Как работает газификация

Некоторые из самых многообещающих, привлекающих внимание альтернатив энергии не являются революционными идеями. Все мы знаем о ветряных мельницах и водяных колесах, которые существуют уже много веков.

Сегодня множество усовершенствований, в том числе инновационные конструкции турбин, превращают эти древние машины в передовые технологии, которые могут помочь странам удовлетворить свои потребности в энергии.

Есть еще один старый процесс, о котором вы, вероятно, мало что знаете, который набирает популярность и может присоединиться к ветровой и гидроэнергетике в пантеоне чистой возобновляемой энергии. Этот процесс известен как газификация, набор химических реакций, в которых используется ограниченное количество кислорода для преобразования углеродсодержащего сырья в синтетический газ или синтетический газ.

Похоже на возгорание, но это не так. Горение использует большое количество кислорода для производства тепла и света путем горения. При газификации используется лишь незначительное количество кислорода, который смешивается с паром и готовится под интенсивным давлением. Это инициирует ряд реакций, в результате которых образуется газообразная смесь, состоящая в основном из монооксида углерода и водорода.

Этот синтетический газ можно сжигать напрямую или использовать в качестве отправной точки для производства удобрений, чистого водорода, метана или жидкого топлива для транспортных средств.

Хотите верьте, хотите нет, но газификация существует уже несколько десятилетий. Шотландский инженер Уильям Мердок получил признание за разработку основного процесса. В конце 1790-х годов, используя уголь в качестве сырья, он произвел синтетический газ в количестве, достаточном для освещения его дома.

В конце концов, города в Европе и Америке начали использовать синтез-газ — или «городской газ», как его тогда называли — для освещения городских улиц и домов. В конце концов, природный газ и электроэнергия, вырабатываемые угольными электростанциями, заменили городской газ в качестве предпочтительного источника тепла и света.

Сегодня, когда на горизонте маячит глобальный климатический кризис, а жаждущие энергии страны охотятся за альтернативными источниками энергии, газификация возвращается. Совет по газификационным технологиям ожидает, что к 2015 году мировые мощности по газификации вырастут более чем на 70 процентов. Большая часть этого роста придется на Азию благодаря быстрому развитию Китая и Индии. Но Соединенные Штаты также охватывают газификацию.

Давайте подробнее рассмотрим, как работает этот процесс. Мы собираемся начать с газификации угля, самой распространенной формы процесса.

Газификация угля

Сердцем угольной электростанции является котел, в котором сжигается уголь, превращая воду в пар. Следующее уравнение показывает, как химически выглядит горящий уголь: C + O2 --> CO2. Уголь состоит не из чистого углерода, а из углерода, связанного со многими другими элементами.

Тем не менее, содержание углерода в угле высокое, и именно углерод при сгорании соединяется с кислородом с образованием двуокиси углерода, которая является главной причиной глобального потепления. Другие побочные продукты сжигания угля включают оксиды серы, оксиды азота, ртуть и встречающиеся в природе радиоактивные материалы.

Сердцем электростанции с газификацией является не котел, а газификатор, цилиндрический сосуд высокого давления высотой около 40 футов (12 метров) и диаметром 13 футов (4 метра). Сырье поступает в газогенератор сверху, а пар и кислород поступают снизу. Исходным сырьем может быть любой углеродсодержащий материал, но для газификации угля, конечно же, нужен уголь. Типичная газификационная установка может ежедневно использовать 16 000 тонн (14 515 метрических тонн) лигнита, буроватого типа угля.

Газификатор работает при более высоких температурах и давлениях, чем угольный котел — около 2600 градусов по Фаренгейту (1427 градусов по Цельсию) и 1000 фунтов на квадратный дюйм (6895 килопаскалей) соответственно. Это заставляет уголь подвергаться различным химическим реакциям. Во-первых, частичное окисление углерода угля высвобождает тепло, которое способствует реакциям газификации.

Первым из них является пиролиз, который происходит, когда летучие вещества угля разлагаются на несколько газов, оставляя после себя уголь, вещество, похожее на древесный уголь. Затем в результате восстановительных реакций оставшийся углерод в полукоксе превращается в газообразную смесь, известную как синтетический газ.

Угарный газ и водород являются двумя основными компонентами синтез-газа. Во время процесса, известного как очистка газа, сырой синтетический газ проходит через охлаждающую камеру, которая может использоваться для разделения различных компонентов. Очистка может удалить вредные примеси, в том числе серу, ртуть и непрореагировавший углерод. Даже углекислый газ можно извлечь из газа и либо хранить под землей, либо использовать для производства аммиака или метанола.

Остается чистый водород и монооксид углерода, которые можно сжечь в газовых турбинах для производства электроэнергии. Или некоторые электростанции преобразуют синтез-газ в природный газ, пропуская очищенный газ через никелевый катализатор, в результате чего монооксид и диоксид углерода реагируют со свободным водородом с образованием метана. Этот «заменитель природного газа» ведет себя как обычный природный газ и может использоваться для выработки электроэнергии или обогрева домов и предприятий.

Но если угля нет, газификация все же возможна. Все, что вам нужно, это немного дерева.

Хотя электроэнергетическая промышленность недавно заинтересовалась газификацией, химическая, нефтеперерабатывающая промышленность и промышленность по производству удобрений используют этот процесс на протяжении десятилетий. Это связано с тем, что основные компоненты синтез-газа — водород и монооксид углерода — являются основными строительными блоками некоторых других продуктов.

Некоторые из наиболее важных продуктов, получаемых из синтез-газа, включают метанол, азотные удобрения и водород для нефтепереработки и транспортного топлива. Даже шлак, стеклообразный побочный продукт процесса газификации, можно использовать в кровельных материалах или в качестве материала дорожного полотна.

Газификация древесины

Газификацию угля иногда называют «чистым углем», потому что его можно использовать для выработки электроэнергии без выброса токсинов и углекислого газа в атмосферу. Но он по-прежнему основан на невозобновляемом ископаемом топливе. И для этого по-прежнему требуются операции по добыче полезных ископаемых, которые оставляют шрамы на Земле и оставляют после себя токсичные отходы.

Газификация древесины — или, если быть более точным с технической точки зрения, газификация биомассы — может стать жизнеспособной альтернативой. Биомасса считается возобновляемым источником энергии, потому что она сделана из органических материалов, таких как деревья, урожай и даже мусор.

Газификация биомассы работает так же, как газификация угля: сырье поступает в газификатор, который нагревает углеродосодержащий материал в среде с низким содержанием кислорода для производства синтез-газа. Сырье обычно относится к одной из четырех категорий:

• Сельскохозяйственные отходы остаются после сбора фермерами товарной культуры. Они включают пшеницу, люцерну, бобовую или ячменную солому и кукурузную солому. Пшеничная солома и остатки кукурузы составляют большую часть этой биомассы.
• Энергетические культуры выращиваются исключительно для использования в качестве сырья. Они включают в себя гибриды тополя и ивы, а также просо, местную быстрорастущую траву прерий.
• Лесные отходы включают любую биомассу, оставшуюся после заготовки древесины. Валежная древесина тоже хорошо работает, как и обрезки от операций по окорке и удалению сучьев.
• К городским древесным отходам относятся строительные отходы и мусор от сноса, которые в противном случае оказались бы на свалке. Поддоны — плоские транспортные конструкции — также попадают в эту категорию.

Выбор исходного сырья определяет конструкцию газификатора. В газификации биомассы распространены три схемы: восходящая, нисходящая и поперечная тяга. В восходящем газификаторе древесина поступает в камеру газификации сверху, падает на решетку и образует кучу топлива.

Воздух поступает из-под колосниковой решетки и проходит вверх через груду топлива. Сингаз, также известный как генераторный газ в кругах биомассы, выходит из верхней части камеры. В газификаторах с нисходящим или поперечным потоком воздух и синтетический газ могут входить и выходить в разных местах.

Выбор конструкции топлива и газификатора влияет на относительные пропорции соединений в синтетическом газе. Например, пшеничная солома, помещенная в газификатор с нисходящим потоком, производит следующее:

• От 17 до 19 процентов газообразного водорода
• от 14 до 17 процентов окиси углерода
• 11-14 процентов углекислого газа
• Практически не содержит метана

Но древесный уголь, помещенный в газификатор с нисходящим потоком, производит следующее:

• от 28 до 31 процента окиси углерода
• газообразный водород от 5 до 10 процентов
• от 1 до 2 процентов углекислого газа
• от 1 до 2 процентов метана

Хотите верьте, хотите нет, но одним из основных применений газификации древесины было приведение в действие двигателей внутреннего сгорания. До 1940 года автомобили с газификацией иногда можно было увидеть, особенно в Европе. Затем, во время Второй мировой войны, нехватка нефти заставила людей задуматься об альтернативах.

Транспортная промышленность Западной Европы полагалась на газификацию древесины для питания транспортных средств и обеспечения доставки продуктов питания и других важных материалов потребителям. После войны, когда газ и нефть стали широко доступны, о газификации забыли. Однако будущая нехватка нефти может оживить наш интерес к этой старой технологии. Водитель автомобиля будущего может попросить «заправиться» несколькими деревянными палками вместо нескольких галлонов бензина.

Самодельная газификация

Но вам не нужно быть гигантским коммунальным предприятием, чтобы экспериментировать с газификацией. Вы можете построить простой небольшой газогенератор из материалов, которые найдете в доме. На YouTube есть несколько видеороликов об этих самодельных устройствах. Например, на одном видео показана банка с краской, играющая роль сосуда под давлением, в котором происходят реакции газификации. Поскольку синтез-газ образуется внутри герметичного баллона, он проходит через несколько простых водопроводных фитингов в баллон с горелкой, где газ может быть воспламенен.

Для установки требуется оцинкованный металлический мусорный бак, небольшой металлический барабан, обычная сантехническая арматура и чаша для смешивания из нержавеющей стали. Установка может быть установлена на транспортном средстве для получения синтез-газа для внутреннего сгорания. С установленным газификатором автомобиль может надежно работать, используя в качестве топлива древесную щепу или другую биомассу.

Если вы заинтересованы в газификации, но не относитесь к типу "сделай сам", то, возможно, вам стоит подумать о покупке газификационной установки у производителя. Эти котлы для газификации биомассы могут отапливать дома, гаражи и другие здания и могут использовать различные виды топлива, включая дрова, кукурузные початки, опилки, древесную щепу и любые виды пеллет.

В любом случае, газификация, вероятно, станет одной из наиболее важных энергетических альтернатив в ближайшие десятилетия. Это самый чистый способ использования угля, но он также эффективно работает с возобновляемыми источниками энергии, такими как биомасса. А поскольку одним из основных продуктов газификации является водород, этот процесс представляет собой ступеньку к производству большого количества водорода для топливных элементов и более чистых видов топлива.

Наши принципы - безопасность и комфорт клиентов, поэтому каждый год повышаем уровень профессионализма сотрудников и тщательно проверяем оборудование, поступающее к нам на склад.