Использование СВЧ-энергии для плазмохимической переработки угля в синтез-газ

В последнее время интенсивно разрабатываются новые и прогрессивные направления переработки угля в условиях высокотемпературных плазмохимических реакторов с целью превращения его в газообразные продукты, такие как водород, ацетилен, цианистый водород, синтез-газ. Такой метод переработки твердых видов топлива является весьма перспективным за счет ряда преимуществ, к которым относятся: высокая селективность плазмохимических процессов, возможность перерабатывать различные виды сырья, основное оборудование, имеющее небольшие габариты, полная автоматизация процесса, отсутствие выбросов в окружающую среду золы, серы и других вредных веществ. Для этих целей могут применяться и СВЧ-плазмотроны. Они могут использоваться как для пиролиза угля, так и для его газификации.

Пиролиз углей в СВЧ плазмотронах

Пиролиз углей в большинстве случаев проводят в плазме аргона и водорода. Пиролиз угля с высокой степенью метаморфизма и низким содержанием кислорода (битуминозный, суббитуминозный уголь) в плазме аргона и водорода в основном дает газообразный ацетилен. При термическом превращении бурых углей с высоким содержанием кислорода в составе продуктов преобладают окислы углерода и водород.

Реакторы с плазменным нагревом сырья могут различаться способом ввода угольных порошков в плазменную струю. В зависимости от выбранного способа ввода угольного порошка, результаты несколько различаются.

Состав компонентов технологического процесса пиролиза

При пиролизе углей в плазме аргона при прочих равных условиях выход основного продукта реакции ацетилена пропорционален содержанию летучих газов в угле. Работы, проводимые различными авторами, показывают, что при радиальной подаче угля максимальный выход ацетилена из углей, содержащих около 50% летучих веществ, составляет примерно 20%. При вводе угля, содержащего 36% газов, через полый катод выход ацетилена составляет 30%, а при содержании летучих 47,8% — ацетилена выходит 46%. Так как в процессе пиролиза выделяется еще и 10% угарного газа, общий выход газообразных продуктов примерно на четверть превышает содержание летучих в исходных углях, определенных стандартным методом.

Добавление к плазме аргона 10% водорода ведет к значительному увеличению ацетилена: 40% при радиальной подаче угля и 74% при подаче через полый катод. При пиролизе углей в плазме аргона с добавлением 33% водорода выход ацетилена в 3 – 4 раза выше, чем в плазме аргона. Он также растет с увеличением содержания летучих.

Результаты в разработке СВЧ плазмохимического пиролиза угля с целью получения ацетилена

Наилучшие результаты в разработке СВЧ плазмохимического пиролиза угля с целью получения ацетилена показала американская компания Avco, которая работает в этом направлении с 60-х годов 20 века. В настоящее время испытания проводятся на полупромышленной установке мощностью 1 МВт и производительностью ацетилена 900 тонн в год. Эти результаты были достигнуты при использовании плазмохимического реактора с электрической дугой, вращающейся в магнитном поле.

Вращение дуги на большой скорости способствует равномерному нагреву водорода до высокой температуры и препятствует привязыванию дуги к определенному месту анода и его прогоранию. Уголь в кипящем слое водорода подается в зону реакции через серию отверстий, расположенных концентрически вокруг катода. В качестве катода используется охлаждаемая водой медная трубка с торированным вольфрамовым наконечником.

Наилучшие результаты были получены при закладке продуктов низкомолекулярными углеводородами. При этом тепло отходящих газов, нагретых до 2000 К, частично применяется для получения дополнительного количества этилена и ацетилена. Стоит обратить внимание на то, что выход ацетилена при СВЧ плазмохимическом пиролизе бурых углей в плазме водорода и аргона значительно ниже, чем при переработке битуминозных углей с таким же содержанием летучих. Это можно объяснить высоким содержанием в них кислорода и повышенным образованием окислов углерода и воды при разложении. Такие угли целесообразнее подвергать переработке в синтез-газ (СО+Н₂) в плазме водяного пара.

Таким образом, могут быть получены интересные результаты не только при пиролизе твердых топлив, но и при использовании СВЧ-энергетики для газификации твердых горючих ископаемых (ТГИ).

Технологии газификации твердых топлив

В начале 19 века в Англии впервые был получен искусственный газ при газификации угля в промышленном масштабе. После этого искусственный газ получил широкое применение для освещения домов и промышленных предприятий в передовых странах Европы и в России. Искусственный газ также стали использовать в печах металлургической и машиностроительной промышленности. На начальной стадии газификации в качестве окислителя использовали воздух, а позднее – смесь воздуха и водяного пара. После освоения производства кислорода стали использовать кислород и смесь пара с кислородом. Это позволило увеличить теплотворную способность получающихся газов. В настоящее время искусственный газ используется для бытовых нужд. Изыскания по усовершенствованию технологий газификации твердых топлив проводятся постоянно. На сегодняшний день действуют тепловые электростанции на 250 – 300 МВт, работающие на искусственном газе.

Методы газификации ТГИ в самом общем смысле разделяются на автотермические и аллотермические. При автотермическом методе тепло образуется при сгорании части ТГИ непосредственно в газогенераторе. Аллотермический метод предполагает подведение тепла в газогенератор извне при помощи твердого и газообразного теплоносителя. Так же в аллотермических процессах благодаря отсутствию в искусственном газе азота увеличивается его теплотворная способность. Не требуются в таких процессах и дорогие установки для производства кислорода. В настоящее время промышленные технологии газификации являются автотермическими, поскольку газогенераторы для аллотермических процессов сложны в изготовлении и эксплуатации. В автотермических газогенераторах с кислородным дутьем существенно ускоряются реакции газификации из-за более высокой температуры процесса. Это позволяет уменьшить размер генератора и проводить газификацию высокозольных ТГИ.

Образование синтез-газа

Газификацию ТГИ упрощенно можно описать пятью гетерогенными и двумя гомогенными химическими реакциями.

Высокие температуры в газогенераторах практически исключают образование С₂ и более высоких углеводородов.

Можно рассчитать состав получающихся газов в зависимости от температуры газификации, но эти значения будут в основном теоретическими, так как реальные процессы проходят в нестационарных условиях. К тому же, затруднительно теоретическое определение скорости разложения ТГИ, времени контакта между ТГИ и окислителем и последующее взаимодействие твердых и газообразных продуктов.

При любой технологии газификация начинается с горения углерода. В результате в следствие воздействия высоких температур ТГИ подвергаются окислительным и термическим превращениям и создаются условия для реализации главных реакций газификации. Раскаленное топливо при взаимодействии с водяным паром приводит к образованию синтез-газа – смеси угарного газа и водорода. В эндотермической гомогенной химической реакции слой топлива периодически продувают воздухом. Как правило, синтез-газ из каменного угля содержит 37% угарного газа и 50% водорода.

Использование СВЧ-энергии для газификации твердых топлив

Использование СВЧ-энергии для газификации твердых топлив предлагает принципиально новый и высокоэффективный метод по сравнению с применением плазмотронов. При воздействии СВЧ-энергии может быть существенно повышена эффективность получения водорода при разложении водяного пара. Это связано с тем, что при температуре ниже или равной 17400° С практически вся энергия идет на возбуждение колебаний молекул воды, из-за чего они быстрее разрушаются при значительно меньшем энергопотреблении. Добавление в систему угарного и углекислого газов, имеющих на два порядка бОльшие сечения возбуждения колебательного движения молекул воды электронным ударом, существенно снижает требования к степени ионизации.

Таким образом процесс разложения воды происходит при более низкой температуре. Следовательно, углекислый газ выступает в качестве катализатора при получении водорода из воды. Аналогичная картина возможна при воздействии СВЧ-энергетики в процессе получения синтез-газа. СВЧ-колебания будут раскачивать колебания молекул воды, в результате чего молекулы распадутся на водород и угарный газ при гораздо меньших затратах энергии и значительно меньших температурах.

На основе изложенного можно сделать вывод о том, что применение неравновесной СВЧ-плазмы может существенно повысить эффективность процесса получения синтез-газа. Также эти процессы могут в значительной степени снизить температуру зажигания водоугольной смеси за счет разложения воды и образования водорода при сравнительно низкой температуре.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании