Газификация — это процесс, который превращает углеродсодержащие материалы на основе биомассы или ископаемого топлива в газы, включая в качестве крупнейших фракций: азот (N 2 ), окись углерода (CO), водород (H 2 ) и двуокись углерода (CO 2 ). Это достигается за счет реакции исходного материала при высоких температурах (обычно >700 °C) без сжигания за счет контроля количества кислорода и /или пара, присутствующего в реакции. Полученная газовая смесь называется синтез-газом (из синтез-газа) или генераторным газом и сама по себе является топливом из-за воспламеняемости H 2 и CO, из которых в основном состоит газ. Энергия может быть получена в результате последующего сжигания полученного газа и считается источником возобновляемой энергии , если газифицированные соединения были получены из сырья биомассы. [1] [2] [3] [4]
Преимущество газификации заключается в том, что синтез-газ может быть более эффективным, чем прямое сжигание исходного исходного материала, поскольку его можно сжигать при более высоких температурах, поэтому термодинамический верхний предел эффективности, определенный правилом Карно , выше. Сингаз также может использоваться в качестве источника водорода в топливных элементах, однако синтез-газ, производимый большинством систем газификации, требует дополнительной обработки и риформинга для удаления примесей и других газов, таких как CO и CO 2 , чтобы быть пригодным для использования в низкотемпературных топливных элементах. но высокотемпературные твердооксидные топливные элементы способны непосредственно принимать смеси H 2 , CO, CO 2 , пара и метана. [5]
Сингаз чаще всего сжигается непосредственно в газовых двигателях , используется для производства метанола и водорода или преобразуется с помощью процесса Фишера-Тропша в синтетическое топливо . Для некоторых материалов газификация может быть альтернативой захоронению и сжиганию , что приводит к снижению выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, таких как метан и твердые частицы . Некоторые процессы газификации направлены на очистку агрессивных элементов золы, таких как хлорид и калий , что позволяет производить чистый газ из проблемного исходного материала. Газификация ископаемого топлива в настоящее время широко используется в промышленных масштабах для производства электроэнергии. При газификации могут образовываться меньшие количества некоторых загрязняющих веществ, таких как SO x и NO x, чем при сжигании. [6]
Энергия производится в промышленных масштабах путем газификации с начала 19 века. Первоначально уголь и торф газифицировались для производства городского газа для освещения и приготовления пищи, при этом первое общественное уличное освещение было установлено в Пэлл-Мэлл в Лондоне 28 января 1807 года и вскоре распространилось на коммерческое газовое освещение в большинстве промышленно развитых городов до конца 19-го века. века [7] , когда его заменили электрическим освещением. Газификация и синтез-газ продолжали использоваться в доменных печах и, что более важно, в производстве синтетических химикатов, где они использовались с 1920-х годов. Тысячи сайтов оставили токсичные остатки. Некоторые участки были восстановлены, а другие все еще загрязнены. [8]
Во время обеих мировых войн , особенно Второй мировой войны , потребность в топливе, получаемом путем газификации, вновь возникла из-за нехватки нефти. [9] Генераторы древесного газа , называемые Gasogene или Gazogene, использовались для питания автомобилей в Европе . К 1945 году появились грузовики, автобусы и сельскохозяйственные машины, работавшие на газификации. По оценкам, во всем мире на бензине производителей работало около 9 000 000 автомобилей.
Другой пример: Xethan (буквально «угольный автомобиль» на вьетнамском языке ) представлял собой микроавтобус , переоборудованный для работы на угле вместо бензина . Эта модификация вернула себе популярность во Вьетнаме в период субсидирования , когда бензин был в дефиците. Xe стал гораздо менее распространенным в период Đổi Mới , когда бензин снова стал широко доступным.
В газификаторе углеродистый материал подвергается нескольким различным процессам:
По сути, в реактор вводится ограниченное количество кислорода или воздуха, чтобы позволить некоторой части органического материала «сгореть» с образованием углекислого газа и энергии, что запускает вторую реакцию, которая преобразует дальнейший органический материал в водород и дополнительный углекислый газ. . Дальнейшие реакции происходят, когда образовавшийся оксид углерода и остаточная вода из органического материала реагируют с образованием метана и избытка углекислого газа (4CO + 2H 2 O → CH 4 + 3CO 2 ). Эта третья реакция чаще происходит в реакторах, в которых увеличивается время пребывания реакционноспособных газов и органических материалов, а также тепло и давление. Катализаторы используются в более сложных реакторах для повышения скорости реакции, тем самым приближая систему к равновесию реакции в течение фиксированного времени пребывания.
В настоящее время для коммерческого использования доступны несколько типов газификаторов: противоточные с неподвижным слоем, прямоточные с неподвижным слоем, псевдоожиженный слой , с увлеченным потоком, плазменные и свободнорадикальные. [1] [10] [11] [12]
Неподвижный слой углеродистого топлива (например, угля или биомассы), через который «агент газификации» (пар, кислород и/или воздух) протекает в противоточной конфигурации. [13] Зола удаляется либо в сухом виде, либо в виде шлака . Шлакующие газификаторы имеют более низкое соотношение пара и углерода, [14] достигая температуры, превышающей температуру плавления золы. Характер газификатора означает, что топливо должно иметь высокую механическую прочность и в идеале не должно слеживаться, чтобы образовывать проницаемый слой, хотя недавние разработки в некоторой степени уменьшили эти ограничения. [ нужна цитация ] Производительность газификатора этого типа относительно низкая. Термический КПД высок, поскольку температуры на выходе газа относительно низкие. Однако это означает, что производство смол и метана является значительным при типичных рабочих температурах, поэтому перед использованием полученный газ необходимо тщательно очистить. Смола может быть возвращена в реактор.
При газификации мелкой, неуплотненной биомассы, такой как рисовая шелуха , необходимо нагнетать воздух в реактор с помощью вентилятора. Это создает очень высокую температуру газификации, достигающую 1000 C. Над зоной газификации образуется слой мелкого и горячего угля, и при продувке газа через этот слой большинство сложных углеводородов расщепляются на простые компоненты водорода. и окись углерода. [ нужна цитата ]
Аналогичен противоточному типу, но газ-агент газификации течет в прямоточной конфигурации с топливом (вниз, отсюда и название «газификатор с нисходящей тягой»). Тепло необходимо подвести к верхней части слоя либо путем сжигания небольшого количества топлива, либо от внешних источников тепла. Произведенный газ выходит из газификатора с высокой температурой, и большая часть этого тепла часто передается агенту газификации, добавляемому в верхнюю часть слоя, что приводит к энергоэффективности на уровне противоточного типа. Поскольку в этой конфигурации все смолы должны проходить через горячий слой полукокса, уровни смол намного ниже, чем в противоточном типе.
Топливо псевдоожижается в кислороде и паре или воздухе. Зола удаляется в сухом виде или в виде тяжелых агломератов, которые обезжиживаются. В газификаторах с сухой золой температуры относительно низкие, поэтому топливо должно быть высокореактивным; особенно подходят низкосортные угли. Агломерационные газификаторы имеют несколько более высокие температуры и подходят для углей более высокого качества. Пропускная способность топлива выше, чем у газификатора с неподвижным слоем, но не такая высокая, как у газификатора с увлеченным потоком. Эффективность преобразования может быть довольно низкой из-за вымывания углеродистого материала. Для повышения конверсии можно использовать рециркуляцию или последующее сжигание твердых веществ. Газификаторы с псевдоожиженным слоем наиболее полезны для топлива, которое образует высококоррозионную золу, которая может повредить стенки газификаторов со шлаком. Топливо из биомассы обычно содержит высокий уровень коррозионной золы.
