Использование биомассы на основе термохимической газификации

Термохимическая газификация - альтернативный способ прямому сжиганию

Несмотря на широкое развитие достаточно эффективных топочных устройств по прямому сжиганию биомассы, подробно рассмотренных ранее, при использовании существующих устройств возникают определенные трудности с утилизизацией всего многообразия отходов биомассы (коры, шламов и др.): имеют место ограничения по фракционному составу, возникают трудности по исключению механического недожога, заноса и шлакования поверхностей нагрева и др.

Альтернативным способом прямому сжиганию биомассы, позволяющему исключить присущие прямому способу сжигания недостатки и трудности, является термическая газификация биомассы. В некоторых случаях термическая газификация позволяет также дополнитьвозможности существующих процессов прямого сжигания.

Процесс термической газификации включает ряд технических стадий, осуществляемых в одном агрегате:

удаление влаги, содержащейся в сырье;
термическая деструкция материала, сопровождающаяся выделением некондиционируемых газов и коксового остатка;
окисление горючих компонентов (парогазов);
пиролиз сырья, сопровождающийся выделением тепла, необходимого для первых двух стадий;
собственно процесс газификации углерода и других элементов, содержащихся в коксовом остатке с одновременным крекингом не успевшей окислиться смолы.

Конечным продуктом процесса являются газ и смола.

Газификация топлива как процесс

Наиболее универсальным способом, позволяющим использовать различные виды твердого топлива, в том числе и биомассы (как и твердых бытовых отходов) является его предварительная газификация с получением газа, который в зависимости от его качества используется в дальнейшем в энергетической установке (или сжигается в котельном агрегате или используется для непосредственного получения энергии в газотурбинной установке или двигателе внутреннего сгорания).

Процесс газификации близок к процессу горения топлив. Их отличие состоит в том, что в процессе горения происходит полное окисление топлива при достаточном количестве кислорода (α ≥ 1), а в процессе газификации происходит неполное окисление топлива при недостатке кислорода (α < 1). Основа процесса для них одна – химическое соединение восстановителя (углерода, водорода) с окислителем (кислородом).

Газификация топлива осуществляется путем его нагрева до температуры 1100…1300°С и выше в среде с ограниченным содержанием окислителя. При этом в качестве окислителя может быть использован кислород в чистом виде (кислородное дутье), кислород, входящий в состав воздуха (воздушное дутье), кислород, получаемый при диссоциации водяного пара (паровое дутье) или кислород, получаемый при смешанном подводе окислителя (паровоздушное дутье).

При газификации протекают реакции как с выделением тепла, так и с его поглощением, поэтому для поддержания процесса должно быть обеспечено условие автотермичности, при котором суммарный тепловой эффект всех реакций будет равен нулю.

При получении воздушного газа, когда в газогенератор в качестве дутья поступает воздух, реакции окисления и восстановления (в расчете на 1 моль углерода – 14 кг) происходят по следующей схеме:

С + О₂ → СО₂ + 97650 ккал

2С + О₂ → 2СО + 58860 ккал

2СО + О₂ → 2СО₂ + 136440 ккал

СО₂ + С → 2СО – 38790 ккал

Реакция восстановления СО₂ + С → 2СО – 38790 ккал является основной реакцией, характеризующей процесс получения воздушного газа. Идеальный воздушный газ подразумевается при газификации чистого углерода без потерь. Уравнение идеального воздушного газа имеет вид:

2С + О₂ + 3,76N₂ = 2СО + 3,76N₂ + 58860 ккал.

При получении воздушного газа температура в зоне горения достигает 1600…1700°С, а в зоне восстановления 1150…1200°С. Высокие температуры благоприятны для завершения реакций восстановления углекислоты. Однако они превышают температуры размягчения и даже жидкоплавкого состояния золы ряда твердых топлив. Это приводит к нарушению нормальной работы газогенератора, так как образуются крупные сплавленные куски шлака, затрудняющие доступ воздуха и процесс генерации газа, перегревается сам аппарат (газогенератор), падает его производительность, КПД, снижается качество газа.

Это не позволяет вести процесс получения воздушного газа в газогенераторе с удалением шлака в твердом виде. Получение воздушного газа в газогенераторах с удалением шлака в жидком виде приводит к высокой температуре получаемого газа и соответствующим потерям тепла.

Для снижения температуры процесса в газогенератор вместе с воздушным дутьем вводятся водяные пары (смешанный процесс генерации – паровоздушное дутье). При паровом дутье получается водяной газ.

Водяной пар, проходя через слой раскаленного кокса зоны восстановления, вступает в химическое взаимодействие с углеродом по реакциям

С + Н₂О = СО + Н₂ – 28380 ккал

С + 2Н₂О = СО₂ + 2Н₂ – 17970 ккал,

т. е. обе реакции – эндотермические, с поглощением тепла. Это приводит к снижению температуры в зоне газификации. Получаемые при разложении водяного пара СО и Н₂ повышают теплотворную способность газа, а продукты разложения водяного пара называются водяным газом. Водяной газ имеет более высокую теплотворную способность по сравнению с воздушным газом (при газификации бурых углей Q^н_d = 2600 ккал/м³). Однако при этом КПД процесса невысок.

Наиболее распространенным процессом газификации является процесс, при котором получается смешанный газ, когда применяется воздушное дутье с присадкой водяного пара (паровоздушное дутье).

При этом процесс получения смешанного газа протекает по описанным выше реакциям:

2С + О₂ + 3,76N₂ = 2СО + 3,76N₂ + 58 860 ккал;

С + Н₂О = СО + Н₂ – 28 380 ккал.

В общем виде процесс газификации происходит при следующих условиях.

Нагрев топлива до температур газификации происходит вследствие того, что часть его сгорает с образованием диоксида углерода и соответствующим тепловым эффектом реакции q₁

С + О₂ → СО₂ + q₁.

При стехиометрическом соотношении реакции углерода с кислородом, соответствующем коэффициенту избытка воздуха α = 1 значение q₁ соответствует удельной теплоте сгорания углерода топлива.
При недостатке кислорода (α < 1) протекает реакция образования оксида углерода

С + 1/2О₂ → CO + q₂.

Однако хотя эта реакция протекает с выделением теплоты, величина q₂ < q₁ и часть потенциальной химической энергии углерода переходит в химическую энергию оксида углерода, являющегося горючим компонентом процесса газификации углерода.
Оксид углерода может получаться также при восстановлении диоксида углерода СО₂ на поверхности раскаленного топлива по реакциям

С + СО₂ → 2CO – q₃.

Эта реакция, в отличие от двух предыдущих, идет с поглощением теплоты и при охлаждении углерода прекращается.
В присутствии в зоне газификации водяного пара при высоких температурах протекают реакции его конверсии

С + Н₂О → CO + Н₂ – q₄

С + Н₂О → CO₂ + Н₂ + q₅.

При этом образуется второй горючий газовый компонент Н₂.
При повышенных давлениях протекают реакции образования третьего горючего компонента – метана

С + 2Н₂ → CН₄ + q₆

СО + Н₂ → 1/2CН₄ + 1/2СО₂ + q₇.

Таким образом, газификация топлива – это термохимический процесс взаимодействия органической массы топлива с газо- и парообразным реагентами, в результате которого вся органическая масса преобразуется в газ, состоящий из горючих и негорючих компонентов. Так как при газификации протекают реакции как с выделением, так и с поглощением тепла, то для обеспечения непрерывного процесса газификации необходимо обеспечить условие автотермичности, при котором суммарный тепловой эффект равен нулю.

Состав газа, получаемый при газификации, зависит от ряда факторов:

вид и характеристика топлива;
температура и давление в зоне реакций;
состав дутья.

Обычно температуру процесса газификации поддерживают в интервале 1100…1300°С при диапазоне давлений от 0,1 до 10,0 МПа (и выше).

Процесс газификации классифицируется по ряду признаков:

составу дутья (воздушные, паровоздушные, кислородные, парокислородные);
состоянию топлива (порозность, гранулометрический состав, влажность, зольность и др.);
аппаратному оформлению (организации процесса – слоевое в движущем и кипящем слое; факельное – в пылевидном потоке).

Наиболее калорийный газ, получаемый при воздушном дутье, менее 4000 кДж/м³ сухого газа, наиболее калорийный на парокислородном дутье под давлением – более 15 000 кДж/м³.

При газификации топлива различают:

слоевые процессы, при которых слой кускового топлива продувается по противоточной схеме (навстречу движущему слою) газифицирующими агентами;
объемные процессы, в которых (в большей части по прямоточной схеме) топливная пыль взаимодействует с соответствующим дутьем.

Далее следуют статьи по данной теме: