Химия твердого топлива, 2023, № 6, стр. 11-18
Газификация смесей угля и биомассы
А. Л. Лапидус 1, *, А. В. Шумовский 2, **, Е. Г. Горлов 3, ***
1 ФГБУН Институт органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (ИОХ РАН)
119991 Москва, Россия
2 ФГУП Институт горючих ископаемых – научно-технический центр по комплексной переработке
твердых горючих ископаемых (ФГУП ИГИ)
119071 Москва, Россия
3 ООО Институт горючих ископаемых. Научно-технологический центр
115230 Москва, Россия
* E-mail: albert@ioc.ac.ru
** E-mail: a.shumowsky@yandex.ru
*** E-mail: gorloveg@mail.ru
Поступила в редакцию 06.07.2023
После доработки 06.07.2023
Принята к публикации 19.07.2023
- EDN: BRCKHU
- DOI: 10.31857/S0023117723060051
Аннотация
Представлены результаты анализа состояния разработок в области газификации смесей угля и биомассы. Показано, что это перспективное направление диверсификации сфер использования угля, а также новая сфера использования возобновляемого природного ресурса – биомассы. Рассмотрены специфические особенности процесса газификации смесей угля и биомассы. Проведено сравнение газификаторов различных типов, выявлены технология и тип газификатора, представляющих особый интерес для процесса получения синтез-газа из смесей угля и биомассы.
ВВЕДЕНИЕ
Почему предлагается газифицировать смеси именно угля и биомассы, двух столь различных источников углеводородов? Потому что именно они наиболее крупнотоннажные и достаточно легкодоступные.
Что касается биомассы: ежегодно в мире по разным оценкам образуется от 100 до 150 млрд тонн биомассы. Из этого объема лишь около 20 млрд т биомассы используется рационально в виде пищи, строительных материалов, топлива, одежды, кормов для животноводства, для структурирования почв. Часть биомассы утилизируется, но большая часть – а это миллиарды тонн – разлагается, превращаясь в СО2, СО и Н2О. В России ежегодно образуется не менее 160 млн т отходов растениеводства (солома злаковых культур, лузга семян подсолнечника, зерноотходы, шелуха риса, гречихи, проса, отходы сахарного тростника, костра льна и др.), из которых порядка 80 млн т могут быть использованы в качестве топлива [1].
Что касается угля: он играет важнейшую роль в мировой энергетике, его мировое потребление растет и пока продолжает расти (достигло 8 млрд т в 2022 г.). Но так как уголь при сжигании дает наибольшие из всех традиционных энергоресурсов удельные выбросы CO2 (ежегодно образуется около 15 млрд т углекислого газа [2]), он наиболее уязвим на фоне разворачивающейся декарбонизации экономики, поэтому перспективна коренная диверсификации сфер использования угля. Новым (относительно) вектором может стать углехимия, потому что:
1. Спрос на углехимическую продукцию в обозримом будущем продолжит расти [3].
2. Продукты углехимии намного дороже, чем уголь, поэтому очевидны экономические выгоды. По своим характеристикам эти продукты идентичны традиционным нефтехимическим продуктам, которые, как ожидается, будут демонстрировать устойчивый рост, в ряде случаев превышающий темпы роста мирового ВВП (табл. 1).
Таблица 1.
Прогнозные среднегодовые темпы роста спроса на продукты нефтехимии в мире в 2020–2030 гг. [3]
| Продукт | Прогнозный рост спроса в 2020–2030 гг. |
|---|---|
| Окись пропилена | 5.5 |
| Пропилен | 4.7 |
| Окись этилена | 4.1 |
| Полиэтилен | 3.8 |
| Аммиак | 0.9 |
| Метанол | 3.1 |
| Уголь | От –0.2 до –3.5* |
| ВВП | 3.6 |
Для сравнения: в июле 2022 г. полипропилен в России стоил 139 300 руб./т, а уголь − в среднем 6000 руб./т.
Анализ информации последних лет показывает, что одним из популярных, активно развивающихся направлений является совместная переработка угля и биомассы. В основном это процессы сжигания – в первую очередь в энергетических целях − и газификации – и в энергетических целях, и в целях деверсификации продуктовой линейки.
Газификация – это экологически чистая высокоэффективная технология, дающая возможность сократить потребление угля как ресурса энергетики и снизить выбросы CO2 (так как биомасса является углеродно-нейтральным ресурсом). Совместная газификация угля и биомассы перспективна еще и потому, что ее продукты – это экологически чистые синтетические топлива, сырье для органической химии, производства удобрений и пищевой промышленности.
Особенности переработки угля с биомассой. О процессах переработки смесей биомассы и угля в основном публикуются работы исследовательского характера – особенно активны ученые КНР, Индии, т.е. тех регионов, в которых большие объемы сельскохозяйственных отходов могут быть использованы для частичной замены импортируемого угля. Информации о промышленном опыте мало. Поэтому нижеприведенные сведения основываются на анализе публикаций преимущественно научного характера.
Особенности химического состава и структуры. Очевидно, что компоненты смесей угля и биомассы весьма различны по своим свойствам: содержание золы в биомассе, как правило, значительно ниже, чем у большинства углей, значительно различаются также химический и минеральный составы золы (табл. 2). Например, содержание золы в древесной биомассе колеблется от 0.25 до 1% и зависит от породы дерева: зольность древесины бука составляет 0.57, дуба – 0.53, сосны – 0.39, березы – 0.29, а лиственницы – 0.27% [4].
Таблица 2.
Элементный состав древесной золы и растительной биомассы [8]
| Вид биомасс | Содержание основных элементов, мас. % | ||
|---|---|---|---|
| фосфор | калий | кальций | |
| Древесина | 2.5–3.5 | 6.0–10.0 | 30.0–31.0 |
| Разнотравье | 2.5–7.0 | 13.0–40.0 | 6.0–19.0 |
| Торф | 1.0 | 5.0–14.0 | 10.0–50.0 |
| Подсолнечник | 2.5 | 36.0–40.0 | 18.0–19.0 |
| Солома гречихи | 2.5 | 30.0–35.0 | 18.5 |
| Солома хлебных злаков | 4.0–7.0 | 13.6–16.2 | 6.0–8.5 |
По сравнению с углем биомассы имеют значительно более высокое содержание примесей – фосфора, калия, кальция (табл. 3). В золе биомассы обычно присутствуют хлориды, сульфаты, фосфаты, силикаты и алюмосиликаты натрия, калия, кальция и магния, а также оксиды кремния и железа. Нерастворимые в воде неорганические соединения уменьшают теплосодержание биомассы.
Таблица 3.
Состав и характеристики сырья [8]
| Характеристика | Уголь | Биомасса |
|---|---|---|
| Содержание влаги W r, % | 2 | 2 |
| Зольность Ad, % | 14.2 | 1.1 |
| Выход летучих веществ V daf, % | 27 | 83 |
| Элементный состав, % | ||
| Hdaf | 4.77 | 8.19 |
| Cdaf | 85.33 | 50.05 |
| Sdaf | 0.93 | 0.02 |
| Ndaf | 1.98 | 0.08 |
| Q r, МДж/кг | 27.8 | 17.5 |
| Плотность органической массы, кг/м3 | 1200 | 900 |
| Средний размер частиц, мкм | 100 | 100 |
Угольная зола в основном состоит из SiO2, А12O3, Fe2O3. Содержание SiО2 в золе различных углей изменяется от 40.5 до 50.3%, А12О3 − от 12.9 до 32.4%, Fe2О3 – от 5.5 до 17.7% [5, 6]. Содержание магния, щелочей, фосфатов и сульфатов в углях обычно невелико.
Состав растительной биомассы, ее физико-технические характеристики зависят от происхождения. Существенное влияние на процесс газификации оказывают такие характеристики биомассы, как влажность и зольность.
Влага биомассы может быть конденсированной и абсорбированной, причем количество последней зависит от влажности окружающей среды. В древесине и тростнике содержание влаги может достигать 50%. Сельскохозяйственные отходы, такие как солома, содержат 10–12% воды. Влага снижает эффективность и экономичность при использовании растительной биомассы в качестве топлива, также увеличиваются затраты на транспортировку.
Теплота сгорания сельскохозяйственных отходов меняется в узких пределах – от 13.4 до 17.1 МДж/кг, и является довольно высокой. Это − высокореакционное топливо с большим (от 65 до 87%) выходом летучих. Температура размягчения золы составляет около 1300°С (от 1200 до 1400°С).
Необходимо отметить, что древесина по своим различным пространственным осям имеет различные коэффициенты расширения, например сосновая древесина расширяется вдоль волокон в 20 раз больше, чем поперек волокон, поэтому при нагреве до температуры пиролиза в структуре древесины возникают напряжения, приводящие к образованию макро- и микроскопических трещин. За счет этих трещин идет быстрое выравнивание температуры и процесс сушки интенсифицируется благодаря увеличению реакционной поверхности куска древесины. При этом выделяются летучие газы и пары, которые также состоят из углеводородных соединений, окиси углерода, водяного пара, смолы и бензола. Остается твердый остаточный углерод [7].
