нагрев регенератора осуществляется путем специального сжи-
гания генераторного газа с воздухом. Для этого необходимо нали-
чие второй установки для газификации.
Пара, производимого в котле-утилизаторе, достаточно для обес-
печения всей установки, включая турбины для нагнетания цир-
Рис. 14. Схема процесса <Пиич-Хиллебраид»:
Z, 2 — регенераторы; 3 — зона газификации; 4 — аона полукоксования; 5 — сепаратор; 6—
пылеотделитель; 7 — скруббер; 8 — очистка
66
куляционного газа и дутья. В скруббере происходит насыщение
чистого газа водяным паром.
Техническая характеристика процесса <Пинч-Хиллебраид-синтез-газ»
Степень конверсии угля, %........................... Нет данных
Кпд, 0/0
газификации 69,2
термический............................................ 75,3
Степень разложения пара............................. Нет данных
Входные потоки:
расход генераторного газа (для нагрева реку-
ператора), м3:
на 1 м3 водяного пара................................ 0,56
на 1 ГДж водяного пара............................... 49,2
расход циркуляционного газа иа 1 м3 водяно-
го пара, м3 ........................................... 0,74
расход пара, кг:
на 1 м3 водяного газа . 0,78
на I ГДж водяного газа . . 69
дополнительный расход пара, кг:
на 1 м3 водяного пара............................... 0,125
на 1 ГДж водяного пара............................... 11.1
расход буроугольных брикетов, кг:
на 1 м3 водяного газа ... 0,56
на 1 ГДж водяного газа . . . . 49,2
Расход пара на 1 т угля (брикеты), т 1,626
Расход топливного газа на 1 т угля (брике-
ты), м3................................................... Ю00
Соотношение пар/кислород.......................... Отсутствует
Выход продуктов:
водяного газа на 1 т угля (брикеты), м3 1900
смолы на 1 т угля (брикеты), кг ... . 49
Да нление . Незначительный
наддув
Температура, °C:
в регенераторе........................................... 1300
в зоне газификации 1200—700
в зоне полукоксования 700—100
чистого газа на выходе.................................. 700
газа полукоксования......................... 100—ПО
Расход воды......................................... Нет данных
Расход для газификации:
угля, т/ч................................................... 3
генераторного газа, м3/ч............................... 3000
Расход электроэнергии на 100 м3 водяного газа,
кВт......................................................... 4
Газоочистка. Газ полукоксования: пыле- и смолоотделение;
чистый газ: отмывка, пыле- и смолоотделение, отделение серы.
Строительство установки ведет фирма «Юлиус Пинч АГ».
Заказчик: (1928 г.) Гамбургский газовый завод; (1938 г.)
«Юнион Рейнише Крафтштофф АГ», г. Весселинг.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: Га
1. F. Stief, Gas- und Wasserfach 75 (1932) 581
2. F. Stief, GWF 83 (1940) 1
3. H. Miiller, Gas- und Wasserfach 78 (1935) 431
4. BIOS-Overall Rep. No. 1, S. 22 (1947)
5. F. Domann, Gas- und Wasserfach 91 (1950) 161
5*
67
Процесс «Дидьер-Бубиаж». К процессам с внешним нагревом
относится способ «Дидьер-Бубиаж». Он использовался главным об-
разом для полукоксования и частичной газификации (паром) бу-
роугольных брикетов и торфа в камерных печах. Образующийся
кокс сжигался с воздушным дутьем, а горячие дымовые газы по-
ступали на обогрев печей. Образующийся синтез-газ (1—2 % СН4,
80 % Н2-|-СО) имел теплоту сгорания 16,75—18 МДж/м3.
Процесс, ориентированный на производство синтез-газа, не по-
лучил признания из-за малой удельной мощности при высоких
эксплуатационных издержках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. G. Duchene, К. М. Martin
Chaletir et Ind. 29 (1948) 113, 149
2. A. Thau, Brennstoffchemie 16 (1935) 61
3. A. Thau, 01 und Kohle 18 (1942) 721
Процесс «Копперс-Вельцгаз». Один из вариантов способа с
циркуляционным газом был разработан фирмой «Коппере». Высо-
кокалорийные буроугольные брикеты перерабатываются в синтез-
газ с использованием перегретого циркуляционного газа, насыщен-
ного паром. Степень конверсии топлива ниже, чем в процессе
«Пинч-Хиллебранд». Образуется остаточный кокс. Аппаратурное
отличие конструкции состоит в том, что регенераторы в процессе
«Коппере» устанавливаются рядом с газогенераторами. По этой
технологии работала одна установка на заводе синтеза в г. Шварц-
хайде (ФРГ).
Процесс «Реренофен» (трубчатая печь). Недавно был предло-
жен аллотермический способ газификации рядового бурого угля,
в котором влажный уголь должен перерабатываться в трубчатой
печи с внешним обогревом. Внешний обогрев может осуществля-
ться различными способами: сжиганием части продуктового газа,
посредством газификации остаточного кокса и сжигания получен-
ного газа или за счет подвода тепла от стороннего источника, на-
пример высокотемпературного ядерного реактора. Газификация
собственной влагой имеет преимущество, состоящее в том, что
предварительная сушка и дальнейшая углеподготовка исключа-
ются или по меньшей мере очень сильно упрощаются, а также
исключается потребление питательной воды для производства га-
зификационного пара.
Дополнительных реагентов для процесса не требуется.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. W. Wenzel, М. Meraikib und F. Н. Franke, Chem. Ing. Techn. 42 (1970) 638
2. F. H. Franke, W. Wenzel, M. Meraikib, Chr. Beckervordersandforth, BWK 25
(1973) 219
3. F. H. Franke, W. Wenzel und Chr. Beckervordersandforth, Braunkohle 26
(1974) 173
4. F. H. Franke, E. Pattas, K. J. Klocker, Braunkohle 27 (1975) 362
68
Газогенераторы с жидким шлакоудалением устроены аналогич-
но доменным печам. Их можно обобщенно охарактеризовать как
безрешеточные газогенераторы с плотным слоем и жидким шлако-
удаленнем, работающие при атмосферном давлении. Использова-
ние этих газогенераторов началось в первые десятилетия нашего
столетия. В ФРГ газогенераторы такого типа эксплуатировались
в промышленном масштабе до 60-х годов.
Устройство газогенератора с жидким шлакоудалением в прин-
ципе очень простое. Он состоит из цилиндрической шахты без
встроенных элементов, которая в нижней части конически сужа-
ется и переходит в так называемый приемник, в котором собира-
ется жидкий шлак. Шахта футеруется полностью или в нижней
части предусматривается охлаждающая водяная рубашка. Для
охлаждения применяется также другое решение, заключающееся в
водяном орошении обшивки газогенератора. Газифицирующий
агент подается непосредственно над слоем шлака через кольцеоб-
разно распределенные в стенке газогенератора насадки, так назы-
ваемые дутьевые фурмы. Уголь подается в верхнюю часть генера-
тора, слив шлака осуществляется периодически из нижней части.
Вытекающий шлак закаливается водой и гранулируется.
В качестве топлива может применяться как уголь, так и кокс,
В качестве газифицирующего агента — воздух, обогащенный кис-
лородом воздух и кислород.
Противоточное движение угля и газифицирующего агента при-
водит к образованию различных зон, пространственно распреде-
ленных по высоте слоя, в которых последовательно происходит
сушка топлива, полукоксование, газификация, ошлаковывание зо-
лы. При использовании воздуха в качестве газифицирующего аген-
та и угля возникают некоторые принципиальные проблемы. Зона
газификации растягивается в длину, газифнкационный газ с вы-
сокой температурой входит в зону полукоксования. Образующая-
ся там смола подвергается глубокому крекингу и становится вы-
соковязкой. Неочищенный газ покидает слой с температурой 800—
900 °C. Смола несет с собой довольно много пыли, которая обра-
зуется при разрушении кускового угля вследствие высокой тем-
пературы полукоксования. Выносу пыли способствует большая
скорость газа, необходимая для интенсивного реагирования, ко-
торая еще возрастает за счет высокой температуры и увеличения
объема при реагировании.
Сильная запыленность и высокая температура газа усиливают
коррозионное воздействие на оборудование последующих блоков,
кроме того, высокие температуры требуют довольно большого рас-
хода охлаждающей воды, а также больших диаметров трубопрово-
дов. Из-за наличия в газе пыли и смолы затрудняется утилизация
~епла. Эти проблемы разрешаются при использовании кокса.
69
При использовании воздуха ие допускается подмешивание боль-
шого количества пара, так как при этом сильно снижается тем-
пература. Поэтому при высокой температуре газификации газ со-
держит много окиси углерода, но мало водорода. Теплота сгора-
ния изменяется в пределах от 4 до 5 МДж/м3 (1000—1100 ккал/м3).
Газогенераторы с жидким шлакоудаленнем, работающие на
воздухе, значительно хуже реагируют на быстрые колебания на-
грузки. Пределы регулирования производительности довольно ог-
раниченны. При пониженной нагрузке ухудшается отвод шлака,
так что требуются флюсовые добавки.
Недостатки использования воздуха частично устраняются при
обогащении его кислородом или применении кислорода в качестве
газифицирующего агента. Температура в зоне горения очень высо-
ка, поэтому имеется возможность увеличить расход пара. Темпе-
ратура газа на выходе падает на 400—500 °C, так как объем газа,
поступающего на полукоксование угля, незначителен. Полукоксо-
вание угля производится в более мягком режиме, образуется мень-
ше пыли и, кроме того, существенно снижается крекинг смолы.
При использовании кислорода легче воспринимаются колебания
нагрузки.
Однако эксплуатация генераторов с жидким шлакоудаленнем
имеет и принципиальные недостатки: высокие температуры в зоне
горения и газификации, которые, с одной стороны, из-за высокой
скорости реагирования обеспечивают практически полное исполь-
зование углерода, с другой стороны — влекут за собой большие
потери физического тепла, повышенные потери тепла излучением,
физического тепла неочищенного газа и теплосодержания шлака.
Кроме того, при известных условиях (особенно при использова-
нии угля) возникают большие потери углерода с летучей пылью.
Описанные обстоятельства обусловливают довольно низкий
кпд газификации (особенно на воздушном дутье)—около 70 %.
Однако, с другой стороны, газогенераторы с жидким шлакоудале-
ннем имеют также ряд преимуществ. Они просты в изготовлении
и относительно дешевы. Кроме того, наряду с коксом в качестве
топлива могут быть использованы различные типы углей незави-
симо от точки плавления золы. Но самое значительное преимуще-
ство состоит в том, что благодаря высокой температуре достига-
ется чрезвычайно высокая удельная производительность шахты —
свыше 1 т/(м2-ч). При этом отдельные газогенераторы достигают
производительности 500 т/сут.
Ниже в качестве примера подробно рассматривается процесс
БАСФ на базе газогенератора с жидким шлакоудаленнем. Для
других способов даны литературные ссылки.
Процесс БАСФ на базе генератора с жидким шлакоудаленнем
Схема газификации: автотермическая парокислородная газифи-
кация кокса с добавкой шлакообразующего флюса в безрешеточ-
ном шахтном газогенераторе с периодическим выводом жидкого
шлака. Часть необходимого для газификации углерода может по-
70
даваться в виде жидких или газообразных углеводородов. В каче-
стве газифицирующего агента в равной мере успешно опробованы
воздух и обогащенный кислородом воздух.
П роизводительность. После 1945 г. по технологии БАСФ раз-
рабатывались и эксплуатировались газогенераторы для производ-
ства синтез-газа, которые при диаметре 4,8 м (диаметр шлакопри-
емника 3,8 м) и общей высоте 9 м (высота засыпки кокса 4,5 м)
достигали производительности 24 т/ч по коксу и до 55 000 м3/ч
по синтез-газу.
Эксплуатационные показатели этих генераторов следующие:
Удельный расход кокса, т/м2-ч 1,33
Удельный выход газа, м3/(м2ч) 3040
Оба значения отнесены на сечение шахты.
Характеристика используемого топлива приведена ниже:
Тип топлива . . . А — каменноугольный кокс (87 % С);
Б — кокс (87 % С)+40 % легкого бензина
Крупность . Кусковой кокс, о распределении по размерам нет
данных
Зола ..... Нет данных
Топлнвоподготовка Нет данных
Состав неочищенного газа типов А и Б приведен ниже, %.
А Б А Б
Н2 . 31 41 СН« . — 0,1
СО . 62 53 N2 . 11
СО2 . 6 5
Теплота сгорания неочищенного газа составляет, МДж/м3
(ккал/м3): 11,75 (2807) и 11,94 (2850).
Описание процесса. Кокс и известняк (для улучшения текучести
шлака) смешиваются и накапливаются в бункере. Через загрузоч-
ный шнек смесь подается в газогенератор по сигналу рычажного
датчика системы автоматического контроля высоты слоя.
Кислород для газификации (и при необходимости воздух) на-
сыщаются водяным паром в сатураторе. Дополнительный пар под-
мешивается на выходе из сатуратора. Газифицирующий агент, ко-
торый содержит не менее 40 % кислорода, предварительно подо-
гревается до 200—300 °C в теплообменнике, обогреваемом паром.
Параллельно через испаритель проходит легкий бензин с опреде-
ленным содержанием дополнительного пара, нагреваясь при этом
почти до 250 °C. Газифицирующий агент и бензиновый пар смеши-
ваются в дутьевых форсунках реактора и вдуваются в зону гази-
фикации под небольшим углом к поду газогенератора. Тем самым
обеспечивается безукоризненное течение шлака при сжигании.
Жидкий шлак периодически отводится через выпускные отвер-
стия в подине и гранулируется в водяной струе. Гранулят и вода
далее разделяются в отстойнике.
Полученный в газогенераторе газ сначала проходит установку
сухого пылеотделения (рукавный фильтр и два параллельно вклю-
ченных циклона). Отделенный летучий кокс через две (из двена-
дцати) дутьевые фурмы возвращается в газогенератор. За сухим
71
юылеотделением следует котел-утилизатор, в котором производит-
ся часть высокотемпературного греющего пара для бензинового
испарителя и подогрева газифицирующего агента, а во второй
ступени — технологический пар с давлением 15 бар. Затем охла-
жденный примерно до 220 °C газ освобождается от оставшейся
пыли в промывочном охладителе и скруббере Данные по серо-
очистке газа отсутствуют.
О поведении при переменных нагрузках, эксплуатации при ча-
стичной загрузке, условиях запуска и останова ничего не сооб-
щается
Производство газифицирующего агента — а) кислород: уста-
новка разделения воздуха Линде—Фрэнкля; б) пар: нет данных.
Требуется пар низкого давления, который, вероятно, отбирается из
заводского паропровода.
Техническая характеристика процесса БАСФ дли угля типов А н Б
А Б
Степень конверсии угля, % Кпд, %: Нет данных
газификации 94 92
термический 91 91
Степень разложения пара, % .Входные потоки Нет данных
расход кокса, кг:
на 1 № неочищенного газа 0,44 0,265
на 1 ГДЖ неочищенного газа расход легкого бензина, кг 37 22
на 1 м3 неочищенного газа •— 0,117
на 1 ГДж неочищенного газа расход пара, кг: —’ 9,8
на 1 № неочищенного газа 0,353 0,28
на 1 ГДж неочищенного газа 30.8 23,5
на 1 кг кокса .... 0,924 —-
^расход кислорода (98 %-него), м3:
на 1 м3 неочищенного газа 0,223 0,226
на 1 ГДж неочищенного газа 19 18,9
на 1 кг кокса 0.507 —
расход флюсового материала (известняка) Нет данных
Соотношение пар/кислород кг/м3 Выход продуктов 1,63 1.24
неочищенный газ на 1 т кокса, м3 пар (15 бар), кг: 2273 —
на 1 м3 неочищенного газа 0,186 0,218
на 1 ГДж неочищенного газа 15,8 18,3
на 1 кг кокса 0,423 —.
Давление газификации . Атмосферное
Температура, °C
газификации Нет данных
газа на выходе 630 730
Расход воды Нет данных
Расход электроэнергии .
Газоочистка. К генератору присоединяется установка су-
хого пылеотделения, в которой улавливается основная часть лету-
чего кокса. Пыль состоит главным образом из частиц размером
от 0,05 до 1 мм. Примерно 8 % составляют более крупные и 15 %
72
более мелкие фракции. В рукавном фильтре за счет уменьшения
скорости улавливаются все частицы размером свыше 0,2 мм. 06
эффективности циклона ничего не сообщается. Также отсутствуют
данные об эффективности промывочного охладителя и Тейзен-де-
зинтегратора. Сероочистка газа не описывается.
Строительство установки ведет фирма «БАСФ АГ», Людвиг-
схафен (ФРГ).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. F. Duftschmid und F. Markert, Chem. Ing. Techn. 32 (1960) 806
Процесс «Тиссен-Галожи»
2. W. Demann, Brennstoffchemie 30 (1949) 187
3. L. L. Newman, Ind. Eng. Chem. 40 (4) (1948) 578
Процесс иа базе генератора с жидким шлакоудалением Лейиа
4. F. Sabel, Brit. Ing. Obj. Sub-Committee Report Nr. 199 (1945)
5 F. Sabel, Gas und Wasserfach, Gas 92 (1951) 273
3. Процесс Британской газовой корпорации
на базе газогенератора высокого давления
с жидким шлакоудалением
Схема газификации: автотермическая газификация кускового
угля или кокса в противоточном потоке с парокнслородной смесью
в слоевом реакторе под давлением. По сравнению с традиционным
процессом газификации под давлением «Лурги» температура в зо-
не горения поднимается выше температуры плавления золы. Раз-
рабатывается вариант процесса (фирма «Бритиш Газ Компэзит
Газпфиер»), в котором угольная мелочь и газифицирующий агент
вдуваются снизу в слоевой реактор.
Производительность. В Великобритании в течение последних
20 лет компаниями «Газ Каунсл» и «Бкура» были проведены опы-
ты с жидкошлаковыми газогенераторами, которые могут рассмат-
риваться как дальнейшее развитие способа «Лурги». В то время
как компания «Бкура» эксплуатировала один экспериментальный
реактор производительностью до 0,9 т/ч с незначительным избыт-
ком давления и опробовала несколько маленьких генераторов при
атмосферном давлении, компания «Газ Каунсл» работала с рекон-
струированным газогенератором типа «Лурги» производительно-
стью 5,7 т/ч с внутренним диаметром 0,91 м, в котором были пре-
дусмотрены футерованный приемник жидкого шлака, гранулятор и
шлаковый шлюз. По этому газогенератору, который был опробован
только в режиме опытной эксплуатации, имеются некоторые дан-
ные (1965 г.), приведенные ниже. Испытания компании «Газ Ка-
унсл» были продолжены Британской газовой корпорацией на опыт-
ной установке в Вестфилде (Шотландия) с тремя традиционными
газогенераторами «Лурги» диаметром 2,8 м и одним реконструи-
73
рованным газогенератором с жидким шлакоотводом. О работе
этой установки, на которой перерабатывалось примерно 14 т/ч
угля, имеются лишь ограниченные сведения, которые также при-
ведены ниже. По-видимому, наилучших показателей опытной уста-
новки «Газ Каунсл» в этом укрупненном газогенераторе достиг-
нуть не удалось.
Кроме того, Американским горным бюро были проведены ис-
следования по газификации бурого угля в модифицированном
опытном газогенераторе «Лурги». Об этих испытаниях, которые,
по-видимому, были прекращены, также нет сведений.
Установка У становка
«Газ «Вестфилд»
Каунсл»
Диаметр генератора, м 0,91 2,1 *
Расход угля, т/ч До 5.7 До 14
Выход газа, м3, ч До 8 000 До 28 000 *
Удельный расход угля, т/(м2 ч) До 8,7 До 4,76
Удельный выход газа, м3/(м2-ч) . . До 12С00 До 9 500
* Результаты оценочные.
Используемый уголь. Большинство опытов компании «Газ Ка
унсл» было проведено с коксом, однако также использовались уме-
ренно- и слабоспекающиеся газопламенные угли. Приведенные
здесь данные относятся к углю «Донпсторп» следующего состава
(сухая масса), %:
С 71,3 S . . . 1.45
н . . 5 Зольность . 7,35
о . . 13,2 Влажность угля 12,7
N 1,55
Высшая теплота сгорания используемого угля составляй-
29 МДж/кг (7053 ккал/кг)
В более поздних испытаниях в Вестфилде удалось также про-
газнфицировать с довольно хорошими результатами спекающиеся
и спльноспекающиеся угли. Приведенные ниже результаты испыта-
ний в Вестфилде получены на питтсбургском угле № 8 крупностью
6—30 мм. На этом угле с индексом полукоксования 71/2 были
достигнуты наилучшие показатели из всех опробованных спекаю-
щихся углей.
Выход летучих веществ, % 37,4 Влажность, °,'и . 4,0
Зольность, % 7,7 Углерод связанный, % 50,3
Крупность. Подавляющее число опытов «Газ Каунсл» было
выполнено с классифицированным углем крупностью 25—37 мм.
Однако было установлено, что при использовании угля крупностью
12—25 мм производительность установки изменяется незначитель-
но. Последующие результаты опытов «Газ Каунсл» были получены
на угле крупностью 25—37 мм.
В Вестфилде также использовался классифицированный уголь,
однако других фракций: 6—25 или 6—30 мм. Позднее были про-
ведены опыты с высоким содержанием угольной мелочи, напри-
74
мер, питтсбургский уголь № 8 с содержанием мелочи (<6 мм)
23 %, о которых, однако, нет сведений. Планируется изготовить
новый опытный газогенератор, в котором отсеянная мелочь рядо-
вого угля должна подаваться в газогенератор через дутьевые
фурмы, а кусковой материал подается в слой обычным путем
через угольный шлюз («Бритиш Газ Компэзит Газифиер»),
Зола. В связи с тем, что зола в реакторе расплавляется, на-
блюдается слабая зависимость термического кпд от содержания
золы в угле. Температура плавления золы не имеет принципиаль-
ного значения, однако в большинстве более ранних опытов в ка-
честве флюсового материала добавлялся доменный шлак или до-
ломит. В Вестфилде, по-видимому, отказались от этой добавки.
Для угля «Донпсторп» температура плавления равна пример-
но 1350 °C. В описанных опытах весовое соотношение угольная
зола/доменный шлак составляло 4 : 3.
Углеподготовка. Углеподготовка может быть по существу
аналогичной традиционному процессу «Лурги». Она включает
дробление, классификацию и при необходимости сушку сырого уг-
ля. О максимально допустимой влажности и содержании балласта
в используемом угле данные отсутствуют. В новом процессе ком-
пании «Бритиш Газ Компэзит Газифиер» должен использоваться
рядовой уголь, от которого мелочь отделяется и подается в газоге-
нератор через дутьевые фурмы.
Состав неочищенного газа (сухого, обессмоленного). Неочи-
щенный газ содержит азот, содержание которого изменяется в за-
висимости от условий эксперимента примерно от 5 до 7 %. Он
переходит в газ из продуктов сгорания горелки около сливного от-
верстия для шлака, которая работает на городском газе и обога-
щенном кислородом воздухе. В приведенных ниже составах газа
для опытов «Газ Каунсл» азот был исключен для лучшего сопо-
ставления результатов. В испытаниях в Вестфилде не упомина-
ется о горелке около сливного отверстия, поэтому, вероятно, из-
за ее отсутствия опыты и были прекращены.
Опыты «Газ Уголь «До- Установка в Вестфилде Уголь «Питтсбург» № 8
Каунсл» Газифика' ция кокса нисторп»
н2, % . . . 27,25 28 05 29,1
со, % 70,35 61,2 55,5
СО2 . . . . 1,85 2,55 3,9
сн« 0,45 6,71 7.2
С2Н6 0 0,94 0.3
N2 — — 4
Теплота сгорания,
МДж/м3 (ккал/м3) 12,5 (2987) 14,61 (3491) 13,76 (3287)
Описание процесса. Реактор отличается от традиционного газо-
генератора «Лурги» под давлением только в нижней части. Пар
и кислород подаются через четыре водоохлаждаемые дутьевые
фурмы в футерованный приемник газогенератора. Узел отвода
75
шлака, по-видимому, еще не нашел окончательного решения. Ис-
пытания проводились с периодическим сливом и непрерывным от-
водом. Шлакоотводящая труба генератора для обеспечения хоро-
шей текучести шлака должна дополнительно обогреваться горел-
кой. Необходима ли сейчас эта горелка, из литературы неизвест-
но. Шлак сливается в водяной бассейн, пристроенный в нижней
части реактора, также находящийся под давлением, где он затвер-
девает и гранулируется. Гранулированный шлак выводится из
зоны высокого давления через золошлюзовую систему.
Верхняя часть газогенератора состоит из обычного водоохлаж-
даемого стального сосуда под давлением с распределителем угля
и угольным шлюзом.
Дальнейшая переработка газа в Вестфилде может осущест-
вляться таким же способом, как и в традиционном процессе «Лур-
ги», под давлением.
Производство газифицирующего агента — а) кислород: разде-
.ление воздуха по Фрэнклю—Линде. В испытаниях «Газ Каунсл»
в Солихалле газифицировался жидкий кислород; б) пар: часть
газификационного пара можно получать на установке промыш-
ленного масштаба в водоохлаждающей, рубашке газификатора.
'Остальная часть должна производиться в отдельном котле. Про-
цесс не является автономным по пару. В опытах использовался
исключительно сторонний пар.
Приведенные здесь данные для газогенератора «Газ Каунсл»
получены при работе в течение 81 ч на слабоспекающемся угле
х«Донисторп». Данные по газогенератору в Вестфилде получены
в серии испытаний продолжительностью 90 ч, которые были про-
ведены в 1978 г. по поручению американских обществ.
Техническая характеристика г. зогеиераторсв «Газ Каунсл» и «Вестфилд»
«Газ «Вестфилп»
Каунсл»
Степень конверсии угля, % 99,6 Нет данных
Кпд, %:
газификации . . 90 (вклю- чая смолу)
термический 68,3 ..
'Степень разложения пара, % Входные потоки 83 •»
расход кислорода, м3: на 1 т рядового угля на 1 м3 неочищенного газа на 1 ГДж неочищенного газа расход пара, кг: на 1 т рядового угля на 1 м3 неочищенного газа . . на 1 ГДж неочищенного газа расход рядового угля, кг: 274 311 0.176 11,8 378 0,19 12.7 0.5
0,186 12.8 238 0.162 11,1 . . 0.68
на 1 м3 неочищенного газа
на 1 ГДж неочищенного газа 46,6 33.7
Соотношение пар/кислород, кг/м3 0,88 0.87
Выход продуктов на 1 т рядового угля: газ, мя . 1471 1894
смола, кг . . . . 59,3 56,3
76
Давление газификации, бар
Температура, °C:
газификации .
газа на выходе
Параметры газифицирующего агента
кислород:
температура, °C ..............
давление, бар............................ ......
пар:
температура, °C..................................
давление, бар ... .....................
Расход воды.........................................
Расход продуктов для горелки, обеспечивающей слив-
20,7 24
1250— 1500 Нет данных
350-450 515
250
100
450
37,9
Нет данных
ное отверстие
городской газ:
на 1 т рядового угля, м3/(МДж).................. 20,7 (366)
иа 1 м3 неочищенного газа, м3 ... 0,014 -
на 1 ГДж неочищенного газа, м3 0,96
кислород, м3:
на 1 т рядового угля . . .... 6,22
на 1000 м3 неочищенного газа . 4,23 -
на 1 ГДж неочищенного газа . 0,29
воздух, м3:
па 1 т рядового угля 111
па 1000 м3 неочищенного газа .... 75,5
па 1 ГДж неочищенного газа 5,2 -
Расход электроэнергии............................... Нет данных
Газоочистка. Выходящий из генератора газ промывается
конденсатом в закалочном охладителе перед входом в котел-ути-
лизатор и затем в конечном охладителе отделяется от смолы, гази-
рованной воды и др путем конденсации. Выход газированной во-
Рис. 15. Генератор высокого давления с жидким шлакоудаленнем (Бритиш Газ
Каунсл):
/ — футеровка; 2 — дутье фурмы; 3 — водоохлаждающая рубашка высокого давления; 4
горелка для подогрева шлака (подвижная)
77
ды составляет 187,7 кг/т рядового угля или 8,7 кг/ГДж неочищен-
ного газа, что существенно меньше, чем в традиционном способе
«Лурги», и объясняется более высокой степенью конверсии пара.
Выход летучей пыли составляет 9,04 кг/т рядового угля; возврат
смолы в генератор для уменьшения выноса пыли не практиковал-
ся, но для промышленных целей предусматривался.
Строительство установки ведет Британская газовая корпора-
ция, Вестфилд, Шотландия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. D. Hebden; J. A. Lacey und A. G. Horsier. J. Inst. Gas Eng., 5 (1965) 367
2. D Hebden und R F Edge. Trans Inst. Gas Eng., 108 (1958—59) 492
3. Coke and Gas, 21 (1959) 13
4. Arch f. Energiewirtschaft, 15 (1959) 600
5. D. Hebden. Gas World, 178 (1973) 341
6. The Westfield Development Centre. Broschiire der British Gas Corporation,
1975.
7. J. A Gray. Coal Energy Quart. No. 11 (1976) 15—22
8. G. F. I. Roberts, D Hebden, С. T. Brooks, .1. D. Sudbury 14th World Gas
Conference, Toronto, 1979, IGV/B2—79
9. EPRI-J. 4 (1979) No. 1, 38
10. J. A. Gray. Chem. Engng. Progr. 76 (1980) No. 3, 73
4. Процесс газификации под давлением
„Лурги-Рур-1ОО“
Схема газификации: автотермическая газификация угля в про-
тивоточном направлении с парокислородной смесью в слоевом ре-
акторе при давлении до 100 бар.
Производительность. Опытный газогенератор с внутренним диа-
метром 1,5 м был введен в эксплуатацию в сентябре 1979 г. на
территории, где ранее размещалась установка для газификации
под давлением по способу «Лурги» компании «Штейнколенгаз АГ»
в Дорстене (ФРГ). Газогенератор рассчитан на давление до
100 бар и расход 7,1 т/ч чистого угля (сухая беззольная масса).
В нем предусмотрены два газоотборных канала для чистого газа
и газа полукоксования, а также встроена водоохлаждающая ру-
башка для производства пара высокого давления. Генератор имеет
два попеременно работающих угольных шлюза, вращающийся вал
с распределителем угля и несколькими мешалками, предусмотрен-
ными в связи со склонностью углей к спеканию при высоком дав-
лении.
Опытную эксплуатацию предполагалось провести при среднем
(до 25 бар) и высоком (до 100 бар) давлении. К настоящему вре-
мени, по-видимому, опробован только вариант со средним давле-
нием. При этом на приемных испытаниях была достигнута произ-
водительность по углю 2,76 т/ч, что соответствует 92 % расчетной.
