Введение

Форма преобразования энергии – процесс.

Газификация – это процесс преобразования биомассы или углеродсодержащих материалов, основанных на ископаемом топливе, в газы, включая в качестве основных фракций: азот (N2), монооксид углерода (CO), водород (H2) и диоксид углерода. Это достигается путем реакции исходного материала при высоких температурах (обычно >700 °C) без сгорания, посредством контроля количества присутствующего в реакции кислорода и/или пара. Полученная газовая смесь называется синтез-газом (от англ. synthesis gas) или генераторным газом и сама является топливом благодаря воспламеняемости H2 и CO, составляющих основную часть газа. Энергия может быть получена в результате последующего сжигания полученного газа и считается источником возобновляемой энергии, если газифицированные соединения получены из биомассы. 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, что повышает верхний термодинамический предел эффективности, определяемый правилом Карно. Синтез-газ также может использоваться в качестве источника водорода в топливных элементах, однако синтез-газ, производимый большинством систем газификации, требует дополнительной обработки и риформинга для удаления загрязняющих веществ и других газов, таких как CO, и для пригодности к использованию в топливных элементах низкой температуры, в то время как высокотемпературные твердооксидные топливные элементы способны напрямую принимать смеси H2, CO, CO2, пара и метана. Синтез-газ чаще всего сжигается непосредственно в газовых двигателях, используется для производства метанола и водорода или преобразуется посредством процесса Фишера-Тропша в синтетическое топливо. Для некоторых материалов газификация может быть альтернативой захоронению и сжиганию, что приводит к снижению выбросов атмосферных загрязнителей, таких как метан и твердые частицы. Некоторые процессы газификации направлены на удаление коррозионно-активных элементов золы, таких как хлориды и калий, что позволяет производить чистый газ из сырья, которое в противном случае было бы проблемным. Газификация ископаемого топлива в настоящее время широко используется в промышленных масштабах для производства электроэнергии. Газификация может приводить к образованию меньшего количества некоторых загрязняющих веществ, таких как SOx, по сравнению со сжиганием.

История

Энергия производится в промышленных масштабах с помощью газификации с начала XIX века. Первоначально уголь и торф газифицировались для производства городского газа для освещения и приготовления пищи, а первое общественное уличное освещение было установлено в Пэлл-Молл, Лондон, 28 января 1807 года, и вскоре распространилось на обеспечение коммерческим газовым освещением большинства индустриализированных городов до конца XIX века, когда оно было заменено электрическим освещением. Газификация и синтез-газ продолжали использоваться в доменных печах и, что более важно, в производстве синтетических химических веществ, где они применяются с 1920-х годов. Тысячи площадок остались с токсичными отходами. Некоторые из них были рекультивированы, а другие остаются загрязненными. Во время обеих мировых войн, особенно во время Второй мировой войны, потребность в топливе, производимом газификацией, вновь возникла из-за нехватки нефти. Древесные газогенераторы, известные как Gasogene или Gazogène, использовались для привода автомобилей в Европе. К 1945 году существовали грузовики, автобусы и сельскохозяйственная техника, работающие на генераторном газе. По оценкам, во всем мире насчитывалось около 9 000 000 транспортных средств, работающих на генераторном газе. Другой пример – Xe than (буквально «угольная машина» на вьетнамском языке) – это микроавтобус, переоборудованный для работы на угле вместо бензина. Эта модификация вновь приобрела 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.

Процессы

В настоящее время для коммерческого использования доступны несколько типов газификаторов: с противоточным фиксированным слоем, с соточным фиксированным слоем, с псевдоожиженным слоем, с уносом, плазменные и с использованием свободных радикалов.

Газификатор с противоточным фиксированным слоем ("наверх по течению")

Неподвижный слой углеродного топлива (например, угля или биомассы), через который в противоточном режиме протекает "газифицирующий агент" (пар, кислород и/или воздух). Зола удаляется в сухом состоянии или в виде шлака. Газификаторы со шлакообразованием имеют более низкое отношение пара к углероду, достигая температур выше температуры плавления золы. Конструкция газификатора требует, чтобы топливо обладало высокой механической прочностью и, в идеале, неслеживалось, чтобы формировать проницаемый слой, хотя недавние разработки несколько ослабили эти ограничения. Производительность этого типа газификатора относительно низкая. Тепловая эффективность высока, поскольку температура на выходе газов относительно низкая. Однако это приводит к значительному образованию смолы и метана при типичных рабочих температурах, поэтому продукт газа необходимо тщательно очищать перед использованием. Смолу можно возвращать в реактор. При газификации мелкой, неспрессованной биомассы, такой как рисовая шелуха, необходимо продувать воздух в реактор с помощью вентилятора. Это создает очень высокую температуру газификации, достигающую 1000 °C. Над зоной газификации образуется слой мелкого и горячего кокса, и при прохождении газа через этот слой большинство сложных углеводородов разлагаются на простые компоненты – водород и монооксид углерода.

Газификатор с постоянным потоком ("низкий поток")

Похож на противоточный тип, но газ газификационного агента течет совместно с топливом (вниз, отсюда и название "газификатор с восходящим потоком"). Тепло необходимо подводить в верхнюю часть слоя, либо путем сжигания небольшого количества топлива, либо из внешних источников тепла. Образующийся газ покидает газификатор при высокой температуре, и большая часть этого тепла часто передается газификационному агенту, подаваемому в верхнюю часть слоя, что обеспечивает энергоэффективность, сопоставимую с противоточным типом. Поскольку в данной конфигурации все смолы проходят через горячий слой кокса, содержание смол значительно ниже, чем в противоточном типе.

Реактор с жидкостной котельной

Топливо флюидизируется в кислороде, паре или воздухе. Пепел удаляется в сухом виде или в виде тяжелых агломератов, вызывающих дефлюидизацию. Температуры в сухих газификаторах с удалением пепла относительно низкие, поэтому топливо должно быть высокореактивным; низкосортные угли особенно подходят для этого. Агломерирующие газификаторы имеют немного более высокие температуры и подходят для углей более высокого ранга. Производительность по топливу выше, чем в газификаторах с неподвижным слоем, но ниже, чем в газификаторах с уносом. Эффективность конверсии может быть довольно низкой из-за элютрирования углеродсодержащего материала. Для повышения конверсии можно использовать рециркуляцию или последующее сжигание твердых остатков. Газификаторы с псевдоожиженным слоем наиболее эффективны для топлива, образующего высококоррозионный пепел, который может повредить стенки газификаторов шлакового типа. Топливо из биомассы обычно содержит высокий уровень коррозионного пепла. Газификаторы с псевдоожиженным слоем используют инертный материал в псевдоожиженном состоянии, что улучшает распределение тепла и биомассы внутри газификатора. В псевдоожиженном состоянии поверхностная скорость флюида превышает минимальную скорость флюидизации, необходимую для удержания материала слоя против силы тяжести. Газификаторы с псевдоожиженным слоем подразделяются на газификаторы с кипящим псевдоожиженным слоем (BFB), с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) и с двойным псевдоожиженным слоем (DFB).

Газификатор с приводным потоком

Сухое распылённое твердое вещество, распылённое жидкое топливо или топливная суспензия газифицируются с кислородом (значительно реже: воздухом) в сонаправленном потоке. Реакции газификации протекают в плотном облаке очень мелких частиц. Большинство видов угля подходят для этого типа газификатора благодаря высоким рабочим температурам и хорошей разделенности частиц угля. Высокие температуры и давление также позволяют достичь большей производительности, однако тепловая эффективность несколько ниже, так как газ необходимо охладить перед очисткой с использованием существующих технологий. Высокие температуры также исключают присутствие смолы и метана в продуктовом газе; однако потребление кислорода выше, чем в других типах газификаторов. Во всех газификаторах с уносом потока основная часть золы удаляется в виде шлака, поскольку рабочая температура значительно превышает температуру плавления золы. Меньшая часть золы образуется либо в виде очень мелкой сухой золы-уноса, либо в виде чёрной суспензии золы-уноса. Некоторые виды топлива, особенно определённые типы биомассы, могут образовывать шлак, вызывающий коррозию керамических внутренних стенок, предназначенных для защиты внешней стенки газификатора. Однако некоторые газификаторы с уносом потока не имеют керамической внутренней стенки, а оснащены внутренней стенкой, охлаждаемой водой или паром, покрытой частично затвердевшим шлаком. Эти типы газификаторов не подвержены коррозионному воздействию шлака. Зола некоторых видов топлива имеет очень высокую температуру плавления. В этом случае в топливо перед газификацией обычно добавляют известняк. Добавления небольшого количества известняка обычно достаточно для снижения температуры плавления. Размер частиц топлива должен быть значительно меньше, чем в других типах газификаторов. Это означает, что топливо необходимо измельчать, что требует несколько больше энергии, чем для других типов газификаторов. Однако основная часть энергопотребления, связанного с газификацией с уносом потока, приходится не на измельчение топлива, а на производство кислорода, используемого для газификации.

Плазменный газификатор

В плазменном газификаторе на факел подается высоковольтный ток, создающий высокотемпературную дугу. Неорганический остаток извлекается в виде стекловидного вещества.

Сырье

Существует большое количество различных видов сырья для использования в газификаторе, каждый из которых имеет различные характеристики, включая размер, форму, объемную плотность, влажность, теплотворную способность, химический состав, характеристики спекания золы и однородность всех этих свойств. Уголь и нефтяной кокс используются в качестве основного сырья для многих крупных установок газификации по всему миру. Кроме того, можно газифицировать различные виды биомассы и отходы, такие как древесные пеллеты и щепа, отходы древесины, пластмассы и алюминий, твердые бытовые отходы (ТБО), топливо, полученное из отходов (RDF), сельскохозяйственные и промышленные отходы, осадок сточных вод, мискантус, отбракованные семена кукурузы, стебли кукурузы и другие растительные остатки. На одном из предприятий, работавшем в Оттаве с 2009 по 2011 год, за эти три года произошло 29 "эмиссионных инцидентов" и 13 "разливов". Он также мог работать лишь около 25% времени. Было предложено несколько процессов газификации отходов, но лишь немногие из них были построены и испытаны, и лишь несколько реализованы в виде заводов по переработке реальных отходов, причем в большинстве случаев в сочетании с ископаемым топливом. Один завод (в Чибе, Япония, использующий процесс Thermoselect) перерабатывает промышленные отходы с использованием природного газа и очищенного кислорода с 2000 года, но до сих пор не зафиксировал положительный чистый прирост энергии от этого процесса. В 2007 году Ze gen построила демонстрационную установку по газификации отходов в Нью-Бедфорде, штат Массачусетс. Установка была разработана для демонстрации газификации конкретных потоков отходов, не относящихся к ТБО, с использованием газификации жидким металлом. Это сооружение появилось после того, как широкое общественное сопротивление приостановило планы по строительству аналогичного завода в Атлборо, штат Массачусетс. Сегодня Ze gen, по-видимому, прекратила свое существование, а веб-сайт компании был удален в 2014 году. Также в США, в 2011 году была испытана плазменная система, поставленная компанией PyroGenesis Canada Inc., для газификации твердых бытовых отходов, опасных отходов и биомедицинских отходов на базе ВВС командования специальных операций Hurlburt Field во Флориде. Завод, строительство которого стоило 7,4 миллиона долларов, был закрыт и продан на государственном аукционе по реализации имущества в мае 2013 года. Начальная цена составляла 25 долларов. Победившая ставка была запечатана. В декабре 2022 года завод Sierra BioFuels открылся в Рино, штат Невада, перерабатывая отходы полигонов в синтетическую сырую нефть.

Текущие приложения

Сингаз может использоваться для производства тепла, а также для выработки механической и электрической энергии. Как и другие газообразные топлива, синтез-газ обеспечивает более точный контроль над мощностью по сравнению с твердым топливом, что повышает эффективность и экологичность процесса. Сингаз также может быть использован для дальнейшей переработки в жидкое топливо или химические продукты.

Тепло

Газификаторы предлагают гибкое решение для тепловых применений, поскольку их можно модернизировать для использования в существующих газовых приборах, таких как печи, горны, котлы и другие, где синтез-газ может заменить ископаемое топливо. Теплотворная способность синтез-газа обычно составляет от 4 до 10 МДж/м³.

Электричество

В настоящее время газификация в промышленном масштабе преимущественно используется для производства электроэнергии из ископаемого топлива, такого как уголь, где синтез-газ сжигается в газовой турбине. Газификация также применяется в промышленности для производства электроэнергии, аммиака и жидкого топлива (нефти) с использованием интегрированных газопаровых циклов (IGCC), с возможностью получения метана и водорода для топливных элементов. IGCC также представляет собой более эффективный метод 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 выходят на уровень коммерческой эксплуатации.

Комбинированная теплоэнергетика

В Европе в малом бизнесе и в строительстве, где источник древесины является устойчивым, установлены установки по газификации биомассы мощностью 250–1000 кВт и новые установки с нулевым выбросом углерода, производящие синтез-газ из древесины без смолы, который сжигается в двигателях внутреннего сгорания, подключенных к генератору с рекуперацией тепла. Этот тип установки часто называют когенерационной установкой на древесной биомассе, но фактически представляет собой комплекс из семи различных процессов: переработка биомассы, подача топлива, газификация, очистка газа, утилизация отходов, выработка электроэнергии и рекуперация тепла.

Транспортное топливо

Дизельные двигатели могут работать в режиме двойного топлива с использованием газа, полученного в результате газификации. Замена дизельного топлива свыше 80% при высоких нагрузках и 70–80% при нормальных колебаниях нагрузки может быть легко достигнута. Двигатели с искровым зажиганием и твердооксидные топливные элементы могут работать на 100% газе, полученном в результате газификации. Механическая энергия от двигателей может использоваться, например, для привода водяных насосов для орошения или для соединения с генератором для производства электроэнергии. Малогабаритные газификаторы существуют уже более 100 лет, однако источников, где можно приобрести готовую установку, было немного. Малогабаритные устройства обычно изготавливаются своими руками. Однако в настоящее время в Соединенных Штатах несколько компаний предлагают газификаторы для небольших двигателей.