Газдану процесі және оның энергияға айналуы

Кіріспе

Энергияны түрлендіру түрі – процесс.

Газдандыру – биомасса немесе қазба отын негізіндегі көміртекті материалдарды газдарға айналдыру процесі. Оның ішінде ең үлкен фракциялар: азот (N2), көміртек оксиді (CO), сутегі (H2) және көмірқышқыл газы. Бұл процесс бастапқы материалды жоғары температурада (әдетте >700 °C) оттегі және/немесе су буының мөлшерін бақылап, жанусыз реакция арқылы жүзеге асырылады. Нәтижедегі газ қоспасы синтез-газ немесе өндіруші газ деп аталады. Газдың құрамындағы сутегі (H2) мен көміртек оксидінің (CO) тұтанғыш қасиеттеріне байланысты, ол өзі отын болып табылады. Алынған газды жағу арқылы энергия алуға болады. Егер газдандырылған материал биомассадан алынған болса, бұл жаңартылатын энергия көзі болып саналады. Газдандырудың бір артықшылығы – синтез-газ бастапқы шикізатты тікелей жағудан тиімдірек болуы мүмкін, себебі оны жоғары температурада жағуға болады, соның салдарынан Карно ережесімен белгіленген тиімділіктің термодинамикалық жоғарғы шегі артады. Синтез-газды отын жасу элементтерінде сутегі көзі ретінде де қолдануға болады. Алайда, көптеген газдандыру жүйелерінде алынған синтез-газды қолдану үшін, одан ластаушы заттарды және басқа газдарды, мысалы, көміртек оксидін (CO) жою үшін қосымша өңдеу және қайта өңдеу қажет. Бірақ жоғары температурадағы қатты оксидті отын жасу элементтері H2, CO, CO2, су буы және метан қоспаларын тікелей қабылдай алады. Синтез-газды көбінесе газ қозғалтқыштарында тікелей жағу үшін, метанол мен сутегі өндіру үшін немесе Фишер-Тропш процесі арқылы синтетикалық отынға айналдыру үшін пайдаланады. Кейбір материалдар үшін газдандыру полигонға тастау және өртеуге қарағанда тиімді балама болып табылады, бұл метан және бөлшектер сияқты атмосфералық ластаушы заттардың шығарылуын азайтады. Кейбір газдандыру процестері хлоридтер мен калий сияқты коррозиялық күл элементтерін тазартуға бағытталған, бұл басқаша проблема тудыратын шикізаттан таза газ өндіруге мүмкіндік береді. Қазіргі уақытта қатты отынды газдандыру электр энергиясын өндіру үшін өнеркәсіптік масштабта кеңінен қолданылады. Газдандыру процесі SOx сияқты кейбір ластаушы заттардың шығарылуын жағуға қарағанда азайтуға мүмкіндік береді.

Gasification is a process that converts biomass or fossil fuel based carbonaceous materials into gases, including as the largest fractions: nitrogen (N2), carbon monoxide (CO), hydrogen (H2), and carbon dioxide This is achieved by reacting the feedstock material at high temperatures (typically >700 °C), without combustion, via controlling the amount of oxygen and/or steam present in the reaction. The resulting gas mixture is called syngas (from synthesis gas) or producer gas and is itself a fuel due to the flammability of the H2 and CO of which the gas is largely composed. Power can be derived from the subsequent combustion of the resultant gas, and is considered to be a source of renewable energy if the gasified compounds were obtained from biomass feedstock. An advantage of gasification is that syngas can be more efficient than direct combustion of the original feedstock material because it can be combusted at higher temperatures so that the thermodynamic upper limit to the efficiency defined by Carnot's rule is higher. Syngas may also be used as the hydrogen source in fuel cells, however the syngas produced by most gasification systems requires additional processing and reforming to remove the contaminants and other gases such as CO and to be suitable for low temperature fuel cell use, but high temperature solid oxide fuel cells are capable of directly accepting mixtures of H2, CO, CO2, steam, and methane. Syngas is most commonly burned directly in gas engines, used to produce methanol and hydrogen, or converted via the Fischer–Tropsch process into synthetic fuel. For some materials gasification can be an alternative to landfilling and incineration, resulting in lowered emissions of atmospheric pollutants such as methane and particulates. Some gasification processes aim at refining out corrosive ash elements such as chloride and potassium, allowing clean gas production from otherwise problematic feedstock material. Gasification of fossil fuels is currently widely used on industrial scales to generate electricity. Gasification can generate lower amounts of some pollutants as SOx and than combustion.