Так как установка находится еще в стадии опробования, приве-
денные здесь данные являются предварительными эксплуатацион-
ными результатами и еще не могут считаться представительными.
78
Используемый уголь. Одной из целей усовершенствования газо-
генератора «Лурги» является изменение гранулометрического со-
става угля в сторону мелких фракций. Кроме того, должен ис-
пользоваться забалластированный уголь. Конечная цель состоит
в применении сырого рядового угля. В опытах, проведенных к на-
стоящему времени, использовался вначале кусковой антрацит, за-
тем высокозольные отходы обогащения антрацита и наконец от-
ходы обогащения газового угля.
Гранулометрический состав используемого угля «Вестерхольт»
приведен ниже:
Крупность, мм . 30 30—18 18—10 10—6,3 6.3—3.15 3,15
Содержание, % 10,7 15,7 24.9 25„3 11,2 12,2
Используемый уголь имеет следующую характеристику:
Выход летучих веществ, % 37,3
Содержание (на сухую массу), %:
серы . 1,93
золы . . 33,19
Влажность, % 4,3
Индекс полукоксования 1
Температура, °C:
размягчения золы . ... 1280/1170
начала плавления золы 1520/1550
жидкого состояния золы 1550/1600
Примечание. В числителе приведена температура окисления, в
знаменателе — восстановления.
Из документации не ясно, будет ли исходный уголь подвер-
гаться дополнительной подготовке (например, с целью ограниче-
ния содержания мелочи и т. д.).
Состав неочищенного газа приведен ниже, %:
Н2 39.1 с2н6* 0.8
со 16,5 n2 1.4
со2 33,5 H2S Нет
сн4 9.1 данных
* Содержит также С2Н4, С3Н8, С3Н6.
Теплота сгорания составляет 11,24 МДж/м3 (2684 ккал/м3).
В качестве побочных продуктов образуются смола, легкое мас-
ло, фенол.
Описание процесса. Уголь поступает в два попеременно рабо-
тающих шлюза, давление в которых выравнивается с реакторным,
и затем по мере необходимости загружается на слой. Углерас-
пределитель обеспечивает равномерное распределение. Газифици-
рующий агент (смесь пара и кислорода) проходит через вращаю-
щуюся решетку для вывода золы и пронизывает засыпку в проти-
вотоке с углем. Уголь сначала просушивается, затем подвергается
полукоксованию, газифицируется, а остаточный кокс сгорает в
нижней части, посредством чего компенсируется значительная
часть эндотермического эффекта реагирования с паром Слой зо-
лы на колосниковой решетке служит для равномерного распреде-
ления входного потока газифицирующего агента, его подогрева и
79
для защиты решетки от перегрева. В газогенератор встроен так-
же водоохлаждаемый золоотводящий шнек.
В связи с тем что при указанном выше рабочем давлении су-
щественно усиливается спекаемость угля, в реакторе предусмотре-
на сопряженная с углераспределителем мешалка, лопасти которой
достигают зоны полукоксования и обеспечивают разрушение обра-
зующихся агломератов.
Газ отбирается из реактора либо через отводной канал чистого
газа, т. е. перед входом в золу полукоксования и сушки, либо че-
рез отводной канал газа полукоксования. Через зону полукоксова-
ния проходит только часть газа, вследствие чего скорость потока
в этой зоне уменьшается. В результате снижается вынос уголь-
ной мелочи и, кроме того, чистый газ практически не загрязнен
продуктами полукоксования.
Чистый газ и газ полукоксования после выхода из газогене-
ратора охлаждаются водой, проходят через котел-утилизатор и
пылеотделитель, в результате чего давление снижается примерно
до 25 бар. После этого оба потока смешиваются и поступают на
дальнейшую переработку. Предусмотрены термическое разложе-
ние неочищенного газа, в процессе которого расщепляются высшие
углеводороды, начиная с С2, конверсия сырого газа и обессерива-
ние путем промывки горячим поташом и алказидом. Образующие-
ся побочные продукты, такие как смола, масло и конденсирован-
ная вода, отделяются в следующей установке.
Производство газифицирующего агента — а) кислород: разло-
жение воздуха; б) пар: для опытной установки пар поступал от
соседней электростанции.
Приведенные значения представляют результаты предваритель-
ных испытаний.
Техническая характеристика процесса газификации под давлением
«Лурги-Рур-100»
Степень конверсии угля, % ... Нет данных
Кпд, %:
газификации ......................................................... ,,
Степень конверсии пара, % . .................... „
Входные потоки
расход Кислорода, м3:
на 1 т сырого угля . . 238
на 1 м3 неочищенного газа . . 0,18
на 1 ГДж неочищенного газа ... 15,7
расход пара, кг:
на 1 т сырого угля ... ... 1810
на 1 м3 неочищенного газа . .................... 1,35
на 1 ГДж неочищенного газа ...... 119,9
расход рядового угля, кг:
на 1 м3 неочищенного газа . .................... 0,745
на 1 Гкал неочищенного газа ................. 42,3
Соотношение пар/кислород, кг/м3....................... . 7,6
Выход неочищенного газа на 1 т сырого угля, м3 1313
Давление газификации, бар .......................25 (по проекту
до 100)
Температура, °C:
газификации .............................. Нет данных
газа иа выходе ............................................ Около 800 °C
Параметры газифицирующего агента
давление, бар:
кислорода .......................................................... ПО
пара ................................. 120
Расход воды ................................. Нет данных
Газоочистка. О переработке газа для промышленной уста-
новки сведения до сих пор отсутствуют, однако можно считать, что
она выполняется по аналогии с традиционным способом «Лурги».
Правда, при проектировании исходят из того, что вследствие по-
вышенного парциального давления пара содержание конденсиро-
ванных углеводородов должно уменьшаться, что в свою очередь
приведет к упрощению переработки побочных продуктов. Ожида-
ется также, что из-за повышенного содержания метана в неочи-
щенном газе (при 100 бар ожидается 16—18 % СН4 в неочищен-
ном газе) установка метанирования (если она необходима) ока-
жется значительно меньше, чем в других процессах газификации.
Проектирование и строительство установки ведет компания
«Лурги Коле- унд Минералольтехник ГмбХ».
Заказчик и разработчик: объединение «Газификация
под давлением» (фирмы «Рургаз АГ», «Рурколе АГ», «Стиг АГ»).
Местонахожде-
н и е: Дорстен, на про-
изводственных площа-
дях «Рургаз АГ»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Н. Р. Реугег, Erdol-Erd-
gas Z. 94 (1978) 362
2. G. Robke, Vortragsverof-
fentlichungen — Haus der
Technik 405 (1978) 85
3. C. Lohmann, G. Robke,
gwf-Gas/Erdgas 121
(1980) 358
4. H. Peyrer, G. Robke,
Chem. Techn. 9 (19801
401
Рис. 16. Газогенератор
«Лурги-Рур-100»:
1 — углераспределитель; 2 — ме-
шалка; 3 — колосниковая решет-
ка
6 Зак. 738
5. Процесс „Хайгаз“
Схема газификации: комбинированная паровая и гидрогази-
фикация в многоступенчатом реакторе. В первой ступени во взве-
шенном потоке частично газифицируются и гидрируются преиму-
щественно летучие компоненты угля; во второй ступени в кипящем
слое осуществляется гидрогазификация парогазовой смесью, обо-
гащенной водородом. Остаточный кокс затем газифицируется во-
дяным паром с целью получения газифицирующего агента, при-
чем для этой ступени разрабатываются три технологических вари-
анта.
Производительность. К настоящему времени известна опытная
установка с производительностью по углю 3 т/ч. Полная произ-
водительность ее была достигнута лишь кратковременно в от-
дельно эксплуатировавшейся гидрирующей части установки без
непосредственного подключения ступени газификации остаточного
кокса. Точные данные о размерах реактора, а также сведения о
выходе неочищенного газа отсутствуют. Сообщается только, что
опытная установка рассчитана на производство ЗПГ 1670 м3/ч.
В последнее время исследуется газификация торфа.
Приведенные ниже данные, которые были опубликованы Ин-
ститутом технологии газа (Чикаго), являются проектными пока-
зателями промышленной установки для производства 310 000 м3/ч
ЗПГ. Фактические результаты отсутствуют.
Используемый уголь — все виды бурых углей и неантрацитовые
каменные угли. В 1976 г. испытания проведены с углем «Иллинойс»
№ 6 (40 % летучих веществ на горючую массу, сильно спекаю-
щийся) и углем «Розебад» (48 % летучих веществ на горючую
массу, неспекающийся).
Крупность частиц. Пыль с довольно пологим распределе-
нием частиц по размерам в диапазоне 45—850 мкм, причем допу-
скается до 1—2 % частиц крупнее 1,5 мм.
Зола. Нет данных.
Углеподготовка. Спекающиеся и вспучивающиеся угли
(например, «Иллинойс» № 6) после сушки и классификации пред-
варительно выжигаются примерно на 10 % и окисляются при тем-
пературе 350—400 °C в реакторе с кипящим слоем, чтобы предот-
вратить спекание. При этом производится пар и топливный газ,
используемый в качестве котельного топлива. Бурые и неспекаю-
щиеся каменные угли не нуждаются в окислительной обработке.
В последующем предполагается все угли газифицировать без пре-
дварительного окисления.
Угольная пыль с легким высокоароматичным маслом, которое
получается также в рамках данной технологии, затираются в па-
сту, которая нагнетается в реактор газификации. Шлам может
содержать до 45 % угольной пыли.
Состав неочищенного газа. В зависимости от технологии гази-
фикации остаточного кокса имеются три способа, состав неочищен-
ного газа для которых приведен ниже, %:
82
Парокислород-
ный способ
СО
СО2
Н2
сн4
С6Н6
H2S
Прочие
Железо-паро-
вой способ
Электротерми-
ческий способ
23,8 11 25,7
24,5 10,6 17,4
30,2 33,6 29.2
18,6 29 24
0,6 1.5 0,9
1,2 2,2 1,6
1,1 2,1 1,2
Теплота сгорания соответственно составляет: 15; 18,8;
17,57 МДж/м3.
Описание процесса. Поступающий уголь или сушится и пред-
оксидируется, или после измельчения с подсушкой без дальнейшей
обработки затирается с легким маслом и пластовым насосом вво-
дится в реактор под давлением. Потери в процессе предваритель-
ного окисления составляют около 20 %. В реакторе за счет тепла
движущегося навстречу продуктового газа масло испаряется, а
уголь досушивается. Затем он попадает в первую ступень газифи-
кации, в которой частично газифицируется и гидрируется газом из
второй ступени газификации. Вторая ступень гидрогазификации
расположена ниже первой, и уголь поступает в нее путем перепус-
ка из первой ступени. Первая ступень выполнена в виде узкой
трубы, в которой уголь транспортируется выходящим потоком
газа. За этой ступенью следует трубное расширение, в котором
угольные частицы сепарируются и переходят во вторую ступень,
выполненную в виде аппарата с кипящим слоем. В кипящий слой
через сопла в подине вдувается парогазовая смесь, обогащенная
водородом. Остаточный кокс через простое переточное устройство
поступает в расположенный ниже генератор водорода. В зависи-
мости от модификации процесса существуют три способа газифи-
кации:
газификация парокислородной смесью в стационарном слое под
давлением. Зола удаляется гидравлическим путем через водяной
шлюз. Образующийся газ служит ожижающим агентом кипящего
слоя второй ступени газификации. Пыль, выносимая в верхнюю
часть всей установки (т. е. после подогревателя и маслоиспарите-
ля), рециркулируется через мультициклон. К настоящему времени
на этом модуле проведен только единственный эксперимент с бу-
рым углем. Температура поддерживалась около 1050 °C, причем
без шлакообразования и агломерации, однако образовывалась спе-
ченная зола в виде шариков одинакового размера. Была достигну-
та степень конверсии углерода свыше 98 %;
при железо-паровом процессе из остаточного кокса второй сту-
пени гидрогазификации производится генераторный газ на паро-
воздушном дутье. Этот газ используется для восстановления окси-
да железа (сидерит, 70—360 мкм) до металла, который затем сно-
ва окисляется паром и возвращается в зону восстановления. По-
лученная пароводородная смесь используется в качестве ожижаю-
щего агента для кипящего слоя гидрогазогенератора. Окисление и
восстановление оксида железа должны осуществляться при темпе-
6* 83
ратуре 800—850 °C; давление, как и в остальной части установки,
около 75—80 бар. С октября 1975 г. в течение продолжительного
времени железо-паровой процесс испытывался на опытной уста-
новке. В качестве топлива использовался спекающийся камен-
ный уголь;
при электротермической газификации остаточный кокс подвер-
гается обработке водяным паром при 1050—1100 °C в кипящем
слое, нагреваемом непосредственным прохождением электрическо-
го тока. В связи с интенсивным колебанием электрического сопро-
тивления кипящего слоя была разработана электронная управляю-
щая система, которая обеспечивала постоянное теплонапряжение
в слое. Вследствие сильного роста цен на электроэнергию даль-
нейшая разработка этой технологической ступени в настоящее вре-
мя приостановлена. В последующем необходимая электроэнергия
будет производиться путем сжигания части остаточного кокса.
Этот вариант является простейшим, но в то же время наиболее
дорогим из трех рассматриваемых способов.
В опытной установке дальнейшая переработка неочищенного га-
за, который покидает реактор с температурой на 300 °C выше
рабочей температуры ступени предварительного подогрева и мас-
лоиспарения, и, кроме приведенных выше компонентов, содержит
еще пары масла (затертого в пасту), водяной пар, угольную пыль,
следы аммиака, синильной кислоты и т. д., осуществляется следую-
щим образом: в промывочном охладителе газ освобождается от
масла и пыли, а также водорастворимых загрязнений. Масло и во-
да затем разделяются и перерабатываются раздельно.
Газ освобождается от кислых газов в традиционной установке.
В опытной установке применяется отмывка смесью вода-дигли-
кольамин, позволяющая перерабатывать газ, состав которого ко-
леблется в широких пределах.
В промышленной установке будет применяться более опти-
мальный процесс. Загружаемый в скруббер водный раствор ре-
генерируется паром во второй колонне при нормальном давлении
и затем рециркулируется. Смесь СО2—H2S перерабатывается в
серу в установке Клауса. За щелочной отмывкой газа следует ами-
новая отмывка, которая должна обеспечить очистку газа от оста-
точных загрязнений с целью защиты никелевых контактов в про-
цессе метанизации (особенно от серных соединений).
На стадии метанизации необходимо строго контролировать тем-
пературу в пределах от 230 °C (чтобы избежать образования
Ni(CO)4) до 530 °C (чтобы избежать сажеобразования). Так как
реакция CO-j-3H2 = CH4-|-H2O является сильно экзотермичной, газ
необходимо разбавлять, чтобы снизить содержание СО, и за счет
этого удерживать тепловыделение в допустимых пределах. Разбав-
ление производится продуктовым газом ступени метанизации, кото-
рый после охлаждения частично рециркулируется.
Для выравнивания температурного режима процесс метаниза-
ции осуществляется в две ступени с промежуточным охлаждением.
Для предварительного подогрева свежего газа первой ступени
81
полностью метанизированный газ проходит через теплообменник и
затем окончательно охлаждается с целью конденсации продукто-
вой воды, образующейся при метанизации. В промышленной уста-
новке реакционное тепло будет использоваться для производства
пара, в опытной установке это не предусмотрено.
О динамическом поведении реактора, а также условиях пуска
и останова не сообщается.
Производство газифицирующего агента — а) кислород: тради-
ционное разделение воздуха; б) пар: смотря по обстоятельствам —
либо из ступени метанизации, либо из системы охлаждения реак-
тора. Неизвестно, может ли весь необходимый пар производиться
в рамках технологического процесса.
Техническая характеристика процесса «Хайгаз»
Парокислород- ный процесс Железо паро- вой процесс Электротерми- ческий процесс
Степень конверсии угля, % Кпд, %: газификации термический . Входные потоки расход кислорода, м3: в 1 ч 76 500 96—99 Нет данных
на 1 т угля 1 378 — —-
на 1 ГДж ЗПГ 69,7 — —
расход пара, т: в 1 ч . . 532 674 417
на 1 т угля . 0,958 0,965 0,701
на 1 ГДж ЗПГ . . . . 0,048 0,061 0,038
расход угля на газификацию, т: в 1 ч . 555 700 587
на 1 ГДж ЗПГ 0,051 0.0064 0,054
Соотношение пар/кислород, кг/м3 6,95 — —
Расход электроэнергии для гази- фикации остаточного кокса, кВт на 1 т угля 24,7
на 1 ГДж ЗПГ — — >1.3
Выход продуктов: неочищенный газ получаемое топливо: в 1 ч, ГДж/(Гкал) 704 (168) Нет данных 4810 (1150) 880 (210)
на 1 т угля, ГДж(Гкал) . 1,4 (0,334) 7 1 (1,7) 1,5 (0.36)
на 1 м3 ЗПГ, МДж (ккал) 2,18 (520) 15,6 (3730) 2,84 (678)
на 1 ГДж ЗПГ, МДж 64,2 440 80,3
Давление газификации, бар Температура, °C- газификации . 70 650 (I ступень) 950 (11 ступень)
газа на выходе Расход угля, т/ч: на газификацию 557 30Q 700 587
на получение электроэнергии Нет данных Нет данных 13,8
Газоочистка. Газ вначале очищается в скруббере от масла,
пыли и водорастворимых загрязнений, а затем перерабатывается
на традиционных установках. При этом в зависимости от требова-
ний может достигаться любое качество газа. О загрязнениях сыро-
го газа, таких как пыль и химические вещества, не сообщается.
85
Газ-сырец
Зола.
Рис. 17. Схема реак-
тора «Хайгаз» (Ин-
ститут технологии га-
за):
/ — сушка н измельче-
нне; 2 — предваритель-
ное оксидирование; 3 —
пастоприготовление; 4 —
зона сушки; 5 — I и
И ступени гидрогазифи-
кации; 6 — паровая га-
зификация; 7 — охлади-
тель; 8 — конверсия СО;
9 — отмывка газа; 10 —
метаннзация; 11 — суш-
ка газа
Строительство и разработка. Разработчик — Институт
технологии газа (Американская газовая ассоциация), Чикаго, Ил-
линойс, США. Работы по железо-паровому процессу после несколь-
ких лет опытной эксплуатации в 1977 г. были прекращены. Экс-
плуатация опытной установки продолжается. Запланирована де-
монстрационная установка производительностью 5 млн. м3/год.
Разместить установку предполагается в штате Монтана или Да-
кота. Работы поддерживаются Министерством энергетики, Амери-
канской газовой ассоциацией и Институтом газа.
Заказчик: см. разработчик.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. С. L. Tsaros und Т. К. Subramaniam
Report for US Dept, of the Interior, Office of Coal Research and American
Gas Association, Febr 1971
2. F. Schora, Jr., B. S. Lee und J. Huebier
Clean Fuels from Coal, Symp., Chicago, 10.—14. Sept. 1973
3. P. B. Tarman
5th Synthetic Pipeline Gas Symp.. Chicago, 29.—31. Okt. 1973
4 В S. Lee und P. B. Tarman
6th Synthetic Pipeline Gas Symp., Chicago, 28.—30. Okt. 1974
5. В S. Lee
8th Synthetic Pipeline Gas Symp., Chicago, 18.—20. Okt. 1976
6. B. S. Lee
Oil and Gas J. 77, 1 Aug. (1977) 76
6. Процесс „Когаз“ (КОЭД)
Схема газификации: аллотермический способ для газификации
мелкого кокса водяным паром в кипящем слое. Он заключается в
86
многоступенчатом полукоксовании угля в кипящем слое и газифи-
кации кокса водяным паром при низком давлении и разработан
на базе процесса КОЭД («Коэл Ойл Энеджи Девелопмент»)
фирмы «Фуд Мэшинери энд Кемикэлс Корпорейшн» (ФМК),
США.
Потребность в тепле покрывается путем частичного сжнгання
кокса с воздухом. Работы ведутся недавно образованной фирмой
«Когаз Девелопмент Корпорейшн» (США) и по ее заказу Британ-
ской ассоциацией исследований по утилизации угля («БКУРА»),
В качестве теплоносителя используются керамические окатыши
(вариант «Когаз») нли кокс (вариант «БКУРА»). Прн полукоксо-
вании получают обычные продукты, а при газификации образуется
синтез-газ.
Производительность. По договору о сотрудничестве между фир-
мой «Когаз Девелопмент Компани» и «БКУРА» были сооружены
две опытные установки. Английская установка имеет расход 4 т/ч
угля, американская — 0,2 т/ч. Эти установки находятся в эксплу-
атации с 1974 г. В США запланирована демонстрационная уста-
новка производительностью около 2000 т/сут. Она должна была
войти в строй в 1981 г.
По-видимому, сырой газ, получаемый по обоим технологическим
вариантам, имел примерно одинаковый состав. Приведенные дан-
ные не могут быть однозначно отнесены к одной нз двух опытных
установок; лишь только технические характеристики процесса мож-
но надежно идентифицировать как полученные на опытной уста-
новке «БКУРА».
Используемый уголь. Были проведены испытания с битуми-
нозным углем «Иллинойс» № 6 и суббнтуминозным углем Вайо-
минга.
Крупность. Нет данных.
Зола ошлаковывается (вариант «БКУРА») или выводится в
виде летучей золы.
Углеподготовка. Сортировка, сушка.
Состав сырого газа приведен ниже.
Состав частично очищенного пиролизного газа, %
«Иллинойс» № 6 Суббитуми- нозный «Иллинойс» № 6 Суб гттуми- 1 ОЗИЫЙ
Н2 26.2 16,6 с—с4 8.3 7.6
со 7.4 17,2 H2S* 10.8 1.2
со2 9,3 20,1 n2 4 2,4
сн4 . . . 34 34,9
• Содержание H2S очень высокое, возможно опечатка в первоисточнике.
Теплота сгорания соответственно составляет 27 (6460) и 24,5
(5840) МДж/м3 (ккал/м3).
Состав смешанного газа из зон
Н2 . . . 57,9
СО 31,2
СО2 6,6
полукоксования и газификации, %
СН4 4
N2............................. 0,3
S 0,002
87
Теплота сгорания смешанного газа составляет 12,9 МДж/м3
(3080 ккал/м3).
Состав ЗПГ (после метанизации), %
Н2 0,4 С2 С4 . . 2,7
СО . 0,7 Инертный газ . . 3,2
СН4 ... 93
Теплота сгорания ЗПГ составляет 37,3 МДж/м3 (8900 ккал/м3).
Состав генераторного газа, %
Н2 . 49,5 СО2 15,6
СО 32,5 N2 . 2,4
Описание процесса. Вначале уголь подвергается полукоксова-
нию газификацнонным газом в нескольких ступенях кипящего
слоя. Образующийся при этом реакционный кокс газифицируется
водяным паром при низком давлении в реакторе кипящего слоя.
Тепло для реакции производится путем сжигания кокса с возду-
хом, которое также осуществляется в кипящем слое. От топки
к газогенератору тепло переносится либо циркулирующим коксом
(«БКУРА»), либо теплоносителем — гранулами из керамики или
шлака. Переработка водяного газа и газа полукоксования осу-
ществляется в промышленных установках.
Производство газифицирующего агента — пар: нет данных, ве-
роятно, производится в котле-утилизаторе.
Чтобы повысить кпд процесса, особое внимание было уделено
утилизации тепла. Пар получается путем использования тепла син-
тез-газа и дымовых газов; воздух подогревается в теплообменни-
ке, а дымовые газы используются для привода турбины воздушно-
го компрессора.
Техническая характеристика процесса «Когаз>
Степень конверсии угля, % 96 Продуктовые потоки (тепловой ба-
Кпд, %: лапе), ГДж: 12,6
связанное тепло в газе
газификации . 68 физическое тепло в газе 2,9
термический . 86 связанное тепло в дымовых
Входные потоки газах 3,3
расход, ГДж/ч: физическое тепло в дымовых
воздух (физическое тепло) 2,5 газах 6,7
уголь 18,4 физическое тепло в летучей
пар 1,7 пыли 1,3
коксовая мелочь+летучая физическое тепло в коксовой 6,3
пыль 7,1 мелочи
кокс 10,9 потери с излучением, со шла- ком, на охлаждение Расход газа и мазута для 5,4
производства электроэнергии, ГДж/ч 2,8
Температура выходящего газа в четырех аппаратах с кипящим
слоем для полукоксования поддерживалась в пределах 300—-800 °C
(давление около 1,5 бар). Топка с кипящим слоем эксплуатирова-
лась при давлении до 3 бар и температуре 800—900 °C.
88
Г азоочистка. Предусматриваются следующие ступени очист-
ки и переработки газа:
Для производства газа средней
калорийности
Для производства синтез-газа с
целью получения водорода
Для производства магистрального
газа (ЗПГ)
Переработка отходов
Смешение водяного газа и газа полукоксо-
вания, обессеривание, отмывка от СО2 под
давлением
Отмывка от сероводорода и СО2 под дав-
лением
Смешение газа полукоксования и водяного
газа, конверсия водяного газа, обессерива-
ние, отмывка СО2 тонкая сероочистка, ме-
танизация
Остаточный газ полукоксования использу-
ется для получения сероводорода, фенолов
и аммиака. Сероводород вместе с отходами
сероочистки газа и производства водорода
перерабатывается на серу.
Строительство и разработка. Разработка технологии для вари-
анта с гранулированным теплоносителем ведет фирма «Когаз Де-
велопмент Компани», Принстон, Нью-Джерси. Совместное пред-
приятие следующих фирм: «Консолидейтед Нейчрэл Газ Компа-
ни»; «Фуд Мэшинерп энд Кемикэлс Корпорейшн»; «Панхандл Ис-
тери Пайп Лайн Компани»; «Рипаблик Стил Корпорейшн»; «Тен-
неси Газ Пайплайн Компани»; «Роки Маунтин Энеджи Компани».
Инженерное оформление и содержание опытной установки:
«Драво Корпорейшн», Отдел химических установок, Питтсбург,
Пенсильвания.
Местонахождение: Принстон, Нью-Джерси (опытная
установка); Перри Каунти, Иллинойс (демонстрационная установ-
Рис. 18. Схема процесса «Когаз» с циркулирующим теплоносителем:
1—3 — аппараты полукоксования с кипящим слоем; 4 — газогенератор с кипящим слоем;
5 — топка с кипящим слоем; 6 — циклон летучей золы; 7 — маслоотделитель; 8 — гидриро-
вание масла
89
Теплота сгора-
ния угля
97,5%
32УУ Теплота сгора-
° ния газа
Теплота сгора-
ния коксовой
мелочи
Энтальпия пара
Теплота сгора-
ния масла
Физическое тепло
воздуха
100%,
18,Б°/О
е,Т%
7,1%[
1Б,9%
Коксовая мелочь
7f<y Физическое теп
,,/о ло газа
1 _,0/ Теплота сгора-
I ч'/о ния дымов bit
газов
Физическое теп-
ло дымовых газов
’37о Теплота сгорания
’ ° летучей пыли
1,37» Излучение
0,87а В теплообменник
10,97а В теплообменник
пч°/ Энтальпия
и'а/° шлака
1,57» Потери
Рис. 19. Тепловой баланс процесса «Когаз»
Разработку технологии для варианта с коксом- теплоносителем
ведет фирма «БКУРА Лимитед» (Национальное угольное бюро)
Местонахождение опытной установки: Лезехед, Великобрита-
ния.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. R. Bloom Jr., R. Т. Eddinger, Sixth AGA Synth Pipeline Gas Symp. Chicago
1974
2. L. H. Diersdorff Jr., R. Bloom Jr., Paper at Soc. of Automotive Engineers
Meet., Aug. 1973
3. R. T. Eddinger, R. Bloom Jr., Third AGA Synthetic Pipeline Gas Symp., Nov.
1970
4. R. T. Eddinger, Fourth AGA Synthetic Pipeline Gas Symp., Oct. 1972
5. H. Malakoff, in Chem. Engng. Progr. Coal Processing Technology, Vol. 2, 1975,
New York, S. 58
6. К. H. van Heek, Gliickauf 113 (1977) 383
7. Процесс „СО2-акцептор“
Схема газификации: газификация угля водяным паром в кипя-
щем слое под давлением. Тепловой эффект эндотермической реак-
ции на 75 °/о покрывается за счет реагирования акцептора с СО2:
СаО + СО2 = СаСО3;
—176,7 кДж/моль (25 °C) (—42,2 ккал/моль) =
= — 3,15 МДж/кг СаО(—750 ккал/кг СаО).
Акцептор регенерируется в специальном реакторе путем сжига-
ния остаточного кокса в воздухе и вновь возвращается в процесс
90
Производительность Опытная установка эксплуатировалась в
г. Рапид-сити, Северная Дакота, США. Приведенные ниже данные
являются результатами опытной эксплуатации.
Газогенератор Регенератор
Расход угля, т/ч ......
В том числе на производство газа
Производство газа, м3/ч
Расход акцептора, т/ч:
отработанного ....................
свежего.........................
1,13
0,82
1530
0,31
5,27
0,27
Используемый уголь. Для опытов до сих пор использовался бу-
рый уголь (Велва, Северная Дакота) и длиннопламенный уголь.
Уголь должен иметь по возможности высокую реакционную спо-
собность, малое содержание серы (FeS2), Fe и Na.
Уголь имеет следующий состав, %:
н 4,5
С 66,2
N 0,8
О 21,6
S . 0,7
Зола 6,2
Из газогенератора выносится буроугольный кокс (800 °C), ко-
торый сжигается с воздухом в регенераторе. Он имеет следующий
элементный состав, %:
Н 0,6 О 1,38
С 78,79 S . 0,44
N 0,34 Зола 18,45
Летучая зола, которая теряется в циклоне при очистке дымовых
газов, имеет состав, %:
Н 0,39
С 68
N 0,24
О 0,86
S 0,66
Зола 29,85
Крупность угля: 0,15—2,4 мм.
Углеподготовка. Уголь измельчается, сушится, отсеивается
и выгазовывается, поэтому в генераторе не образуется смолы.
Состав неочищенного газа. Неочищенный газ (смешанный газ
полукоксования и газификации) имеет следующий состав, %:
н2 СО со2 сн4 55,98 15,45 10,88 14,14 n2 NH3 H2S 3 0,12 0,43
Теплота сгорания неочищенного газа (3500 ккал/м3). составляет 14,65 МДж/м1
Дымовой газ став, %: из регенератора (1010 °C) имеет следующий со-
Н2 . 0,04 Н2О 0,98
СО 1,98 SO2 121
СО2 28,33 H2S 28
Ns . . . 68,67 cos 46
Примечание. Последние три величины даны в ppm
91
Описание процесса. В начале процесса уголь проходит углепод-
готовку и выгазовывается. Через шлюз высокого давления буро-
угольный кокс подается в верхнюю часть газогенератора. Часть
кокса направляется в регенератор. Из регенератора в газогенера-
тор поступает акцептор (отожженная известь). В газогенераторе
продуваемый паром и инертным газом кипящий слой угля пре-
вращается в СО, Н2 и СН4. Образующаяся СО2 реагирует с ак-
цептором с образованием карбоната, a H2S — с образованием
сульфида.
При образовании карбоната на каждый 1 моль выделяется
176 кДж тепла, которое используется для поддержания реакци-
онной температуры. Летучие углеводороды (35 % углерода угля)
разлагаются на СН4, СО, СО2 и Н2. Остаточный кокс и использо-
ванный акцептор поступают в регенератор. В качестве транспорти-
рующего газа для кокса, акцептора, остаточного кокса и доломита
служит инертный газ, который производится при сжигании оста-
точного кокса с воздухом в регенераторе (кипящий слой при
1020 °C) и одновременном разложении карбоната и по существу
состоит из СО2 и N2. В процессе рециркуляции непрерывно заме-
няется 2 % акцептора.
Для сырого газа паровая конверсия и СО2-отмывка могут быть
исключены; газ имеет высокое соотношение Н2/СО (около 3,6).
Перед метанизацией с целью защиты катализаторов необходима
тонкая сероочистка.
Производство газифицирующего агента — пар: нет данных.
-
I
Уголь
Воздух
Отходы
х акцептора
Отработанный акцептор
Зола, дымовые газы
Пар
]С02
—
Jn2s
Трубопроводный,
газ
Рис. 20. Схема процесса «С02-акцептор»:
1—углеподготовка; 2 — питатель; 3— дегазация угля; 4— газогенератор с кипящим слоем;
5 — котел-утнлнзатор (скруббер); 6 — газоочистка; 7 — метанизацня; 8 — регенератор с ки-
пящим слоем
92
I
теплота.
сгорания угля
ка%
Рис. 21. Тепловой баланс
76,94°% Теплота сгорания
угля
0,В9%\ „ Генератор
г Потери „ г
2,71% J Регенератор
0,42°% Тепло акцептор-отходов
3,38% Тепло летучей пыли
0,79°% Энтальпия золы
2,32°% Энтальпия дымовых
газов
12,49% Суммарное физическое
тепло всех отходящих
газов
процесса «СО2-акцептор»
Техническая характеристика процесса «С02-акцептор>
Степень конверсии угля, %................................. 94
Кпд, %:
газификации ........................... 77
термический............................................. 92
Степень конверсии пара, % 58
Входные потоки для газогенератора
расход пара, кг;
свежий пар (температура 500 °C) в 1 ч . . 4000
рециркуляционный пар (температура 800 °C)
в 1 ч................................................ 900
на 1 ГДж неочищенного газа 179
на 1 кг угля........................................... 3,6
расход акцептора (CaO-MgO+инертный матери-
ал), кг:
всего в 1 ч......................................... 4880
на 1 м3 неочищенного газа . 3,15
на 1 ГДж неочищенного газа 200
на 1 кг угля ... ... 4,3
расход угля, т/ч (т/ГДж) . . 1,13 (0,05)
Входные потоки для регенератора:
остаточный кокс (температура 800 °C), т/ч . . 0,32
акцептор (MgO-CaCO3+CaS+CaO+HHepTHbift ма-
териал), т/ч.......................................... 5,27
углетранспортирующий газ (400 °C), м3/ч . . . 200
акцептор — транспортирующий газ (650 °C), м3/ч 1440
продувочный газ (30 °C), м3/ч........................... 58
воздух (450 °C), м3/ч . . 2090
свежий доломит (30 °C), т/ч . 0,27
Выход продуктов из газогенератора:
полукокс (1000 °C), т/ч................................. 0,07
отожженный акцептор (1000 °C), т/ч 4,88
дымовой газ (1000 °C), м3/ч 4180
Потери, кг/ч:
с летучей золой (800 °C) . . . 40
с разрушенным акцептором (800 °C) 174,6
Соотношение пар/кислород........................... Нет данных
Производство газа на 1 т угля, м3 . . . 1360
Давление в газогенераторе и регенераторе, бар 11
93
Температура, °C:
в газогенераторе . 800
в регенераторе ..................... 1000
газа на выходе 800
Расход воды . . . . . . Нет данных
Строительство установки ведет компания «Коноко Коэл Деве-
лопмент», Лайбрери, Пенсильвания.
Me сто нахождение опытной установки: Рапид-Сити,
Южная Дакота.
Субподрядчик по строительству установки:
«Стирнс-Роджер Корпорейшн», Денвер, Колорадо.
Проектирование и строительство систем газо-
очистки и метанизации ведут фирмы «Синтетик Фьюэл Ди-
вижн», «Драво Корпорейшн», Питтсбург, Пенсильвания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. G. Р. Curran u. a., Chem. Engng. Progr. 62 (2) (1962) 80
2. С. Fink, G. P. Curran, J. Sudbury 6th Synth. Pipeline Gas Symp. Chicago,
Okt. 1974
3. W. W. Bodde, К. C. Vyas, Clean Fuels from Coal, Symp. Papers, Chicago
1973, S 70
4 C Fink, Clean Fuels from Coal, Symp Papers, IGT, Chicago 1973, S. 301
5. C. Fink, G. Curran, J. Sudbury, Clean Fuels from Coal, Symp papers, IGT,
Chicago 1975, S. 243
6 Office of Fossil Energy, ERDA, Quarterly Report Oct.—Dec , ERDA 76—30—4
8. Высокотемпературный процесс
Винклера (XTB)
Схема газификации: автотермическая парокислородная или па-
ровоздушная газификация в кипящем слое под давлением.
Производительность. Установка лабораторного масштаба с рас-
ходом угля до 50 кг/ч эксплуатировалась в политехническом инсти-
туте в Ахене (ФРГ). На основе полученных результатов была
сооружена опытная установка во Фрехене под Кёльном. Эта уста-
новка при расходе сухого бурого угля 1 т/ч имела производитель-
ность по газу 1500 м3/ч. Планируется первая очередь промышлен-
ной установки, на которой должно производиться 109 м3/газа с по-
следующей переработкой в метанол. Для установки будет исполь-
зован газогенератор с расходом сухого угля 25 т/ч и мощностью
40 000 м3/ч (CO-f-H2).
Используемый уголь. Способ разрабатывается для газификации
сухого бурого угля.
Крупность. Используется мелкозернистый сухой бурый уголь
крупностью до 8 мм.
Зола. Возможна подача углем с 40 %-ной зольностью.
Углеподготовка. В опытную установку подается сухой бу-
рый уголь (ТВК 18) с влажностью до 6 %.
Состав неочищенного газа. Сырой газ, выходящий из реактора,
содержит примерно 80 % (CO-f-H2). Остальные компоненты: СО2,
СН4, пар и сернистые соединения.
94
Описание процесса. ХТВ-процесс разработан на базе традици-
онного процесса Винклера. Основной задачей является повышение
удельной производительности путем повышения рабочего давления
и температуры газификации при одновременной оптимизации кон-
версии углерода и качества газа. Как показали опыты, подвод из-
вестняка в кипящий слой приводит к повышению температуры раз-
мягчения золы, что препятствует ее спеканию. При этом становит-
ся возможным повысить температуру газификации по сравнению
с традиционным процессом Винклера. Кроме того, добавка извест-
няка в кипящий слой должна обеспечивать частичное обессери-
вание газа.
Уголь через шлюзовую систему выводится на уровень рабочего
давления и шнеком подается в реактор. Известь, известняк или
доломит могут подмешиваться к углю и вводиться вместе с ним
в газогенератор. В реакторе кипящего слоя уголь реагирует с га-
зифицирующим агентом, который состоит из кислорода и незна-
чительного содержания технологического пара или из воздуха.
Сырой газ покидает реактор с температурой около 950 °C. В
связи с высокой балластировкой газа углеродсодержащей пылью
вводится многоступенчатая пылеочистка. Грубая фракция, осе-
дающая в первом отделителе, возвращается в реактор. Физиче-
ское тепло очищенного газа используется в когле-утилизаторе, газ
опытной установки затем сжигается на электростанции. В сле-
дующей укрупненной установке после котла-утилизатора газ дол-
жен охлаждаться водой. При этом входная температура должна
выбираться такой, чтобы путем насыщения паром и последующей
конверсии достичь соотношения СО/Н2, необходимого для запла-
нированного синтеза метанола.
Производство газифицирующего агента — а) кислород: нет дан-
ных; б) пар: нет данных.
Техническая характеристика высокотемпературного процесса
Винклера (ХТВ)
Степень конверсии угля, % До 95
Кпд, %:
газификации Нет данных
термический . . „
Входные потоки:
расход сырого угля на 1 м3 (СО + Н2) в неочи-
щенном газе, кг 1,712
расход кислорода Нет данных
расход пара ....
Соотношение пар/кислород .... „
Выход газа на 1 т сырого бурого угля, м3 582
Давление, бар:
газификация воздухом . 10
газификация кислородом До 5
Температура, °C:
газификации . До 1100
газа на выходе 950
Расход воды . . . . Нет данных
95
Рис. 22. Схема высокотемпературного процесса Винклера (опытная установка):
1 — шлюз высокого давления: 2 — зольный шлюз; 3 — газогенератор; 4 — циклон; 5 — котел-
утилизатор
Газоочистка. В опытной установке газ подвергается двух-
ступенчатой пылеочистке и отмывке водой. Для промышленной ус-
тановки по производству метанола предусмотрены такие же сту-
пени. Кроме того, между конвертированием, следующим за отмыв-
кой газа, и синтезом метанола включаются СО2/Н2Б-отмывка и
тонкая сероочистка.
Строительство установки ведут фирмы «Рейнише Браунколен-
верке АГ», Кёльн, «Уде ГмбХ», Дортмунд (ФРГ).
Предприятие, эксплуатирующее установку.
Опытная установка: «Рейнише Браунколенверке АГ», Вахтберг,
Фрехен.
Демонстрационная установка: «Рейнише Браунколенверке АГ»,
Хюрт-Берренрат под Кёльном.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. М. Meraikib, F. Н. Franke, Chem. Ing. Techn. 42 (1970) S. 834
2. F H. Franke, W. Wenzel, B. Dreyer, W. Sitte, Braunkohle 26 (1974) S. 17
3. F. H. Franke, Tagung „Kohlevergasung und — hydrierung“, Haus der Technik,
Essen, 7.—8. Dezember 1977
4. E. Pattas, W. Adlhoch, Stahl und Eisen 100 (1980) S. 376—379
5. G. Franken, W. Adlhoch, W. Koch, Chem. Ing. Techn. 52 (1980) S. 324—327
9. Процесс „Бигаз“
Схема газификации: автотермическая, двухступенчатая, паро-
кислородная газификация угольной пыли под давлением во взве-
шенном потоке.
96
Производительность. Была изготовлена и в конце 1976 г. при-
нята в эксплуатацию опытная установка с расходом угля 4,5 т/ч.
На этой установке запланировано производить около 3000 м3/ч
ЗПГ. Реактор в обеих ступенях газификации имеет внутренний
диаметр около 60 см; длина первой ступени примерно 1,8 м; вто-
рой — около 8 м. Шлакоохладитель, находящийся под камерой
газификации, имеет длину около 3,5 м. Общая высота составляет
16,3 м.
Кроме того, были проведены опыты на лабораторной установке,
которая состояла только из второй ступени. Расход угля был ра-
вен примерно 45 кг/ч.
Фирма «Форстер Уиллер Энеджи Корпорейшн» разрабатывает
в настоящее время комбинированный парогазотурбинный процесс
для производства электроэнергии. В этом способе запланировано
использование одного генератора «Бигаз».
Используемый уголь. К настоящему времени были проведены
опыты с молодым бурым углем из Северной Дакоты, старым бу-
рым углем из Вайоминга (суббитуминозный С), газовым углем
из Пенсильвании (битуминозный А с большим выходом летучих)
и углем из Монтаны (суббитуминозный, шахта «Розебад»), Вспу-
чиваемость и спекаемость углей не препятствовали процессу гази-
фикации.
Крупность. 70 % <75 мкм.
Зола выводилась в виде жидкого шлака. О допустимых грани-
цах содержания золы в угле и температуре размягчения золы све-
дения отсутствуют.
Углеподготовка. Сырой уголь измельчается. Требуется
предоксидирование угля или нет, необходима ли сушка и до какой
степени, об этом не упоминается.
Состав неочищенного газа. Приведенные данные основаны на
результатах, которые'были получены на лабораторном реакторе
(только вторая ступень). Этот газ затем подвергается метаниза-
ции с целью производства ЗПГ.
Неочищенный газ имеет следующий состав, %:
СО .21,5 СН4
СО2 29,3 N2 .
Н2 . 32,1 H2S
15,6
0,7
0,8
Теплота сгорания неочищенного газа составляет 13,65 МДж/м3
(3257 ккал/м3).
Описание процесса. Сырой уголь вначале измельчается, затем
смешивается с водой и классифицируется в циклоне. Крупная
фракция возвращается на мокрое измельчение и вновь классифи-
цируется, мелочь сгущается до рабочей концентрации в сгустите-
ле (50—60 % твердой фазы в воде).
Поршневым насосом шлам сжимается до рабочего давления и
после предварительного подогрева через форсунки вводится в си-
стему высокого давления. За счет тепла горячего инертного цир-
7 Зак. 738 97
куляционного газа вода практически моментально испаряется. С
циркуляционным газом подсушенный уголь вносится в газогене-
ратор.
Собственно газогенератор состоит из двух ступеней газифика-
ция и охладителя шлама, которые отделены друг от друга пере-
жимами. Угольная пыль вдувается возвратным инертным газом че-
рез горелки во вторую верхнюю ступень газогенератора. Допол-
нительно через отдельное кольцевое сопло подается газификаци-
онный пар. Оба потока перемешиваются с синтез-газом, выходя-
щим из первой ступени реактора. Температура смеси достигает
примерно 1200 °C. При этой температуре уголь выгазовывается
и подвергается частичной гидрогазификации. Время пребывания
во второй ступени газогенератора составляет примерно 8,5 с, тем-
пература газа на выходе из реактора около 950 °C. Сырой газ,
запыленный остаточным коксом, впрыском воды охлаждает-
ся до 420 °C, затем коксовая пыль отделяется с помощью цик-
лона.
Коксовая мелочь, пар и кислород через отдельные форсунки
тангенциально вдуваются в вихревую камеру, которая образует
первую (нижнюю) ступень газификации. Здесь при температуре
1500—1700 °C кокс полностью газифицируется, причем зола удаля-
ется в виде жидкого шлама. Образующийся синтез-газ через верх-
нее отверстие поступает во вторую ступень газификации, где за-
каливается свежим паром и угольной пылью. При этом увлечен-
ные газом капельки шлака охлаждаются ниже температуры плав-
ления, и тем самым предупреждается их налипание на стены ре-
актора.
Из вихревой камеры через отверстие в подине жидкий шлак
вытекает в охлаждающий водяной бассейн. Подовое отверстие до-
полнительно подогревается газовой горелкой, чтобы воспрепятство-
вать образованию корки и обеспечить текучесть шлака. Кроме то-
го, встраивается дополнительное устройство для дробления корки.
Зола выпадает на поверхность золоохладителя малыми порциями
и периодически выводится через шлюзовую систему.
Сырой газ подвергается второй отмывке в скруббере. При этом
происходит его дальнейшее охлаждение и обеспыливание. Усло-
вия выбираются таким образом, что газовый поток поступает не-
посредственно на конвертирование с уже необходимым теплосодер-
жанием. Избыточный пар конденсируется. При частичном конвер-
тировании, которое следует за отмывкой, достигается точное соот-
ношение Н2/СО, необходимое для ступени метанизации. Далее
следует отделение кислых газов в установке «Селексол»; сероводо-
род перерабатывается в печи Клауса на серу. После метанизации
в кипящем слое газ вновь освобождается от СО2 в установке
«Селексол» и подается в трубопроводную сеть как высококалорий-
ный ЗПГ.
О динамическом поведении реактора нет никаких данных.
Производство газифицирующего агента: нет данных.
98
Техническая характеристика процесса <Бигаз»
Степень конверсии угля...................
Кпд, %:
газификации............................
термический
Входные потоки:
расход кислорода иа 1 т угля, мэ .
расход пара на il т угля, т
расход угля иа газификацию, т/ч
Соотношение пар/кислород, кг/м3
Давление газификации, бар . . . ,
Температура, °C:
газификации ..........................
сырого газа на выходе.................
Расход воды..............................
Нет данных
450
1,2
4,5
2,68
35—100
1500—1700 (I ступень)
950—1200 (II ступень)
950
Нет данных
Рис. 23. Схема процесса «Бигаз» («Битумииоуз Коэл Рисеч Иикорп»):
1—мельница; 2 — пастоприготовление; 3—насос; 4— подогреватель; 5 — распылитель-
ная сушилка; 6 —подогрев инертного газа; 7 — отмывка газа; 8 — выход охлаждающей
воды; 9— ступень II; /0 —подвеска; 1!—футеровка; /2 — ввод угля; 13 — ступень I;
14— ввод охлаждающей воды; 15 — горелка для подогрева шлака; 16 — охладитель шла-
ка; 17— отвод шлака; 18 — промывочный охладитель; /9 — конвертирование; 20 — отмыв-
ка газа; 21 — метанизации
7*
99
Строительство и разработка. Разработка технологии (лабора-
торные испытания, ступень механизации): «Битуминоус Коэл Ри-
сёч Инкорпорейшн», Монроэвилл, Пенсильвания. Научно-исследо-
вательский институт Национальной угольной ассоциации, США.
Местонахождение опытной установки (4,5 т/ч):
Хоумер-Сити, округ Индиана, Пенсильвания.
Руководство проектом опытной установки осу-
ществляет фирма «Филлипс Петролеум Компани».
Конструирование опытной установки и эксплуа-
тацию ведет фирма «Стирнс-Роджер Инкорпорейшн», Денвер,
Колорадо.
Проектирование и монтаж газогенератора углеподающей
системы и вспомогательных агрегатов ведет фирма «Драво Кор-
порейшн», Питтсбург, Пенсильвания.
Строительство газогенератора: «Бэбкок энд Уил-
кокс Компани», отдел производства электроэнергии из горючих
ископаемых, Барбертон, Огайо (США).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. R. J. Grace: Clean Fuels from Coal Symposium, Chicago, HI. Sept. 10—14
(1973) p. 179
2 R. J. Grace, V. L. Brant und V. D. Kliewer:
5th Synthetic Pipeline Gas Symposium, Chicago, III., Oct. 29—31 (1973)
3. P. В Probert: 5th Synthetic Pipeline Gas Symposium, Chicago, III, Oct. 29—31
(1973)
4 Office of Fossil Energy/ERDA, Quarterly Report „Coal Gasification1* Oct.—Dec
1975, ERDA 76—30—4
5. Anon., World Coal, March 1976, Vol. 2, No. 3, S. 31—32
6. J. M. Miles. Oil and Gas J. 77, 1. Aug. (1977) 55
7 К E. Walker 9th Synthetic Pipeline Gas Symp., Chicago, III, Oct 31—Nov. 2,
1977
8. Angaben fiber den Foster Wheeler Kombiprozefi:
z. B. Office of Fossil Energy/ERDA, Quarterly Report „Coal Gasification**
Oct—Dec. 1975 ERDA 76—30 4
9. C. L. Miller, Mechanical Engineering, August 1980, S. 34—40
10. Процесс „Агломерэйтинг Аш“
Схема газификации: паровая газификация угля в кипящем
слое под давлением с теплоподводом из угольной топки посред-
ством зольных гранул.
Производительность. Эксплуатировалась опытная установка с
расходом угля 1 т/ч; для этого расхода требуется 30-кратное ко-
личество теплоносителя для подвода необходимого реакционного
тепла. Установка была спроектирована на 830—1250 м3/ч синтез-
газа.
Используемый уголь. Способ пригоден для использования спе-
кающихся и неспекающихся углей; в опытной установке должны
использоваться восточные битуминозные угли.
100
Крупность. Для получения зольных гранул требуется кокс
или уголь крупностью свыше 0,15 мм, для паровой газификации —
уголь 0,15 2,35 мм.
Зола. Нет данных.
Углеподготовка. Поставляемый уголь (<32 мм) сушится,
измельчается в валковой мельнице и предокисляется в кипящем
слое при атмосферном давлении и температуре до 400 °C.
Сведения о том, в каких опытах получены данные, отсутству-
ют. Сырой газ имеет следующий состав, %:
Н2
СО
СО2
СН4
47,9 66,2
0—38,6
3,3—28,2
1.6—6,9
С2Н6 . . . ,
С2Н4 . . .
Сз+С2Н2
H2S . . . .
0—2.3
0—1,6
0—0,6
0—0,2
Теплота сгорания сырого газа до 10 МДж/м3 (2500 ккал/м3).
Описание процесса. Подготовленный уголь из накопительного
бункера поступает через шлюзовую систему в топочную камеру
или газогенератор. Подача осуществляется сжатым воздухом или
инертным газом. В верхней части конусообразного газогенератора
уголь и нагретые до 1100 °C зольные гранулы псевдоожижаются
паром. Уголь частично газифицируется, частично выгазовывается,
охлаждая теплоноситель до 850 °C. В нижней части газогенера-
тора смесь, состоящая главным образом из гранул и незначитель-
ного содержания коксовой мелочи, выводится и поступает в то-
почную камеру. Кокс и при необходимости свежий уголь сжигаются
в кипящем слое на воздушном дутье с образованием гранул. Часть
зольных агломератов непрерывно циркулирует между газогенера-
тором и топочной камерой.
Рис. 24. Схема процесса «Агломерэйтннг Аш»:
1 — газогенератор; 2, 4 — теплообменники; 3— топка; 5 — очистка дымовых газов; 6—газо-
вая турбина
101
Слабозапыленные дымовые газы топочной камеры подвергают-
ся очистке в циклоне, а затем расширяются в турбине. Синтез-газ
очищается в скруббере Вентури, редуцируется и далее сжигается
в опытной утановке.
Производство газифицирующего агента — а) воздух: компри-
мирование, подогрев; б) пар: из котла-утилизатора либо дымовых
газов, либо синтез-газа.
Техническая характеристика процесса «Агломерэйтинг Аш»
Степень конверсии, % Нет данных Температура, °C:
Кпд, %: в топочной камере 1100
газификации . . „в газогенераторе 850—930
термический . . „ Расход воды . Нет данных
Рабочее давление, бар 8
Патентодержатель; фирма «Юнион Карбайд Корпо-
рейшн», Нью-Йорк.
Разработка технологии: Иинститут им. Баттеле, Колум-
бус, Огайо. Работа начата в 1977 г.
Местонахождение опытной установки (1 т/ч): по-
лигон Института им. Баттеле, Вест Джефферсон, Огайо.
Проектирование и конструкция опытной уста-
новки: «Кемикл Констракшн Компани».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1 W М. Goldberger, ASME Winter Annual Meeting, Pittsburgh, Pennsylv., No-
vember 1967
2. W. M. Goldberger, 75 th National Meeting of AIChE, Detroit, Michigan, Juni
1973
3. W. C. Corder, H. R. Batchelder, W. M. Goldberger,
5th Synthetic Pipeline Gas Sympl., Chicago, 29.—31. Okt. 1973
4 W C. Corder, W. M. Goldberger,
6th Synthetic Pipeline Gas Symp., Chicago, 28.—30 Okt. 1974
5. Anon., Hydrocarbon Proc., April 1975, S. 118
6. Office of Fossil Energy, ERDA, Quarterly Report,
Oct.—Dec. 1975. ERDA 76—30—4
11. Процесс „Синтэйн“
Схема газификации: автотермическая парокислородная газифи-
кация мелкозернистого угля в кипящем слое под давлением.
Производительность. Опытная установка производительностью
2,7 т/ч бурого угля или 1,6 т/ч каменного угля, что соответствует
примерно 2500 м3/ч сырого газа, эксплуатировалась с 1976 по
1978 гг. в Бристоне (Пенсильвания). Генератор имел внутренний
диаметр 1,5 м и высоту 29 м. Высота кипящего слоя изменялась в
пределах от 3 до 7,6 м, скорость ожижения 0,1—0,2 м/с. Темпера-
тура поддерживалась примерно между 780 °C (для бурого угля)
и 870 °C (для каменного угля). Спекающийся каменный уголь
подвергался предварительному окислению в специальном реакторе
кипящего слоя. После завершения испытаний установка была за-
консервирована.
102
В процессе эксплуатации установки возникли следующие про-
блемы, которые остались еще не решенными:
шлакообразование около места ввода газифицирующего аген-
та;
недостаточная степень конверсии углерода. Для промышленной
установки по производству ЗПГ степень конверсии углерода долж-
на быть выше 80 %, при этом весь остаточный кокс может быть
использован для производства энергии. В опытной установке бы-
ла достигнута конверсия только 40—80 %;
вывод остаточного кокса. В опытной установке остаточный кокс
охлаждался водой и выводился в виде пульпы. Однако последую-
щее использование остаточного кокса требует сухого удаления,
которое еще не было опробовано.
Используемый уголь. Можно использовать любые угли. Спекаю-
щиеся угли подвергаются окислению в предвключенном реакторе
с кипящим слоем. Опыты проводились с бурым углем Монтаны
(месторождение «Розебад», влажность 5—9 %, зольность 10—
11 %), с каменными углями «Питтсбург сим» и «Иллинойс» № 6
(влажность 1—1,5 %, зольность 10—15 %).
Крупность: менее 0,85 мм (<20 меш), около 30 %
<0,075 мм (200 меш).
Зола. Специальные сведения о предельном золосодержанни
угля отсутствуют, однако, по-видимому, испытанию подвергались
только угли с содержанием золы до 10—15 %.
Углеподготовка. Сушка при измельчении, для спекающих-
ся углей еще и предварительное окисление.
Неочищенный газ. Были опробованы две технологические схе-
мы: подача угля (бурый уголь Монтаны) сверху на кипящий слой
(А); предоксидирование и вдувание каменного угля («Иллинойс»)
в нижнюю зону слоя (Б). Состав неочищенного газа для схем А и
Б приведен ниже, %.
А Б А Б
Н2 31 32,1 С2Не 0,9 0,1
со. 6 10,7 H2S 03 0,1
со2 51,5 47,2 N2 . 0,3 0,3
сн4 . . . 10 9,5
Теплота сгорания неочищенного газа составляет соответственно:
9,38 МДж/м3 (2240 ккал/м3); 9,31 МДж/м3 (2224 ккал/м3).
Описание процесса. Отмытый уголь (крупностью от 0 до 19 мм)
в инертном газе через подъемную трубу подается в бункер. Затем
он попадает в сушилку с интенсивной циркуляцией и через дози-
рующее устройство в молотковую дробилку. Там уголь измельча-
ется до требуемой крупности( <0,85 мм) и примерно при 100 °C
досушивается в инертном газе. Циркулирующий инертный газ от-
деляется в циклоне, уголь из циклона падает на грохот. Из сбор-
ного бункера он поступает в один из двух шлюзов, где углекис-
103
лым газом давление поднимается до рабочего уровня (в опытной
установке 43 бара, для промышленной установки 70 бар). Для
спекающегося угля производится предоксидирование при темпера-
туре около 400 °C. Неспекающийся уголь с паром и небольшим
содержанием кислорода сразу же пневматическим путем подается
в верхнюю часть реактора и с высоты 3 м загружается в кипящий
слой. Из-за неудовлетворительной степени конверсии и высокого
содержания углеводородов, фенолов и т. д. в сыром газе углепо-
дача позднее была реконструирована. После этого уголь стал
вводиться пневматическим путем в нижнюю зону кипящего
слоя.
Реактор высотой около 29 м в верхней части имеет внутренний
диаметр 1,5 м. Верхняя часть включает в себя зону газификации и
сепарационное пространство, в котором при вводе угля сверху
осуществляется также предварительное его полукоксование. Вы-
сота собственно кипящего слоя достигает 7,6 м. Зона газифика-
ции теплоизолирована двухслойной керамической футеровкой.
При подаче сверху сырой уголь прежде всего подвергается по-
лукоксованию поднимающимся горячим газовым потоком. Полу-
кокс подает в кипящий слой, пронизываемый паром и кислородом.
Скорость газа равна примерно 0,2 м/с. В кипящем слое осущест-
вляется собственно газификация. Непрореагировавший остаточный
кокс (около 35 % по массе) выпадает из газогенератора в охла-
дитель кокса, где он охлаждается паром и при помощи дополни-
тельно впрыскиваемой воды примерно до 300 °C.
Охлажденный кокс в сухом виде выводится через шлюз. Был
опробован вывод кокса в виде водного шлама (пульпы) с после-
дующим фильтрованием. В промышленной установке кокс должен
использоваться для производства энергии, так что установка в це-
лом станет по существу энергоавтономной.
Сырой газ проходит пылевой циклон, скруббер Вентури и про-
мывочную емкость, в которой отделяются высококипящие компо-
ненты. Далее в схему включены скруббер, конвертор водяного га-
за и отмывка горячим раствором К2СО3, который удаляет значи-
тельную часть H2S (до 40 ppm) и СО2 (до 2 % )•
Из поташного раствора выделяется сера («Стретфорд-процесс»)
и СО2 (50 % последнего возвращается в процесс в качестве инерт-
ного газа). Все жидкие и газообразные побочные продукты сжи-
гаются. За счет модификации системы углеподачи и предоксиди-
рования образование смолы и других побочных продуктов должно
уменьшиться или даже полностью прекратиться.
Производство газифицирующего агента — а) О2: незначитель-
ная потребность опытной установки в кислороде покрывается за
счет поставки сжиженного О2 от кислородной установки и храни-
лища; б) пар: в промышленной установке пар будет производить-
ся путем сжигания остаточного кокса. При охлаждении остаточ-
ного кокса образуется дополнительный пар высокого давления,
который должен найти применение для этого же процесса.
104
Техническая характеристика процесса «Синтэйн»
Вариант А Вариант Б
Степень конверсии угля, % Кпд, %: 78,5
газификации 57
термический ... 85
Степень конверсии пара Нет данных
Входные потоки
расход кислорода, м3:
на 1 т сухого угля 137 284
на 1 м3 сырого газа 0,115 0,158
на 1 ГДж сырого газа расход пара, кг: 12,3 17
на 1 т сухого угля 1120 1810
на 1 м3 сырого газа . 0.935 1
на 1 ГДж сырого газа расход сухого угля, кг: 99,7 107,4
на 1 м3 сырого газа 0,835 1,26
на 1 ГДж сырого газа . . ...... 89 1.35
Соотношение пар/кислород, Выход продуктов: кг/м3 8,15 6,35
сырой газ на 1 т сырого угля, м3 1198 1800
остаточный кокс на 1 кг сухого угля, кг 0,426 0,216
Рабочее давление, бар Температура, °C; 40—70
рабочая ... 750 9(H)
выходящего газа Около 750
Расход воды на 1 установку производительностью
6700 тыс. м3/сут ЗПГ, тыс. м3/сут 7—11
Рис. 25. Схема газификации угля по технологии <Синтэйн»:
I — подогреватель; 2 — газогенератор; 3 — циклоп; 4 — отмывка газа; 5 — конверсия; 6 —
карбонатная отмывка; 7 — процесс «Стретфорд»; 8— тонкая сероочистка; 9— метаиизация
105
Об энергопотреблении на собственные нужды сведения отсут-
ствуют. Путем сжигания остаточного кокса должна вырабатывать-
ся энергия, достаточная для эксплуатации промышленной установ-
ки. При этом даже будет производиться избыток электроэнергии.
Г азоочистка осуществляется в циклонах для отделения
пыли; скрубберах Вентури; в промывочной емкости; в скруббере
с водяной и масляной отмывкой; путем конверсии водяного газа;
в скруббере с горячим раствором поташа; путем тонкой сероочист-
ки.
Строительство и разработка. Разработка технологии
велась Горным бюро США, 1981 г. и в Питтсбургском центре энер-
гетических исследований, Пенсильвания.
Местонахождение опытной установки (2,7 т/ч):
Бристон, округ Алигени, Пенсильвания.
Конструкция опытной установки осуществлена фир-
мой «Раст Инжиниринг Компани», Бирмингем, Алабама.
Проектирование и эксплуатация опытной уста-
новки: «Ламмус Компани», Блумфилд, Нью-Джерси.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Th. Torkos, R. Lewis, Sixth Synth. Pipeline Gas Symp., Chicago, III., Okt.
(1974)
2. A. J. Forney, W. P. Haynes, J. J. Elliot, S. J. Gasior, G. E. Johnson, J. P. Stra-
key jr., Clean Fuels from Coal Symp., (1973), 199
3. W. P. Haynes, A. J. Forney, Clean Fuels from Coal Symp., Chicago, HL,
Juni (1975) 149
4. Quarterly Report of Coal Gasification, Oct. — Dec. 1975, ERDA-Office of Fos-
sil Energy, 37—41
5. R. Lewis. E. L. Clark, W. P. Haynes. J. P. Strakey, 8th Synthetic Pipeline Gas
Symp., Chicago. HL, Oct. 18—20, (1976)
6. R. Lewis, Oil and Gas J. 77, 1. August (1977) 81
7. A. J. Weiss, The Int’l Conf, on Alternative Energy Sources, Dec. 5, (1977),
Miami Beach, Flo., US DOE COO—0003—16
8. L. Rodriguez, R. A. Gaggioli, Can. J. Chem. Engng. 58 (1980) 376
9. C—E Lummus, Synthane Pilot Plant, Final Report, (1980). US DOE
C00—0003—41 T1
12. Процесс газификации под давлением
„Шелл-Копперс“
Схема газификации: автотермическая парокислородная гази-
фикация угольной пыли во взвешенном потоке. Угольная пыль и
газифицирующий агент движутся в реакторе прямоточно; зола вы-
водится в расплавленном виде.
Производительность Опытная установка с расходом угля 6 т/сут
была введена в эксплуатацию в 1977 г. на территории нефтепере-
рабатывающего завода фирмы «Шелл» в Амстердаме (Нидерлан-
ды). Наряду с этим с 1979 г. эксплуатировалась укрупненная
опытная установка производительностью 150 т/сут на нефтепере-
рабатывающем заводе «Шелл» в Харбурге (под Гамбургом). Сле-
106
дующим этапом должно стать изготовление демонстрационной ус-
тановки производительностью 1000 т/сут. В последующем предпо-
лагается разработка промышленной установки с реактором на
2400 т угля/сут, что соответствует примерно 5 млн. м3 сырого газа
в сутки. Приводимые ниже данные по составу газа, кпд и расхо-
дам получены, если не делается специальных оговорок, в резуль-
тате испытаний на укрупненной опытной установке в Харбурге.
Технологический процесс допускает использование воздуха
вместо чистого кислорода и может быть использован как пред-
включенная технологическая ступень в процессе производства элек-
троэнергии.
Используемый уголь: любой и, кроме того, нефтяной кокс, торф,
мазут и другие виды топлива.
Крупность. Уголь должен измельчаться до крупности 10 %
90 мкм.
Зола. Предельная зольность оценивается примерно в 40 %.
Предпочтительна более низкая температура плавления золы, что
снижает потребление кислорода, однако это не является обяза-
тельным требованием.
Углеподготовка. Измельчение с сушкой; влажность ка-
менного угля должна равняться примерно 2—8 %, чтобы умень-
шить потребление кислорода.
Приведенные ниже результаты относятся к опытам с саарским
углем следующего состава (на сухую массу), %:
С...............................75,2
Н................................. 5
О 9
N.............................. 1,46
S . . 1,45
Зольность ..................... 8
Влажность...................... 8
Содержание летучих веществ 36
Теплота сгорания составляет 31,4 МДж/кг (7510 ккал/кг).
Уголь подсушивался до остаточной влажности 0,5 %.
Состав сырого газа приведен ниже, %:
Н2.............................. 25,6
СО 65,1
СО2 0,8
СН4 . . Нет данных
H2S ... 0,4
N2+остальное 8,1
Теплота сгорания сырого газа составляет 11,63 МДж/м3
(2778 ккал/м3).
Газовый анализ проводился после промывки водой под давле-
нием. В некоторых опытах получалось содержание СО2 — около
2,5 %, содержание СН4 — около 0,1 %. Сравнительно высокое со-
держание азота обусловлено добавкой азота к кислороду вместо
технологического пара.
Описание процесса. Рядовой уголь для процесса газификации
подвергается сушке при измельчении. Подготовленная пыль пнев-
матическим путем подается в бункер-накопитель, а оттуда в шлю-
зовой бункер. Дозирование пыли в газификационные горелки осу-
ществляется пневматическим путем под давлением. Из соображе-
ний безопасности в качестве транспортирующего агента, а так-
же для нагнетания в шлюзах применяется азот.
107
В связи с тем что точное и надежное регулирование расходов
пыли и кислорода имеет важнейшее значение для газификации в
потоке, была разработана специальная дозирующая система, кото-
рая осуществляет регулирование по расходу пыли в подающем
устройстве горелки. О деталях этой системы в известной нам лите-
ратуре ничего не сообщается.
Как и в газогенераторе «Копперс-Тотцек» (К-Т), в газогенера-
торе «Шелл-Копперс» друг против друга размещены две газифика-
ционные горелки. Газогенератор имеет огнеупорную футеровку и
дополнительно охлаждается водой. В газогенераторе под давле-
нием контур охлаждения (водяная рубашка) подключен к паро-
вой системе котла-утилизатора иначе, чем в К-Т-газогенераторе,
и работает как испаритель высокого давления. Ведется работа по
использованию огнеупорной футеровки без водяного охлаждения.
Стекающий по стенам реактора шлак собирается в водяную ван-
ну с дробилкой шлака и затем гидравлическим путем выводится
через шлюз.
Выходящий из реактора газ охлаждается за счет подмешива-
ния холодного обеспыленного сырого газа с тем, чтобы содержа-
щиеся в нем капли шлака затвердели до входа в котел-утилизатор.
Вследствие высокой температуры выходящего газа в процессах
со взвешенным потоком необходима высокоэффективная утилиза-
ция тепла. В охлаждающей системе установки при этом произво-
дится перегретый пар (до 100 бар и 500 СС), который, например,
может использоваться для привода воздушного компрессора.
Газоочистка состоит из принадлежащей фирме «Шелл» комби-
нации циклона и скруббера, которая отличается хорошим каче-
ством пылеочистки (остаточное содержание пыли менее 1 мг/м3),
конструкционной прочностью и простотой изготовления. Отделе-
ние кислых газов и дальнейшая очистка газа осуществляются из-
вестными способами.
Температура газификации находится в пределах 1800—2000 °C,
температура газа на выходе из реактора (перед входом в зону
охлаждения) — около 1400—1500 °C. Газ охлаждается настолько,
что его температура примерно на 100 °C ниже температуры раз-
мягчения шлака.
Производство газифицирующего агента — а) кислород: разде-
ление воздуха. Потребность промышленной установки в энергии
должна удовлетворяться за счет утилизации тепла; б) пар: ути-
лизация тепла. Расход пара на газификацию очень незначителен.
Техническая характеристика процесса «Шелл—Коппере»
Степень конверсии, %................................................ 99
Кпд, %:
газификации...................................................... 77,5
термический................................................ Нет данных
Входные потоки
расход кислорода, м3:
на 1 т сухого угля.............................................. 644
на 1 м3 сырого газа . 0,307
на 1 ГДж сырого газа 26,5
108
расход пара.................... Нет данных
расход сухого угля, кг:
на 1 м3 сырого газа....................................... 0,476
на ГДж сырого газа 41
Соотношение пар/кислород . Нет данных
Выход газа на 1 т сухого угля, м3 . 2100
Давление газификации, бар 19,4 (по проекту до 30)
Температура, °C:
газификации .... . . 1500—2000
газа на выходе - Зависит от температуры размяг-
чения золы
Параметры газифицирующего агента:
концентрация кислорода, % 99,9
пар Нет данных
Расход воды »
Газоочистка. Для очистки сырого газа предусмотрена раз-
работанная фирмой «Шелл» комбинация циклона и скруббера
(под давлением), после которой содержание остаточной пыли не
должно превышать 1 мг/м3. В процессе отмывки состав газа, оче-
видно, несколько изменяется.
Сырой газ должен содержать следы SO2, CS2, S2, HCN, NH3
и NO, однако сведения об этом отсутствуют.
В качестве побочного продукта по способу Клауса должна по-
лучаться элементарная сера (из H2S и COS). Об отмывке кислых
газов перед процессом Клауса данные отсутствуют.
Рис. 26. Схема процесса «Шелл-Копперс» (опытная установка):
J — газогенератор под давлением; 2 — котел-утилизатор, 3 — циклон; 4 — скруббер; 5 — се-
паратор высокого давления
Промывочная Вова
_____________вола
Кислород и пар
Шлак
109
Строительство и разработка. Местонахождение опыт-
ной установки: нефтеперерабатывающий завод фирмы
«Шелл» в Амстердаме (Нидерланды) и Гамбурге (ФРГ).
Конструирование: «Крупп-Коппере ГмбХ», Эссен (ФРГ).
Разработка технологии: «Шелл Интернэшнл Петро-
леум Маатчпидж Б. В.», Гаага (Нидерланды); «Крупп-Коппере
ГмбХ», Эссен (ФРГ).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Н. J. Kraajveld, HdT-Vortragsverdff. Nr. 405 (1978) 74—77
2. F. van Oorsouw in: Kohlevergasung in der Energietrechnik, S. 217—231
VGB-TB 201, Verlag VGB-Kraftwerkstechnik, Essen, 1979
3. M. J. van der Burgt, Hydrocarbon Process. 58 (1979) (No. 1, Jan.) 161
4. К. H. Volkel, G. Eckstein, A. Linke, E. V. Vogt, 14. Welt—Gas—Konferenz,
Toronto, 30.5.1979, IGU/B1—79
5. E. V. Vogt, M. J. van der Burgt, Chem. Engng. Progr. 76 (1980) (No 3.
Mar) 65
6 A Linke, E. V. Vogt, Chem. Engng. Tech. 52 (1980) 742
13. Процесс „У-газ“
Схема газификации: автотермическая газификация угля в ки-
пящем слое на паровоздушном или парокислородном дутье.
Производительность. Опытная установка с расходом угля
200 кг/ч эксплуатируется Институтом технологии газа в Чикаго.
Приведенные здесь данные получены на этой установке. Высота
реактора равна 7,6 м, внутренний диаметр—1,2 м. В г. Мемфисе
(штат Теннесси) запланирована демонстрационная установка с
расходом угля 115 т/ч для производства среднекалорийного топ-
ливного газа индустриального назначения.
Используемый уголь. Может использоваться любой уголь, в
том числе и бурый. Опыты были проведены с коксовой мелочью
110
угля «Бетлехем», КОЭД-коксом из угля «Иллинойс» № 6 и Зап.
Кентукки.
Крупность. Рядовой уголь измельчается до крупности ме-
нее 6,5 мм. Крупность основной фракции составляет 1—1,5 мм.
Технология допускает до 10 % частиц с размером менее 75 мкм.
Зола. Используемые угли имеют в среднем от 10 до 20 % зо-
лы. Зола выводится из газогенератора в виде агломератов разме-
ром от 4 до 13 мм, которые имеют зольность от 90 до 95 %.
Углеподготовка. В процесс включено предварительное
окисление спекающегося угля при температуре около 400 °C и
рабочем давлении. В соответствии с новейшими эксперименталь-
ными данными предварительное окисление даже для сильноспе-
кающихся углей может быть исключено из процесса.
Сырой газ. Получается низкокалорийный газ в зависимости от
дутья примерно следующего состава, %
Пар/воздух О2/пар
Н2 . . . 9,8—15,5 34,9—36,9
СО 12 16,6 21,3—29,8
СО2 . . . 10,3—14,7 34,5 -42,7
СН4 , . 0—0,5 0,5—1,1
Пар/воздух О2/пар
H2S . . Нет данных Нет данных
N2 . . . 59,9—62,7 0
Н2О . . . Нет данных Нет данных
Теплота сгорания соответственно составляет 2,83—3,64 (675—
870) и 7,44—8,53 МДж/м3 (1778—2038 ккал/м3).
Описание процесса. Предварительно высушенный и измельчен-
ный уголь вводится через шлюзы в газогенератор, работающий
под избыточным давлением. Спекающиеся угли при необходимости
сначала окисляются в кипящем слое, который нагревается до
400 °C паротрубным теплообменником, неспекающиеся поступают
непосредственно в реактор кипящего слоя, представляющий собой
стальной резервуар с футеровкой. Согласно новейшим результа-
там исследований необходимость в предварительном окислении
спекающихся углей отпадает.
Уголь с паром, кислородом или воздухом превращается в низ-
кокалорийный газ в одноступенчатом кипящем слое при атмосфер-
ном давлении или до 25 бар и температуре около 1000 °C. Превра-
щение осуществляется быстро, зола при этом не размягчается.
Часть газифицирующего агента входит в кипящий слой через во-
ронкообразную газораспределительную решетку. Остальная часть
газа подводится через расположенный в центре канал, Соотноше-
ние пар/кислород в газифицирующем агенте устанавливается в за-
висимости от типа используемого угля. Скорость потока в центре
газораспределительной решетки достаточно высока, что приводит
к локальному повышению температуры до значения, близкого к
температуре размягчения золы. В результате зольные частицы
должны спекаться и затем, когда вес агломерата превысит подъем-
ную силу газового потока, выпадать из реактора в золосборник с
водой. Таким способом предполагается преодолеть главный не-
достаток газогенераторов с кипящим слоем — сравнительно высо-
111
Рнс. 28. Упрощенная схема процесса «У-Газ» (по Лодингу и Teaросу):
I — парогенератор; 2 — реактор с кипящим слоем; 3,4 — циклоны
кое содержание углерода в отводимом из слоя материале. Сте-
пень конверсии углерода должна достигнуть 95 %.
Полученный сырой газ, который смешивается с газом из ступе-
ни предварительного подогрева и окисления поступает в сепара-
ционное пространство над зоной газификации. Время пребывания
составляет от 10 до 15 с. При этом к газовому потоку добавляется
небольшое количество пара для крекинга смолы и масел. Затем
в системе циклонов отделяется летучая пыль и возвращается в ре-
актор. Переработка газа должна осуществляться традиционными
способами.
Производство газифицирующего агента — пар- производится в
котле-утилизаторе. В случае, если требуется предокисление угля,
в трубчатом теплообменнике, погруженном в кипящий слой., дол-
жен также производиться пар высокого давления.
Строительство установки ведет Институт технологии газа
(ИГТ), Чикаго.
Местонахождение опытной установки: Институт
технологии газа (ИГТ), Чикаго.
Демонстрационная установка (ввод в эксп-
луатацию по плану в 1984 г.). «Мемфис Лайт», Отдел
газа и воды, Сити оф Мемфис (МЛВГ), Теннесси.
Проектирование установки: «Фостер Уиллер Энеджи Корпо-
рейшн».
Эксплуатация установки: «Дельта Рифайнинг Компани».
Местонахождение: Берег Миссисипи, округ Шелби, Теннесси.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. J. W. Loeding, С. L. Tsaros, Clean Fuels from Coal Symp., Inst, of Gas Tech-
nology, Chicago, Sept. 10.—14. (1973)
112
2. Anon., Hydrocarbon Proc., April (1975) S. 127
3. IGT Gas Scope, Summer 1975, No. 32, Chicago
4. J. G. Patel, J. W. Loeding, Clean Fuels from Coal Symp. des IGT. Chicago,.
Ill, 23.-27. Juni (1975)
5. J. G. Patel, Oil and Gas J. 77, 1. Aug. (1977) 51
6. IGT Gas Scope, Spring 1979, No. 45, Chicago
7. IGT Gas Scope, Spring 1980, No. 49, Chicago
8. J. G. Patel, Int’l J. Energy Res. 4 (1980) 149
14. Процесс „Тексако"
Схема газификации: автотермическая газификация угля под.
давлением в прямотоке с паром и кислородом.
Производительность. В 1956 г. на заводе в Моргантауне (Зап.
Виргиния) фирма «Олин Матисон Кемикэл Корпорейшн» ввела в
эксплуатацию промышленную установку производительностью по-
газу 6500 м3/ч для получения синтез-газа по технологии «Тексако».
Однако мы не смогли получить сведения об эксплуатационных по-
казателях этой установки и продолжительности ее эксплуатации..
Через несколько лет работа на установке была прекращена. Дру-
гие промышленные установки для переработки угля, по-видимому,,
не строились.
В настоящее время в Монтебелло (Калифорния) фирмой «Тек-
сако» эксплуатируется опытная установка, подробная информация
о которой до сих пор не была опубликована. В ФРГ в Оберхаузен-
Хольтене была сооружена укрупненная опытная установка с рас-
ходом угля 6 т/ч и производительностью по сырому газу 12 000м3/ч.
Она введена в эксплуатацию в 1978 г. Все приведенные ниже
данные относятся к этой установке.
Используемый уголь. В принципе технология не зависит от ти-
па угля. В процессе опытной эксплуатации хорошо перерабатыва-
лись рурские угли с различным содержанием углерода (спекаю-
щийся уголь, коксовый уголь, газовый уголь).
Крупность. Измельчение угля должно быть мелким. В про-
веденных к настоящему времени опытах использовался уголь с
размером частиц от 14 до 60 % более 90 мкм.
Зола. Зольность опробованных углей изменялась от 16 до
32,1 %. Жидкий шлак стекает в заполненный водой сборник в ниж-
ней части генератора, являющий первым котлом-утилизатором, и
периодически выводится в гранулированном виде.
Углеподготовка. Используемый уголь в виде мелочи или1
шлама измельчается с добавкой воды (например, части рецирку-
лирующей воды из процесса) и превращается в водную суспензию.
Содержание твердой фазы в суспензии составляло до 70 %- Выс-
шая степень конверсии была достигнута на угле крупностью 2—
8 % >200 мкм.
Сырой газ. Типичный состав сырого газа приведен ниже, %:
н2 . 35 СН4 . . 0,1
со . 52 n2 . . . . 0,6
со2 12 H2S ... 0,3
8 Зак. 738
1135
Рнс. 29. Упрощенная схе-
ма газогенератора «Тек-
сако»
1 — подача кислорода; 2 —
подача водоугольной сус-
пензии; 3 — газогенератор;
4— выход сырого газа; 5 —
шлаком а коп итель; 6 — отвод
шлака
Теплота сгорания сырого газа составляет 11,2 МДж/м3.
Описание процесса. Отмытая угольная мелочь или угольный
шлам после обогащения измельчается до необходимой крупности
с добавкой воды. При этом одновременно достигается существен-
ная гомогенизация водоугольной суспензии. Для улучшения теку-
чести могут добавляться суспендирующие присадки. Затем суспен-
зия поступает в сборную емкость с мешал-
кой. Перемешивание продолжается и в на-
сосе при нагнетании до рабочего давления,
и при подаче в горелки реакторной головки.
В опытах суспензия предварительно подо-
гревалась. В горелках суспензия смешива-
ется кислородом.
Газификация протекает в температур-
ном интервале 1300—1500 °C. Производи-
мый газ вместе с жидким шлаком выходит
из футерованного реактора через сужение в
нижней части и поступает в первую ступень
системы утилизации тепла —-охладитель ра-
диационного типа. Газ охлаждается до тем-
пературы ниже температуры размягчения
золы. За счет изменения направления газо-
вого потока обеспечивается отделение твер-
дого материала от газа. Твердая фаза вы-
падает в заполненный водой сборник и пе-
риодически выводится через шлюз в грану-
лированном виде.
Продуктовый газ проходит через вторую
ступень охлаждения — конвективный котел,
в котором охлаждается до 300 °C. В обеих
ступенях производится насыщенный пар
(45 бар). Дальнейшее охлаждение осущест-
вляется в многоступенчатом промывочном
охладителе. Отмываемый твердый материал
отделяется от рециркуляционной воды и
может возвращаться в процесс, так как он
еще содержит углерод. Анализы промывоч-
ной воды подтвердили, что в процессе не об-
разуется никаких органических соединений
(высшие углеводороды, фенолы и др.), которые бы переходили в
продуктовый газ. Часть получаемого газа в 1980 г. подавалась в
сеть синтез-газа компании «Рурхеми». Кроме того, часть продукто-
вого газа метанизировалась в опытной установке «Комфлюкс» ком-
пании «Тиссенгаз ГмбХ».
Техническая характеристика процесса «Тексако»
Степень конверсии угля, %..................... 90—95
Кпд, %:
газификации................................. До 74
термический............................................... 92
114
Входные потоки
расход кислорода, м3:
в 1 ч . ........................ 4230
на 1 т угля.............................................. 610
на 1 ГДж сырого газа ................................... ~29>
расход угля, кг:
на 1 м3 сырого газа.................................... 0,531
на 1 ГДж сырого газа.................................... 47,4
Выход продуктов:
газ на 1 т угля, м3 . 1884
пар, т/ч................................ .... 16
Давление (рабочее), бар........................ 18—35
Температура, “С.-
газификации .................................. 1300—1500
газа на выход.................................. Соответствует
температуре
реакции
Расход воды.......................................... Нет данных
Расход угля для газификации, т/ч .... 6,9
Производство избыточного пара (45 бар), т/ч . 1'6
Газоочистка. Охлажденный и очищенный от пыли сырой
газ проходит через традиционные ступени очистки для отделения
углекислого газа и соединений серы.
Строительство и разработка:
а) США:
Изготовитель: Нет данных.
Предприятие, -эксплуатирующее установку:
опытная установка — «Тексако»; промышленная установка —
«Омин Л^атисон Кемикэл Корпорейшн».
Месторождение: опытная установка — Монтебелло, Кали-
форния; промышленная установка — Моргантаун, Зап. Виргиния.
б) ФРГ:
Рис. 30. Схема процесса «Тексако» (опытная установка):
1 — мельница; 2 — смеситель; 3, 9, 10 — насосы; 4 — газогенератор; 5 — зольный шлюз; 6 —
котел-утилизатор; 7 — промывочный охладитель; 8 — отстойник
8*
115.
Изготовитель: Карл Стилл, Реклингхаузен; фирма «Уде»,
Дортмунд (ФРГ).
Предприятие, эксплуатирующее установку:
Рурколе, «Оль унд газ ГмбХ», «Боттроп и Рурхеми АГ», Оберхау-
зен-Хольтен.
Местонахождение: На территории «Рурхеми АГ».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. D. Eastman, AIME Symp., New York, 1953, 73
2. L. L. Newman, Int. Conf, on complete gasif. of mined coal Liege 1951. A 1
3. W. A. MacFarlane, J. Inst. Fuel 28, (170) (1955) 111
4. D. Eastman, Ind. Eng. Chem 48, (7) (1956) 1118
5. Anon., Chem. Week 26 (1956) 76
6. J. Seipenbusch, P. Ruprecht in Kohlevergasung in der Energietechnik,
VGB-TB 201, VGB Kraftwerkstechnik GmbH, Essen 1979, S. 231—239
7. B. Cornils, P. Ruprecht, J. Langhoff, R. Diirrfeld, Stahl und Eisen 100 (1980)
Nr. 7, S. 388- 392
8. B. Cornils, J. Hibbel, P. Ruprecht, R. Diirrfeld, J. Langhoff Hydrocarbon Pro
cessing, January 1981, p. 149—156
Э. W. G. Schlinger, G. N. Richter, Hydrocarbon Processing, October 1980. p. 66—70
15. Процесс „Руммель-Отто“
Схема газификации: способ высокотемпературной газификации
мелкозернистого угля с воздухом (или кислородом) и паром при
атмосферном давлении в реакторе со шлаковой ванной.
Производительность. В Весселинге фирмой «Юнион Рейнише
Браунколен Крафтштофф АГ» (ФРГ) была сооружена установка
для производства 16 000 м3/ч синтез-газа. В связи с рядом эксплуа-
тационных затруднений, в том числе и с самим газогенератором, в
начале 60-х годов был спроектирован и сооружен новый реактор.
Он эксплуатировался с удовлетворительными результатами при-
мерно 1,5 года, пока не был остановлен в 1964 г. в связи с общим
•снижением интереса к газификации угля. На этом же принципе
с осени 1975 г. разрабатывается способ газификации угля под дав-
лением (способ «Саарберг-Отто»). Он будет описан отдельно. По
процессу «Руммель-Отто» имеются в распоряжении следующие
данные:
Диаметр газогенератора, м 0,8 1,8
Расход угля, т/ч 2 8
Выход газа, м3/ч .3400—4000 16 000
Используемый уголь. В принципе может использоваться любой
уголь с зольностью до 50%; бурые угли реагируют быстрее, чем
каменные.
Имеются данные по трем различным эксплуатационным режи-
мам: А — полулабораторные испытания с рейнским бурым углем;
Б — полулабораторные испытания в рурским спекающимся углем;
В — проектные показатели для промышленной эксплуатации, уголь
с зольностью 15 %.
116
Характеристика используемого угля
А Б В
Теплота сгорания:
МДж/кг 20-22 30,8 28,55
ккал/кг ... . 4800—5260 7360 6820
Крупность, мм От 0 до 3 мм
Зольность, % . Не более 50
Температура плавления золы, °C Около 1250
Углеподготовка. Необходима предварительная сушка до
влажности 6—8 %-
Состав сырого газа приведен ниже, %:
А Б В
Н2 . . 18/18.9 А. 9,5/42,5 —/37,6
СО 25/58,8 25,4/42,5 —/50.3
СО2 . 6,5/20,3 5/13,6 —/10,4
CIL, 0.5/0.7 0,1/0,2 -/1
Na . . 50/1,4 60/1,2 -/1
H2S Нет данные Теплота сгорания: ; Нет данных -/0,7
МДж/м3 5,65/10,8 4,46/10,89 —/11,18
ккал/м3 1350/2580 1056/2600 —/26,70
Примечание. В числителе приведены данные для опытов с воздухом, в знаме-
нателе — с кислородом и паром.
Описание процесса. Последний из эксплуатировавшихся в Вес-
селинге газогенераторов представляет собой трехзонный реактор,
две нижние зоны которого имеют водяное охлаждение. Первая,
расположенная внизу зона длиной 2 м выполнена в виде вихревой
камеры. Ванна с жидким шлаком ограничена подиной с централь-
ным сливным отверстием. Через форсунки, встроенные в верхней
части ванны, которые направлены тангенциально и одновременно
в сторону расплава, в реактор подаются угольная пыль и газифи-
цирующий агент — пар с кислородом или воздухом. Газифицирую-
щий агент вводится через кольцевой трубопровод. Угольная пыль
транспортируется потоком продуктового газа. Направленные в
ванну факелы приводят шлак во вращательное движение. Расплав
выполняет функцию теплового экрана, поэтому высокая темпера-
тура не оказывает отрицательного воздействия на реактор. Подвод
реагентов и наклон факелов, которые воздействуют на шлаковую
ванну, обеспечивают сильную турбулизацию и повышение скорости
реагирования. Через сливное отверстие вытекает часть шлака, со-
бирающегося в ванне. Шлак закаливается в сборнике с водой и
выводится в гранулированном виде.
В первой зоне при плавлении золы все мелкие частицы газифи-
цируются. Смесь горячего газа, шлака и коксовых частиц покида-
ет нижнюю зону при температуре от 1500 до 1700 °C и проходит
через сужение во вторую ступень. За счет ускорения вращательно-
го движения газового потока в горловине капельки шлака отбрасы-
ваются на стенку реактора, по которой расплав стекает обратно в
ванну.
117
Во второй зоне длиной 6 м завершается газификация большей
части коксовых частиц, которые выносятся газовым потоком.
Вследствие этого падает температура газа. Третья зона служит
для охлаждения, а также выполняет роль сепарационного прост-
ранства. Сюда вдувается циркуляционный газ (часть потока про-
дуктового газа), а иногда и коксовая мелочь, чтобы охладить газ
и капельки шлака, которые при этом затвердевают. Температура
газа на выходе из реактора равна примерно 800—900 °C.
Вынос пыли из реактора в виде кокса и затвердевшего шлака
составляет от 10 до 30 % от входного потока твердой фазы. При
этом большая часть отделяется в циклоне перед котлом-утилиза-
тором и возвращается в газогенератор. Таким образом, почти вся
минеральная часть угля собирается в шлаковой ванне, а углерод
практически полностью газифицируется. За пылеотделителем сле-
дует парогенератор, в котором тепло продуктового газа использу-
ется для производства пара с температурой около 500 °C. При ис-
пользовании кислорода он смешивается с частью пара и подается
в газогенератор как газифицирующий агент. Летучая пыль, отде-
ляемая в парогенераторе, также возвращается в газогенератор.
В скруббере и последующем за ним дезинтеграторе газ охлажда-
ется и очищается от оставшейся пыли. При этом отделяется и ув-
лекаемая газом водяная пыль.
Кроме того, в эксплуатации находился газогенератор с двой-
ной шахтой, в котором раздельно осуществлялись аллотермиче-
ская газификация угля с паром и нагрев шлака путем сжигания
возвратной пыли с воздухом. Такой газогенератор эксплуатировал-
ся Газовым управлением в Северной Темзе.
Производство газифицирующего агента — а) О2: кислородная
установка (нет данных); б) пар: парогенератор, включенный пос-
ле газогенератора.
Теплота, сгорания;
газа.
Физическое тепло
газа
Энтальпия оста
точного пара
Энтальпия оста-
точного углерода.
Потери
Рис. 31. Тепловой баланс процесса «Руммель-Отто»
118
Рис. 32. Схема процесса «Руммель-Отто»:
I — бункер; 2, 6 —смесители; 3 - реактор; 4— котел-утилизатор; 5 — циклон; 7 — охлади-
тель; 8 — водоотделитель; 9 — скруббер
Техническая характеристика процесса «Руммель-Отто» для вариантов А, Б, В
А Б В
Степень конверсии угля, % Кпд, %: • Нет данных —/99 —/79
газофикации 84/94 72/87
термический Нет данных —/83
Выходные потоки: 3900/—
расход воздуха на 1 т угля, м3 расход кислорода, м3: 2000/— —/330 —/580
—/540
на 1 т угля
на 1 ГДж газа расход пара, кг: —/16,7 —/19,1 - /680 —/27 —/990
на 1 т угля . —/350
на 1 ГДж газа расход угля, кг: . —/12,7 —/123,9 —/44,4 —/0,506
на 1 мэ газа . 0,32/0,55 0,2/0,39
на 1 ГДж ... ... 57/51 45/37 —/44
Соотношение пар/кислород, кг/м3 Выход продуктов —/0.76 —/1.22 5000/2560 —/1,7 —/2000
газ на 1 т угля, м3 . 3100/1830
пар (475 °C н давление 76 бар) на т 1100/700 Нет данных
угля, кг 600/700
Давление газификации Атмосферное
Температура, °C: шлака 1600
газа на выходе 800 900
Расход воды . Нет данных
Примечание. В числителе приведены данные для опытов с воздухом, в знаме-
нателе — с кислородом и паром.
Необходима сероочистка (H2S). Обычно газ не содержит смо-
лы и углеводородов.
119
Строительство установки и разработки процесса «Руммель-
Отто» ведет фирма «Юнион Рейнише Браунколен Крафтштофф
АГ», Весселинг.
Изготовитель: «Д-р К. Отто энд Компани ГмбХ», Бохум
(ФРГ).
Местонахождение: г. Весселинг под Кёльном.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. R. Rummel, Chem. Ing. Techn. 28 (1956) 25
2. R Rummel, Coke Gas 21 (1959) 492
3. H. R. Hoy, D. M. Wilkins, Brit. Coal Util. Res. Assoc. Monthly Bull. 22 (2)
(1958) 87
4 M. Maccormac, J. Wrobel, Gas Council Research Communication G 6 113 (1964)
5. F. Domann, Int. Z. Gaswarme 14 (1965) 325
6. Broschiire der Fa. Dr. C. Otto & Co. GmbH, Bochum, Gasification of solids
fuels in the Rummel/Otto Gasifier (ROG)
16. Процесс „Саарберг-Отто“
Схема газификации: высокотемпературная газификация мелко-
зернистого угля под давлением на парокислородном или воздуш-
ном дутье.
Производительность. Демонстрационная установка была введе-
на в эксплуатацию в 1979 г. в Фольклингене (земля Саар, ФРГ).
Проектная производительность установки 11 т/ч, что соответствует
22 000 м3 ч/газа. Удельная мощность реактора составляет
6 т/(м2-ч).
Используемый уголь. В принципе может использоваться любой
уголь. Данные по опытной установке большей частью относятся к
длиннопламенному углю (отмытая угольная мелочь разреза Энс-
дорф).
Состав используемого угля (по массе) приведен ниже, %:
с 72,75 S 1.39
н 4,71 Влажность 2,0
О 8,99 Зола 8,56
м 1 6
Теплота сгорания (низшая) используемого угля составляет
28,6 МДж/кг.
Крупность. Размер частиц желателен меньше 3 мм.
Зола. Зольность может изменяться в широких пределах, од-
нако при очень высоком содержании золы (около 50 %) может
повыситься вязкость шлака.
Углеподготовка. Рядовой уголь сушится до влажности
примерно 2 % и измельчается до необходимого размера частиц.
Сырой газ состоит в основном из СО и Н2 и вследствие высо-
кой температуры газификации свободен от смолы и органических
компонентов (высшие углеводороды, фенолы и т. д.). Состав из-
меняется в зависимости от состава газифицирующего агента.
120
Состав сырого газа приведен для типичного и отмытого (уголь
Энсдорфа) угля, %.
Типичный уголь Уголь Энс- дорфа (кис- лородное дутье) Типичный уголь Уголь (Энс- дорфа (кис- лородное дутье)
н2 . Около 31 31,4 СО2. 10 13,2
со . . Около 58 54 N2 . . . - 0,8
сн4. . - 0,5 0,2 H2S+COS — 0,4
Теплота сгорания низшая составляет 10,4 МДж/м3; высшая —
11 МДж/м3.
Описание процесса. Рядовой уголь вместе с отделенной от сы-
рого газа пылью подвергается измельчению с последующей суш-
кой. Подготовленный таким образом исходный уголь подается в
промежуточный бункер, продуваемый азотом. С помощью шлюзо-
вой системы из нескольких ступеней уголь с транспортирующим
газом выводится на рабочее давление и по четырем трубопрово-
дам непрерывно поступает в газогенератор. В качестве транспор-
тирующего агента используется рециркуляционный продуктовый
газ.
Уголь и газифицирующий агент вдуваются в газогенератор со
скоростью 20 м/с. Для этой цели используются форсунки много-
компонентного топлива, которые тангенциально установлены в
нижней части реактора и одновременно наклонены вниз так, что
их факелы оказываются направленными на поверхность шлаковой
ванны. За счет энергии струй шлаковый расплав приводится во
вращательное движение.
Реактор представляет собой цилиндрический аппарат, разде-
ленный на три ступени. Первая, нижняя ступень (собственно га-
зогенератор) и вторая ступень (сепарационное пространство) име-
ют водяное охлаждение. Первая ступень, кроме газогенератора,
покрыта слоем затвердевшего шлака, на котором вращается шла-
ковый расплав. Он выполняет роль аккумулятора тепла, обеспечи-
вающего надежное воспламенение. Специальное размещение фор-
сунок в первой ступени приводит к интенсивной турбулизации
шлака. Поверхность расплава является тепловым экраном, за ко-
торым могут достигаться наивысшие температуры. Избыток шла-
ка через расположенный в центре переток стекает в приемник, на-
полненный водой, и периодически выводится в гранулированном
виде. За счет действия шлакового расплава, интенсивной турбу-
лентности в первой ступени, а также предварительного подогрева
газифицирующего агента газификация осуществляется при очень
высоких температурах. В результате продуктовый газ имеет высо-
кое содержание СО и Н2. В сепарационном пространстве газовый
поток стабилизируется. Вместе с продуктовым газом выносятся
жидкие капельки шлака. Поэтому вторая ступень реактора покры-
вается слоем затвердевшего шлака.
В самую верхнюю ступень генератора вдувается охлажденный
продуктовый газ из рецикла для охлаждения сырого газа до тем-
121
Рис. 33. Схема процесса «Саарберг-Отто» (опытная установка):
1 — измельчительно-сушильная установка; 2—бункер; 3—шлюз; -4 — питатель; 5 — газоге-
нератор; 6 — горячий циклон; 7 — охладитель коксовой пылн; 8 — буикер-пнтатель; 9 — ко-
тел-утилизатор; 10 — фильтр горячего газа; 11 — распылительный охладитель
пературы ниже температуры размягчения шлака, чтобы воспрепят-
ствовать дальнейшему зашлаковыванию. Сырой газ выходит из
третьей ступени с температурой около 850 °C. Затем в циклоне от-
деляются летучий кокс и шлаковые частицы. Летучий кокс, выход
которого составляет от 10 до 30 % от исходного угля, возвращает-
ся в генератор. За циклоном следует котел-утилизатор, в котором
производится перегретый пар. Частично он используется в качест-
ве газифицирующего агента, частично подается в существующую
сеть пароснабжения.
За котлом-утилизатором, из которого газ выходит с температу-
рой около 300 °C, следует тонкая пылеочистка. Здесь используют-
ся рукавные фильтры, которые снижают запыленность газа до
10 мг/м3. Обеспыленный газ охлаждается до 40 °C в охладителе
оросительного типа и на заключительной ступени обессеривается.
Сточная вода из охладителя рециркулируется. Часть потока обра-
батывается традиционным способом в установке очистки сточных
вод.
Производство газифицирующего агента — а)' кислород: кисло-
родная установка (нет данных). Предварительный подогрев ути-
лизационным паром; б) из утилизационной системы.
Строительство установки ведут фирмы «Саарбергверке АГ»;
Саарбрюкен и «Д-р К- Отто энд Компании ГмбХ», Бохум; совме-
стное предприятие по газификации угля под давлением «Саар-
берг — д-р. К. Отто».
122
Изготовитель: «Д-р К. Отто энд Компани ГмбХ», Бохум.
Местонахождение: (демонстрационная установка) Фюр-
стенхаузен, земля Саар. Проект поддерживается Министерством
исследований и технологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Broschiire der Fa. Dr. C. Otto GmbH, Bochum
Gasification of solid fuels in the Rumme/Otto gasifier
2. M. Rossbach, R. Kiiffer, G. Fiissman, W. Granus, K. Peter. Tagung „Kohlever-
gasung und — hydrierung", Haus der Technik, Essen, 7.—8. Dez. 1977
3. Saarberg/Dr. C. Otto, Gesellschaft fur Kohledruckvergasung, Volklingen, Bro-
schiire ,,Saarberg/Otto-Kohledruckvergasung“
4. M. Rossbach, A. Meyer, V. Hornung, Stahl u. Eisen 100 (1980) Nr. 7,
S. 383—387
17. Процесс „Рургаз“ с вихревой камерой
Схема газификации: автоматическая газификация угольной
пыли с воздухом и паром в реакторе со взвешенным потоком при
нормальном давлении.
Производительность. Были сооружены две промышленные ус-
тановки для производства газового топлива.
В одном газогенераторе с внутренним диаметром 2 м и высо-
той 24,5 м в сутки газифицировалось до 100 т угольной пыли на
воздушном дутье. Примерно 30 т летучей пыли рециркулировалось.
Некоторые показатели работы газогенератора приведены ниже.
Расход угля, т/ч 4,2
Удельный расход, т/(м2-ч) 1,3
Производство газа, м3/ч . . 16 000
Используемый уголь. В принципе могут использоваться все
типы углей. Наибольшая конверсия углерода была достигнута на
буром угле, однако термический кпд на промышленной установке
был выше при использовании коксующегося угля. Приведенные
данные относятся к углю зольностью 15,2 % и влажностью 2,1 %.
Крупность 90 % <0,6 мм. Влияние тонкости измельчения
пыли незначительно. Может использоваться также сравнительно
крупнозернистая пыль, как, например, циклонного сжигания.
Зола. Золосодержание практически не играет роли, темпера-
тура плавления золы влияет на эксплуатацию только при очень
высоких значениях.
Углеподготовка. Измельчение с сушкой.
Состав сырого газа при газификации воздухом приведен ни-
же, %-
Н2 . . 8
СО 22,8
Теплота сгорания сырого
(928 ккал/м3).
СО2 5,1
N2 . 64,1
газа составляет 3,9 МДж/м3
123
В опытной установке при газификации бурого угля на парокис-
лородном дутье получался синтез-газ Нистлеру); %: следующего состава (по
н2. . 33,2 СН4 0,5 1
о2. - n2 .
со 48,5 H2S -—
со2 . 16,8
Теплота сгорания синтез-газа составила 10,5 МДж/м3
(2500 ккал/м3).
В этих опытах кпд газификации достигал 75%, термический
кпд — 87 % •
В Великобритании также были выполнены исследования по
комбинированному парогазовому процессу с использованием полу-
ченного газового топлива.
Описание процесса. Угольная пыль из промежуточного бункера
пневматическим путем подается в газогенератор высотой 24 м.
У основания газогенератора (диаметр 2 м) топливо с продукто-
вым газом тангенциально вдувается через 6 форсунок в противо-
точном направлении с нагретым до 700 °C воздухом. (Свежий
уголь вдувается через 4 форсунки, возвращаемая летучая пыль —
через 2). Шлак отбрасывается на водоохлаждаемую стенку реак-
тора и стекает на подину, откуда непрерывно сливается в резер-
вуар с водой и гранулируется; он содержит 1,5—2 % углерода.
Сырой газ проходит через У-образный (циклонный эффект) ко-
тел-утилизатор, который разделен на реакционную и конвектив-
ную части, отдает часть своего тепла и затем поступает в мульти-
циклон. Отделяемая в нем угольная пыль, содержание которой
может составлять до 1/3 исходного угля, возвращается в газогене-
Рис. 34. Схема процесса «Рургаз» с вихревой камерой («Рургаз АГ»):
1 — угольный бункер; 2 — газогенератор; 3 — трубчатый теплообменник; 4 — пылеотдели-
тель; 5 — циклон; 6 — мультициклон; 7, 9 — промывочные охладители; 8 — электроосадитель
124
ратор. Дальнейшая газоочистка осуществляется с помощью дезин-
тегратора, скруббера и пылевого фильтра. Из-за высоких темпе-
ратур смола не образуется.
Производство газифицирующего агента — а) воздух: подогрев;
до 700 °C в противотоке с продуктовым газом; б) кислород: уста-
новка Линде.
Техническая характеристика процесса «Рургаз»
Степень конверсии угля, % • Нет данных.
Кпд, %:
газификации 61
термический........................................... 84,2
Расход воздуха на 1 м3 сырого газа (по оцен-
кам), м3 . 1,6
Расход угля, кг:
в 1 ч . . . . 4160
на 1 м3 сырого газа 0,23
на 1 ГДж сырого газа 67
Продуктовые потоки:
выход сырого газа на 1 т угля, м3 . 3740
избыток пара (400 °C, 35 бар) на 1 т угля, т 3,15
Рабочее давление, бар . 1
Температура, °C:
рабочая .............. Обычно выше
температуры
плавления золы
выходящего газа...........................• 700
Расход воды ................................. Нет данных
Г азоочистка. Пылеотделение и тонкую очистку можно
производить в У-образном газоходе, циклоне, дезинтеграторе^
скруббере и пылеулавливающем фильтре.
Строительство установки ведет фирма «Гиббонс Бразерс»,
Дадли, Великобритания.
Предприятия, эксплуатирующие установку:
«Рургаз АГ», Эссен; Национальное угольное бюро, Великобрита-
ния.
Местонахождение: а) Реклингхаузен — Зюдервих, коксо-
вый завод шахты «Кёниг Людвиг 4/5» (демонтирована в 1958 г.}
(ФРГ); б) йоркшир, Великобритания, коксовый завод шахты
«Манверс Майне».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. F. Nistler, Gltickauf 88 (1952) 346
2. К Тгаепскпег, Gas- und Wasserfach 93 (1952) 537
3. Соке and Gas 19 (1957) 54
18. Процесс „Комбасчен Инжиниринг4*
Схема газификации: автоматическая газификация угля с пред-
варительно нагретым воздухом в реакторе со взвешенным потоком;
при нормальном давлении.
125.
Производительность. После обширных предварительных иссле-
дований была построена опытная установка. Она была введена в
эксплуатацию в течение 1978 г. Все приведенные ниже данные от-
носятся к этой установке. На более позднем этапе программы ис-
следований запланирована демонстрационная установка для про-
мышленной эксплуатации:
Максимальный внутренний
диаметр, м . . . 2,75
Высота генератора, м 27,5
Расход угля, т/ч 4,5
Производство газа, м3/ч . . 23 000
Производство энергии,
ГДж/ч . 101
Используемый уголь. В принципе может использоваться любой
уголь. Опыты были проведены с питтсбургским углем.
Крупность. Уголь измельчается и подается в виде пыли.
Требуемая тонкость измельчения, по-видимому, сравнима с процес-
сом циклонного сжигания (70 % <0,075 мм).
Зола. Нет данных.
Углеподготовка. Измельчение с сушкой.
Сырой газ. Газификация осуществляется на воздушном дутье,
однако может использоваться и кислород. На воздушном дутье по-
лучается газ следующего состава, %:
Н2. . . . 10,5
СО 23,8
СН« . —
СО2 4
N2 . 59
Н2О 2,3
H2S 0,3
COS 0,03
Высшая теплота сгорания составляет 4,42 МДж/м3.
Газ, получаемый на опытной установке, сжигается в котле с
целью получения пара. Продуктовый газ воздушной газификации
предполагается использовать на электростанции. При этом наряду
с традиционным сжиганием в котлах обсуждаются возможности
его применения в чисто газотурбинном или комбинированном па-
рогазотурбинном процессе.
Описание процесса. Исходный уголь из накопительного бунке-
ра поступает на углеподготовку, где осуществляется измельчение
с одновременной сушкой. Высушенная угольная пыль подается в
газогенератор. Он имеет максимальный диаметр 2,75 м. Стены вы-
полнены из газоплотных сварных трубных поверхностей, которые
охлаждаются водой, а также имеют дополнительную внутреннюю
футеровку. Реакционное пространство состоит из разделенных пе-
режимом нижней топочной камеры и расположенной над ней зо-
ной восстановления. Свежий уголь тангенциально вводится в обе
камеры. В топке происходит сжигание угля и возвращаемой из
системы пылеулавливания летучей пыли с тангенциально вдувае-
мым воздухом, подогретым примерно до 350 °C. При этом зола
подвергается ошлаковыванию. Шлак выводится в нижней части
генератора. Горячие дымовые газы поднимаются в восстановитель-
ную зону и обеспечивают теплом процесс полукоксования вводи-
мого сюда свежего угля, а также реакции восстановления между
продуктами сгорания и углем. Горячий газ поступает в первичный
охладитель в верхней части реактора, затем охлаждается во вто-
126
Рис. 35. Схема процесса «Комбасчен Инжиниринг» (демонстрационная установ-
ка):
1,3 — бункера; 2— мельница; 4 — газогенератор; 5 — промывочный охладитель; 6 — циклон;
7—бункер кокса; 8— скруббер; 9 — отстойник; 10—установка обессеривания «Стрет-
форд» ; 11 — котел
рой ступени и после прохождения через скруббер обеспыливается
с помощью циклона и следующего за ним скруббера Вентури. Вы-
падающий при этом шлам возвращается в газогенератор. Промы-
вочная вода после отстоя вновь подается в скруббер.
Освобожденный от пыли сырой газ очищается от соединений
серы и сжигается в котле. Тепло дымовых газов используется для
подогрева газификационного воздуха.
Газогенератор опытной установки по конструкции соответству-
ет запланированному промышленному. Размеры его, однако умень-
шены. Довольно крупная опытная установка необходима для осу-
ществления масштабного перехода к промышленному газогенера-
тору в части поведения газового потока и времени пребывания
реагентов. Правда, толщина футеровки в опытной установке завы-
шена, чтобы, несмотря на неблагоприятное (по сравнению с про-
мышленной установкой) отношение объема к поверхности, обеспе-
чить возможность масштабного переноса результатов.
Производство газифицирующего агента — воздух: подвод необ-
ходимого для сжигания воздуха осуществляется воздуходувкой.
Воздух предварительно подогревается до 350 °C.
Техническая характеристика процесса «Комбасчен Инжиниринг»
Степень конверсии, % Нет данных
Кпд, % .
Входные потоки:
расход угля, кг:
в I ч............................... . . 4500
на 1 м3 сырого газа . . . . 0,195
на 1 ГДж сырого газа 46,3
Соотношение пар/кнслород . Отсутствует
Выход сырого газа на 1 т угля, м3 5128
Рабочее давление . Атмосферное
Температура, °C:
в топке . .............. До 1750
127
в восстановительной зоне ......................
выходящего газа из генератора ...
выходящего газа после системы охлаждения
Расход воды, т/ч.................................
Расход электроэнергии ...................... . .
9501750
-950
150
1,5
Нет данных
Газоочистка. В опытной установке за пылеотделением сле-
дует Стретфорд-отмывка, в которой из обеспыленного сырого газа
содовым раствором вымывается H2S. Остаточное содержание не
превышает 50 ppm.
Строительство установки ведут фирмы «Комбасчен Инжини-
ринг Инкорпорейшн», «Коэл Газификейшн Фоссил Пауз Системе»,
Виндзор, Коннектикут.
Местонахождение опытной установки: г. Винд-
зор; Коннектикут.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. ..Low-BTU Gasification of Coal for Electricity Generation" in Coal Gasification,
Quarterly Report. Oct—Dec. 1975, ERDA 76—30—4
2. R. C. Patterson
„The Combustion — Engineering Coal Gasification Program" Combustion 47
(1976) Nr. 11, S. 26
3. R. C. Patterson in „Kohlevergasung in der Energietechnik, VGB-TB 201,
VGB-Kraftwerkstechnik GmbH Essen, 1979, S. 186—207
4. R. C. Patterson, S. L. Darling, Chem. Engr. Progress 76 (1980) No. 3,
S. 55—60
19. Процесс „Вестингауз"
Система газификации: автотермическая паровоздушная гази-
фикация угля (после предварительной дегазации угля горячим не-
очищенным газом) при давлении от 10 до 30 бар в противоточном
многоступенчатом кипящем слое при одновременном обессерива-
нии газа обожженным доломитом. Способ разрабатывается как
предвключенная ступень для комбинированного парогазотурбинно-
го процесса.
Производительность. К настоящему времени была сооружена
одна опытная установка с расходом угля 600 кг/ч. Выход продук-
тового газа составляет 800 м3/ч.
Следующим этапом должна стать опытная установка с расхо-
дом угля 5 т/ч. Целью программы является эксплуатация комби-
нированного процесса, объединенного в одну установку с расхо-
дом угля 45 т/ч.
Используемый уголь Способ практически не зависит от типа
угля.
Крупность угля составляет 0—4 мм.
Зола. Может использоваться высокозольный уголь. Темпера-
тура плавления золы не достигается.
Углеподготовка. Предварительная сушка.
328
Состав сырого газа приведен ниже, % :
н2. со СО2 . . 14,4 . 19,2 9,4 сн4 n2. 2,8 . . . . 54,2
Теплота сгорания сырого газа составляет 5,2 МДж/м3
(1250 ккал/м3)
Описание процесса. Измельченный уголь сушится в первом ап-
парате кипящего слоя потоком горячего газа. Высушенный уголь
подвергается полукоксованию во втором реакторе кипящего слоя,
также продуваемом горячим газом, обессеривается и частично га-
зифицируется. Внутри кипящего слоя обеспечивается циркуляция
коксовых и доломитовых частиц за счет встроенной в центре газо-
генератора подъемной трубы, в которую подается горячий генера-
торный газ и свежий уголь. Кокс и уголь увлекаются в трубу га-
зовым потоком, который имеет скорость 4,5—9 м/с. Уголь при этом
подвергается полукоксованию. Теплоподвод в реактор полукоксо-
вания осуществляется горячим газом. Чтобы охладить горячий ге-
нераторный газ и воспрепятствовать спеканию угля, конструкция
трубы выполнена таким образом, что масса движущегося в ней
кокса в 100 раз больше, чем свежего угля.
Первые два аппарата с кипящим слоем ожижаются генератор-
ным газом, который производится в третьем газогенераторе с ки-
пящим слоем путем газификации и частичного сжигания кокса и
летучей пыли нз реактора полукоксования. В этом третьем кипя-
щем слое воздух и пар служат одновременно в качестве ожижаю-
щего и газифицирующего агента. Зола спекается и выпадает на
дно аппарата, откуда затем выводится. Дополнительно для пере-
носа тепла от газогенератора к реактору полукоксования, который
осуществляется генераторным газом, может быть организована
циркуляция нагретого твердого материала.
Для связывания серы в реактор полукоксования загружается
обоженный доломит, который отдельно выводится в нижней части
газогенератора и регенерируется (или удаляется).
Производство газифицирующего агента — а) пар: нет данных;
б) воздух: сжатый воздух должен поставляться компрессором с
приводом от газовой турбины.
Техническая характеристика процесса «Вестингауз»
Степень конверсии угля, %............................Нет данных
Входные потоки
расход, кг/ч:
воздух (870 °C) ... 1410
добавочный пар 340
уголь .... 550
обожженный доломит.................................... 320
газ для ожижения кипящего слоя 700
транспортирующий газ 370
Соотношение пар/кислород Отсутствует
Выход продуктов, кг/ч:
кокс (после дегазации, 870 °C) 20
сырой газ ............................................ 3360
летучая пыль 260
9 Зак. 738 1 29
доломит (870 °C)........................................ 1412
зола...................................................... 50
Рабочее давление, бар............................ 11—17
Температура, °C:
в газогенераторе ...................... ... 1000-1100
в реакторе полукоксования . . . 700—900
выходящего газа 700
Газоочистка. Газ обеспыливается в циклоне. При этом его
запыленность должна снизиться до 250 мг/м3.
Рис. 36. Схема процесса «Вестингауз» (по Д. X. Арчеру с соавт.):
7, 3 — циклоны; 2 — дегазация и обессеривание; 4 — топка; 5 — газификация; 6—сжигание;
7 — турбина; 8— компрессор; 9— газогенераторы; 10 — котел; // — турбина
Строительство установки осуществляет фирма «Вестингауз
Электрик Корпорейшн» и исследовательская лаборатория, Питт-
сбург, Пенсильвания. При участии фирм: «Паблик Сёвис Индиа-
на», «Амакс Коэл Компани», Бечтел Инкорпорейшн», (Сан-Фран-
циско, Калифорния), «Пибоди Коэл Компани», «Кеннекотт Копер
Корпорейшн».
Местонахождение установки производитель-
ностью 600 кг/ч: Валц Милл, Пенсильвания (США).
Планируемое место размещения установки
производительностью 45 т/ч: Станция Дрессер Компании
«Паблик Сёвис Индиана», г. Терра-Хот, Индиана (США).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1 D. И Archer, D. J. Vidt, D L. Keairns, J P Morris, J. L. Chen Proc, of the
3rd International Conf, on Fluidized Bed Combustion, Hueston Woods, Ohio,
29. Oct.—1. Nov. 1972
2. S. Lemezis, D. H. Archer, Westinghouse Engineer, July 1973
130
3. D. H. Archer, et al., Clean Fuels from Coal Symp. at Inst, of Gas Technology,
Chicago, Sept. 10—14, 1973
4 Office of Coal Research, Research and Development Report No. 81 Interim
Report No. 1, 1973, Contract No. 14—32—0001—1514
5. S. Lemezis, D H. Archer, Arch. Energiewirtsch. 28 (1974) S. 651
6. Quarterly Report Coal Gasification, Oct.—Dec. 1975, ERDA-Office of Fossil
Energy, S 65—70
7. R. D. Shah, et al., 11th Intersociety Energy Conversion Engineering Conferen-
ce 12.—17. Sept. 1976, Slateline, Nev., Conference Papers S. 294—299
9*
В. СПОСОБЫ ГАЗИФИКАЦИИ,
НАХОДЯЩИЕСЯ В СТАДИИ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
(ЛАБОРАТОРНЫЕ ОПЫТЫ)
1 Процесс „Экссон“
Схема газификации: каталитическая паровая газификация угля в
кипящем слое. Реакционное тепло, необходимое для этого процес-
са, производится за счет экзотермического взаимодействия СО и
Н2 с образованием метана и воды.
П роизводительность. Несколько лет назад фирмой «Экссон»
был разработан термический способ газификации угля, в котором
вдуваемый горячий кокс газифицируется паром. Нагрев кокса осу-
ществляется отдельно путем частичного сжигания с воздухом. Эта
разработка предназначалась в первую очередь для каталитиче-
ской газификации.
Каталитическая газификация угля исследуется с 1978 г. на экс-
периментальных установках (стационарный слой, кипящей слой) с
расходом 4 кг/ч. Опытная установка производительностью 40 кг/ч
была введена в эксплуатацию в 1980 г.
Используемый уголь. Способ в равной мере допускает исполь-
зование спекающихся и неспекающихся углей. Известны опыты с
углями «Иллинойс» № 6 (длиннопламенный), «Питтсбург сим»
(газовый) и с коксом иллинойского угля.
Крупность. Меньше 2,5 мм (<8 меш).
Зола. Нет данных.
Углеподготовка. Уголь предварительно измельчается до
необходимой крупности. Перед подачей в газогенератор произво-
дится пропитка раствором К2СО3. Сообщается, что были проведе-
ны опыты с различным содержанием корбоната калия. Для про-
мышленной установки, по-видимому, будет предусмотрена пропит-
ка до 20 %-ного содержания К2СО3.
Неочищенный газ. О составе газа, полученном в опытах, све-
дения отсутствуют. Так как в процессе не используется воздух,
газ не содержит азота. Основными компонентами в сыром газе яв-
ляются СН4, СО2, СО, Н2 и неразложившийся пар. В малых коли
чествах образуются также H2S и NH3. Так как СО и Н2 должны
возвращаться в рецикл, процесс «Экссон» производит в качестве
газообразных продуктов практически только метан и углекислый
газ.
Описание процесса Свежий уголь сначала пропитывается ка-
тализатором. Введение катализатора, как и предварительное
132
окисление спекающихся углей, должно устранить епекаемость и
вспучиваемость при незначительном уменьшении объема угля.
Смесь вводится в газогенератор кипящего слоя, который про-
дувается паром и горячим циркуляционным газом—смесью СО и
Н2, получаемой при газификации. Углерод газифицируется при
температуре в пределах от 650 до 750 °C и давлении от 7 до
70 бар.
Добавленный катализатор, во-первых, должен обеспечить воз-
можность газификации при низких температурах. Во-вторых, он
способствует образованию значительного количества метана из
СО и Н2 с такой скоростью, что содержание метана в сыром газе
достигает равновесного значения. При этом сильно экзотермичный
процесс метанизации поставляет реакционное тепло для эндотер-
мической реакции с водяным паром.
Сырой газ, который выходит из газогенератора с температурой
около 700 °C, обеспыливается в циклоне и на заключительной ста-
дии охлаждается водой. После отделения СО2 и H2S газ поступает
ца низкотемпературное разделение метана и (Н2+СО). Метан яв-
ляется конечным продуктом производства.
Рециркуляционный газ (СО + Н2) смешивается с утилизацион-
ным паром и подогревается до температуры примерно на 80 °C
выше температуры газификации. Посредством этого перегрева
компенсируются только тепловые потери, имеющие место в газо-
генераторе. Реакции газификации, протекающие при температуре
около 700 °C, в совокупности оказываются термически нейтраль-
ными. Подача рециркуляционного газа должна возмещать потерю
того объема (СО + Н2), который уносится с продуктовым газом.