Особенности стадии подготовки к переработке. Важное значение в технологии совместной переработки биомассы и угля имеет стадия подготовки биомассы, в частности стадия ее измельчения.
Различают мелкое дробление, тонкое и ультратонкое (сверхтонкое) измельчение. Как правило, мелкое дробление проводят в дробилках “сухим” методом, а тонкое и ультратонкое – “сухим” или “мокрым” способами. В большинстве случаев процесс измельчения биомассы проводят в две последовательные стадии: для однолетних растительных материалов используют изрезывающие машины (траворезки-соломорезки, машины с дисковыми пилами) с последующим тонким измельчением путем истирания.
Для мелкого и тонкого измельчения всех видов растительного сырья используют молотковые, вальцовые и дисковые дробилки, дисковые, ножевые, молотковые, шаровые, центробежно-роликовые и пневматические мельницы, мельницы высокого давления и деформационного сдвига и др. Некоторые мельницы используют только для влажных материалов, другие – только для сухого измельчения (валковые мельницы, криогенные мельницы и молотковые дробилки и др.) Шаровую мельницу используют и для сухих, и для влажных материалов.
Известно, что чем сильнее измельчен материал, тем эффективнее проходит его термообработка, так как при измельчении увеличивается площадь поверхности испарения и уменьшается расстояние, которое требуется пройти воде из глубины частицы материала к ее поверхности, быстрее происходит нагрев частиц. Измельчать легче влажную биомассу, чем сухую (соответственно, энергозатраты меньше), т.к. во время механического воздействия измельчение материала происходит не только за счет собственно воздействия, но и за счет резко возрастающего давления внутриклеточной жидкости, приводящего к разрыву клеток биомассы изнутри.
Однако большинство технологий переработки растительных материалов имеют именно обратную последовательность: сначала биомассу высушивают, потом измельчают. Это объясняется тем, что слипание частиц влажной биомассы в процессе измельчения затрудняет разгрузку измельчающих машин и транспортировку измельченного сырья. Решением проблемы может быть объединение процессов сушки и измельчения сырья в одном устройстве [9].
Химизм и кинетика процесса. Химизм газификации смесей угля и биомассы включает следующие реакции [10]:
Повышение температуры газификации смесей увеличивает конверсию углерода, что аналогично процессам индивидуальной газификации угля или биомассы. Но кинетические закономерности индивидуальной газификации угля и биомассы не могут быть экстраполированы на кинетику процесса совместной газификации.
Анализ кривых ДТГ указывает на общность процессов, протекающих в углеродных материалах при их нагреве [11]. Кривые ДТГ в идентичных условиях опытов имеют три минимума, первый из которых связан с удалением воды, второй – с выходом и реагированием летучих веществ, третий минимум связан с превращениями высокоуглеродной части твердого топлива. Первая стадия, протекающая в конденсированной фазе с удалением воды, является эндотермической, а вторая и третья стадии − экзотермическими.
При газификации смесей термическое разложение биомассы (древесины) начинается на второй стадии процесса, после подъема температуры до 150°С; в диапазоне температур от 150 до 400°С завершается разложение гемицеллюлозы. С ростом температур от 400 до 570°С происходит разложение целлюлозы и лигнина, третий диапазон температур от 570 до 800°С соответствует интенсивному разложению угля. Увеличение концентрации древесины в смесевом топливе до 50% приводит к снижению максимальной температуры термического разложения до 31.3% по отношению к углю. Достижение полной конверсии при увеличении концентрации древесной компоненты смещается в область более низких температур. Это объясняется увеличением массы летучих веществ (по сравнению с углем) и более низкими температурами начала термического разложения древесины.
Неаддитивность, синергия, влияние щелочных и щелочноземельных металлов, шлакование. В отличие от процесса совместного горения углей одной стадии метаморфизма, в котором все основные стадии процесса подчиняются принципам аддитивности, совместная конверсия угля и биомассы сопровождается неаддитивными эффектами: такие важные характеристики, как состав выделяющихся газов, содержание соединений серы и азота, скорость и полнота превращения, не могут быть интерполированы по результатам, полученным для отдельных компонентов. При горении биомассы и угля принципам аддитивности подчиняется только стадия горения летучих веществ биомассы. Стадия горения коксового остатка угля совмещается со стадией горения лигнина, и это влияет на увеличение максимальной скорости изменения массы [12].