Тарих

Энергия 19-ғасырдың басынан бері газдандыру арқылы өнеркәсіптік көлемде өндіріліп келеді. Алғашқыда көмір мен торф газдандырылып, жарықтандыру және тамақ пісіру үшін қала газы жасалды. Алғашқы қоғамдық көше жарығы 1807 жылдың 28 қаңтарында Лондонның Палл Молл аймағында орнатылып, көп ұзамай 19-шы ғасырдың соңына дейін көптеген өнеркәсіптік қалаларға коммерциялық газ жарығын жеткізуге қолданылды, содан кейін ол электр жарығымен алмастырылды. Газдандыру және синтез газы биік пештерде және, одан да маңыздысы, 1920 жылдардан бері қолданылып келе жатқан синтетикалық химиялық заттар өндірісінде пайдаланыла берді. Мыңдаған нысандар уытты қалдықтарды қалдырды. Кейбір нысандар тазартылды, ал басқалары әлі де ластанған күйде. Екі дүниежүзілік соғыс кезінде, әсіресе Екінші дүниежүзілік соғыста, мұнай тапшылығына байланысты газдандыру арқылы өндірілетін отынға деген қажеттілік қайта туды. Газогендер деп аталатын ағаш газ генераторлары Еуропада автокөліктерді қуаттандыру үшін қолданылды. 1945 жылға қарай газдандыру арқылы жұмыс істейтін жүк көліктері, автобустар және ауыл шаруашылығы машиналары пайда болды. Әлем бойынша 9 миллионға жуық көлік өндірілген газбен жүріп тұрды деп есептеледі. Мысалы, Xe than (виетнам тілінде сөзбе-сөз "көмір машинасы") – бензиннің орнына көмірмен жүретін шағын автобус. Бұл өзгеріс Вьетнамда бензин тапшы болған кезеңде танымал болды. Xe than, бензин кеңінен қолжетімді болған Đổi Mới кезеңінде сирек кездесе бастады.

Процестер

Қазіргі уақытта коммерциялық қолдануға бірнеше газ өңдегіштер қолжетімді: кері ағынды бекітілген қабат, бірдей ағынды бекітілген қабат, ағынды қабат, тасымалданатын ағын, плазмалық және еркін радикалды.

Қарсы ағымды тұрақты төсек ("жоғары ағымды") газдандырғышы

"Газдандыру агенті" (бу, оттегі және/немесе ауа) қарсы ток конфигурациясында ағып өтетін көміртекті отынның (мысалы, көмір немесе биомасса) тұрақты төсегі. Күл құрғақ күйінде немесе шлак түрінде шығарылады. Шлак түзілетін газдандырғыштарда бу мен көмірдің арақатынасы төмендеп, күлдің балқу температурасынан жоғары температураға жетеді. Газдандырғыштың құрылымы отынның жоғары механикалық беріктікке ие болуын және идеалды жағдайда, ұйысуға бейім болмауын талап етеді, себебі бұл оның өткізгіш төсек құруына мүмкіндік береді. Бірақ, соңғы жетістіктер бұл талаптарды біршама жеңілдетті. Осы типтегі газдандырғыштардың өнімділігі салыстырмалы түрде төмен. Газ шығу температурасы төмен болғандықтан, жылу тиімділігі жоғары. Дегенмен, бұл қалыпты жұмыс температурасында шайыр мен метанның көп мөлшерде түзілуіне әкеледі, сондықтан өнімді газды қолдану алдында мұқият тазалау қажет. Шайыр реакторға қайта оралды. Ұсақ, тығыздалмаған биомассаны, мысалы, күріш қабықшаларын газдандыру кезінде, реакторға желдеткіш арқылы ауа үрлеу қажет. Бұл газдандыру температурасын өте жоғары деңгейге көтереді, шамамен 1000°C-қа дейін. Газдандыру аймағының үстінде ұсақ және ыстық көмірдің төсегі пайда болады, ал газ осы төсек арқылы күшпен өткізілгенде, күрделі көмірсутектер сутегі мен көміртек моноксидінің қарапайым құраушыларына ыдырайды.

Бір уақыттағы тұрақты төсек ("төменге қарай ағып кету") газдандырғышы

Қарсы ток түріне ұқсас, бірақ газдандырушы газ отынмен бір бағытта ағылады (төмен қарай, сондықтан "төменнен тартатын газдандырғыш" деп аталады). Жатынның жоғарғы бөлігіне аз мөлшерде отынды жағу арқылы немесе сыртқы жылу көздерінен жылу қосу қажет. Шығарылған газ газдандырғыштан жоғары температурада шығады, және бұл жылудың көп бөлігі жатынның үстінен берілетін газдандырушы газға беріледі, нәтижесінде қарсы ток түрімен салыстырылатын энергия тиімділігіне жетеді. Осы конфигурацияда барлық шайыр жану артығынан өтуі керек болғандықтан, шайырдың мөлшері қарсы ток түріне қарағанда әлдеқайда төмен болады.

Сұйықтық төсегі реакторы

Отын оттегі мен бу немесе ауада сұйықталады. Күлі құрғақ күйінде немесе сұйықтықтан бөлінетін ауыр агломераттар түрінде шығарылады. Құрғақ күл газификаторларында температура салыстырмалы түрде төмен болғандықтан, отынның реакциялық қабілеті жоғары болуы керек; төмен сапалы көмірлерге бұл ерекше қолайлы. Агломерациялық газификаторларда температура шамалы жоғары, сондықтан олар жоғары сапалы көмірге жарамды. Отынның өнімділігі тұрақты төсек газификаторларына қарағанда жоғары, бірақ ағынды газификаторлардағыдай емес. Көміртекті материалдың элютрияциялануы салдарынан түрлену тиімділігі төмен болуы мүмкін. Түрленуді арттыру үшін қайта өңдеу немесе қатты қалдықтарды жаққаннан кейін пайдалануға болады. Сұйықтықталған төсек газификаторлары, шлак газификаторларының қабырғаларын зақымдайтын, жоғары коррозиялық күл түзілетін отындар үшін ең тиімді. Биомасса отындары әдетте жоғары коррозиялық күл құрамына ие. Сұйықтықталған төсек газификаторлары, газификатордың ішінде жылу мен биомасса таралуын жақсартатын, сұйықтық күйдегі инертті төсек материалы қолданады. Сұйықтық күйінде, сұйықтық жылдамдығы төсек салмағына қарсы төсек материалының көтерілуіне қажетті ең төменгі сұйықтық жылдамдығынан жоғары болады. Сұйықтықталған төсек газификаторлары көпіршікті сұйықтықталған төсек (BFB), айналымды сұйықтықталған төсек (CFB) және екі қатты сұйықтықталған төсек (DFB) газификаторларына бөлінеді.

Ағымы жоғары газдандырғыштар

Құрғақ ұнтақталған қатты зат, атомдалған сұйық отын немесе отын суспензиясы оттекпен (сирек жағдайларда: ауамен) бір бағытта ағып газға айналдырылады. Газдандыру реакциялары өте ұсақ бөлшектердің тығыз бұлтында жүзеге асады. Көмірдің көп бөлігі жоғары жұмыс температурасы және көмір бөлшектерінің жақсы бөлінуіне байланысты осы типтегі газгенераторларға жарамды. Жоғары температура мен қысым арқасында жоғары өнімділікке қол жеткізуге болады, бірақ газды қолданыстағы технологиямен тазарту үшін салқындату қажет болғандықтан жылу тиімділігі біршама төмендейді. Жоғары температура сонымен қатар өнім газында шайыр мен метанның болмауын қамтамасыз етеді, алайда оттектің қажеттілігі басқа газгенераторларға қарағанда жоғары. Барлық ағынды газгенераторлар күлдің басым бөлігін шлак түрінде шығарып тастайды, себебі жұмыс температурасы күлдің балқу температурасынан асып түседі. Күлдің аз бөлігі өте ұсақ құрғақ күл немесе қара түсті күлді суспензия түрінде пайда болады. Кейбір отындар, әсіресе биомассаның белгілі бір түрлері, газгенератордың сыртқы қабырғасын қорғауға арналған керамикалық ішкі қабырғаларды коррозияға ұшыратуы мүмкін. Дегенмен, кейбір ағынды газгенераторлар керамикалық ішкі қабырғаға ие болмайды, олардың ішкі қабырғалары сумен немесе бумен салқындатылып, ішінара қатып қалған шлакпен жабылған. Мұндай газгенераторлар коррозиялық шлактардан зардап тартпайды. Кейбір отындардың күлінде күлдің балқу температурасы өте жоғары болады. Мұндай жағдайда, әдетте, газға айналдыру алдында отынға әктас қосылады. Аз ғана әктас қосу балқу температурасын төмендету үшін жеткілікті. Отын бөлшектері басқа газгенераторларға қарағанда әлдеқайда кішкентай болуы керек. Бұл отынды ұнтақтау қажеттігін білдіреді, ол басқа газгенераторларға қарағанда сәл көбірек энергияны қажет етеді. Ағынды газгенерацияға байланысты ең көп энергия тұтыну отынды ұнтақтаумен емес, газға айналдыру үшін қолданылатын оттегіні өндірумен байланысты.