Сырой газ
Зола
Рис. 37. Схема процесса «Экссон>:
1— катализатор; 2—4—бункера; 5 — зол а-}-катализатор; 6—реактор; 7 — охладитель; в —
подогреватель; 9 — отмывка кислых газов; 10 — низкотемпературное разделение
133.
Углеродсодержащий зольный остаток газификации подлежит
переработке с целью извлечения катализатора. Необходимость его
регенерации обусловлена экономическими факторами. Путем вы-
щелачивания с водой может быть возвращено в процесс до 60—
80 % соли калия. Исследуется возможность выщелачивания с по-
мощью кислотосодержащих растворов. Регенерированный катали-
затор поступает в производство в смеси со свежим катализатором.
О путях дальнейшего использования остающихся твердых отходов
сведения отсутствуют.
Производство газифицирующего агента — а) пар: производится
за счет утилизации тепла сырого газа; б) рециркуляционно содер-
жащиеся в сыром газе СО и Н2 отделяются, смешиваются с па-
ром и нагреваются.
Техническая характеристика процесса «Экссон»
Степень конверсии, %.
угля ..................................... 80—95
пара . 40—60
Расход угля, кг/ч:
лабораторная установка 4
опытная установка.................. 40
Рабочее давление, бар:
лабораторная установка . 7
опытная установка . 10—50
Температура, °C:
газификации . 700
выходящего газа........................................ 700
Газоочистка. Обеспыливание и отмывка кислых газов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Anon., Engin, and Min. Journal, April 1974, 91
2. L. E. Swabb Jr., 24. DGMK-Tagung, Hamburg 1974
Compendium zu Erdol u. Kohle 74/75, Bd. 1, S. 319
3. J. M. Eakman, T. Kalina, N. C. Nahas, Paper pres, to Southwest Catalysis
Soc., Houston, Tex. 29. Marz 1976
4. W. R. Epperly, H. M. Siegel, preprint from AIChE 11th Intersociety Energy
Conversion Engineering Conference, State Line, Nevada, 12.—17. Sept. 1976
5. J. E. Gallagher, C. A. Euker, Intern. J. of Energy Res. Vol. 4, No. 2, April—
Juni 1980, S. 137—147
6. L. E. Furlong in Kohlevergasung in der Energietechnik", VGB-TV 201,
VGB-Kraftwerkstechnik GmbH, Essen, 1979, S. 239—250
2. Процесс „Хайдрэйн"
Схема газификации: двухступенчатая автотермическая газифи-
кация угля (без предварительной обработки) с водородом во
взвешенном потоке и кипящем слое. Необходимый водород дол-
жен производиться из остаточного кокса.
Производительность. Способ находится в стадии разработки.
С начала 1973 г. ведутся лабораторные опыты с модельной аппа-
ратурой, которая включает в себя ступени реактора гидрогазифи-
кации без производства водорода.
134
Характеристика реактора газификации приведена ниже:
I ступень II ступень
Диаметр, см
Длина, м..............
Расход угля, кг/ч
Производство сырого га-
за
7,6 5,1
2,16 3,35
4,5—9
Нет данных
Компания «Роквелл» продолжает разработку процесса «Хайд-
рэйн». О целях и техническом оформлении нет никакой информа-
ции. В рамках этой разработки запланировано изготовление двух
крупных опытных установок.
Используемый уголь. До настоящего времени были опробова-
ны угли «Питтсбург-сим» (газовый), «Иллинойс» № 6 (длиннопла-
менный) и более молодые бурые угли Сев. Дакоты. Однако способ
должен допускать использование любых сортов угля.
Крупность. Используется угольная пыль. О размере частиц
и распределении их по размерам ничего не сообщается.
Зола. Нет данных.
Углеподготовка. Сушка при измельчении без предвари-
тельного окисления.
Состав неочищенного газа приведен ниже, %:
Н2 . . . 18—28
СН4 . . . 58—80
С2Н6 . . 0,1—0,5
СО . . . 0,6—6,5
СО2 .
n2 . .
H2S . . .
0,5—6
1,5—2,5
0,1—0,4
Теплота сгорания сырого газа составляет 27,2—33,9 МДж/м3
(6500—8100 ккал/м3).
Описание процесса. Через шлюзы высокого давления уголь
вводится в первую ступень реактора, где пыль в свободном паде-
нии гидрируется в прямотоке газовой смесью (примерно 50 %
Н2 и 50 % СН4).
Время пребывания в этой реакционной ступени должно состав-
лять несколько секунд, температура стенки реактора — до 900 °C.
В этой ступени гидрируется примерно от 25 до 30 % угля, од-
новременно он теряет способность спекаться. До настоящего вре-
мени реактор работал при давлениях от 70 до 150 бар. Затем газ
с вышеприведенным составом покидает реактор.
Полукокс из этой ступени через мельницу поступает во вторую
ступень реактора с кипящим слоем, в которой он взаимодействует
с водородом. Продуктовый газ этой ступени содержит примерно
50 % Н2 и 50 % СН4 и используется в качестве гидрирующего газа
для первой ступени. Температура газа во второй ступени равна
примерно 900—1050 °C.
Остаточный кокс этой реакционной стадии выносится из реак-
тора и газифицируется парокислородной смесью с целью получе-
ния водорода. Для этого необходимо воспользоваться традицион-
ными способами; соответствующая технологическая ступень зано-
во не разрабатывалась.
135
Сырой уголь
Зола
Рис. 38. Схема про-
цесса «Хайдрэйн»
(Горное бюро США):
/ — сушка и измельче-
ние; 2 — I ступень (взве-
шенный поток); 3— II
ступень (кипящий слой);
4 — газоочистка; 5 — про-
изводство водорода; 6 —
метанизация
О дальнейшей переработке газа не сообщается, указывается
лишь на то, что выход смолы очень незначителен (около 3 % от
исходного угля), что она не содержит серы и поэтому пригодна
для сжигания в паровых котлах без предварительной подготовки.
Для использования продуктового газа в качестве ЗПГ необходимо
еще отделить остаточную окись углерода, для чего предусматрива-
ется ступень метанизации, которая из-за относительно малого со-
держания СО должна оказаться довольно небольшой. О способе
сероочистки сведений не имеется.
Остаточный кокс, образующийся при использовании каменного
угля, содержит значительно меньше серы, чем сырой уголь, и мо-
жет сжигаться без дополнительного обессеривания. А при исполь-
зовании бурого угля происходит обогащение остаточного кокса се-
рой, что отражается на составе золы.
Сведения о динамическом поведении реактора полностью от-
сутствуют.
Производство газифицирующего агента — а) водород: посред-
ством парокислородной газификации остаточного кокса; б) техно-
логический пар: примерно половина необходимого технологическо-
го пара может быть получена путем сжигания смолы. По всей ве-
роятности, этот процесс не является энергоавтономным.
Техническая характеристика. Кроме данных о рабочем давле-
нии от 70 до 150 бар и дополнительном расходе Н2 на 1 м3 СН4,
равном 1,38 м3 для опытной эксплуатации, других сведений не со-
общается.
Строительство установки и разработку процесса ведут фирмы
«Роквелл» (Четсворт, Калифорния); «Моргантаун Энеджи» (Мор-
гантаун, Зап. Виргиния) и Технологический Центр.
136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Н. F. Feldmann u. Р М. Yavorsky
5th Synth. Pipeline Symp. 29.—31. Okt. 1973. Chicago, Ill.
2. P. M. Yavorsky
Clean Fuels from Coal Symp., 10.—14 Sept. 1973, Chicago, III.
3. J. A. Gray, P. M. Yavorsky, Clean Fuels from Coal Symp. 23.—27. Juni 1975,
Chicago, III.
3. Процесс „Моултен Солт“
Схема газификации: парокислородная газификация угля в рас-
плаве соды при высоком давлении. Принимается во внимание так-
же и газификация воздухом.
Производительность. Вначале способ был опробован в лабора-
торном масштабе (внутренний диаметр реактора 13 см). Следую-
щим этапом является реактор диаметром 75 см. На небольшой ус-
тановке результаты были получены при давлении 4 бар. Удельный
расход угля на 1 м3 расплава составлял 4 т/ч.
% Этот процесс (на воздушном дутье) для производства чистого
энергетического топлива разрабатывается Отделом атомной энер-
гии компании «Роквелл Интернэшнл Корпорейшн» (Кэнога Парк,
Калифорния). Запланирована опытная установка (расход угля
5 т/ч, рабочее давление около 10 бар, температура около 1000 °C)
на территории электростанции «Норвок Харбор» компании «Кон-
нектикут Лайт энд Пауэ».
Ранее были проведены опыты компанией «М. В. Кэллогг».
Используемый уголь. Могут применяться любые, в том числе и
спекающиеся, угли.
Крупность угля составляет 12—20 меш (1,7—0,85 мм).
Зола. Зольность любая. Зола растворяется в содовом распла-
ве.
Углеподготовка. Сушка при измельчении.
Состав сырого газа приведен ниже, %:
н2. 45 СН4 7,5
со 33,5 N2 0,4
со2 13,3 H2S 0,3
Теплота сгорания сырого газа составляет 13, МДж/м3
(3100 ккал/м3).
Описание процесса. Измельченный уголь из бункера подается
в шлюзы для выравнивания давления и далее с паром и предвари-
тельно нагретым кислородом поступает в газогенератор. При этом
подмешивается рециркулируемая сода. Частичное сжигание угля
в содовой ванне поставляет тепло для эндотермической реакции
с паром. Расплав играет роль теплоносителя и катализатора. Сера
частично связывается с образованием Na2S, однако при обратной
реакции ванны концентрируется зола (до 16 %). Поэтому часть
расплава непрерывно выводится и перерабатывается (растворение
137
Сырой газ
Уголь Зола
YYYY>V .
> v Расплав
и зола
Рис. 39. Схема про-
цесса «Моу лтен Солт»
(Келлогг):
1 — угольный бункер;
2 — угольный шлюз; 3 —
подготовка расплава;
4 — содовый шлюз; 5 —
газогенератор
JL
Пар, подогретый кислород
в воде, фильтрование, СО2-обработка, обжиг NаНСОз). С целью
защиты от коррозии реактор футерован монофраксом А.
Производство газифицирующего агента—а) кислород: нет дан-
ных; б) пар: нет данных.
Техническая характеристика процесса «Моултен Солт»
Рабочее давление, бар........................... 85
Температура, °C:
рабочая.............................. 930
выходящего газа: Нет данных
Расход воды...............................Нет данных
Газоочистка. Смолопродукты не образуются. Перед метани-
.зацией производится сероочистка.
Строительство и разработка. Нет данных.
Местонахождение. Нет данных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Р. A. Lefrancois. К. М. Basclay, G. Т. Skaperdas, Adv. in Chem. Ser. 69,
64 Am. Chem. Soc.
2. A. E. Cover, W. C. Schreiner. G. T. Skaperdas, Chem. Eng. Progr. 69 (3)
(1973) 31
3. A. E. Cover, W. C. Schreiner, Clean Fuels from Coal Symp., 10.—14. Sept. 1973,
Chicago, Ill.
-4. L. D. Fraley, C. A. Kumar, Clean Fuels from Coal Symp., 23.—27. Juni 1975,
Chicago, Ill.
4. Газификация угля в расплаве железа
Газификация угля в расплаве железа включает
.процессы:
I — двухступенчатая воздушная газификация угля
водства низкокалорийного газа;
II — ПАТГАЗ: процесс с парокислородным дутьем
водства синтез-газа;
следующие
для произ-
для произ-
138
Ill — АТГАЗ: процесс с парокислородным дутьем для произ-
водства ЗПГ;
IV — Максхютте-КХД: процесс газификации угля в сталепла-
вильном конверторе;
V — «Сумитомо»: процесс газификации угля в сталеплавиль-
ном конверторе.
Схема газификации: автотермическая газификация угля с воз-
духом или кислородом и паром при высоких температурах и низ-
ком- давлении в ванне с расплавленным железом и шлаком.
Производительность. По процессам I—III были проведены экс-
перименты только в малом масштабе и в течение непродолжитель-
ного времени. Использовалась индукционная печь (вместимость
1,8 т железного расплава) с внутренним диаметром 63,5 см. Ко-
личественные результаты отсутствуют. По процессу IV были про-
ведены опыты по газификации при атмосферном давлении в тече-
ние 1977/78 г. По процессу V опыты были начаты весной 1980 г.
Приведенные ниже данные относятся к вариантам I—III.
Используемый уголь. Одним из преимуществ способа является
его независимость от типа угля. Могут использоваться дешевые и
малопригодные угли.
Крупность. Размер частиц должен быть меньше 3 мм.
Зола. Температура плавления не имеет значения. Зола непре-
рывно выводится в виде шлака.
Углеподготовка. Сушка до влажности 4% при измельче-
нии. Размер частиц от 0 до 3 мм.
Неочищенный газ. В зависимости от способа производятся га-
зы различного состава, %:
Двухступенчатый процесс (А) ПАТГАЗ (Б) АТГАЗ (В)
Н2 . 15 36 4
со . 30 63,5 —
со2 . — — —
сн4 . — — 93
N2 . . 55 0,5 3
Теплота сгорания неочищенного газа для способов А, Б, В со-
ответственно составляет 5,7; 12,4 и 37 МДж/м3 или 1360; 2960 и
8820 ккал/м3.
Описание процесса. Уголь с паром высокого давления через ке-
рамическую трубу или охлаждаемую маслом металлическую тру-
бу вводится в расплав железа. При температуре 1370 °C взрыво-
образно выходят летучие вещества, которые затем подвергаются
крекингу в расплаве. Углерод быстро растворяется в железе.
В шлак, плавающий на поверхности железа, переходят зола и се-
ра, которая в известняковом шлаке образует CaS. Воздух или
кислород, вдуваемые непосредственно под поверхность железно-
го расплава, реагируют с углеродом до образования СО; анало-
гично реагирует разлагающийся в расплаве пар, образуя СО и Н2.
Сообщается, что в опытах получался газ с высоким содержани-
ем пыли.
139
Шлак, который содержит 4—8 % серы, выводится непрерывно.
Он подвергается обработке паром и перерабатывается на серу
(установка Клауса) и известь.
В двухступенчатом процессе газ очищается от пыли, нагревает
в противотоке воздух, необходимый для сжигания, и используется,
например, в качестве котельного газового топлива.
В способе ПАТГАЗ в котле-утилизаторе производится пар вы-
сокого давления. Сырой газ отмывается, охлаждается и затем
компримируется до 70 бар для дальнейшего применения.
В процессе АТГАЗ за этой технологической ступенью следуют
конверсия, тонкая очистка и затем стадия метанизации.
Поведение газогенератора при пуске и снижении нагрузки: так
как железо вследствие высокой теплоемкости может долго нахо-
диться в жидком состоянии, пуск и временный останов газогенера-
тора упрощаются. Кроме того, появляется значительный ресурс
для изменения нагрузки.
После опытов металлургической компании «Максимилиансхют-
те ГмбХ» в Зульцбах-Розенберге значительная часть проблем га-
зификации в расплаве железа разрешилась за счет применения
способа «Оксиген-Боденблазен-Максхютте» (ОБМ), в котором по-
гружная труба для подачи угля и кислорода, особо подверженная
повреждениям, заменена дутьевой трубой, находящейся в подине
тигля. Способ ОБМ прошел проверку в сталеплавильном производ-
стве на конверторах с нижним дутьем, так что из этой области
может быть внесен значительный опыт разработки газогенерато-
ров угля подобного рода. Первые кратковременные опыты «Макс-
хютте» (длительность около 30 мин; расход угля 2,5 т) в конвер-
торе вместимостью 5 т продемонстрировали хорошие результаты.
Состав сырого газа примерно соответствует приведенным выше
данным для процесса ПАТГАЗ. Качество обессеривания также
хорошее (50—100 ppm H2S в сыром газе). Если остаточная влаж-
ность угля не превышает 7 %, для технологического процесса не
требуется дополнительной энергии. Потребность в паре отсутству-
ет. Однако при использовании угля с высоким содержанием бал-
ласта, по-видимому, возникают трудности в сохранении теплового
баланса. Так как в сталеплавильной промышленности уже эксп-
луатируются конверторы вместимостью 250 т, имеется возмож-
ность при необходимости соорудить очень крупные газогенераторы
угля (200 000—400 000 м3/ч сырого газа).
Производство газифицирующего агента: в двухступенчатом
процессе планируется компримировать воздух, а затем нагревать
его продуктовым газом;
пар должен производиться в котле-утилизаторе;
кислород должен производиться в установке Линде, для при-
вода компрессоров которой используется технологический пар.
Приводятся оценочные значения для всех трех способов в пе-
ресчете на энергопроизводительность 10500 ГДж/ч (2500 Гкал/ч).
140
Техническая характеристика процесса газификации угля
в расплаве железа
А Б В
Кпд, %:
газификации ... 98 72 57
термический Нет данных
Входные потоки расход, т/ч:
кислород (4,4 бар) — 271 373
воздух — —
уголь 380 450 630
сера ... 14 18 25
обессеренный шлак 46 48 63
гранулированное железо 6 15 20
добавочный известняк ... 24 32 42
Соотношение пар/кислород, кг/м3 . — 0,28 0,
Рабочее давление, бар . 4,4
Температура, °C:
рабочая 1400
выходящего газа ... • ► • 1100
Рис. 40. Схема
процесса «АТГАЗ»:
1 — углеподготовка;
2 — теплообменник,
пылеочнстка; 3 —
компримирование;
4 — конверсия СО;
5 — отмывка СОз; 6 —
метаннзация; 7 — де-
гидрирование; 8 — га-
зогенератор; 9 -г-
обессеривание
Газоочистка. Газ практически свободен от серы (50 ppm
SO2), поэтому сероочистка исключается. Редкие элементы содер-
жащиеся в угле (Ni, V), растворяются в расплаве железа или в
шлаке.
Запыленность газа, по-видимому, должна быть очень высокой.
95—97 % пыли должно отделиться в электрофильтрах.
Строительство и разработку процессов ведут фирмы:
I—III — «Эпплайд Текнолоджи Корпорейшн», Питтсбург, Пен-
сильвания. Разработки не имеют других источников финансирова-
ния.
IV — Металлургическая компания «Максимилиансхютте ГмбХ»,
Зульцбах-Розенберг, КХД, Кёльн.
V — «Сумитомо».
141
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (ПРОЦЕССЫ I—III):
1. Р. J. la Rosa, R. J. McGarvey, Clean Fuels irom Coal Symp. Papers. Sept.
1973, S. 285
2. Office of Coal Research, 1973 Ann. Report, Clean Energy from coal, S. 19
3. J. A. Karnavas, P. J. la Rosa, E. A. Pelczarski, AGA 1972. Pipeline Gas Symp.,
Oct. 1973
4. „А survey of R & D Projects Directed Towards the Conversion of Coal to
Gaseous and Liquid Fuels", prep. f. AGA, by Inst, of Gas Techn., p. I—A—25,
Nov. 1972
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (ПРОЦЕСС IV):
1. Private Mitteitung
2. DOS 25 20 883
3. Gas-Wasserfach (Gas/Erdgas) 118 (1977) 350
Как стало известно, компания «КГД Гумбольдт Ведаг АГ» ве-
дет строительство опытной установки с производительностью по
Рис. 41. Схема Гумбольдт-процесса:
1—3 — углеподготовка; 4, 5 — подготовка известняка; 6 — газогенератор; 7 — разделитель-
ная камера с грануляцией шлака; 8 — затвор; 9 — подготовка воды; 10 — котел-утилизатор;
11 — циклон; 12 — охлаждение и очистка газа; 13 — компрессор
углю 10 т/ч и рабочим давлением 10 бар. Технологической основой
является процесс газификации угля в расплаве железа, который в
данном варианте назван «Гумбольдт-процессом». Он разработан
на основе патента фирмы «Эпплайд Текнолоджи Корпорейшн»
(АТГАЗ), который был приобретен компанией «КГД Гумбольдт
Ведаг АГ». Эта фирма модифицировала способ путем введения
подовых горелок. Установка должна быть введена в эксплуатацию
в 1983 г. Работа поддерживается министерством хозяйства, средств
и транспорта земли Северный Рейн-Вестфалия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Р. Paschen, R. Pfeiffer, D.-D. Waldhecker. Gliickauf 117 (1981), H. Ila, S. 14—16
Г. ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛА
ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ
Известные к настоящему времени способы газификации угля
отличаются тем, что примерно 30 % исходного угля прямо или кос-
венно сжигается с целью получения тепла, необходимого для про-
цесса газификации. В связи с высокой стоимостью угля, а также-
бурным прогрессом в области атомной техники, еще в 60-х годах,
дискутировалась возможность использования тепла высокотемпе-
ратурных ядерных реакторов для процесса газификации.
Преимущества этой технологии заключается в следующем:
уголь полностью используется для процесса газификации;
отсутствует дорогое и энергоемкое производство кислорода;
за счет уменьшения расхода угля примерно на 30 % снижают-
ся вредные выбросы (в расчете на продуктовый газ).
Разработка этих способов финансируется преимущественно-
Министерством исследований и технологии совместно с фирмами
«Кернфоршунгсанлаге Юлих ГмбХ» (КФА), «Рейнише Браунко-
ленверке АГ» (Кёльн) и «Бергбауфоршунг ГмбХ» (БФ) (Эссен).
Задачей фирмы «КФА Юлих» является разработка высокотемпе-
ратурного реактора, генерирующего технологическое тепло на са-
мом высоком температурном уровне. Фирма «Рейнише Браунко-
ленверке АГ» исследует гидрогазификацию бурого и каменного-
угля, в то время как фирма «БФ» разрабатывает процесс газифи-
кации водяным паром.
Опыты по газификации в настоящее время ведутся на уровне
полулабораторных установок. Опытные данные по промышленным
установкам пока отсутствуют.
Приведенные здесь данные заимствованы из обширного проект-
ного исследования, подготовленного для министерства хозяйства,
средств и транспорта земли Северный Рейн-Вестфалия, в котором
на основе лабораторных данных был разработан ряд промышлен-
ных установок для газификации угля с использованием техноло-
гического тепла ядерных реакторов.
Так как отдельные детали технологического процесса еще окон-
чательно не проработаны и в дальнейшем будут модифицировать-
ся, здесь приводятся упрощенные технологические схемы, кото-
рые иллюстрируют только принципиальную сущность процесса.
1. Паровая газификация бурого угля
Схема газификации: аллотермическая газификация бурого уг-
ля (после предварительного полукоксования) смесью газа полу-
143.
коксования и водяного пара при давлении 40 бар с подводом теп-
ла от ядерного реактора.
П роизводительность. В докладе для Министерства хозяйства,
средств и транспорта (земля Северный Рейн-Вестфалия) данный
способ рассматривается как часть установки для прямого восста-
новления железной руды. При этом из обогащенных железоруд-
ных окатышей должно производиться около 136 т/ч губчатого же-
леза. Для этого газогенератор должен иметь производительность
по сухому бурому углю 150 т/ч, а по сухому газу — 230 000 м3/ч.
Приведенные результаты по существу основаны на теплотехни-
ческих и термодинамических расчетах. Ряд проведенных лабора-
торных опытов показал, что расчетные данные по установке долж-
ны быть модифицированы. В последующем за основу приняты
проектные данные, приведенные в докладе.
Используемый уголь. В проекте запланировано использование
сухого бурого угля с остаточной влажностью 18 % (ТБК 18).
Используемый уголь имеет следующий состав, %:
С 52,6 S . • 0,4
н . . 4 Зола 4,8
о . . а 19,4 Н2О 18
N . а а 0,8
Крупность. Нет данных.
Зола. Расчеты выполнены на беззольный уголь. О других уг-
лях, предельной зольности и поведении золы при плавлении ниче-
го не сообщается.
Углеподготовка. Нет данных.
Состав сырого газа (обессмоленный, сухой объем). Было выяв-
лено значительное расхождение между результатами термодина-
мических расчетов и неизотермических опытов. Состав сырого га-
за приведен ниже, %:
Расчет Эксперимент Расчет Эксперимент
Н2 . . 37,9 * 67,1 СО2 33,6 28,3
СО 5,4 3 СН4 23.1 1.6
Теплота сгорания соответственно составила 14,7 и 9,58 МДж/м3
или 3508 и 2288 ккал/м3.
При проектировании установки были использованы расчетные
данные. Газ полукоксования имеет следующий расчетный состав
(сухой объем, без смолы). %:
СО 53,8 N2 . 4,1
СО2 32,2 H2S 0,9
СН4 9
Теплота сгорания составляет 10,6 МДж/м3 (2523 ккал/м3).
Описание процесса. Мелкозернистый бурый уголь пневматиче-
ским путем подается из накопителя в шлюзы для нагнетания дав-
ления. Оттуда он загружается в кипящий слой установки полукок-
сования, который продувается паром (43 бар, 535 °C) из пароге-
нератора.
144
Подвод тепла осуществляется через теплообменник, погружен-
ный в кипящий слой. Теплоносителем является гелий, нагревае-
мый за счет тепла ядерного реактора, который до входа в установ-
ку полукоксования проходит через газогенератор и промежуточ-
ный перегреватель.
Гелий входит в установку полукоксования с температурой
742 °C и охлаждается до 704 °C. С этой температурой он посту-
пает в парогенератор. Предполагается, в аппарате полукоксования
исходный уголь теряет 46,8 % массы.
Нагретый полукокс через переточную трубу поступает в газо-
генератор. Газ полукоксования и содержащийся в нем водяной
пар вначале нагревают в промежуточном перегревателе от темпе-
ратуры полукоксования (400 °C) до температуры газификации
(660 °C), затем используют в качестве ожижающего агента в га-
зогенераторе полукокса, выполненном также в виде реактора с ки-
пящим слоем. С целью подвода тепла, необходимого для эндотер-
мической паровой газификации, в него также встроен погружной
теплообменник с гелиевым теплоносителем. Гелий (43 бар) входит
в газогенератор с температурой 900 °C и покидает его с темпера-
турой 796 °C. Зола, которая содержит еще около 50 % углерода,
выводится через шлюзовую систему обычной конструкции.
Сырой газ вначале очищается от грубой пыли в горячей цик-
лонной установке; затем он проходит котел-утилизатор, где произ-
водится пар высокого давления, и с температурой 250 °C входит
в смолоотделитель, в котором при температуре выше точки росы
отмываются высококипящая часть смолы и тонкая пыль. В после-
дующих утилизационных охладителях, в которых производится
пар низкого давления и подогревается питательная вода, темпе-
ратура сырого газа снижается до 80 °C. Отделяющиеся в этих ох-
ладителях низкокипящая часть смолы и конденсат практически не
содержат пыли и поэтому не загрязняют охлаждающие поверх-
ности.
Для тонкой очистки продуктовый газ необходимо подвергнуть
ректизольной отмывке. Для этого газ сначала охлаждается до
—65 °C, и в первой промывочной колонне пленочного типа мета-
нолом из него вымываются сероводород и часть углекислого газа.
Во второй ступени отмывки значительная часть оставшегося СО2
экстрагируется свежим регенерированным метанолом, остаток от-
деляется в молекулярно-ситовом фильтре. Отработанный мета-
нол обеих ступеней отмывки снова регенерируется путем нагрева
и последующей декомпрессии; отделяемый во второй ступени СО2
используется для нагнетания в угольный и зольный шлюзы. Кис-
лый газ первой ступени отмывки, обогащенный сероводородом,
перерабатывается в установке Клауса в элементарную серу.
И, наконец, в установке низкотемпературного разделения очи-
щенный газ разделяется на водородную фракцию, которая пред-
ставляет собой необходимый восстановительный газ, а также на
вторую фракцию, которая содержит в основном окись углерода,
азот, растворенный водород и ряд углеводородов; используется
ю Зак. 738 1 45
в качестве топливного газа для подогревателя восстановительного
газа; третья фракция содержит высококалорийные компоненты,
такие как метан и другие углеводороды, и перерабатывается в
ЗПГ, который должен направляться в коммунальную газовую сеть.
Производство газифицирующего агента — пар высокого давле-
ния, необходимый для установки полукоксования, получается в
парогенераторе, включенном после газогенератора. Смесь пара и
газа полукоксования после перегрева используется в качестве га-
зифицирующего агента.
Техническая характеристика процесса паровой газификации
бурого угля
Степень конверсии, %:
угля . ........................................... 96,7
пара . 28,9'
Кпд, %:
газификации ......................................... Нет
данных
термический . 84,3
Входные потоки
расход сухого бурого угля (ТБК 18), кг:
на 1 м3 сухого газа .................* . 0,652
на 1 ГДж неочищенного газа 44,4
расход пара (43 бар, 535 °C), кг:
на 1 кг ТБК 18......................................... 2
на 1 м3 сухого неочищенного газа 1,3
на 1 ГДж неочищенного газа.......................... 88,9
Выход продуктов на 1 т ТБК 18:
сухой неочищенный газ, м3 1533
восстановительный газ, м3.............................. 492
ЗПГ, м3 . 332
топливный газ, ГДж.................................... 3,05
пар низкого давления, ГДж 2.8!
подогретая вода, ГДж.................................. 0,96
Давление газификации, бар 40
Температура, °C:
газификации . 660
газа иа выходе......................................... 660
Параметры газифицирующего агента (смесь пара с газом
полукоксования):
давление, бар , . 40
температура, °C . 660
Расход воды, т/ч:
на газификацию 300
на утилизацию 740
Расход энергии
технологическое тепло от высокотемпературного ядер-
иого реактора:
на 1 т ТБК 18, ГДж................................. 3,29
на 1 м3 сухого газа, МДж ... 2,14
иа 1 ГДж неочищенного газа, МДж.................... 146
Расход электроэнергии, кВт-ч:
на 1 т ТБК 18 . 133
на 1 м3 сухого газа.................................. 0,087
на 1 ГДж неочищенного газа 5,9
Газоочистка. Обеспыливание сырого газа производится
при температуре выше точки росы водяного пара. Грубая пыль от-
146
Уголь
Пыль, смола,
С02, нг5
Рис. 42. Схема паровой газификации бурого угля:
1 — высокотемпературный реактор; 2 — теплообменник; 3 — парогенератор; 4 — аппарат по-
лукоксования; 5 — промежуточный перегреватель; 6 — газогенератор; 7 — газоочистка; 8 —
низкотемпературное разделение
деляется в циклонной установке непосредственно за газогенерато-
ром. Тонкое обеспыливание осуществляется в смолоотделителе.
