Выдающиеся разработки российских ученых в области газификации конденсированных топлив
08.12.2013
В частности, учёные Института проблем химической физики РАН в г. Черноголовке (Московская обл.) разработали эффективный метод термической переработки горючих отходов, основанный на использовании нового физического явления – фильтрационного горения в сверхадиабатических режимах.
Метод описан в технической литературе, отмечено, что при таких режимах температура в зоне реакции существенно превышает адиабатическую температуру горения. Использование этого явления в процессах газификации открыло широкие возможности для утилизации разного рода горючих отходов. При этом обеспечиваются высокая энергетическая эффективность, экологическая чистота и относительно невысокие затраты.
Предлагаемая ИПХФ технология термической переработки углеродсодержащих материалов основана на двухстадийной схеме. На первой стадии перерабатываемый материал подвергается паровоздушной газификации в сверхадиабатическом режиме горения. Получаемый при этом энергетический продукт-газ (так в ИПХФ называют ГГ), содержащий водород Н2, монооксид углерода СО и, в ряде случаев, углеводороды и/или другие органические соединения, сжигается на второй стадии в обычных устройствах (например, паровых или водогрейных котлах) с получением тепловой и электрической энергии. Процесс газификации топлива в установке осуществляется в реакторе-газификаторе шахтного типа при реализации сверхадиабатических разогревов в «плотном» слое. Специфическая особенность данного процесса в том, что выделяющееся при горении тепло не выводится из реактора, а концентрируется в зоне газификации и используется на получение водорода из воды и монооксида углерода из углеродосодержащих соединений.
В настоящее время в ИПХФ РАН на основе метода газификации конденсированных топлив в режиме сверхадиабатического горения разработан уже целый ряд технологий утилизации низкосортных топлив и горючих отходов. Например, была создана установка для переработки ТБО непрерывного действия производительностью две тонны в час (производительность можно повысить, наращивая число модулей-реакторов). Реактор-газификатор здесь имеет рабочий диаметр 1,5 м и высоту 7,3 м. Установка потребляет 1800 м3 воздуха и до 700 кг пара в час. Тепловая ее мощность, получаемая при сжигании продукт-газа, – около 5 МВт. Вырабатываемая тепловая энергия используется для нужд горячего водоснабжения города.
Кроме того, в ИПХФ ведётся разработка реакторов иных типоразмеров и конструктивных исполнений, в частности, наклонного вращающегося реактора. Кроме того, начата разработка газовой турбины, работающей на получаемом продукт-газе, в комплекте с реактором-газификатором. Определенные в ходе испытаний характеристики газовых выбросов подтвердили экологическую чистоту процесса при утилизации ТБО. Так, концентрация диоксинов в дымовых газах, даже без их очистки, не превышает ПДК. Твёрдый остаток от сжигания может быть безопасно захоронен; как вариант процесса предусмотрено остекловывание золы с тем, чтобы исключить выщелачивание тяжелых металлов.
Весьма активно в последнее время вопросами газификации стали заниматься научные, проектные, учебные и конструкторско – технологические учреждения Сибири. В частности, КАТЭКНИИуголь, г. Красноярск, Новосибирский институт биоорганической химии СО РАН, Красноярский научный центр, Институт химии и химической технологии, Институт биофизики, Специальное конструкторско-технологического бюро «Наука», г. Красноярск, Институт систем энергетики им. А.С. Мелентьева СО РАН, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск, Иркутский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, Сибирский федеральный университет, г. Красноярск.
Так, учёные Иркутского института физиологии и биохимии растений СО РАН создают новые виды быстрорастущих тополей, которые могут быть сырьём для газификации и, при необходимости, последующего синтеза искусственных моторных топлив, масел и смазок.
Другой перспективной российской разработкой является созданный в КАТЭКНИИ-уголь (г. Красноярск) пылеугольный газификатор. В зарубежных газификаторах, как отмечают различные источники в технической литературе, для нормального жидкого шлакоудаления необходимо поддерживать высокую температуру порядка 1500-1600 °C. При этом шлак расплавляется и не оседает на стенках реактора. Такая высокая температура требует применения жаропрочных материалов для футеровки реактора, и срок службы реактора в большинстве случаев определяется именно состоянием футеровки. Кроме того, по ряду причин столь высокая рабочая температура приводит к снижению эффективности газификации. Основное отличие отечественной разработки от зарубежных аналогов заключается в том, что для охлаждения стенок реактора используется пристенная испаряющаяся водяная завеса. Такая испаряющаяся завеса позволяет поддерживать нужный температурный режим без шлакования стенок реактора. По заявлению разработчиков, технические решения, апробированные на опытной установке производительностью 0,5 т/ч по углю, позволяют на 16-25% сократить удельный расход кислорода и на 7-8% увеличить КПД газификации. Также утверждается, что использование таких газогенераторов для ПГУ с внутрицикловой газификацией позволит увеличить электрический КПД выше 50%.
Кроме того, учёные ИХХТ СО РАН совместно с сотрудниками Сибирского федерального университета предложили принципиальную схему газификации измельчённой биомассы с одностадийным получением метансодержащего ГГ. При такой схеме реакция синтеза метана (СО + 3Н2 = СН4 + Н20 + 206 кДж/моль) идёт непосредственно в реакторе термохимической конверсии топлива в псевдоожиженном слое катализатора. В качестве катализатора разработчики после сравнительных испытаний 5-ти образцов выбрали катализатор «АНКМ-1Э» производства ОАО «Ангарский завод катализаторов и оргсинтеза», содержащий после прокаливания при 800 0С 34-38% NiO и не менее 48% Al2O3. Так, впервые исследован и реализован процесс синтеза полиоксиалканоатов СО-резистентным штаммом водородных бактерий Ralstonia eutropha с использованием в качестве основного ростового субстрата продукта газификации бурых канско-ачинских углей (синтез-газа), состоящего в значительной мере из высокотоксичного монооксида углерода. В ходе санитарно-химических исследований установлено, что все образцы полиоксиалканоатов, синтезированных на данном газовом субстрате, отвечают требованиям, предъявляемым к материалам и изделиям медицинского назначения. В результате, коллективом красноярских учёных научно обоснована возможность практического применения малоценных твёрдых каустобиолитов (бурых углей) и возобновляемых техногенных ресурсов (отходов) в качестве сырья для производства с использованием технологий ГКТ энергии, а также высокотехнологичных, в т.ч. импортозамещающих, изделий и материалов с заданными свойствами.
Копытов В.В. “Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития”.
Комментарии
Пока нет комментариев