Газификация — это процесс, который преобразует углеродистые материалы на основе биомассы или ископаемого топлива в газы, включая в качестве крупнейших фракций: азот (N 2 ), оксид углерода (CO), водород (H 2 ) и диоксид углерода (CO 2 ). Это достигается путем реакции исходного материала при высоких температурах (обычно >700 °C), без сгорания, путем регулирования количества кислорода и/или пара , присутствующего в реакции. Полученная газовая смесь называется синтез-газом (от 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 из последующего сжигания полученного газа и считается источником возобновляемой энергии, если газифицированные соединения были получены из исходного биомассы. [1] [2] [3] [4]
Преимущество газификации заключается в том, что синтез-газ может быть более эффективным, чем прямое сжигание исходного сырья, поскольку его можно сжигать при более высоких температурах, так что термодинамический верхний предел эффективности, определяемый правилом Карно, выше. Синтез-газ также может использоваться в качестве источника водорода в топливных элементах, однако синтез-газ, производимый большинством систем газификации, требует дополнительной обработки и реформинга для удаления загрязняющих веществ и других газов, таких как CO и CO 2 , чтобы быть пригодным для использования в низкотемпературных топливных элементах, но высокотемпературные твердооксидные топливные элементы способны напрямую принимать смеси H 2 , CO, CO 2 , пара и метана. [5]
Синтез-газ 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 загрязняющих веществ в атмосферу, таких как метан и твердые частицы . Некоторые процессы газификации направлены на очистку едких зольных элементов, 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 выработки электроэнергии. Газификация может генерировать меньшие количества некоторых загрязняющих веществ, таких как SO x и NO x , чем сжигание. [6]
Энергия производилась в промышленных масштабах посредством газификации с начала 19 века. Первоначально уголь и торф газифицировались для получения городского газа для освещения и приготовления пищи, первое общественное уличное освещение было установлено в Пэлл-Мэлл, Лондон, 28 января 1807 года, вскоре распространившись для обеспечения коммерческого газового освещения большинства индустриальных городов до конца 19 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 он использовался с 1920-х годов. Тысячи участков оставили токсичные остатки. Некоторые участки были рекультивированы, в то время как другие все еще загрязнены. [8]
Во время обеих мировых войн , особенно Второй мировой войны , потребность в топливе, производимом путем газификации, вновь возникла из-за нехватки нефти. [9] Газогенераторы на древесном топливе , называемые Gasogene или Gazogène, использовались для питания автомобилей в Европе . К 1945 году появились грузовики, автобусы и сельскохозяйственные машины, которые работали на газификации. По оценкам, во всем мире насчитывалось около 9 000 000 транспортных средств, работающих на генераторном газе.
Другой пример, Xe than (дословно «угольный автомобиль» на вьетнамском языке ) был микроавтобусом , который был переоборудован для работы на угле вместо бензина . Эта модификация вновь обрела популярность во Вьетнаме в период субсидий , когда бензин был в дефиците. Xe than стал гораздо менее распространенным в период Đổi mới , когда бензин снова стал широко доступен.
В газификаторе углеродистый материал подвергается нескольким различным процессам:
По сути, в реактор вводится ограниченное количество кислорода или воздуха, чтобы часть органического материала «сгорела» для получения углекислого газа и энергии, что запускает вторую реакцию, которая преобразует дополнительный органический материал в водород и дополнительный углекислый газ. Дальнейшие реакции происходят, когда образовавшийся угарный газ и остаточная вода из органического материала реагируют с образованием метана и избыточного углекислого газа (4CO + 2H 2 O → CH 4 + 3CO 2 ). Эта третья реакция происходит более обильно в реакторах, которые увеличивают время пребывания реактивных газов и органических материалов, а также тепло и давление. Катализаторы используются в более сложных реакторах для повышения скорости реакции, тем самым приближая систему к реакционному равновесию для фиксированного времени пребывания.
В настоящее время для коммерческого использования доступны несколько типов газификаторов: противоточный с неподвижным слоем, прямоточный с неподвижным слоем, псевдоожиженный слой , газификатор с увлеченным потоком, плазменный и свободнорадикальный. [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 состоянии, либо в виде шлака . Шлакообразующие газификаторы имеют более низкое отношение пара к углероду, [14] достигая температур выше температуры плавления золы. Природа 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. [ необходима цитата ] Пропускная способность этого типа газификатора относительно низкая. Тепловая эффективность высока, поскольку температуры на выходе газа относительно низкие. Однако это означает, что при типичных рабочих температурах производство смолы и метана является значительным, поэтому полученный газ должен быть тщательно очищен перед использованием. Смолу можно повторно использовать в реакторе.
При газификации мелкой, неуплотненной биомассы, такой как рисовая шелуха , необходимо вдувать воздух в реактор с помощью вентилятора. Это создает очень высокую температуру газификации, до 1000 °C. Над зоной газификации образуется слой мелкого и горячего угля, и по мере того, как газ продувается через этот слой, большинство сложных углеводородов распадаются на простые компоненты водорода и оксида углерода. [ требуется цитата ]
Аналогично противоточному типу, но газ-агент газификации течет в конфигурации прямотока с топливом (вниз, отсюда и название «газификатор с нисходящим потоком»). Тепло необходимо добавлять в верхнюю часть слоя, либо сжигая небольшое количество топлива, либо от внешних источников тепла. Полученный газ покидает газификатор при высокой температуре, и большая часть этого тепла часто передается газифицирующему агенту, добавленному в верхнюю часть слоя, что приводит к энергоэффективности на уровне противоточного типа. Поскольку все смолы должны проходить через горячий слой угля в этой конфигурации, уровни смолы намного ниже, чем в противоточном типе.
Топливо псевдоожижается в кислороде и паре или воздухе. Зола удаляется сухой или в виде тяжелых агломератов, которые дефлюидизируют. Температуры относительно низкие в газификаторах с сухой золой, поэтому топливо должно быть высокореакционноспособным; особенно подходят низкосортные угли. Агломерирующие газификаторы имеют немного более высокие температуры и подходят для углей более высокого ранга. Пропускная способность топлива выше, чем у неподвижного слоя, 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 шлакообразующих газификаторов. Топливо из биомассы обычно содержит высокие уровни коррозионной золы.
Газификаторы с псевдоожиженным слоем используют инертный материал слоя в псевдоожиженном состоянии, что улучшает распределение тепла и биомассы внутри газификатора. В псевдоожиженном состоянии поверхностная скорость жидкости больше минимальной скорости псевдоожижения, необходимой для подъема материала слоя против веса слоя. Газификаторы с псевдоожиженным слоем делятся на газификаторы с кипящим слоем (BFB), с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) и 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 происходят в плотном облаке очень мелких частиц. Большинство углей подходят для этого типа газификатора из-за высоких рабочих температур и потому, что частицы угля хорошо отделены друг от друга.
Высокие температуры и давления также означают, что может быть достигнута более высокая пропускная способность, однако тепловая эффективность несколько ниже, поскольку газ должен быть охлажден перед тем, как его можно будет очистить с помощью существующей технологии. Высокие температуры также означают, что смола и метан отсутствуют в полученном газе; однако потребность в кислороде выше, чем для других типов газификаторов. Все газификаторы с увлеченным потоком удаляют большую часть золы в виде шлака, поскольку рабочая температура значительно выше температуры плавления золы.
Меньшая часть золы производится либо в виде очень мелкой сухой летучей золы , либо в виде черной летучей золы. Некоторые виды топлива, в частности определенные типы биомассы, могут образовывать шлак, который вызывает коррозию керамических внутренних стенок, которые служат для защиты внешней стенки газификатора. Однако некоторые газификаторы с увлеченным потоком не имеют керамической внутренней стенки, но имеют внутреннюю охлаждаемую водой или паром стенку, покрытую частично затвердевшим шлаком. Эти типы газификаторов не страдают от коррозионных шлаков.
Некоторые виды топлива имеют золу с очень высокой температурой плавления золы. В этом случае в основном известняк смешивается с топливом перед газификацией. Добавления небольшого количества известняка обычно достаточно для снижения температуры плавления. Частицы топлива должны быть намного меньше, чем для других типов газификаторов. Это означает, что топливо должно быть измельчено, что требует несколько больше энергии, чем для других типов газификаторов. Безусловно, большая часть потребления энергии, связанная с газификацией с увлеченным потоком, приходится не на измельчение топлива, а на производство кислорода, используемого для газификации.
В плазменном газификаторе ток высокого напряжения подается на горелку, создавая высокотемпературную дугу. Неорганический остаток извлекается в виде стекловидного вещества.
Существует большое количество различных типов сырья для использования в газификаторе, каждое из которых имеет различные характеристики, включая размер, форму, насыпную плотность, влажность, энергоемкость, химический состав, характеристики плавления золы и однородность всех этих свойств. Уголь и нефтяной кокс используются в качестве основного сырья для многих крупных газификационных установок по всему миру. Кроме того, можно газифицировать различные виды сырья из биомассы и отходов, при этом используются древесные гранулы и щепа, древесные отходы, пластик и алюминий, твердые бытовые отходы (ТБО), топливо из отходов (RDF), сельскохозяйственные и промышленные отходы, канализационный ил, просо, выброшенная семенная кукуруза, кукурузная солома и другие остатки урожая. [1]
Компания Chemrec разработала процесс газификации черного щелока . [16]
Газификация отходов имеет ряд преимуществ перед сжиганием:
Основной проблемой для технологий газификации отходов является достижение приемлемого (положительного) общего электрического КПД. Высокой эффективности преобразования синтез-газа в электроэнергию противодействует значительное потребление электроэнергии при предварительной обработке отходов, потребление большого количества чистого кислорода (который часто используется в качестве газифицирующего агента) и очистка газа. Еще одной проблемой, которая становится очевидной при внедрении процессов в реальной жизни, является получение длительных интервалов обслуживания на заводах, чтобы не было необходимости закрывать завод каждые несколько месяцев для очистки реактора.
Защитники окружающей среды называют газификацию «скрытым сжиганием» и утверждают, что эта технология по-прежнему опасна для качества воздуха и здоровья населения. «С 2003 года многочисленные предложения по очистным сооружениям, в которых надеются использовать... технологии газификации, не получили окончательного одобрения на эксплуатацию, поскольку заявления сторонников проекта не выдерживали общественного и правительственного контроля ключевых заявлений», — сообщает Глобальный альянс за альтернативы сжиганию отходов. [17] На одном предприятии, которое работало с 2009 по 2011 год в Оттаве, за эти три года произошло 29 «инцидентов с выбросами» и 13 «разливов». Кроме того, оно могло работать только примерно 25% времени. [18]
Было предложено несколько процессов газификации отходов, но лишь немногие из них были реализованы и испытаны, и лишь немногие из них были реализованы в качестве установок по переработке настоящих отходов, и большую часть времени в сочетании с ископаемым топливом. [19]
Один завод (в Тибе , Япония, использующий процесс Thermoselect [20] ) перерабатывает промышленные отходы с использованием природного газа и очищенного кислорода с 2000 года, но пока не задокументировал положительное чистое производство энергии в результате этого процесса.
В 2007 году Ze-gen построила демонстрационную установку по газификации отходов в Нью-Бедфорде, штат Массачусетс . Установка была разработана для демонстрации газификации определенных потоков отходов, не относящихся к ТБО, с использованием газификации жидких металлов . [21] Эта установка появилась после того, как широкое общественное сопротивление отложило планы по строительству аналогичного завода в Аттлборо, штат Массачусетс . [22] Сегодня Ze-gen, по-видимому, не функционирует, а веб-сайт компании был закрыт в 2014 году. [23]
Также в США в 2011 году плазменная система, поставленная PyroGenesis Canada Inc., была испытана для газификации твердых бытовых отходов, опасных отходов и биомедицинских отходов на базе Hurlburt Field Florida Special Operations Command Air Force. Завод, строительство которого обошлось в 7,4 млн долларов, [24] был закрыт и продан на правительственном аукционе по ликвидации в мае 2013 года. [25] [26] Начальная цена составляла 25 долларов. Победившая ставка была закрыта.
В декабре 2022 года в Рино, штат Невада, открылся завод Sierra BioFuels, перерабатывающий отходы свалок в синтетическую сырую нефть. [27]
Синтез-газ может использоваться для производства тепла, а также для генерации механической и электрической энергии. Как и другие газообразные виды топлива, генераторный газ обеспечивает больший контроль над уровнями мощности по сравнению с твердыми видами топлива, что приводит к более эффективной и чистой работе.
Синтез-газ также может использоваться для дальнейшей переработки в жидкое топливо или химикаты.
Газификаторы предлагают гибкий вариант для термических применений, поскольку их можно модернизировать в существующих газовых устройствах, таких как печи , топки , 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 промышленная газификация в основном используется для производства электроэнергии из ископаемого топлива, такого как уголь, где синтез-газ сжигается в газовой турбине. Газификация также используется в промышленности для производства 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 CO2 по сравнению с традиционными технологиями. Демонстрационные установки IGCC работают с начала 1970-х годов, а некоторые из установок, построенных в 1990-х годах, сейчас вводятся в коммерческую эксплуатацию.
В малом бизнесе и строительстве, где источник древесины является устойчивым, в Европе были установлены 250–1000 кВтэ и новые установки по газификации биомассы с нулевым выбросом углерода, которые производят синтез-газ без смол из древесины и сжигают его в поршневых двигателях, подключенных к генератору с рекуперацией тепла. Этот тип установки часто называют установкой ТЭЦ на древесной биомассе, но это установка с семью различными процессами: переработка биомассы, подача топлива, газификация, очистка газа, утилизация отходов, выработка электроэнергии и рекуперация тепла. [28]
Дизельные двигатели могут работать в двухтопливном режиме с использованием генераторного газа. Можно легко добиться замены дизельного топлива более чем на 80% при высоких нагрузках и на 70–80% при нормальных колебаниях нагрузки. [29] Двигатели с искровым зажиганием и твердооксидные топливные элементы могут работать на 100% газифицированном газе. [30] [31] [32] Механическая энергия от двигателей может использоваться, например, для привода водяных насосов для орошения или для соединения с генератором переменного тока для выработки электроэнергии.
Хотя малогабаритные газификаторы существуют уже более 100 лет, было мало источников, где можно было бы получить готовую к использованию машину. Малогабаритные устройства обычно представляют собой проекты DIY . Однако в настоящее время в Соединенных Штатах несколько компаний предлагают газификаторы для работы небольших двигателей.
В принципе, газификация может происходить практически из любого органического материала, включая биомассу и пластиковые отходы . Полученный синтез-газ можно сжигать. В качестве альтернативы, если синтез-газ достаточно чист, его можно использовать для производства электроэнергии в газовых двигателях, газовых турбинах или даже топливных элементах, или эффективно преобразовывать в диметиловый эфир (ДМЭ) путем дегидратации метанола, метан через реакцию Сабатье или синтетическое топливо, подобное дизельному, через процесс Фишера-Тропша . Во многих процессах газификации большая часть неорганических компонентов исходного материала, таких как металлы и минералы, удерживается в золе. В некоторых процессах газификации (шлаковая газификация) эта зола имеет форму стекловидного твердого вещества с низкими выщелачивающими свойствами, но чистая выработка электроэнергии при шлаковой газификации низкая (иногда отрицательная), а затраты выше.
Независимо от конечной формы топлива, сама газификация и последующая обработка напрямую не выделяют и не улавливают парниковые газы , такие как углекислый газ. Однако потребление энергии в процессах газификации и преобразования синтез-газа может быть значительным и может косвенно вызывать выбросы CO2 ; при шлакообразовании и плазменной газификации потребление электроэнергии может даже превышать любое производство энергии из синтез-газа.
Сжигание синтез-газа или производных видов топлива выделяет ровно столько же углекислого газа, сколько было бы выброшено при прямом сжигании исходного топлива. Газификация и сжигание биомассы могут играть значительную роль в экономике возобновляемой энергии, поскольку производство биомассы удаляет из атмосферы столько же CO2, сколько выделяется при газификации и сжигании. В то время как другие биотопливные технологии, такие как биогаз и биодизель , являются углеродно-нейтральными , газификация в принципе может работать на более широком спектре входных материалов и может использоваться для производства более широкого спектра выходных видов топлива.
В настоящее время существует несколько промышленных установок по газификации биомассы. С 2008 года в Свенлйунге, Швеция, установка по газификации биомассы вырабатывает до 14 МВт th , снабжая промышленность и жителей Свенлйунги технологическим паром и централизованным теплоснабжением соответственно. Газификатор использует биотопливо, такое как CCА или пропитанные креозотом отходы древесины и другие виды переработанной древесины, для производства синтетического газа, который сжигается на месте. [33] [34]
Примеры демонстрационных проектов включают в себя:
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