В охлаждающих ступенях, следующих за отмывкой, конденсиру-
ются низкокипящая часть смолы и водяной пар, которые должны
беспрепятственно отводиться с поверхности охлаждения. Газ пос-
ле предварительной очистки подвергается тонкой очистке метано-
лом в многоступенчатом промывателе (способ «Ректизол») при тем-
пературе до —70 °C и давлении 40 бар. При этом такие загряз-
нения, как бензол-сырец, сероводород, двуокись углерода и водя-
ной пар, поглощаются метанолом, который далее регенирируется
путем нагрева и декомпрессии. Отходы, от которых отделяются га-
зы, затем перерабатываются отдельно.
За тонкой очисткой следует низкотемпературное фракциониро-
вание чистого газа. При этом получаются водород, обогащенная
метаном фракция — сырье для ЗПГ и топливный газ, состоящий
преимущественно из окиси углерода с примесью водорода, азота
и метана.
Описанная технологическая концепция была разработана в
рамках исследований по применению тепла высокотемпературных
ядерных реакторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. „Kohlevergasung mit Nuklearer ProzeBwarme“
Studie des Konsortiums Gesellschaft fiir Hochtemperaturreaktortechnik mbH,
Bensberg, Bergbau-Forschung GmbH, Essen, Rheinsche Braunkohlenwerke AG,
Koln, und STEAG AG, Essen, fiir den Minister fiir Wirtschaft, Mittelstand und
Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen, Diisseldorf, 1974.
2. „Prototypanlage Nukleare Proezfiwarme (PNP)“
Statusbericht zum Ende der Konzeptphase, Konsortium Bergbau-Forschung
GmbH, Essen, Gesellschaft fiir Hochtemperatur-Technik mbH, Bensberg, Hoch-
temperatur-Reaktorbau GmbH, Mannheim, Kernforschungsanlage Jiilich GmbH,
Julich, Rhernische Braunkohlenwerke AG, Koln, Dezember 1976.
10* 147
2. Паровая газификация каменного угля
Схема газификации: аллотермическая паровая газификация
каменного угля в реакторе кипящего слоя при давлении 40 бар с
подводом тепла от ядерного реактора. Перед газогенератором пре-
дусмотрена ступень полукоксования, которая также обогревается
теплом высокотемпературного ядерного реактора. ,
Производительность. Фирма «Бергбау-Форшунг ГмбХ» в Эссе-
не эксплуатирует лабораторный реактор для газификации с рас-
ходом полукокса до 5 кг/ч, а также полулабораторную установку
с расходом 100—200 кг/ч. Результаты эксплуатации полулабора-
торной установки, а также лабораторных опытов были положены
в основу доклада, подготовленного для Министерства хозяйства,
средств и транспорта земли Северный Рейн-Вестфалия, а также
были использованы в качестве исходных данных для проекта
крупной установки с расходом каменного угля 250 т/ч для произ-
водства 155 000 м3/ч ЗПГ и дополнительно 47 800 кг/ч смоло- и мас-
лопродуктов. Нижеприведенные данные относятся к этой уста-
новке.
Используемый уголь. Расчеты выполнены для газового угля
(«Хаген») следующего состава;
Органическая масса 84 Зола........................6
Ввода 10 Выход летучих веществ (ОМУ) 36
Состав органической массы (сухая, беззольная) приведен ни-
же, %:
с . . . . н . . . о . . . . . 85,5 5 7 N . S . ► * ► 1,5 1
Теплота сгорания сырого угля составляет 28,9 МДж/кг
(6900 ккал/кг).
Крупность. Для промышленной установки уголь должен из-
мельчаться до крупности <0,1 мм.
Зола. Расчеты выполнены только для угля е зольностью 6 % -
Данных о максимально допустимом золосодержании, влиянии со-
става золы на реакционную способность угля или на технологиче-
ский режим реактора в докладе не приводится.
Углеподготовка. Исходный уголь измельчается. Для дру-
гих углей может потребоваться предварительная сушка.
Состав неочищенного газа. Исходный уголь сначала подверга-
ется полукоксованию с образованием газа полукоксования сле-
дующего объемного состава (без влаги и смолы), %:
Н2 24,2
СО 14,5
СО2 1,9
СН4 44,2
Высшие углеводо-
роды . 13,3
H2S 1,2
NH3 0,7
Газ полукоксования дополнительно содержит еще 0,802 кг
смолы и масел на 1 м3 сухого газа вышеприведенного состава.
148
Чистый газ (сухой), образующийся при газификации полукок-
са, имеет следующий объемный состав, %:
Н2 57,5 СН4 1,9
СО 19,8 H2S 0,14
СО2 20 NH3 0,69
Теплота сгорания чистого газа составляет 10,6 МДж/м3
(2537 ккал/м3).
После конденсации смолы, масла, воды и аммиака полукоксо-
вания подмешивается к чистому газу из ступени газификации (до
тонкой очистки метанолом). Полученная смесь имеет следующий
состав, %:
Н2 54,4
СО 19,4
СО2 18,2
СН4 . . . .
Высшие углеводо-
роды
H2S . . . .
6,3
1,4
0,3
Теплота сгорания чистого газа составляет 10,6 МДж/ма
(3090 ккал/м3).
Описание процесса. Рядовой уголь после измельчения подает-
ся в накопительный бункер, а оттуда поступает в угольный шлюз»
через который загружается в аппарат для полукоксования. Аппа-
рат для полукоксования * представляет собой реактор с кипящим
слоем, работающий при давлении 40 бар. В качестве ожижающего
агента служит циркулирующий в контуре газ полукоксования.
Газ покидает ступень стмывки смолы с температурой около
250 °C и охлаждается до 70 °C с целью отделения низкокипящих
смол и масел.
Полукокс выводится из аппарата полукоксования через пере-
точную трубу и попадает в газогенератор, выполненный также в
виде реактора кипящего слоя, продуваемого перегретым паром
(790 °C, 43 бар). Продукты газификации, не загрязненные смо-
лой и высшими углеводородами, подвергаются сухой пылеочистке
в циклоне и после прохождения котла-утилизатора и предвари-
тельного подогревателя газа перед метанизацией смешиваются с
газом полукоксования.
Зола отводится из газогенератора в сухом виде через систему
шлюзовых бункеров. Смешанный газ, образованный из газа полу-
коксования и чистого газа, подвергается метанольной отмывке
под давлением (ректизольная отмывка), в которой сначала в не-
скольких ступенях вымываются остаточная влага и высшие угле-
водороды, в двух последующих ступенях кислые газы СО2 и H2S.
Последний из них перерабатывается в элементарную серу в уста-
новке Клауса. В установке метанизации очищенный газ при 400 °C
перерабатывается в ЗПГ и после заключительного охлаждения и
конденсации реакционной влаги подается в газовую сеть. При пе-
реработке газа образуется значительное количество пара высокого
* На рис. 44 установка полукоксования и реактор газификации объединены
и упрощенно обозначены как газогенератор.
149
давления и горячей воды, которые отводятся на паротурбинную
электростанцию.
Производство газифицирующего агента — пар, необходимый
для газификации полукокса (43 бара, 790 °C), производится в
котле-утилизаторе и доводится до кондиционных параметров в па-
роперегревателе, обогреваемом гелием.
Аппарат для полукоксования продувается циркулирующим га-
зом полукоксования, от которого постоянно отделяется соответст-
вующая часть, равная количеству вновь образовавшегося пара.
Техническая характеристика процесса паровой газификации
каменного угля
Степень конверсии, %:
угля........................................ .... Нет данных
пара ..................................................... 45
Кпд, %................................................Нет данных
Входные потоки
расход сырого угля, кг:
на 1 м3 сухого смешанного газа 0,428
на 1 ГДж сухого смешанного газа 33,1
.расход пара (43 бар, 790 °C), кг:
на 1 т сырого утля 2170
на 1 м3 сухого смешанного газа 0,927
на 1 ГДж сухого смешанного газа 71,7
Соотношение пар/кислород Отсутствует
Выход продуктов:
сухой смешанный газ на 1 т сырого угля, м3 . 2338
•смола и масло, кг:
на 1 т сырого угля................................... 195
на 1 м3 сухого смешанного газа 0,083
аммиак, кг:
на 1 т сырого угля.................................. 10,7
на 1 м3 сухого смешанного газа....................... 4600
пар высокого давления (43 бар, 530 °C) на 1 т
сырого угля, т (ГДж)............................. 0,992 (3,48)
горячая вода (180 “С, 45 бар) на 1 т сырого угля,
т (ГДж) .... 4,99 (3,82)
Давление газификации, бар 40
Температура газификации, °C................................ 790
Параметры газифицирующего агента:
давление пара, бар......................................... 43
температура, пара, °C.................................... 790
давление пара полукоксования, бар ... 40
Расход иа 1 т сырого угля:
воды (с учетом водооборота), м3 1
тепла высокотемпературного ядерного реактора,
ГДж..................................................... 8,16
электроэнергии, кВт-ч 477
Газоочистка. В связи с предполагаемым в этой установке
получением смолы и масла в качестве побочных продуктов газ
полукоксования и газификационный газ (чистый газ) раздельно
очищаются от пыли и смешиваются только перед входом в уста-
новку тонкой очистки (ректизольная отмывка). Полученный газ
полукоксования вначале проходит мокрую пылеочистку. Затем он
охлаждается. При этом конденсируются и отводятся смола и мас-
ло, а также вода. Далее газ смешивается с потоком чистого газа.
150
Рис. 43. Схема реактора
газификации
Рис. 44. Схема паровой
газификации каменного
угля:
1 — рдерный реактор; 2 —
теплообменник; 3 — пароге-
нератор; 4 — газогенератор;
5 — отмывка кислых газов;
6 — метанизацня
Газификационный газ (чистый газ) подвергается сухой пыле-
очистке в циклоне, проходит котел-утилизатор и затем смешивает-
ся с потоком газа полукоксования. Смешанный, газ охлаждается
до 5 °C (при этом конденсируется остаточная влага), и- подается
на вход многоступенчатой установки «Ректизол» для тонкой очи-
стки. На первых ступенях отмываются оставшаяся влага и угле-
водороды, если они имеются. Вторая ступень служит для отделе-
ния H2S, а последняя отмывка — для удаления остаточного СО2
из газа.
Очищенный газ затем метанизируется на никелевых контактах
при 400 °C и после прохождения утилизационного охладителя, в
котором конденсируется реакционная вода» отводится в сеть
ЗПГ.
Способ паровой газификации каменного угля с использованием
тепла ядерного реактора разрабатывается компанией «Бергбау-
Форшунг ГмбХ», Эссен (ФРГ).
151
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. „Kohlevergasung mit Nuklearer Prozel3warme“
Studie des Konsortiums Gesellschaft fiir Hochtemperaturreaktor-Technik mbH,
Bensberg; Bergbau-Forschung GmbH, Essen; Rheinische Braunkohlenwerke AG,
Koln, und STEAG AG, Essen; im Auftrag des Ministeriums fiir
Wirtschaft, Mittelstand und Verkehr des Landes NRW, Diisseldorf, 1974
2. К. H. van Heek, H. Jiintgen und W. Peters
Erdol und Kohle 26 (1973) 701
3. H. Jiintgen, К. H. van Heek und J. Klein
Chem. Ing. Techn. 46 (1974) 937
4. H. Kriiger, К. H. van Heek und H. Jiintgen
gwf-Gas/Erdgas 115 (1974) 538
5. H. Jiintgen
VDI — Ber. 224 (1974) 13
6. „Prototypanlage N’ukleare Prozefiwarme (PNP)“
Statusbericht zum Ende der Konzeptphase, Konsortium Bergbau-Forschung
GmbH, Essen, Gesellschaft fiir Hochtemperaturreaktor-Technik mbH, Bensberg,
Hochtemperatur-Reaktorbau GmbH, Mannheim, Kernforschungsanlage Jiilich
GmbH, Jiilich, und Rheinische Braunkohlanwerke AG, Koln, Dezember 1976
7. R. Kirchhoff, К. H. van Heek, H Jiintgen, „Betrieb einer halbtechnischen Ver-
suchsanlage zur allothermen Druckvergasung von Kohle und Wasserdampf",
Erdol-Kohle Erganzungsbad Compendium 1980/81.
3. Гидрогазификация бурого угля
В последующих двух вариантах описывается гидрогазификация
рейнского бурого угля с использованием тепла ядерного реактора.
В первом случае бурый уголь с водородом экзотермически газифи-
цируется с образованием метана. После этого часть метана с водя-
ным паром эндотермически превращается в окись углерода и во-
дород с использованием тепла ядерного реактора. Водород являет-
ся газифицирующим агентом.
В основу второго варианта положена гидрогазификация бурого
угля газовой смесью из Нг, СО и водяного пара. Продуктовый газ
содержит метан, который затем отделяется. Оставшийся газ с до-
бавкой водяного пара рециркулируется. Производство водорода
за счет гетерогенной и гомогенной реакции водяного газа и гидро-
газификация осуществляются в одном реакторе.
Потребность в реакционном тепле удовлетворяется путем на-
грева газификационного газа в теплообменнике за счет тепла
ядерного реактора.
Оба способа описаны ниже.
3.1. Ввод тепла в технологический процесс посредством
паровой конверсии метана в трубчатых печах
Схема газификации: гидрогазификация водородом высушенно-
го бурого угля в реакторе кипящего слоя при 80 бар.
В исследовании, выполненном для Министерства хозяйства,
средств и транспорта земли Северный Рейн-Вестфалия, была раз-
работана промышленная установка, которая состоит из 12 газоге-
нераторов (каждый диаметром 5 м) с общей производительностью
152
2228 т/ч сырого бурого угля, или примерно 2 млн. м3/ч неочищен-
ного (сухого) газа.
Каждый газогенератор имеет следующую характеристику:
Расход рядового бурого угля, т/ч ... 185,6
Производство сырого газа, м3/ч .... 165,6- 10s
Размеры, м:
диаметр ........................ « 5
высота ... —16,5
(включая ступень
сушки и охлади-
тель кокса)
В основу доклада положены опытные результаты лаборатор-
ного масштаба, хотя фирмой «Рейнише Браунколенверке АГ» эксп-
луатируется полулабораторная опытная установка с расходом
100 кг/ч углерода. Данные по этой установке отсутствуют.
Используемый уголь. Технологический процесс был рассчитан
на рейнский бурый уголь, состав которого приведен ниже, %:
С . . . . . 26,3 S . . - 0,2
н 2 Зола 2,4
о 9,7 Н2О . -- 59
N 0,4
Теплота сгорания рейнского бурого угля составляет 10,5 МДж/кг
(2500 ккал/кг). <
Позднее должен использоваться также неспекающийся камен-
ный уголь.
Крупность. В опытах было установлено, что крупность бу-
рого угля для газификации в кипящем слое не должна превышать
1 мм. С учетом усадки при сушке измельчение необходимо произ-
водить до крупности <1,5 мм.
Зола. Сведения о пределах золосодержания отсутствуют, так
как расчеты были выполнены только для рейнского бурого угля.
Углеподготовка. Рядовой бурый уголь сначала измельча-
ется до крупности 0—10 мм, затем поступает на двухступенчатую
сушку. В первой ступени уголь подсушивается в трубчатых сушил-
ках до влажности 41 %. Для сушки используется пар низкого
давления, который в сушилках конденсируется. Используемый для
сушки пар получается в котле-утилизаторе установки производст-
ва газа.
После подсушки уголь окончательно измельчается до требуе-
мого размера 0—1,5 мм. Вторая стадия сушки осуществляется в
кипящем слое, который продувается сырым газом, выходящим из
газогенератора с температурой 850 °C. Уголь досушивается до
влажности 4 % и подогревается до 300 °C. С этой температурой он
проходит в газогенератор.
Состав неочищенного газа (сухой объем, без смолы) приведен
ниже, %:
Н2 62,9 С2Н6 0,08
СО 4,3 n2. 0,32
СО2 0,73 H2S 0,13
СН4 31,5
153
Теплота сгорания неочищенного газа составляет 21,2 МДж/м3
(5056 ккал/м3).
Описание процесса. Сырой бурый уголь после первой стадии
измельчения., подсушивается до остаточной влажности 41 % и за-
тем после тонкого измельчения пневматическим путем подается в
накопительный бункер. Оттуда через шлюзы, в которые нагнетает-
ся инертный газ (СО2), он загружается в кипящий слой, где за
счет прямого теплообмена с газификационным газом его влаж-
ность снижается до 4 %, а температура поднимается до 300 °C.
Через переточную трубу уголь поступает в газогенератор, вы-
полненный также в виде реактора с кипящим слоем. Газифици-
рующий агент на 98 % состоит из водорода; температура газифи-
кации равна 850 °C. Расчетное время пребывания в кипящем слое
составляет 30 мин; за это время должна быть достигнута степень
конверсии углерода 63,5 %.
Остаточный кокс через переточную трубу подается в охлади-
тель кокса, выполненный также в виде аппарата с кипящим слоем,
в котором уже предварительно нагретый до 300 °C газифицирую-
щий агент за счет прямого контакта с коксом нагревается до
380 °C. Через коксовые шлюзы, работающие так же, как и уголь-
ные на инертном газе, непрогазифицированный кокс выводится из
процесса. Он может найти другое применение, например, в произ-
водстве синтез-газа паровой газификацией, для сжигания в котлах
пли для металлургических целей.
Гидрирующий газ предварительно подогревается в котле-ути-
лизаторе до 300 °C, затем в охладителе кокса он нагревается до
380 °C и с этой температурой входит в реактор газификации. За
счет экзотермической реакции температура в кипящем слое под-
нимается до 850 °C. При этой температуре сырой газ покидает
газогенератор и охлаждается во второй ступени сушки угля до
300 °C. Затем он проходит через циклон для отделения вынесен-
ной грубой пыли. Остаточное тепло газа вместе с теплом процесса
конверсий СО используется для предварительного подогрева гид-
рирующего газа, производства пара низкого давления для первой
ступени сушки угля, подогрева питательной воды и в процессе от-
мывки газа (рибойлеры).
Тонкая пыль отделяется от сырого газа водной промывкой, ко-
торая включена в схему после первого котла-утилизатора. При
этом температура газа падает от 250 до 218 °C.
В соответствии с требованиями, которые предъявляются к чис-
тоте газа последующими технологическими ступенями (низкотем-
пературное разделение, каталитическая конверсия метана),посред-
ством амизольной отмывки остаточное содержание СО2 должно
быть снижено до 10 ppm, а сероводорода — до 1 ppm. При этом
сырой газ сначала промывается метанолом при 10 °C, чтобы от-
мыть нафту. Амизольная промывка производится при 40 °C; вы-
деляющиеся при этом кислые газы перерабатывают на серу в ус-
тановке Клауса.
154
Очищенный газ после этого охлаждается до —52 °C, смешива-
ется с газом, выходящим из установки конвертирования, и подвер-
гается низкотемпературному фракционированию. Для этого газо-
вая смесь сначала направляется в молекулярно-ситовой адсорбер,
чтобы удалить остаток СОг и следы паров метанола. Затем она
охлаждается до —180 °C, при этом конденсируются все компонен-
ты газа до водорода. Водород (98 %-ный) используется в качестве
газифицирующего агента. Сжиженная смесь разделяется на фрак-
ции путем снижения давления. Первая фракция, обогащенная во-
дородом и окисью углерода, возвращается в установку конверти-
рования; вторая метансодержащая фракция поступает на дальней-
шую очистку в разделительную колонну. Отделяемая при этом
смесь, обогащенная азотом, является отходом.
Примерно до 55 % метана направляется в качестве синтети-
ческого ЗПГ в коммунальную газовую сеть (380 тыс. м3/ч).
В трубчатой печи, обогреваемой теплом от ядерного реактора,
остаток метана с добавкой водяного пара каталитически превра-
щается в водород и окись углерода. Полученный газ конвертиру-
ется в две ступени при 400 °C, причем перед второй ступенью про-
исходит смешение с Н2/СО — фракцией из установки низкотемпе-
ратурного разложения. Затем конвертированный газ после прохож-
дения через теплообменник и промежуточного компримирования
при давлении 77 бар подвергается ректизольной отмывке (при
этом вымывается углекислый газ, который используется в качест-
ве инертного газа) и далее вместе с газификационным газом по-
дается в установку низкотемпературного разделения.
Для пуска газогенератора необходимо к водороду перед входом
в кипящий слой добавить кислород, так, чтобы часть гидрирующе-
го газа сгорала, а кипящий слой нагревался продуктами сгорания.
После начала реакции гидрирования подачу кислорода можно
уменьшить, а затем полностью прекратить.
Производство газифицирующего агента — используемый для
газификации 98 %-ный водород получается путем каталитической
паровой конверсии части продуктового метана. Эта довольно эндо-
термичная реакция протекает в трубчатых реакторах, которые
обогреваются горячим гелием от высокотемпературного ядерного
реактора.
Техническая характеристика процесса гидрогазификации бурого угля
при вводе тепла в процесс посредством паровой конверсии метана
Степень конверсии угля, % ..... . 63,5
Термический кпд, % . 88,7
Входные потоки
расход пара (41 бар, 322 °C), кг:
на 1 т сырого угля ... 440
на 1 м3 сухого неочищенного газа 0,493
на 1 ГДж неочищенного газа...................................... 23,3
расход водорода (98 %-него), м3:
на 1 т сырого угля............................................... 550
иа 1 м3 сухого неочищенного газа 0,617
на 1 ГДж неочищенного газа 29,1
155
расход сырого угля, кп
на 1 м3 сухого неочищенного газа................................... 1,12
на 1 ГДж неочищенного газа 53
Соотношение пар/кислород Отсутствует
Выход продуктов на 1 т сырого угля:
сухой неочищенный газ, м3 892
ЗПГ, м3............... . . .............. 170
остаточный кокс, кг . . 122
Состав кокса, %:
С . . . . .............. 78,4
Н 1,13
О . . . 0,35
N 0,31
S 0,26
зола............................................................... 19,6
Теплота сгорания кокса, МДж/кг (ккал/кг) 28,2 (6730)
Давление газификации, бар ............................................. 80
Температура, °C:
газификаций 850
газа на выходе........................................................ 850
•Параметры газифицирующего агента:
концентрация водорода, % ..... 98
температура предварительного подогрева, °C 380
Расход воды, м3/ч .... 520
Расход высокотемпературного (900 °C) технологического тепла:
на 1 т сырого угля, ГДж 1,042
на 1 ГДж неочищенного газа, МДж . 54,9
Расход электроэнергии, кВт ч:
на 1 ГДж неочищенного газа .... 4,97
на 1 т сырого угля 94,3
Расход пара низкого давления (13 бар, 233 °C), кг:
на 1 ГДж неочищенного газа .............. 10
на 1 т сырого угля . 189
Расход мощности привода турбин компрессоров, кВт-ч:
на 1 ГДж неочищенного газа . . . . . 6,16
на 1 т сырого угля 117
Г азоочистка включает в себя циклонную установку для от-
деления грубой пыли и водную промывку для отделения тонкой
ныли. Далее следует амизольная отмывка с предвключенной мета-
нольной отмывкой для экстракции кислых газов. Предварительная
отмывка служит для отделения высших углеводородов. Кислые
газы перерабатываются на серу в установке Клауса.
После этого переработка очищенной газовой смеси осуществля-
ется в установке низкотемпературного разложения. Водород ре-
циркулируется как газифицирующий агент. Фракция, обогащен-
ная СО, конвертируется и снова направляется на низкотемпера-
турное разделение. Метановая фракция подвергается повторному
разделению; при этом отделяется богатая азотом газовая смесь,
являющаяся отходом производства.
Примерно половина метана отводится в качестве продуктового
газа, остаток в трубчатых печах при 800 °C каталитически разла-
гается с паром с образованием водорода и окиси углерода. Затем
окись углерода подвергается конверсии, а водород используется
как гидрирующий газ при газификации угля.
156
Рис. 45. Схема гидрогазификации угля с использованием тепла высокотемпера-
турного реактора:
1 — ядерный реактор; 2 — парогенератор; 3 — трубчатая печь; 4 — конверсия; 5 — разделе-
ние газов; 6 — газогенератор; 7 — отмывка газа
Способ гидрирующей газификации бурого угля разрабатывает
ея компанией «Рейнише Браунколенверке АГ», Кёльн.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. „Kohlevergasung mit nuklearer Prozefiwarme"
Studie des Konsortiums Cesellschait fiir Hochtemperaturreaktor Technik mbH,
Bensberg, Bergbau-Forschung GmbH, Essen, Rhein. Braunkohlenwerke AG,
Koln, STEAG Aktiengesellschait, Essen, fiir den Minister fur Wirtschaft, Mit-
telstand und Verkehr des Landes NRW, Diisseldorf, 1974.
2. R. Hiittner und H. Teggers
Braunkohle—Warme—Energie 23 (1971) 134
3. P. Speich
VGB Kraftwerkstechn. 54 (1974) 438
4. H. Teggers
gwf-gas/erdgas 115 (1974) 532
5. „Prototypanlage Nukleare ProzeBwarme (PNP)“
Statusbericht zum Ende der Konzepiphase, Konsortium Bergbau-Forschung
GmbH, Essen, Gesellschaft fiir Hochtemperaturreaktor Technik mbH. Bensberg,
Hochtemperatur Reaktorbau GmbH, Mannheim, Kernforschungsanlage Jiilich
GmbH, Jiilich, Rheinische Braunkohlewerke AG. Koln, Dezember 1976.
3.2. Ввод тепла в технологический процесс посредством
предварительного подогрева газифицирующего агента
Схема газификации: газификация высушенного бурого угля в
реакторе с кипящим слоем при давлении 80 бар гидрирующим га-
зом (Н2, СО, Н2О), нагреваемым внешним источником тепла.
П роизводительность. В докладе описывается установка, состоя-
щая из 12 газогенераторов диаметром 5 м, для переработки
2515 т/ч рядового рейнского бурого угля. При этом предполагает-
157
ся получать 2,04 млн. м3/ч неочищенного сухого газа и 331 т/ч ос-
таточного кокса.
Газогенераторы имеют следующие показатели:,
Расход бурого угля, т/ч 209,6
Производство неочищен-
ного газа, м3/ч . 169 700
Расчеты выполнены на основе экспериментальных данных по-
лулабораторной опытной установки непрерывного действия Инсти-
тута газовой технологии (Чикаго, США).
Используемый уголь. Тип угля и способ его подготовки не от-
личаются от вышеописанной технологии гидрогазификации.
Состав неочищенного газа (сухой объем, без смолы) приведен
ниже, %:
Н2.......................37,7
СО 15,1
СО2 15,7
СН« 20,9
N2 . 10,5
H2S 0,14
Теплота сгорания неочищенного газа составляет 15,1 МДж/м3
(3590 ккал/м3).
Описание процесса. Углеподготовка не отличается от ранее
описанной.
Высушенный уголь через переточную трубу поступает в реак-
тор газификации (кипящий слой), где вступает во взаимодействие
с гидрирующим газом следующего состава, %;
Н2.................. 33 N2. 9
СО 13 НгО 44,3
СН4 0,7
Температура газа на выходе равна 900 °C, степень конверсии
бурого угля должна достигать 60 %> рабочее давление равно
80 бар.
Неочищенный газ после прохождения сушилки кипящего слоя
сначала охлаждается в котле-утилизаторе с 300 до 250 °C и очи-
щается от пыли в циклоне, а затем проходит через водную, про-
мывку. Остающееся в газе тепло используется в процессе ректи-
зольной отмывки, для производства пара низкого давления, а так-
же для предварительной сушки угля и подогрева питательной во-
ды.
В связи с высоким содержанием СО2 в неочищенном газе для
тонкой очистки предусмотрена трехступенчатая ректизольная от-
мывка. В предварительной ступени вымываются в первую очередь
нафта и другие высшие углеводороды, две другие ступени служат
для отделения СО2 и соединений серы.
Отделенные кислые газы имеют сравнительно низкое содержа-
ние соединений серы, поэтому для дальнейшей перереботки в
элементарную серу предусмотрена окислительная промывка (Ги-
аммарко-установка). Двуокись углерода используется в качестве
шлюзового газа для угольных и коксовых шлюзов.
Очищенный газ разделяется в установке низкотемпературного
разделения на водородную, метановую и СО-фракцию. Метановая
158
фракция при давлении 70 бар отводится в сеть природного газа,
две другие фракции смешиваются и вместе с технологическим па-
ром, необходимым для газификации, возвращаются в контур цир-
куляции гидрирующего газа. Установка конвертирования в этом
процессе не нужна.
Итак, существенное отличие от вышеописанного процесса гид-
рогазификации заключается в том, что водород, необходимый для
•образования метана, производится в одном и том же газогенерато-
ре путем газификации водяным паром. В связи с этим отпадает
необходимость в установках конвертирования и разложения мета-
на, правда, требуется более значительный подогрев гидрирующего
газа.
Производительность газифицирующего агента — а) водород об-
разуется в газогенераторе при газификации угля водяным паром;
б) пар высокого давления (82 бар) производится за счет тепла
высокотемпературного ядерного реактора (гелиевый теплоноси-
тель). Интервал температур от 950 до 800 °C срабатывается на по-
догрев гидрирующего газа, от 800 до 250 °C — на производство
лара.
Технологическая характеристика процесса гидрогазификации бурого
угля при вводе тепла в процесс посредством предварительного
подогрева газифицирующего агента
Степень конверсии, %:
угля ..... 60
пара 25,3
Кпд, %:
газификации .... —
термический 93.5
Входные потоки
расход пара (80 бар, 535 °C), кг:
на 1 т сырого угля 326
на 1 м3 сухого иеочищеииого газа .... 0,403
на 1 Гкал неочищенного газа 112
расход сырого угля, кг:
на 1 м3 неочищенного газа 1,24
на 1 Гкал неочищенного газа 344
Соотношение пар/кислород . Отсутствует
Выход продуктов на 1 т сырого бурого угля:
сухой неочищенный газ, м3 809,5
ЗПГ, м3 . 165
остаточный кокс, кг .... . 131,6
Состав кокса, %:
С 79,14
Н 1,15
О 0,36
N 0,31
S . 0.26
зола ................................ 18,18
Теплота сгорания кокса, МДж/кг (ккал/кг) 28,7 (6850)
Давление газификации, бар 80
Температура, °C:
газификации . 800
газа иа выходе 800
159
Параметры газифицирующего агента:
давление, бар............................................ 82
температура, °C................................' 900
Расход воды, м3/ч........................................ 922'
Расход высокотемпературного тепла (900 °C), ГДж:
на 1 Гкал неочищенного газа . . 0,318
на 1 т сырого бурого угля . 0Д23
Расход электроэнергии, кВт-ч:
на 1 Гкал неочищенного газа . 39,4
на 1 т сырого бурого угля............................. 114,&
Расход пара низкого давления (8 бар, 234 °C), кг:
на 1 Гкал неочищенного газа 24,6
на 1 т сырого бурого угля 71,6
Газоочистка. Вначале производится очистка сырого газа от
пыли, как и в ранее описанной установке, с помощью циклона и
последующей промывкой водой. Далее следует трехступенчатая
ректизольная отмывка для отделения углеводородов и кислых га-
зов. Очищенный таким образом газ соответствует требованиям
для низкотемпературного разделения, в процессе которого отде-
ляется метан, образовавшийся в газогенераторе. Оставшиеся две
фракции, обогащенные соответственно водородом и окисью угле-
рода, снова смешиваются и подаются в циркуляционный контур в
качестве гидрирующего газа; конвертирование отсутствует. Кис-
лые газы из-за низкого содержания сернистых соединений перера-
батываются на элементарную серу после окислительной отмывки
на установке «Гиаммарко».