В газификаторах с псевдоожиженным слоем используется материал инертного слоя в псевдоожиженном состоянии, который улучшает распределение тепла и биомассы внутри газификатора. В псевдоожиженном состоянии поверхностная скорость жидкости превышает минимальную скорость псевдоожижения, необходимую для подъема материала слоя против веса слоя. Газификаторы с псевдоожиженным слоем делятся на газификаторы с барботажным псевдоожиженным слоем (BFB), газификаторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) и газификаторы с двойным псевдоожиженным слоем (DFB).
Сухое измельченное твердое вещество, распыленное жидкое топливо или топливная суспензия газифицируются кислородом (гораздо реже воздухом) в прямоточном потоке. Реакции газификации протекают в плотном облаке очень мелких частиц. Большинство углей подходят для газификатора этого типа из-за высоких рабочих температур и того, что частицы угля хорошо отделены друг от друга.
Высокие температуры и давления также означают, что может быть достигнута более высокая производительность, однако термический КПД несколько ниже, поскольку газ необходимо охладить, прежде чем его можно будет очистить с помощью существующей технологии. Высокие температуры также означают, что в получаемом газе отсутствуют смолы и метан; однако потребность в кислороде выше, чем у других типов газификаторов. Все газификаторы с увлеченным потоком удаляют большую часть золы в виде шлака, поскольку рабочая температура значительно превышает температуру плавления золы.
Меньшая часть золы образуется либо в виде очень мелкой сухой золы , либо в виде суспензии золы черного цвета. Некоторые виды топлива, в частности определенные типы биомассы, могут образовывать шлак, вызывающий коррозию внутренних керамических стенок, которые служат для защиты внешней стенки газификатора. Однако некоторые газификаторы с увлеченным потоком не имеют керамической внутренней стенки, но имеют внутреннюю стенку, охлаждаемую водой или паром, покрытую частично затвердевшим шлаком. Эти типы газификаторов не страдают от агрессивных шлаков.
Некоторые виды топлива содержат золу с очень высокой температурой плавления золы. В этом случае перед газификацией к топливу смешивают в основном известняк. Для снижения температуры плавления обычно бывает достаточно добавления небольшого количества известняка. Частицы топлива должны быть намного меньше, чем в газификаторах других типов. Это означает, что топливо необходимо измельчать, что требует несколько больше энергии, чем для других типов газификаторов. Безусловно, наибольший расход энергии, связанный с газификацией увлеченного потока, приходится не на измельчение топлива, а на производство кислорода, используемого для газификации.
В плазменном газификаторе на факел подается ток высокого напряжения, создающий высокотемпературную дугу. Неорганический остаток извлекается в виде стеклоподобного вещества.
Существует большое количество различных типов сырья для использования в газификаторе, каждый из которых имеет разные характеристики, включая размер, форму, объемную плотность, содержание влаги, энергоемкость, химический состав, характеристики плавления золы и однородность всех этих свойств. Уголь и нефтяной кокс используются в качестве основного сырья для многих крупных заводов газификации по всему миру. Кроме того, можно газифицировать разнообразное сырье, полученное из биомассы и отходов, включая древесные гранулы и щепу, древесные отходы, пластмассы и алюминий, твердые бытовые отходы (ТБО), топливо, полученное из отходов (RDF), сельскохозяйственные и промышленные отходы, осадки сточных вод. , просо, выброшенные семена кукурузы, кукурузная солома и другие остатки сельскохозяйственных культур - все это используется. [1]
Компания Chemrec разработала процесс газификации черного щелока . [16]
Газификация отходов имеет ряд преимуществ перед сжиганием:
Основной задачей технологий газификации отходов является достижение приемлемого (положительного) валового электрического КПД. Высокой эффективности преобразования синтез-газа в электроэнергию противодействуют значительные энергозатраты на предварительную переработку отходов, потребление большого количества чистого кислорода (который часто используется в качестве агента газификации) и очистку газа. Другая проблема, которая становится очевидной при реализации этих процессов в реальной жизни, заключается в обеспечении длительных межсервисных интервалов на станциях, чтобы не было необходимости останавливать установку каждые несколько месяцев для очистки реактора.