В работе [13] в качестве биомассы использовалась казуарина, а в качестве углей – два типа индийских углей, один с зольностью 12%, другой с зольностью 21%. Газификация смесей проводилась с использованием нисходящего потока с неподвижным слоем. Было установлено, что синергия между биомассой и углем уменьшалась с увеличением процентного содержания угля в топливной смеси. Увеличение процентного содержания угля привело также к повышению температуры плавления золы. Добавление пара оказалось полезным для решения проблемы плавления золы за счет уменьшения в температуре слоя.
В другой работе с использованием аналогичного принципа газификации [14] в качестве биомассы использовали японский кедр и уголь с зольностью 1.1%. Размер исходного сырья обоих используемых видов топлива находился в пределах 0.5–1 мм. Температура реакции поддерживалась на уровне 900°С.
Биомасса и уголь подавались в газификатор шнековым питателем сверху. Воздух и пар подавались через верхнюю и боковую форсунки. В газификаторе для удержания шариков из глинозема, которые использовались как катализатор процесса газификации, был установлен перфорированный диск.
По результатам экспериментов было установлено, что с увеличением доли биомассы в топливной смеси содержание H2 и CO2 в составе газа увеличивалось, а процентное содержание СО уменьшалось. Основными компонентами синтез-газа были H2 (41.6–43.3 мол. %), CO (13.3–16.8 мол. %) и CO2 (41.6–43.3 мол. %). Суммарное содержание CH4 и твердого углерода было незначительным. Никакого синергизма между углем и биомассой не наблюдалось.
Эксперименты по когазификации угольно-коксовой смеси и виноградных выжимок в потоке с подачей топлива и окислителя (в качестве окислителей использовались пар и воздух) сверху газификатора показали [15], что в диапазоне температур от 750 до 850°С конверсия и качество газа повышаются. Увеличение доли биомассы в топливной смеси приводит к улучшению параметров газификации (улучшается состав продуктового газа и повышается КПД холодного газа). Отмечена синергия между угольным коксом и биомассой, особенно при низких температурах реакции и низком соотношении топливо/воздух. В частности, при температурах 750–850°C существует максимум отношения H2/CO, которому соответствует минимум соотношения CH4/H2 для смеси, содержащей 50% биомассы и 50% каменноугольного кокса. Наблюдаемая синергия уменьшается по мере увеличения температуры и/или относительного соотношения топливо/воздух.
Хотя синергия, наблюдаемая при 750–850°C, уменьшается с повышением температуры, остаются некоторые признаки взаимодействия углекокса и биомассы при высоких температурах для смесей с высоким (выше 60 мас. %) и низким (10 мас. %) содержанием биомассы.
Процесс согазификации угля и биомассы в работах [16, 17] рассматривается как процесс, состоящий из двух основных стадий: процесс сопиролиза (как основной этап термохимических превращений) и реакция согазификации смешанного угля. При совместной газификации угля и биомассы в некоторых случаях наблюдается значительный синергетический эффект, проявляющийся в образовании избыточного объема газа и уменьшении количества смолистых продуктов [18, 19]. Это может быть следствием миграции щелочных и щелочноземельных металлов в компонентах сырья, или взаимодействием между летучими и полукоксом [21]. Согласно [22], щелочные/щелочноземельные металлы в сырье для газификации не только являются ключевыми факторами синергетического поведения при совместной газификации, но и демонстрируют тесную взаимосвязь с проблемами шлакообразования, загрязнения и коррозии.
Соединения щелочных металлов являются наиболее важными составляющими золы биомассы, влияющими на процессы шлакования. Во время сгорания биомассы соединения щелочных металлов (KOH, KCl, K2SO4, NaCl, Na2SO4) испаряются и образуют аэрозоли. Когда температура выходящих газов снижается, аэрозоли конденсируются на частицах летучей золы и стенках реактора с образованием шлаковых отложений. Кроме того, аэрозоли щелочных металлов могут взаимодействовать с другими компонентами золы, например SiO2 и Fe2O3 с образованием эвтектических смесей [23].
Зола от газификации биомассы характеризуется более низкой температурой размягчения (как правило, от 750 до 1000°C) по сравнению с золой от газификации углей (1000°С и более). Изменение температуры размягчения золы фиксируется даже при относительно низких весовых долях биомассы при совместной газификации. Из-за более низкой температуры размягчения золы и изменения химического состава соединений с повышенной склонностью к осаждению, увеличивается скорость отложения (шлакования) на поверхностях нагрева оборудования, что приводит к ухудшению условий процесса и увеличению эксплуатационных затрат. Несмотря на низкую зольность биомассы, ее зола активно разрушает внутреннюю поверхность оборудования из-за высокого содержания щелочных металлов.
Высокое содержание щелочи (влияющее на температуру размягчения образующейся золы, а следовательно, на проблемы агломерации) ограничивает максимально допустимую температуру газификации [9], поскольку высокая зольность вызывает зашлаковывание, поэтому обычно для производства синтез-газа используется биомасса с низкой зольностью [10].
Влияние соотношений компонентов смесей. Процесс газификации биомассы может быть неустойчивым из-за низкой теплоты сгорания сырья и часто сопровождаться образованием больших объемов смолистых продуктов. Добавление угля нивелирует этот эффект, что способствует повышению эффективности переработки. С другой стороны, высокая реакционная способность биомассы способствует стабилизации режимов горения и газификации низкореакционных топлив, таких как угли высокой степени метаморфизма или коксовые остатки нефтепереработки.
Результаты теоретических и экспериментальных работ, представленных в публикациях [24–26], свидетельствуют о том, что при совместной газификации угля и биомассы существуют оптимальные соотношения, при которых реализуется достаточно эффективная конверсия компонентов топливной смеси при незначительном изменении технической эффективности. Выход синтез-газа увеличивается при увеличении содержания биомассы до определенной величины. В работе [27] указано, что оптимальное соотношение биомассы преимущественно колеблется от 10 до 50%, в зависимости от свойств угля и биомассы.
Авторы публикации [15] предполагают, что если в смеси с биомассой содержится небольшое количество угольного кокса, предпочтительно протекают гетерогенные реакции газификации (реакция Белла-Будуара и паровой риформинг), а небольшое количество биомассы в угольно-коксовые смеси может увеличить реакцию гидрогазификации.
Низкое содержания углерода в биомассе позволяет проводить процесс согазификации с меньшим удельным расходом дутья (кислорода и пара), а также получать генераторный газ с повышенным содержанием водорода. Добавление биомассы позволяет снизить потребности процесса в дутьевом водяном паре без потерь эффективности. Так как биомасса обладает большей реакционной способностью, чем уголь, она может инициировать воспламенение частиц угля. С другой стороны, теплотворная способность биомассы, как правило, меньше теплотворной способности угля, поэтому их совместная переработка сопровождается снижением температуры, что может приводить к кинетическим затруднениям завершения некоторых химических реакций, в том числе в газовой фазе, что может приводить к снижению качества газа.
Дисперсность компонентов смесей. Важным фактором процесса газификации, влияющим и на ее ход, и на характеристики получаемого газа, является дисперсность частиц смесей. Так, в [13] представлены данные по различным типам промышленных газификаторов углей, топлива, показывающие, что для плотного слоя оптимальный размер частиц 3–30 мм, для кипящего слоя – 1–5 мм, для газификации в потоке – 0.1 мм. Автор работы [28] подтверждает, что размер частиц угля влияет на скорость газификации, однако при размере меньше 2 мм это влияние становится незначительным и поэтому предпочтительно использовать материал с дисперсностью частиц менее данного размера. Однако в исследованиях авторов настоящей работы показано [29–31], что эффективный размер диспергированных частиц сырья должен быть не более 1 мм. Только такие особенности эмульсий приводят к возникновению эффекта микровзрыва в ходе газификации. Микровзрыв воды сопровождается чрезвычайно высокими локальными градиентами температур, что обеспечивает ускорение процесса газификации и инициирует вторичное распыливание сырья. Испарение воды при микровзрыве снижает пиковую температуру сгорания и, таким образом, уменьшает образование NOx. Улучшение сгорания снижает выбросы твердых частиц. Содержание примесей в синтез-газе существенно снижается, если в качестве сырья для газификации использовать водные суспензии углеродсодержащих материалов. Преимуществом газификации сырья в виде водных суспензий является также то, что такая технология позволяет упростить технологию, снизить температуру процесса и уменьшить сажеобразование.
Технологические особенности. По данным торговой ассоциации “Совет по газификации и синтез-газовым технологиям” [32], в мире в 2017 г. работало 272 завода по газификации с 686 газификаторами, а 74 завода с 238 газификаторами находились на стадии строительства. Большинство из них в качестве сырья используют уголь. Какая доля из них в настоящее время работает на смесях биомассы и угля, неизвестно. Но очевидно, что интерес к согазификации уже перешел от стадии научных исследований к стадии пилотных и, вероятно, промышленных проектов. Также очевидно, что для их реализации используются существующие газификаторы, в основном трех типов: реакторы с неподвижным (или подвижным) слоем, реакторы с вовлеченным потоком и реакторы с псевдоожиженным слоем.
Опыт промышленного применения слоевой газификации (метод Лурги) угля с жидким шлакоудалением для получения генераторного газа выявил его недостатки:
– потери фракций мелкого угля при подготовке угля к переработке на стадии дробления, обусловленные требованием использования в газогенераторе только классифицированного крупного угля;
– малую скорость процесса газификации, обусловленную низкой удельной поверхностью больших кусков угля;
– образование “прогаров” в слое, нарушающих нормальное протекание процесса реагирования окислителей с органическими компонентами угля;
– образование больших количеств смолы при газификации низкометаморфизованных каменных и бурых углей и отсутствие технических решений по улавливанию смолы из газа газификации;
– необходимость применения для газификации кислорода или воздуха, обогащенного кислородом; повышенные расходы исходного топлива вследствие необходимости проведения процесса при высоких температурах, обеспечивающих жидкое шлакоудаление;
– необходимость включения в технологический процесс газификации двух технологий подготовки угля: порошка для вдувания через фурмы в зону горения и кускового топлива с фиксированным размером кусков.
Указанные недостатки не позволили реализовать на промышленных установках газификацию в стационарном слое с жидким шлакоудалением. Очевидно, что указанные недостатки усугубляются при переработке в газификаторах Лурги смесей угля и биомассы.
Для технологии газификации в кипящем слое отмечены следующие проблемы при промышленной реализации:
– относительно высокие выходы угля мелких классов (менее 5 мм) на стадии подготовки топлива;
– вынос части непрореагировавшего топлива вместе с зольным уносом, что обусловливает необходимость возврата на газификацию значительных количеств этих продуктов;
– осложнение газоочистки синтез-газа вследствие высоких концентраций твердых частиц (до 40–60%) в сыром газе;
– увеличенная металлоемкость, так как для промышленных установок рекомендуется проводить процесс при давлениях выше 4 МПа.
Вероятно, для согазификации на крупных промышленных установках более перспективна переработка угля и биомассы в виде мелкодисперсных водных суспензий – газификация в потоке (Тексако, Доу, Шелл).
Процесс Тексако используется при производстве синтез-газа для химической промышленности. Основное отличие этого процесса от традиционных процессов газификации углей – использование в качестве сырья водоугольной суспензии (ВУС) со средним размером частиц 60 мкм. Однако в связи с реактивностью ВУС приходится либо увеличивать время пребывания частиц в зоне реакции, либо повышать степень конверсии угля, увеличивая давление и используя жидкое шлакоудаление.
ФГУП ИГИ совместно с ЗАО “Компомаш-ТЭК” разработан процесс прямоточно-вихревой газификации с сухим золоудалением [33–35], в котором в качестве сырья используется ультратонкая водоугольная суспензия угля. Для приготовления достаточно стабильной ВУС с концентрацией твердого ≥50% из бурого угля используется процесс бертинирования, т.е. придания ему некоторых свойств каменного угля. Бертинирование проводится сушкой угля в вихревой камере до рабочей влажности ≤5 мас. % с одновременным выделением части “летучих” веществ (СО, СО2 и др.), образующихся из органических веществ угля при его сушке, с конечной температурой частиц около 120°С.
Использование смесей биомассы и угля в виде водных суспензий облегчает задачу поддержания оптимальных соотношений компонентов при их подаче на газификацию: очевидно, что проще подавать суспензию, содержащую компоненты в требуемых количествах, чем обеспечивать точность соотношений компонентов в потоке пылевидных и измельченных материалов на входе в газификатор.
Показано [30], что результаты исследований особенностей газификации смесей нефтяных остатков и биомассы подтверждают закономерности, выявленные ранее в работах по подготовке к совместной переработке суспензий сланцев и тяжелых нефтяных остатков, что, очевидно, свидетельствует об их общем характере. Соотношение Н2 : СО в синтез-газе, полученном газификацией смесей нефтяных остатков и биомассы, составляет 1.9 : 2.3, что позволяет использовать его как сырье для каталитической конверсии в ценные органические продукты.
В работе [17] представлены результаты газификации низкосортного топлива (биомассы, угля, шламовой смеси) в реакторе с псевдоожиженным слоем при температуре от 750 до 900°С. Содержание компонентов в образующемся синтез-газе было следующее: Н2 12.1–27.8%, СО 16.9–30.0%, СО2 2.8–6.8%, СН4 6.5–12.6%. Низшая теплотворная способность продуктов изменялась в широком диапазоне от 6.143 до 9.204 МДж/м3. Высокие соотношения Н2 : СО в синтез-газе – 3.5 при 600°С и 7.6 при 700°С, были достигнуты при газификации лигнита и угля [18].
Технологические схемы в случае переработки смесей угля и биомассы дополняются блоками приема и подготовки биомассы. Промышленный опыт показал [13, 36], что согазификация углеродсодержащего сырья с существенно различающимися свойствами не только изменяет режимы работы газогенератора (расход окислителя, условия шлакообразования), но и существенно влияет на процессы, связанные с подготовкой образующегося газа к использованию в камере сгорания или реакторе процесса Фишера–Тропша. Как правило, требуется дополнительная очистка, которая связана с потерями тепла генераторного газа, либо контроль (регулирование) состава горючей смеси (разбавление воздухом, азотом, водяным паром и т.д.). Минеральная часть смесей также оказывает влияние на процесс газификации, поскольку зола биомассы может смещать температурные границы шлакообразования и усиливать коррозионные свойства шлака.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Совместная переработка таких крупнотоннажных сырьевых ресурсов, как уголь и биомасса, открывает возможности, во-первых, к адаптации угольной сферы к ужесточающейся “климатической политике” – открывается путь применения угля в технологии, снижающей его экологическую опасность, во-вторых, к промышленному использованию биоотходов. Это возможность производства широкой гаммы химических продуктов с высокой добавленной стоимостью, конкурентоспособных с продуктами, получаемыми из нефти и природного газа. Газификация смесей угля и биомассы имеет ряд специфических особенностей – неаддитивность, синергию компонентов, шлакование и т.д., которые необходимо учитывать при разработке технологии.
Экологические исследования согазификации доказали потенциал сокращения выбросов парниковых газов. Важным преимуществом совместной переработки угля с биомассой является то, что ее использование позволяет улучшить экономические показатели процесса переработки смесей (учитывая плату за утилизацию отходов как компенсацию части затрат на переработку).
Недостатками биомасс при совместной газификации с углем являются сезонность рынка биомасс, их переменная, в среднем высокая, влажность, а также необходимость дополнительных стадий очистки и подготовки к переработке.
Список литературы
Namsaraev Z.B., Gotovtsev P.M., Komova A.V., Vasilov R.G. Current status and potential of bioenergy in the Russian Federation // Renew. Sustain. Energ. Rev. 2018. V. 81. P. 625–634. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.08.045
Технологии “чистого угля”, улавливание и секвестрация углерода. https://world-nuclear.org/information-library/energy-and-the-environment/clean-coal-technologies.aspx.
Углехимия в России: перспективы развития и риски”. Агентство Argus. https://view.argusmedia.com/ FSU-EMD-2021-11-COA-Cons-CoalChemistry_ 02–Download_SocialMedia.html.
Исаева Е.В., Еременко О.Н., Почекутов И.С. // Химия растительного сырья. Красноярск, 2018. 90 с.
Пасынкова М.В. Зола углей как субстат для выращивания растений // Растения и промышленная среда. Сб. 3. 1974. С. 29.
Эпштейн С.А., Мейдель И.М., Харахан М.Л. Определение макроэлементов в углях// Горный информационно-аналитический бюллетень (Научно- технический журнал). 2015. С. 151. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57514X0062.
https://gazgen.com.ua/primenenie-gazogeneratorov/ 12/gazifikatsiya-tverdogo-topliva-chast-3.
Донской И.Г. //Теплоэнергетика. 2018. V. 14. P. 14. https://doi.org/10.14529/power180302
https://ecology-energy.ru/technology/technological_ sites/milling-drying/
Akash B. Boharapi, Ganesh R. Kale, Omprakash K. Mahadwad. Co-gasification of coal and biomass – the thermodynamic and experimental study // IJRET: Intern. J. Res. Engng Technol. 2015. V. 04. P. 346. https://doi.org/10.3390/en15124444
Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Орлов В.Н., Тарасов В.А. // Фундаментальные исследования. 2016. № 9–2. С. 227.
Жуйков А.В., Землянский Н.А. Анализ взаимосвязи углей разной степени метаморфизма и биомассы при совместном горении. VII Международная научно-практическая конференция “Энергетика и энергосбережение: теория и практика” 7–9 декабря 2022 г.
Vijaykumar Hiremath, Tumkur Siddaganga // Intern. J. Engng Res. Technol. (IJERT). 2017. V. 6. P. 285. https://doi.org/10.17577/IJERTV6IS060059
Kazuhiro Kumabe, Toshiaki Hanaoka, Shinji Fujimoto,Tomoaki Minowa and Kinya Sakanishi // Fuel. 2007. V. 86. P. 684. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2006.08.026
Juan J. Hernandez, Guadalupe Aranda-Almansa and Clara Serrano // Energy Fuels. 2010. V. 24. P. 2479. https://doi.org/10.1021/ef901585f
Xiaoming Li, Jingxia He, Mengjie Liu, Jin Bai, Zongqing Bai, Wen Li // Processes. 2022. V. 10 (2). P. 1. https://doi.org/10.3390/pr10020286
Xu C., Hu. S., Xiang J., Zhang L., Sun L., Shuai C., Chen Q., He L., Edreis E.M.A. // Bioresour. Technol. 2014.V. 154. P. 313. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.11.101
Yang X., Liu X., Li R., Liu C., Qing T., Yue X., Zhang S. // Renew. Energy. 2018. 117. P. 501. https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.10.055
Saw W.L., Pang S. // Fuel. 2013.V. 112. P. 117. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.05.019
Cabuk B., Duman G., Yanik J., Olgun H. // Intern. J. Hydrog. Energy. 2020. V. 45. P. 3435. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.02.130
Juntao Wei, Miao Wang, Deliang Xu // Fuel Proc. Technol. 2022. V. 235 (11, Pt 2). P. 107376. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2022.107376
Цветков М.В., Подлесный Д.Н., Фрейман В.М., Салганский Е.А., Цветкова Ю.Ю., Зюкин И.В., Зайченко А.Ю., Салганская М.В. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 8. С. 51.https://doi.org/10.31857/S0207401X20080142
Lindberg D., Backman R., Chartrand P., Hupa M. // Fuel Proc. Technol. 2013. V. 105. P. 129. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2011.08.008
Long H., Wang T. // Intern. J. Energy Res. 2016. V. 40. № 4. P. 473. https://doi.org/10.1002/er.3452
De S., Agarwal A.K., Moholkar V.S., Thallada B. // Springer. 2018. P. 524. https://doi.org/10.1007/978-981-10-7335-9
Донской И.Г. // ХТТ. 2019. № 2. С. 55. [Solid Fuel Chemistry, 2019, vol. 53, no. 2, р. 113. https://doi.org/10.3103/s0361521919020046].https://doi.org/10.1134/S002311771902004X
Shahabuddin M., Sankar Bhattacharya // Ren. Energy Sustainab. 2022. P. 179. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-88668-0.00002-4
Hanson S. // Fuel. 2002. V. 81. P. 531. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(01)00153-3
Горлов Е.Г., Андриенко В.Г., Шпирт М.Я. // ХТТ. 2019. № 6. С. 29. [Solid Fuel Chemistry, 2019, no. 53, p. 347. https://doi.org/10.3103/S0361521919060028].https://doi.org/10.1134/S0023117719060021
Шумовский А.В., Горлов Е.Г. // ХТТ. 2021. № 4. С. 59–65. [Solid Fuel Chemistry, 2021, no. 55, p. 260. https://doi.org/10.3103/S0361521921040078].https://doi.org/10.31857/S0023117721040071
Ребров А.И., Горлов Е.Г. // ХТТ. 2011. № 5. С. 63. [Solid Fuel Chemistry, 2011, no. 5, p. 349].
https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=5890
Горлов Е.Г., Андриенко В.Г., Нефёдов К.Б., Луценко С.В., Нефёдов Б.К. // ХТТ. 2009. № 2. С. 37. [Solid Fuel Chemistry, 2009, no. 2, p. 37–42].
Комплексная переработка углей и повышение эффективности их использования. Каталог-справочник. М: НТК “Трек”, 2007. 292 с.
Трубецкой К.Н., Моисеев В.А., Дегтярев В.В., Мурко В.И. // Уголь. 2004. № 9. С. 41.
Sofia D., Llano P.C., Giuliano A., Hernandez M.I., Pena F.G., Barletta D. // Chem. Engng Res. Design. 2014. V. 92. P. 1428. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2013.11.019
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Химия твердого топлива