Плазмалық газдандырғыш

Плазмалық газдандырғышта жоғары кернеулі ток мундшұққа (торшқа) беріледі, нәтижесінде жоғары температуралы доға пайда болады. Инорганикалық қалдық шыны тәрізді зат түрінде алынады.

Шикізат

Газдандырғышта қолданылатын шикізаттың көптеген түрлері бар, олардың әрқайсысы мөлшері, пішіні, көлемдік тығыздығы, ылғалдылығы, энергия мазмұны, химиялық құрамы, күлдің балқу сипаттамалары және осы қасиеттердің біртектілігі сияқты әртүрлі ерекшеліктерге ие. Көмір және мұнай коксы әлемдегі көптеген ірі газдандыру өсімдіктері үшін негізгі шикізат ретінде қолданылады. Бұған қоса, ағаш пеллетері мен жоңқалары, ағаш қалдықтары, пластик және алюминий, қалалық қатты қалдықтар (ҚҚҚ), қайта өңделген отын (ҚӨ), ауыл шаруашылығы және өнеркәсіптік қалдықтар, кәріз шламы, мискант, тасталған тұқымдық жүгері, жүгері сабаны және басқа да дақылдардың қалдықтары сияқты биомасса мен қалдықтардан алынған шикізаттың әртүрлі түрлерін газдандыруға болады. 2009–2011 жылдар аралығында Оттавада жұмыс істеген бір нысан сол үш жыл ішінде 29 "шығарынды оқиғасы" мен 13 "ағын оқиғасы" тіркелді. Ол уақыттың шамамен 25% ғана жұмыс істеді. Қалдық газдандырудың бірнеше процестері ұсынылған, бірақ олардың көбі әлі салынып, сынақтан өтпеген, ал тек бірнешеуі ғана нақты қалдықтарды өңдейтін өсімдіктер ретінде іске асырылды, көбінесе қазба отынымен бірге. Жапонияның Чиба қаласындағы Thermoselect процесін пайдаланатын бір өсімдік 2000 жылдан бері табиғи газ және тазартылған оттегімен өнеркәсіптік қалдықтарды өңдеп келеді, бірақ процестен оң таза энергия өндірісін құжаттаған жоқ. 2007 жылы Ze gen Массачусетс штатының Нью-Бедфорд қаласында қалдық газдандырудың демонстрациялық нысанын құрды. Нысанның мақсаты сұйық металл газдандыруды пайдаланып, ҚҚҚ емес белгілі бір қалдық ағындарын газдандыруды көрсету болды. Бұл нысанға ұқсас зауытты Атлборо, Массачусетс штатында салу жоспарлары кеңінен наразылық тудырғаннан кейін салынды. Бүгінде Ze gen компаниясы жұмысын тоқтатқан сияқты көрінеді және компанияның веб-сайты 2014 жылы жабылған. АҚШ-та 2011 жылы PyroGenesis Canada Inc. компаниясы жеткізген плазмалық жүйе Флорида штатындағы Hurlburt Field әуе күші базасында қалалық қатты қалдықтарды, қауіпті қалдықтарды және биомедициналық қалдықтарды газдандыру үшін сынақтан өтті. Құрылысы 7,4 миллион долларға бағаланған нысан 2013 жылдың мамыр айында жабылып, мемлекеттік аукционда сатылды. Бастапқы баға 25 доллар болды. Жеңімпаз ұсынысы жасырын болды. 2022 жылдың желтоқсанында Невада штатының Рино қаласында Sierra BioFuels зауыты ашылды, ол полигон қалдықтарын синтетикалық шикі мұнайға айналдырады.

There are a large number of different feedstock types for use in a gasifier, each with different characteristics, including size, shape, bulk density, moisture content, energy content, chemical composition, ash fusion characteristics, and homogeneity of all these properties. Coal and petroleum coke are used as primary feedstocks for many large gasification plants worldwide. Additionally, a variety of biomass and waste derived feedstocks can be gasified, with wood pellets and chips, waste wood, plastics and aluminium, Municipal Solid Waste (MSW), Refuse derived fuel (RDF), agricultural and industrial wastes, sewage sludge, switch grass, discarded seed corn, corn stover and other crop residues all being used. One facility which operated from 2009–2011 in Ottawa had 29 "emissions incidents" and 13 "spills" over those three years. It was also only able to operate roughly 25% of the time. Several waste gasification processes have been proposed, but few have yet been built and tested, and only a handful have been implemented as plants processing real waste, and most of the time in combination with fossil fuels. One plant (in Chiba, Japan using the Thermoselect process) has been processing industrial waste with natural gas and purified oxygen since year 2000, but has not yet documented positive net energy production from the process. In 2007 Ze gen erected a waste gasification demonstration facility in New Bedford, Massachusetts. The facility was designed to demonstrate gasification of specific non MSW waste streams using liquid metal gasification. This facility came after widespread public opposition shelved plans for a similar plant in Attleboro, Massachusetts. Today Ze gen appears to be defunct, and the company website was taken down in 2014. Also in the US, in 2011 a plasma system delivered by PyroGenesis Canada Inc. was tested to gasify municipal solid waste, hazardous waste and biomedical waste at the Hurlburt Field Florida Special Operations Command Air Force base. The plant, which cost $7.4 million to construct, was closed and sold at a government liquidation auction in May 2013. The opening bid was $25. The winning bid was sealed. In December 2022, the Sierra BioFuels Plant opened in Reno, Nevada, converting landfill waste to synthetic crude oil.

Қазіргі қолданылулары

Сингазды жылу өндіруге, механикалық және электр қуатын тудыруға болады. Басқа газ отындары сияқты, өндіруші газ қатты отынға қарағанда қуат деңгейін жақсырақ реттеуге мүмкіндік береді, нәтижесінде тиімдірек және таза жұмыс атқарылады. Сингазды сұйық отын немесе химиялық өнімдерге одан әрі өңдеу үшін де қолдануға болады.

Жылу

Газдандырғыштар жылу қолданулары үшін икемді мүмкіндіктерді ұсынады, себебі оларды газбен жұмыс істейтін қолданыстағы құрылғыларға, мысалы, пештерге, қоршауларға, қазандықтарға және т.б. қайта орнатуға болады, онда синтез-газ табиғи отынды алмастыруы мүмкін. Синтез-газдың жылу сыйымдылығы әдетте 4-10 МДж/м³ шамасында болады.

Электр энергиясы

Қазіргі уақытта өнеркәсіптік газдандыру көмір сияқты қазба отындардан электр энергиясын өндіру үшін негізгі қолданысқа ие, онда синтездік газ газ турбинасында жағылады. Газдандыру электр энергиясы, аммиак және сұйық отын (мұнай) өндірісінде де қолданылады, сонымен қатар Интегралды газдандырудың біріктірілген циклдері (IGCC) арқылы отын жасушалары үшін метан мен сутегін өндіруге мүмкіндік бар. IGCC дәстүрлі технологиялармен салыстырғанда көмірқышқыл газын ұстаудың тиімдірек әдісі болып табылады. IGCC демонстрациялық қондырғылары 1970-жылдардың басынан бері жұмыс істеп келеді, ал 1990-жылдарда салынған қондырғылардың бір бөлігі қазір коммерциялық пайдалануға енгізілуде.

Жылу және электр энергиясын біріктіру

Шағын бизнес және құрылыс салаларында, ағаш көзі тұрақты болған жағдайда, Еуропада 250–1000 кВт қуаттылығындағы және жаңа көміртегі шығарылымы жоқ биомасса газдандыру қондырғылары орнатылды, олар ағаштан шайырсыз синтездік газ өндіріп, оны жылуды қайтару жүйесімен генераторға қосылған поршеньді қозғалтқыштарда жасайды. Бұл қондырғының түрі көбінесе ағаш биомассасымен жұмыс жасайтын жылу-электр станциясы (ҚЭС) деп аталады, бірақ ол жеті түрлі процестен тұрады: биомассаны өңдеу, отын жеткізу, газдандыру, газды тазалау, қалдықтарды кәдеге жарату, электр энергиясын өндіру және жылуды қайтару.

Көлік отыны

Дизельді қозғалтқыштар өндіруші газды пайдалана отырып, екі түрлі отын режимінде жұмыс істей алады. Жоғары жүктемеде дизельдің 80%-дан астам бөлігін және қалыпты жүктеме ауытқуларында 70–80%-ын алмастыру оңай шамаланған. Шұғыл тұтандыру қозғалтқыштары мен қатты оксидті отын элементтері 100% газдандыру газымен жұмыс істей алады. Қозғалтқыштардан алынатын механикалық энергияны, мысалы, суаруға арналған су сорғыларын іске қосуға немесе электр энергиясын өндіру үшін генератормен байланыстыруға болады. Шағын газдандырғыштар 100 жылдан бері бар болғанымен, қолдануға дайын машинаны алу мүмкіндігі шектеулі болды. Шағын құрылғылар көбінесе өздігінен жасалатын жобалар болып табылады. Дегенмен, қазіргі уақытта АҚШ-та бірнеше компания шағын қозғалтқыштарды газбен жабдықтауға мүмкіндік береді.