Газифіка́ція вугі́лля — високотемпературний процес взаємодії вуглецю вугільного палива з окисниками, який здійснюється з метою одержання суміші горючих газів (Н2, СО, СН4).
Як окисники (газифікуючі агенти) застосовують кисень, водяну пару та ін.
Процес технології отримання природного газу з вугілля охоплює, як правило, вуглепідготовку, газифікацію, перетворення сирого газу, сіркоочистку і декарбонізацію метанолом при низькій температурі, синтезування метану, вилучення сірки і т.д .
Методи газифікації вугілля Методи газифікації вугілля класифікують за: видом дуття: повітряна, повітряно-киснева, паро-повітряна, паро-киснева; за тиском: при атмосферному тиску (0,1-0,3 МПа), середньому (до 2-3 МПа), високому (понад 3 МПа); за розміром вихідного палива: газифікація грудкового, дрібнодисперсного та пилоподібного вугілля; за конструктивними особливостями реакційної зони: у щільному шарі палива, в псевдозрідженому шарі, в пиловугільному факелі; за способами виділення смоли; за способами підводу тепла: автотермічна (за рахунок внутр. джерел), алотермічна; За теплотою згоряння одержуваного газу (в МДж/м³): низької (до 6-7); середньої (12—18) та високої (30—35) теплоти згоряння; За призначенням газів: для енергетичних і технологічних цілей (синтезу, виробництва водню, технічного вуглецю). 9. За температурою газифікації: низькотемпературна (до 800 °C), середньотемпературна (800—1300 °C), високотемпературна (1300 °C).
Історія процесу Газифікація вугілля була широко розвинена в першій половині XX ст. і до 1960 р. Наприклад, в 1958 р. в СРСР працювало понад 350 газогенераторних станцій, на яких в 2500 генераторах вироблялося 35 млрд м³ газу на рік.
У зв'язку з бурхливим розвитком газодобувної галузі газифікація вугілля різко скоротилася. Перспективними галузями застосування Г.в.п. є переробка високосірчистого і високозольного вугілля, переробка вугілля у районах віддалених від газопроводів, а також виробництво синтез-газу, газів-відновників та водню для потреб хімічної промисловості.
Середній склад горючого газу при газифікації вугілля Середній склад горючого газу (об.%) при газифікації вугілля Газ Технологія газифікації Вінклера Копперса-Тотцека Лурги Низькотемпературна плазма водяної пари На базі тепла АЕССО2 19 12 27 2 1СО 38 56 22 42 4Н2 40 29 40 55 63СН4 2 1 10 — 32N2 1 2 1 1
Підготовка бурого вугілля до газифікації Буре вугілля подрібнюють, а в разі потреби зневоднюють. Дуже важливо привести до необхідної крупності буре вугілля перед газифікацією — це може бути газифікація грудкового (>3мм), дрібнодисперсно-го (1-3мм) та тонкодисперсного (<0,1мм) вугілля. Якщо місце де добувають буре вугілля розташоване на великій відстані то його брикетують і відправляють до місця де проводиться газифікація. Класичний приклад газогенератора у якому реалізується процес газифікації крупногрудкового палива — агрегат фірми Лургі.
Принцип його роботи — паливо повільно опускається по його шахті. У верхній частині знаходиться завантажувальний пристрій, а внизу — пристрій для видалення золи. Назустріч паливу подається через колосникові ґрати (розподільну голівку) дуття газу-окисника. Процес включає стадії горіння, відновлення, напівкоксування і сушки. Шарові газогенератори можуть бути ав-тотермічними, коли зона окиснення знаходиться в самому агрегаті і алотермічними, коли тепло, необхідне для реакції відновлення, привноситься ззовні газоподібним або твердим теплоносієм. Коли газогенератори і родовище знаходяться поблизу, то вихідне буре вугілля подрібнюють до крупності 1-3 мм і спалюють. Цю систему вперше розробила фірма Вінклер. Паливо знаходиться в псевдозрідженому шарі. Температура процесу 830—900°С. Швидкість і рівномірність прогрівання шматків набагато вищі, ніж в шаровому газогенераторі. Газифікація відбувається в усьому об'ємі псевдозрідженого шару з високою інтенсивністю.