Защитники окружающей среды называют газификацию «замаскированным сжиганием» и утверждают, что эта технология по-прежнему опасна для качества воздуха и здоровья населения. «Начиная с 2003 года многочисленные предложения по очистным сооружениям в надежде использовать… технологии газификации не получили окончательного одобрения на работу, поскольку утверждения сторонников проекта не выдержали общественного и правительственного изучения ключевых утверждений», — сообщает Глобальный альянс за альтернативы мусоросжигательным заводам. . [17] На одном объекте, работавшем в 2009–2011 годах в Оттаве, за эти три года произошло 29 «инцидентов с выбросами» и 13 «разливов». Кроме того, он мог работать только примерно 25% времени. [18]
Было предложено несколько процессов газификации отходов, но немногие из них еще были построены и испытаны, и лишь немногие из них были реализованы как заводы, перерабатывающие настоящие отходы, и большую часть времени в сочетании с ископаемым топливом. [19]
Один завод (в Тибе , Япония, использующий процесс Thermoselect [20] ) перерабатывает промышленные отходы природным газом и очищенным кислородом с 2000 года, но еще не задокументировал положительное чистое производство энергии в результате этого процесса.
В 2007 году компания Ze-gen построила демонстрационную установку по газификации отходов в Нью-Бедфорде, штат Массачусетс . Установка была спроектирована для демонстрации газификации конкретных потоков отходов, не относящихся к ТБО, с использованием газификации жидкого металла . [21] Этот объект появился после того, как широкое общественное сопротивление отложило планы строительства аналогичного завода в Эттлборо, штат Массачусетс . [22] Сегодня Ze-gen, судя по всему, прекратил свое существование, а веб-сайт компании был закрыт в 2014 году. [23]
Также в США в 2011 году была испытана плазменная система, поставленная PyroGenesis Canada Inc., для газификации твердых бытовых отходов, опасных отходов и биомедицинских отходов на базе ВВС Командования специальных операций Флориды в Херлберт-Филд. Завод, строительство которого обошлось в 7,4 миллиона долларов, [24] был закрыт и продан на государственном аукционе по ликвидации в мае 2013 года. [25] [26] Начальная цена составила 25 долларов. Выигравшая заявка была зафиксирована.
В декабре 2022 года в Рино, штат Невада, открылся завод Sierra BioFuels, который перерабатывает свалочные отходы в синтетическую сырую нефть. [27]
Сингаз можно использовать для производства тепла, а также для производства механической и электрической энергии. Как и другие газообразные виды топлива, генераторный газ обеспечивает больший контроль над уровнем мощности по сравнению с твердым топливом, что приводит к более эффективной и экологически чистой работе.
Сингаз также можно использовать для дальнейшей переработки в жидкое топливо или химикаты.
Газификаторы предлагают гибкий вариант для термического применения, поскольку их можно модернизировать в существующие устройства, работающие на газе, такие как печи , печи , котлы и т. д., где синтез-газ может заменить ископаемое топливо. Теплотворная способность синтез-газа обычно составляет около 4–10 МДж/м 3 .
В настоящее время газификация в промышленных масштабах в основном используется для производства электроэнергии из ископаемого топлива, такого как уголь, где синтез-газ сжигается в газовой турбине. Газификация также используется в промышленности при производстве электроэнергии, аммиака и жидкого топлива (нефти) с использованием комбинированных циклов интегрированной газификации ( IGCC ), с возможностью производства метана и водорода для топливных элементов. IGCC также является более эффективным методом улавливания CO 2 по сравнению с традиционными технологиями. Демонстрационные установки IGCC работают с начала 1970-х годов, а некоторые из установок, построенных в 1990-х годах, в настоящее время вводятся в коммерческую эксплуатацию.