Разработка технологии. Способ был разработан как вариант
описанного выше процесса в рамках упомянутого ранее исследова-
ния для Министерства хозяйства, средств и транспорта земли Се-
верный Рейн-Вестфалия.
Рис. 46. Схема гидрогазификации угля с использованием тепла высокотемпера-
турного реактора:
1 — ядерный реактор; 2 — парогенератор; 3 — подогреватель гидрирующего газа; 4 — раз-
деление газов; 5 — газогенератор; 6 — отмывка газа
160
Правда, ни один из известных материалов пока не удовлетво-
ряет требованиям к материалу подогревателя гидрирующего газа»
промышленностью еще не изготавливается необходимая арматура
для горячего газа, удовлетворяющая требуемым условиям. Так
что несмотря на большие технологические преимущества к настоя-
щему времени эта сторона процесса еще не разработана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. „Kohlevergasung mit nuklearer Prozefiwarme"
Studie des Konsortiums Gesellschaft fiir Hochtemperaturreaktor-Technik mbH,
Bensberg. Bergbau-Forschung GmbH, Essen, Rhein. Braunkohlenwerke AG,
Koln, und STEAG Aktiengesellscliaft, Essen, fiir den Minister fiir Wirrschaft,
Mittelstand und Verkehr des Landes NRW, Diisseldorf, 1974.
2. R. Hiittner und H. Teggers
Braunkohle—Warme—Energie 23 (1971) 134
3. P. Speich
VGB Kraftwerkstechn. 54 (1974) 438
4. H. Teggers
gwf-gas/erdgas 115 (1974) 532
4. Гидрогазификация каменного угля
Были запланированы соответствующие опыты, однако резуль-
таты до сих пор не опубликованы.
11 Зак. 738
Д. ПОДЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ
Целью подземной газификации является превращение угля в газ
непосредственно по месту его залегания без предшествующей вы-
емки. Для этого необходимо вначале подготовить подходящие
участки в угольном пласте, отведенном под газификацию, а затем
его газифицировать. Подготовка может производиться наземным
способом с помощью специально ориентированных скважин и под-
земным— с помощью шахт и горных выработок. В настоящее вре-
мя используется первый из упомянутых способов.
Преимущество подземной газификации угля состоит в том, что
по сравнению с подземной проходкой исключаются тяжелые усло-
вия труда рабочих, а по сравнению с открытой добычей отсутству-
ет нарушение верхнего покрова земли. К тому же уголь превра-
щается в газ, который по сравнению с твердым топливом являет-
ся более удобным технологическим сырьем. Кроме того, перера-
ботка осуществляется практически без нарушения биосферы. Мо-
гут использоваться высокозольные угли, а также угли с высоким
содержанием серы. Необходимое обессеривание продуктового га-
за— вопрос технический. И, наконец, технология подземной гази-
фикации предоставляет широкие возможности для автоматизации
процесса.
Первая идея использования этой технологии для эксплуатации
угольных месторождений была выдвинута в середине прошлого
столетия в Англии. Однако практическое применение способ впер-
вые нашел в Советском Союзе в 30-х годах нашего столетия, где
до сегодняшнего времени эксплуатируются установки для подзем-
ной газификации. После 1945 г. пробудился интерес к подземной
газификации и в ряде других стран. Полевые испытания были
проведены в ПНР, ЧССР, Великобритании, Франции, Бельгии и
США. Эти опыты вскоре были прекращены главным образом из-
за малоубедительных результатов. В связи с наличием дешевой
нефти и больших месторождений газа интерес к подземной газифи-
кации снизился. Поэтому к 1960 г. все проектные разработки бы-
ли свернуты. По сегодняшним сведениям строительство других ус-
тановок, запланированных еще в начале 60-х годов, не ведутся.
Сооруженные в СССР установки работают на каменном (До-
нецкий и Кузнецкий бассейны), а также на буром угле (Под-
московье и Средняя Азия).
В начале 70-х годов вновь пробудился интерес к подземной
газификации, сначала в США, затем в других странах, например
в Бельгии и ФРГ. Кроме того, после успешного внедрения этой
технологии до известной степени станет возможной эксплуатация
неэкономичных или не разрабатываемых традиционными способа-
ми угольных месторождений. Так, например, можно было бы эко-
162
номически выгодно использовать глубокозалегающие угли на за-
паде США.
Направление — более эффективное использование имеющихся
запасов — развивается и в Европе. В Бельгии обратились к под-
земной газификации, так как она является по существу единствен-
ной возможностью использовать имеющиеся огромные запасы уг-
ля, которые из-за малой мощности пластов неэкономично разра-
батывать традиционными способами.
В ФРГ также проявляется значительный интерес к этому спо-
собу добычи, в связи со сложившейся ситуацией с запасами в об-
ласти каменноугольных месторождений. По оценкам общие запа-
сы каменного угля составляют примерно 230 млрд, т, в то время
как потенциально извлекаемые запасы равны примерно 24 млрд т.
Это означает, что по сегодняшним оценкам около 90 % общих за-
пасов окажутся недоступными для традиционной горной техноло-
гии из-за глубокого залегания и малой мощности пластов. Поэто-
му разработка нетрадиционной технологии добычи, которая пре-
дусматривает использование угля без проведения подготовитель-
ных работ под землей, имеет огромный потенциал.
В то время как почти все выполненные к настоящему времени
опыты, а также большинство проектов были рассчитаны на про-
изводство низкокалорийного газа с теплотой сгорания 3,5—
5 МДж/м3 (800—1200 ккал/м3), транспортирование на средние
расстояния не окупается, планируется путем газификации водоро-
дом производить непосредственно заменитель природного газа.
Однако для промышленного внедрения подземной газификации
в крупных масштабах необходимо решить ряд проблем. Недоста-
ток этой технологии заключается в сильной зависимости эксплуа-
тационных показателей от геологических и гидрогеологических ус-
ловий. К тому же вид этой зависимости до сих пор невозможно
описать количественно. Поэтому перенос эксплуатационных пока-
зателей одного месторождения на другое, а в связи с этим и про-
ектные работы затрудняются. Кроме того, в отличие от обычной
газификации в газогенераторе реакционное пространство, по всей
вероятности, газопроницаемо, а его размеры во время газифика-
ции непрерывно изменяются. В связи с этим постоянно изменяют-
ся и условия, необходимые для стационарной эксплуатации. Это-
означает, что при газификации воздухом, кислородом и паром
выход продуктового газа и его качество будут быстро изменяться.
Так, например, в проведенных к настоящему времени опытах во
время эксплуатации иногда наблюдалось постепенное снижение
качества газа и кпд газификации. Однако для успешного промыш-
ленного использования представляется необходимой существенная
стабилизация количества и качества. Поэтому еще на стадии
проекта необходимо решить этот вопрос либо непосредственно пу-
тем регулирования процесса, либо косвенно, может быть, объеди-
нением нескольких газификационных полей в одну систему.
Почти все предложенные до настоящего времени технологиче-
ские варианты содержат в себе общий недостаток. По сравнению
11* 153
с наземной газификацией при газификации в пласте вряд ли воз-
можно управлять движением газифицирующего агента и топлива.
Топливо — угольный пласт — находится в неподвижном состоянии,
в то время как поток газифицирующего агента с момента входа в
проницаемые каналы становится практически неуправляемым и
лишь частично направлен навстречу фронту топлива или даже
движется в обход реакционной зоны к газоотбору, так что конвер-
сия определяется скорее случаем, чем техническими закономернос-
тями. Вследствие этого может, во-первых, упасть качество газа за
счет реагирования свободного кислорода с первично произведен-
ным газом, во-вторых, сильно затрудняется управление движением
реакционного фронта.
Контролируемой и в значительной мере управляемой стадией
процесса является применяемое исключительно при подземной га-
зификации выжигание высокопроницаемых каналов в пласте («ог-
невая сбойка»), при котором реакционный фронт движется на-
встречу потоку газифицирующего агента, например, между двумя
скважинами. Однако накопленный к настоящему времени опыт не
позволяет использовать этот процесс для управления крупномас-
штабными реакционными зонами, так как каналы, по-видимому
(как показало испытание в США), способствуют развитию неод-
нородностей (с точки зрения газопроницаемости) в пласте.
Попыткой обойти эту трудность технологическим приемом
«плотно упакованный слой» («Thick Packed Bed») (Ливерморская
лаборатория, Ливермор, Калифорния), согласно которому пласт,
предназначенный для газификации, с помощью взрыва превраща-
ется в своего рода слоевой генератор, не привела к удовлетвори-
тельному результату.
Другая проблема, актуальная в первую очередь в Европе, за-
ключается в применении способа подземной газификации для
эксплуатации месторождений, залегающих на большой глубине.
До настоящего времени работы велись преимущественно на глуби-
не около 100 м. Только в отдельных случаях достигалась глубина
300—400 м. На больших глубинах, например около 1000 м и бо-
лее, технологическая схема и необходимое число обычно применяе-
мых сегодня скважин становятся определяющим экономическим
фактором. Поэтому в данных условиях при выборе оптимальной
технологии важнейшим критерием оказывается минимальное чис-
ло скважин. Итак, несмотря на то, что промышленному внедрению
подземной газификации (и прежде всего для газификации глубоко-
залегающих месторождений) препятствуют некоторые значитель-
ные трудности ввиду преимуществ, которые, по-видимому, она смо-
жет дать, в ФРГ принято решение исследовать возможность про-
мышленной реализации этой технологии для глубокозалегающих
месторождений. Эта задача включена в программу энергетических
исследований Министерства исследований и технологии.
В рамках западногерманского-бельгийского договора о сотруд-
ничестве в настоящее время готовится первое полевое испытание
процесса газификации под давлением па большой глубине (при-
164
мерно 900 м) посредством бурения с поверхности земли. Кроме
того, опыты на большой глубине ведутся во Франции. Первое ус-
пешное испытание было осуществлено на севере Франции в пласте
1200-метровой глубины из 1000-метрового забоя законсервирован-
ной шахты.
Чтобы углубить сведения о подземной газификации и состоя-
нии технологии, ниже для сравнения сопоставляются технологиче-
ские схемы и показатели некоторых установок. Необходимо учи-
тывать, что по описанным выше причинам приводимые данные
справедливы только в условиях названных установок, однако они
могут использоваться в качестве опорных значений.
Описываются основные приемы эксплуатации и показатели ра-
боты установки в г. Ангрене (Узбекистан, СССР). В этой установ-
ке газифицируется мощный горизонтальный пласт бурого угля.
Установка для газификации каменного угля расположена на
одном из крутопадающих пластов, образующих Южно-Абинское
месторождение (Кемерово, Кузнецкий бассейн, СССР).
Данные по установке основаны на результатах проведенного в
Ханне (Вайоминг, США) в 1976 г. крупного испытания. Во всех
случаях производился только низкокалорийный газ. Результаты
других опытов, которые были проведены гораздо раньше, — здесь,
например, можно назвать успешные испытания на установках «Ро-
ки Хилл» I (газ хорошего качества при газификации воздухом)»,
«Хэу-Крик» III (производство синтез-газа на парокислородном
дутье), «Ролинс» I (газификация в крутом пласте) и «Прайста-
ун» I (газификация под давлением в пласте каменного угля) —
отдельно не приводятся, однако в конце главы приведены соответ-
ствующие ссылки на литературу.
Результаты эксплуатации установок в Ангрене и Южно-Абинске,
а также испытаний в Ханне
Схема газификации Ангренской установки (проект). Воздухом
газифицируется мощный горизонтальный пласт бурого угля. Для
этого к угольному пласту проложен ряд скважин под углом, кото-
рый меньше угла откоса покрывающих пород. Вначале они исполь-
зуются для подвода газифицирующего агента, затем, когда реак-
ционная зона пройдет через основание скважин, — для газоотвода.
Для увеличения газопроницаемости между скважинами перед на-
чалом собственно газификации с помощью сжатого воздуха в угле
выжигаются узкие каналы. Интервал между скважинами дости-
гает примерно 50 м (рис. 47).
Схема газификации Южно-Абинской установки. Воздухом га-
зифицируются крутопадающие пласты (0—67°). Скважины для от-
бора продуктового газа бурят по падению пласта на предусмот-
ренную глубину (около 300 м). Скважины для подвода газифици-
рующего агента располагают в породах лежачего бока. При дости-
жении пласта скважины поворачивают и продолжают бурить по
пласту. Расстояние между газоотборными и воздухоподводящими
скважинами составляет от 20 до 35 м (рис. 48).
165
Рис. 47. Схема Аигреиского участка газификации (газосборная система имеет
большее число скважин, чем изображено на рис. Показана возможность боково-
го газоотвода)
Схема газификации установки в Ханне. Все испытания в Ханне
были проведены на одинаковых по мощности горизонтальных бу-
роугольных пластах, однако с различным успехом. В испытании с
мая по июль 1976 г. эксплуатировалось квадратное поле со сторо-
ной около 18 м и четырьмя вертикальными скважинами по углам.
Между каждыми двумя скважинами в нижней трети пласта были
отожжены высокопроницаемые каналы. После их подготовки осу-
ществлялась собственно газификация. При этом газифицирующий
агент подводился через скважину, проходил через канал, взаимо-
действуя с углем, и отводился через вторую скважину (рис. 49).
Производительность. Для советских установок приводятся
среднегодовые значения. Для испытания в Ханне приведено сред-
нее значение за период с мая по июль 1976 г.
Некоторые данные установок А, Б, В приведены ниже.
А (1966 г.) Б (1960 г.) В (1976 г.)
Производство газа, м3/ч 1-61 41 5—13
Расход угля, т/ч . — 55 — 9 — 4
Расчетная мощность, МВт — 60 —20 3 -8
Свойства угля и характеристики месторождения. В Ангрене
методом газификации разрабатывается месторождение бурого уг-
ля, в Южно-Абинске — каменноугольное. Пласт № 1 использован-
ный для опытов в Ханне, также является буроугольным (глянце-
вый уголь).
Состав сырого угля для установок А, Б, В приведен ниже, %:
А Б В
Влажность, % 31 6 9,5
Содержание летучих веществ, % -23 — 40 32,6
Связанный углерод, % -35 -50 34.1
Зола, % 11 4,9 23,6
166
Содержание элементов:
С 43,3
Н 2,3
О 10,9
N 0,5
S 1,5
75 50
4,9 4,1
7,1 11,2
2,1 1,3
0,3 0,7
Теплота сгорания сырого угля для установок А, Б, В соответ-
ственно составляет 4000; 7500; 5080 ккал/кг или 16,7; 31,5;
21,3 МДж/кг.
Характеристика месторождений
А Б В
Глубина проведения опыта, м 100—200 100—300 84
Угол падения, градус ... 5—15 60—67 6—9
Средняя мощность пласта, м . . . . 9 2,5 9
Диапазон изменения мощности пласта, м . 1,5—21 1—9 8--9
Вмещающие породы...............................Глииа и Глина и Песча-
песчаник мягкий ник, сла-
песчаник нец
Состав сухого неочищенного газа приведен ниже, %:
А Б В
н2 . 17—20 17—18 10—19
о2 . 0,3—0,4 0.2 —
со . 4-8 17—18 11—20
СО2 . . . 17—20 9—10 8—15
CH4 + Cn+Hm 2 2 2—6
N2 - . 50—58 56—57 46—58
H2S . . 0,4- 0,5 0,2 1
Теплота сгорания сухого неочищенного газа для установок А,
Б, В соответственно составляет 1000; 1150; 1500 ккал/м3 или 4,2;
4,8; 6,3 МДж/м3.
Содержание других компонентов неочищенного газа известно
только из первой части опытов в Ханне. Влажность продуктового
газа изменялась в пределах от 8 до 28 %. Содержание смолы сос-
тавляло 1—1,5 %• Запыленность газа колебалась от 5 до 870 мг/м3.
Хорошие результаты варианта В (Ханна), по-видимому, в ка-
кой-то мере можно объяснить относительно кратковременной эксп-
луатацией, а также небольшим масштабом.
Продуктовый газ, получаемый на установках в Ангрене и Юж-
но-Абинске, используется для отопления, а также поступает на
электростанции. Продуктовый газ, полученный в опытах в Ханне,
сжигался в факеле.
Описание процесса. На рис. 47, 48 и 49 изображены принципи-
альные схемы газификационных нолей описанных выше установок.
Из них видно, как развивается процесс. Необходимо отметить, что
вследствие различной конфигурации месторождений эксплуатаци-
онные условия при подземной газификации очень сильно варьиру-
ются. Газифицирующий агент проходит через систему трубопрово-
дов к скважинам и через них нагнетается в пласт. В пласте после
зажигания формируется реакционная зона, в которой по существу
и происходит взаимодействие газифицирующего агента с углем.
Эта зона может представлять собой медленно движущийся, более
167
Пласт Реакционное пространство
Рис. 48. Схема Южио-Абинского участ-
ка газификации
Рис. 49. Схема скважин иа полевых ис-
пытаниях в Хайне, II фаза (в верхней
части — горизонтальная проекция участ-
ка газификации, в нижней — разрез
участка)
или менее прямолинейный фронт (в Ангрене) или высокопористый
газопроницаемый канал, на стенках которого происходит газифи-
кационное реагирование. При крутом падении пласта этот канал
проходит вверх по пласту без изменения геометрической формы,
так что на отдельном участке газификации в течение продолжи-
тельного времени могут достигаться сравнительно стабильные ре-
зультаты.
В отличие от этого при использовании канальной газификации
в горизонтальных пластах реакционный канал расширяется за
счет медленного выгорания угля во время эксплуатации. Это при-
168
водит к ухудшению эксплуатационных показателей вследствие
снижающейся конверсии, а также за счет развития благоприятных
условий для частичного сгорания продуктового газа с не исполь-
зованным при газификации кислородом. Кроме того, в процессе
эксплуатации желательно непрерывное регулирование подачи га-
зифицирующего агента в зависимости от размера выжженного про-
странства, который зависит от продолжительности эксплуатации,
мощности пласта, содержания золы и ее поведения, а также устой-
чивости горной породы. Поэтому потребление газифицирующего
агента в процессе эксплуатации газификационного поля должно
непрерывно возрастать.
Как показали испытания в Ханне, в принципе нежелательное
для газификации расширение полости может быть частично ком-
пенсировано за счет повышения давления в пласте посредством
дросселирования на газоотводе, что, кроме того, обеспечивает сни-
жение притока грунтовых вод.
Продуктовый газ отбирается из пласта через отводные скважи-
ны и после соответствующей традиционной газоочистки поставля-
ется потребителям.
Кроме газификационного поля, которое представляет собой ге-
нератор установки подземной газификации, необходимо вспомога-
тельное оборудование для производства газифицирующего агента
(например, компрессоры или кислородная установка) или для пе-
реработки газа в соответствии с целью использования. Кроме то-
го, необходимо учитывать, что для непрерывной технической экс-
плуатации в постоянной работе должно находиться оборудование
(с соответствующим персоналом) для ведения буровых работ.
Производство газифицирующего агента. Подземная газифика-
ция во всех трех установках осуществляется с использованием в
качестве газифицирующего агента сжатого воздуха, который по-
лучается с помощью компрессоров.
Технические показатели. Коэффициент использования угля от-
несен к той части угля в пласте, которая вступает в реагирование
с газифицирующим агентом. Степень использования угольного
пласта в значительной мере определяется разметкой газификаци-
онного поля и сеткой скважин.
Кпд газификации относится не на общий объем угля в пласте,
а на долю, определяемую коэффициентом использования угля.
Техническая характеристика процесса подземной газификации угля
А Б в
Коэффициент использования угля, % Кпд, %: 65—70 55—100 Нет данных
газификации 55—65 55—60 50—80
термический ..... Нет Нет данных
Расход газифицирующего агента, 1000 м3/ч Выход газа на 1 м3 газифицирующего данных 2.8—7,2
агента, м3 Давление, бар: 1.1—1,3 Нет данных 1,7
на входе .... 5 5 4,5—9
продуктового газа Нет данных 2—5
169
Температура, °C:
реакционная . ~ 1600 ~ 1700 1100
выходящего газа 100 120 Нет данных 200—400
Верхняя граница давления, при прочих равных условиях, опре-
деляется характером месторождения (литостатическим и гидро-
статическим давлением). При околоповерхностной газификации
вследствие сравнительно высокой газопроницаемости сводообра-
зующих пород применяется исключительно низкое давление гази-
фикации, так как в противном случае потери газа, которые в прин-
ципе необходимо только уменьшать, достигнут недопустимой вели-
чины. При газификации на большой глубине, напротив, допусти-
мы значительно более высокие давления за счет наличия противо-
давления со стороны достаточно плотных покрывающих пород.
Кроме того, близость водного массива может потребовать поддер-
жания определенного уровня давления, чтобы воспрепятствовать
притоку большого объема воды в газификационное пространство.
Разработка технологии. А, Б — нет данных; В — Центр энерге-
тических исследований Ларами, Вайоминг, США.
Местонахождение: А — Ангрен (Узбекистан, СССР); Б —
Кемерово (Кузбасс, СССР); В — Ханна (Вайоминг, США).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
А. Ангрен
1. М. М. Альтшулер и др Технический и экономический анализ станций под-
земной газификации в Ангрене, Южно-Абинске и Лисичанске в течение
1963 года. — Научные труды ВНИИПодземгаза, № 13 (1965), с. 107—116.
2. М. Gubergrits и. а.
„Manufacture of gas from combustible shales and by means of underground
coal gasification"
IGU/B 6, 1976. 13. World Gas Conference London 1976
3. В. В. Иванов. Аигреиский завод для подземной газификации бурого угля. —
Подземная газификация утлей, 1957, № 3, с. 13—15.
4 Н. В. Лавров и др. Подземная газификация на Аигренском месторождении
бурого угля. — Химия твердого топлива, 1971, № 1, с. 73—79.
5. Н. В. Лавров и др. Результаты исследований подземной газификации бурого
угля.— Химия твердого топлива, 1968, № 1, с. 113—120.
Б. Южно-Абииск
1. См. М. М. Альтшулера.
2. О. de Combrugghe
„La Gazeification Souterraine en URSS“
Annal d. Min d Belg., No. 5 (1959) S. 478
3. M. Ю. Устинов, П. А. Букин. Влияние основных факторов на процесс гази-
фикации участка № 1 установки газификации в Южио-Абииске. — Подземная
газификация углей, 1958, № 2, с. 3.
В. Хайна
1. С. F. Brandenburg и. а.
„In Situ Coal Gasification-Prospects as a Source of Utility Fuel"
August 1976, Veroffeniltchung der ERDA Laramie Energy Research Center La-
ramie, Wyoming
2. D. D Fischer u. a.
„Status of the Linked Vertical Well Process in Underground Coal Gasification"
Vortrag FS4. 2. Annual Underground Coal Gasification Symposium, 10.—12.
August 1976, Morgantown, W. Va.
170
Общая
1. Р. V. Skafa,
„Podzemnaja gazifikazija ugley“
Gosgortechizdat, Moskau 1960 (UCRL Trans 10880)
2. J. L. Elder in Chemistry of Coal Utilization, H. Lowry Ed., Suppl. Vol., J. Wi-
Ley & Sons, Inc., New York, London 1963
3. J. H. Lamb,
„Underground Coal Gasification",
Energy Techn. Rev. No. 14, Noyes Data Corp.,
Park Ridge NJ, 1977 .
4. Annual Underground Coal Conversion Symposium, Proceedings (seit 1975),
erhaltlich fiber National Technical Information Service (NTIS) U. S. Dept, of
Commerce 5285 Port Royal Road, Springfield, VA 22161
5 P Ledent, Chr. Beckervordersandforth, mededelingen rijks geologische dienst
vol. 33-1/10, 15.9.1980
6. B. Bridoire, Relais, Sept. 1980, Nr. 127
Указатель процессов
Агломерэйтинг-Аш-процесс ......................................... . 100
Атгаз-процесс.................... . . .......................139
БАСФ-процесс на базе генератора с жидким шлакоудаленнем 70
Баттеле-проиесс (см. Агломерэйтинг Аш) , 100
Бигаз-процесс.........................................................93
Британский газовой корпорации процесс (БГК)-Компэзит-процесс . 73
Британской газовой корпорации процесс на базе генератора с жидким
шлакоудаленнем ... ... 73
ВД/ГИ-двухступенчатый процесс 38
Веллманн-Галуш а-процесс ,39
Вестингауз-процесс ................................................. 128
ВИАГ-процесс (см. Интеграл-процесс) . ... 38
Винклер-процесс..................................................... 51
Винклер-процесс, высокотемпературный (ХТВ) . . . 94
Вуделл-Дакхем/ГИ-процесс ... 38
Газ-Интеграл-процесс (см. Интеграл-процесс) 38
Газификация в расплаве железа..................................... ,138
Гидрогазификация с использованием тепла ядерного реактора 152,
161
Демаг-процесс ... .............
Дженерал-Электрик-процесс
Дидьер-Бубиаж-процесс
ДЭ-процесс . . . . ....................
Интеграл-процесс...................................
Интернэшнл—Фёнэйс—Эквипмент (ИФЭ)-процесс • .
Келлогг-процесс в расплаве соли (см. Моултен Солт)
Келлогг-процесс на базе слоевого генератора
Керпели-процесс ..............
КОГАЗ-процесс............................
Колегаз-Нордрейн (КГН)-процесс ... . . .
Комбасчеи Инжиниринг (КИ)-процесс..................................
Копперс-процесс на базе генератора с вращающейся колосниковой ре-
шеткой ..........................................
Коппере—Вельцгаз-процесс
Коппере—Тотцек (КТ)-процесс ................
КХД—Максхютте-процесс .
КОЭД-процесс (см. КОГАЗ) ....
Лёйна-процесс на базе генератора с жидким шлакоудаленнем
Лурги-процесс
Лурги-Рур-100-процесс
Максхюте-процесс
Моултен Солт-процесс......................................... ....
Отто-процесс на базе генератора с вращающейся колосниковой решеткой
Паровая газификация с использованием тепла ядерного реактора
Патгаз-процесс ....
Пауэ-Газ-Мекаиикл-процесс
Пиич—Хиллебранд-процесс
ПХФ-процесс
Рёренофеи (РО)-процесс
Роквелл-процесс (см. Моултен Солт).................................
Рокгаз-процесс (см. Хайдрэйн)
Руммель—Отто-процесс ...
Рургаз-процесс с вихревой камерой
38
38
68
38
38
38
137
38
37
86
39
125
38
68
57
139
86
73
43
78
139
137
35
143,
148
138
38
64
39
68
137
134
116
123
172
Рур-100-процесс .... ..............................
Саарберг—Отто-пронесс
Синтэйн-процесс . .
СОа-акцептор-процесс
Стоик-процесс ... .
Су м итом о-процесс
Тексако-процесс
Тиссен-Галожи-процесс ....................
У-газ-процесс....................................................
Фостер—Уиллер-процесс (см. БИГАЗ, Стоик)
Хайгаз-процесс......................................
Хайдрэйн-процесс ... ....
Шелл—Копперс-процесс
Экссон-процесс...................................................
Юнайтд Газ Импровмент (ЮГИ)-процесс . . . .
Юнион Карбайд (см. Агломерэйтинг Аш) .................
та
120
102
90
38
139
113
•73
110
95,38
82
134
103
132
38
100
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к третьему изданию . . . . ..............5
1. Введение ............................................ . .. 6
2. Основные реакции газификации угля 9
3. Варианты способов газификации.................................15
4. Основные направления развития новых технологических концепций 22
5. Форма изложения ................................................26
6. Обзор способов газификации .29
А. Технологические процессы, используемые в настоящее время в
промышленности . ......................................35
1. Процессы на базе газогенератора с вращающейся колосниковой ре-
шеткой .......................................................35
2. Процесс газификации под давлением «Лурги»....................43
3. Процесс Винклера...............................................51
4. Процесс «Копперс-Тотцек» ... 57
Б. Технологические процессы, не используемые в настоящее время в про-
мышленности и находящиеся в стадии разработки . ..................63
1. Процессы «Вельцгаз» (с циркуляционным газом)...................63
2. Процессы на базе газогенератора с жидким шлакоудалением . . 69
3. Процесс Британской газовой корпорации на базе газогенератора
высокого давления с жидким шлакоудалением.........................73
4. Процесс газификации под давлением «Лургн-Рур-100» .... 78
5. Процесс «Хайгаз» . .....................82
6 Процесс «Когаз» (КОЭД) .86
7 Процесс «COj-акцептор» ...... 90
8. Высокотемпературный процесс Винклера(ХТВ) 94
9 Процесс «Бигаз»..............................................96
10. Процесс «Агломерэйтинг Аш»............................ ... 100
11. Процесс «Синтэйн»............................................102
12. Процесс газификации под давлением «Шелл-Коппере» .... 106
13. Процесс «У-газ»...............................................ПО
14. Процесс «Тексако»» .............113
15 Процесс «Руммель-Отто» ............116
16 Процесс «Саарберг-Отто» .... . . 120
17. Процесс «Рургаз» с вихревой камерой . 123
18. Процесс «Комбасчен Инжиниринг»................................125
19. Процесс «Вестингауз» ...............................128
В. Способы газификации, находящиеся в стадии проектирования (лабора-
торные опыты).......................................................132
1. Процесс «Экссон»............................................ .132
2. Процесс «Хайдрэйн» ... . . 134
3. Процесс «Моултен Солт» .137
4. Газификация угля в расплаве железа . 138
Г. Газификация угля с использованием тепла ядериых реакторов . . 143
1. Паровая газификация бурого угля...............................143
2. Паровая газификация каменного угля ...........................148
474
3. Гидрогазификация бурого угля..................................152
3.1. Ввод тепла в технологический процесс посредством паровой кон-
версии метана в трубчатых печах . 152
3.2. Ввод тепла в технологический процесс посредством предвари-
тельного подогрева газифицирующего агента . 157
4. Гидрогазификация каменного угля . . lol
Д. Подземная газификация ..............162
Указатель процессов .................................. 172