Також існує метод коли вихідне буре вугілля подрібнюють до крупності менше 0,1 мм, і використовують як пилоподібне паливо, наприклад у генераторах Копперса-Тотцека . Принцип — це робота на парокисневому дутті при температурі 1500—1600 °С з рідким шлаковидаленням.
Газифікація кам'яного вугілля Рядове вугілля після подрібнення подається в накопичувальний бункер, а звідти надходить у вугільний шлюз через який завантажується в апарат для напівкоксування. Апарат для напівкоксування являє собою реактор з киплячим шаром, що працює при тиску 40 бар. Як зріджуючий агент служить циркулюючий в контурі газ напівкоксування. Газ покидає щабель відмивання смоли з температурою близько 250 °С і охолоджується до 70 °С з метою відокремлення низкокиплячих смол і масел.
Напівкокс виводиться з апарату напівкоксування через переточну трубу і потрапляє в газогенератор, виконаний також у вигляді реактора киплячого шару, що продувається перегрітою парою (790 °С, 43 бар). Продукти газифікації, що не забруднені смолою та вищими вуглеводнями, піддаються сухій пилеочистці в циклоні і після проходження котла-утилізатора і попереднього підігрівача газу перед метанізацією змішуються з газом напівкоксування.
Зола відводиться з газогенератора в сухому вигляді через систему шлюзових бункерів. Змішаний газ, утворений з газу напівкоксування і чистого газу, піддається метанольному відмиванню під тиском (ректізольне відмивання), в якій спочатку в декількох щаблях вимиваються залишкова волога і вищі вуглеводні, у двох наступних щаблях кислі гази CO2 і H2S. Останній з них переробляється в елементарну сірку в установці Клауса. В установці метанізації очищений газ при 400 °С переробляється в ЗПГ і після заключного охолодження і конденсації рекреаційної вологи подається в газову мережу. При переробці газу утворюється значна кількість пару високого тиску та гарячої води, які відводяться на паротурбінну електростанцію Шиллинг Г.-Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля: Горное дело-сырье-энергия/Пер. с нем. — М.: Недра, 1986. — 175 с..
Основні напрямки розвитку нових технологічних концепцій у газифікації вугілля
Загальний опис Газ, отриманий при газіфікації вугілля, в майбутньому може знайти застосування перш за все для виробництва: замінника природного газу (ЗПГ) ; синтез- газу для хімічної промисловості; паливних газів для технологічного та енергетичного спалювання ; відновного газу для металургійних цілей, наприклад для прямого відновлення залізної руди.
У відповідності з вимогами, які пред'являються до газу в кожній з перелічених областей застосування, ведеться активна розробка проєктів.
У всіх цих випадках споживачу вигідно отримувати газ під тиском. Тому нині основні зусилля проєктувальників зосереджені на подальшому удосконаленні існуючих способів для роботи під тиском, а також на розробці принципово нових технологічних процесів під тиском. Підвищення тиску дозволяє перш за все збільшити продуктивність, бо відповідно підвищується концентрація газифікують агента. У той же час тиск впливає на рівновагу в процесі газифікації. Так, наприклад, підвищується вміст метану в сирому газі, що є великою перевагою для виробництва ЗПГ, однак в інших випадках виявляється невигідним через необхідність в додатковій операції поділу або перетворення (реформінгу).
Шляхом підвищення реакційної температури вміст метану можна зробити, навпаки, досить малим, тоді виробництво синтез-газу під тиском може стати вигідним. Підвищення тиску, крім того, сприятливо відбивається на габаритних розмірах газогенератора і скруберів, а також дає значну економію витрат на компресію, бо вироблений газ займає більший об'єм, ніж газифікують агент. До того ж при експлуатації під тиском виявляється можливим застосування фізичних способів відмивання газу, які неефективно або неекономічно працюють при атмосферному тиску і мають переваги у вигляді незначної вартості миючого агента, мінімального його споживання і в тому числі незначного споживання енергії на регенерацію.
Метою розробок для багатьох процесів газифікації є підвищення реакційної температури. Цим насамперед досягається подальше збільшення продуктивності і разом з тим зменшення питомого обсягу газифікатора. Крім того, знижується вихід смол або небажаних вуглеводнів. За рахунок зсуву рівноваги при високих температурах виходить газ з більш високим відновним потенціалом внаслідок низького вмісту СО2 і більш глибокого розкладання водяного пару .
Для використання газу як відновника залізної руди потрібно відновний потенціал понад 90 % (відновний потенціал визначається об'ємним вмістом (%) відновних компонентою CO + H2). У деяких способах досягти цієї мети сподіваються без додаткового збагачення газу.
Всі способи з псевдозрідженим шаром, які представлені серед нових розробок, мають верхню температурну межу, що задається заздалегідь температурою плавлення золи: при плавленні золи псевдозрідження порушується. У способах з щільним шаром (з рідким шлаковидаленням) і зі зваженим потоком цієї межі не існує, оскільки зола може віддалятися в розплавленому вигляді. У цих випадках температура в газифікаторі може досягати 1500—1900 °С. Для забезпечення гарної плинності шлаку необхідна дуже висока температура. Температурна область, в якій зола тільки розм'якшується, але ще не розплавлена (приблизно 1000—1500 °С), є неприпустимою для газифікації вугілля.
У високотемпературних газогенераторах внаслідок виведення шлаку в розплавленому вигляді, а також високої температури сирого газу втрати тепла вище, ніж у реакторах з сухим золовидаленням. Вище і втрати випромінюванням, що у сукупності призводять до значно більшого споживання кисню. Частково цей недолік компенсується практично мінімальним споживанням пару.
У високотемпературних газогенераторах пару для регулювання верхньої температурної межі потрібно помітно менше, ніж в шарових газификаторах з сухим золовидалення, завдяки високій температурі пар розкладається майже повністю і нею охолоджуючу дію виявляється істотно більшим Переваги високотемпературних газогенераторів полягають у малому виході аміачної води внаслідок низького споживання пара, відсутності смол і масел, значно спрощуються заходи по захисту навколишнього середовища. Так, наприклад, в шаровому способі перероблення аміачної води через присутність у ній біологічно нерозчинних речовин вимагає порівняно великих витрат.
У виробництві висококалорійного газу (ЗПГ) але енергетичних міркувань вигідно мати високий вміст метану вже на стадії отримання сирого газу, бо в рівнянні реакції метанізації значна частина енергії, хімічно зв'язаної та реагентах, вивільняється у вигляді теплового ефекту реакції. Однак при більш високих температурах утворення метану пригнічується. Тому в ряді нових способів допомогою поділу процесу газифікації на кілька ступенів намагаються в різних температурних областях окремо оптимізувати реакції, що становлять процес газифікації (а іноді навіть і шляхом різної організації масообміну і реакційних ступенях). Так, наприклад, у способі «Хайгаз» (США) після сушки вугілля спочатку піддається гідрокрекінгу (у зваженому потоці при 650 °С) водень містить газом, який виходить шляхом двоступеневої газифікації залишкового коксу в киплячому шарі, відповідно при 950 і 1050 °С. Цим способом досягають вміст метану понад 18 % в неочищеному газі.
Інша мета, яка переслідується при розробці технологічних процесів, — це бажання позбутися дорогої кисневої установки. Необхідний для газифікації кисень, як правило, виходить з повітря шляхом зрідження і низькотемпературній ректифікації. Цей спосіб вимагає високих капітальних і експлуатаційних витрат, які здорожують вироблений газ. Тому в деяких способах намагаються розділити нагрівання і парову газифікацію вугілля таким чином, щоб замість чистого кисню для спалювання можна було використовувати повітря.