В сфере малого бизнеса и строительства, где источник древесины является устойчивым, в Европе были установлены новые установки газификации биомассы с нулевым выбросом углерода мощностью 250–1000 кВт, которые производят синтез-газ, не содержащий смол, из древесины и сжигают его в поршневых двигателях, подключенных к генератору с рекуперацией тепла. . Этот тип установки часто называют ТЭЦ на древесной биомассе, но это установка с семью различными процессами: переработка биомассы, доставка топлива, газификация, очистка газа, утилизация отходов, выработка электроэнергии и утилизация тепла. [28]
Дизельные двигатели могут работать в двухтопливном режиме с использованием генераторного газа. Легко добиться замены дизельного топлива более чем на 80% при высоких нагрузках и на 70–80% при нормальных изменениях нагрузки. [29] Двигатели с искровым зажиганием и твердооксидные топливные элементы могут работать на 100% газификационном газе. [30] [31] [32] Механическая энергия двигателей может использоваться, например, для приведения в действие водяных насосов для орошения или для соединения с генератором переменного тока для выработки электроэнергии.
Хотя небольшие газификаторы существуют уже более 100 лет, было мало источников, где можно было получить готовую к использованию машину. Небольшие устройства обычно представляют собой проекты, сделанные своими руками . Однако в настоящее время в США несколько компаний предлагают газификаторы для работы с двигателями малой мощности.
В принципе, газификация может происходить практически из любого органического материала, включая биомассу и пластиковые отходы . Полученный синтез-газ можно сжигать. Альтернативно, если синтез-газ достаточно чистый, его можно использовать для производства энергии в газовых двигателях, газовых турбинах или даже топливных элементах или эффективно конвертировать в диметиловый эфир (ДМЭ) путем дегидратации метанола, метана посредством реакции Сабатье или дизельного топлива. синтетическое топливо по процессу Фишера-Тропша . Во многих процессах газификации большая часть неорганических компонентов исходного материала, таких как металлы и минералы, сохраняется в золе. В некоторых процессах газификации (шлаковая газификация) эта зола имеет форму стеклообразного твердого вещества с низкими выщелачивающими свойствами, но полезное производство электроэнергии при шлаковой газификации низкое (иногда отрицательное), а затраты выше.
Независимо от конечной формы топлива, сама газификация и последующая переработка не приводят к прямым выбросам и не улавливают парниковые газы , такие как углекислый газ. Однако потребление энергии в процессах газификации и конверсии синтез-газа может быть значительным и может косвенно вызывать выбросы CO 2 ; при шлаковании и плазменной газификации потребление электроэнергии может даже превышать любое производство электроэнергии из синтез-газа.
При сжигании синтез-газа или производного топлива выделяется точно такое же количество углекислого газа, которое было бы выделено при прямом сжигании исходного топлива. Газификация и сжигание биомассы могут сыграть значительную роль в экономике возобновляемых источников энергии, поскольку производство биомассы удаляет из атмосферы такое же количество CO 2 , какое выбрасывается в результате газификации и сжигания. Хотя другие технологии биотоплива, такие как биогаз и биодизель , являются углеродно-нейтральными , газификация в принципе может работать на более широком спектре исходных материалов и может использоваться для производства более широкого спектра выходного топлива.
В настоящее время существует несколько установок по газификации биомассы промышленного масштаба. С 2008 года в Свенлюнге, Швеция, установка по газификации биомассы вырабатывает до 14 МВт тыс. электроэнергии , снабжая промышленные предприятия и жителей Свенлюнги технологическим паром и централизованным теплоснабжением соответственно. Газификатор использует топливо из биомассы , такое как CCA или пропитанные креозотом древесные отходы и другие виды переработанной древесины, для производства синтез-газа, который сжигается на месте. [33] [34]
Примеры демонстрационных проектов включают в себя:
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
