Перспективы и проблемы использования газогенераторов угля для выработки тепловой энергии

Исследование газификации угля началось еще в начале XVII в. Дж. Ван Хельмонт из Брюсселя в 1609 г. первым получил горючий газ из древесного угля. В 1788 г. Р. Гарднер получает первый патент на способ газификации угля, а в 1792 г. инженер В. Мердок изготавливает первый газификатор. Наиболее широкое распространение газификация угля получила в 1940-1950-х гг. Например, в СССР из угля производилось около 35 млрд. м3 газа в год.

С развитием нефтедобывающей отрасли произошли резкие изменения в производстве жидких углеводородных топлив, что привело к снижению газогенераторных установок вплоть до полного отказа от последних. Так, в Советском Союзе до конца 1964 г. использовались автомобили с газогенераторными установками.

Были и попытки возродить данные технологии. В основном это происходило за счет увеличивающихся цен на нефть в странах, экономика которых непосредственно зависела от цен на энергоносители. Такие попытки предпринимались в США, Великобритании, ЮАР.

Сегодня можно с уверенностью говорить, что в скором будущем технологии по газификации углей вновь найдут массовое применение в различных областях энергетики и промышленности, в связи с чем возникает необходимость разработки новых методов по газификации углей или усовершенствования уже известных.

В декабре 2013 г. НАК «Нафтогаз Украины» подписала кредитное соглашение с Государственным банком развития Китая (China Development Bank Corporation) о привлечении 3,656 млрд. долл. под госгарантии для реализации проектов замещения газа углем – технологий водоугольного топлива и строительства заводов газификации угля [1]. Срок действия кредитной линии – 19 лет, стоимость обслуживания – 2,396 млрд. долл. Заводы по газификации бурого и каменного угля планировалось построить по технологии Shell, апробированной в Китае. Реализация проекта позволила бы Украине ежегодно экономить до 4 млрд. м3 природного газа, обеспечить рынок сбыта для 10 млн. т угля и создать более 2000 рабочих мест. Начало строительства было запланировано на сентябрь 2014 г.

В современном мире технологии по газификации углей разрабатываются множеством крупных компаний, например, американскими фирмами General Electric (процесс Texaco), EGas, Kellog-Brown-Root (KBR, газификатор TRIG), а также европейскими компаниями – Shell, Lurgi GmbH, Siemens и др.

Наибольший интерес для модернизации малых котельных вызывают газификаторы слоевого типа. Основной проблемой при производстве генераторного газа является его загрязненность каменными смолами и включениями серы, в связи с чем были проведены исследования содержания данных компонентов в генераторном газе и их влияния на качество газа.

Целью исследования было снижение концентрации угольной смолы в генераторном газе перед ступенями очистки газа.

Нами разработаны ряд технологий и установок [2] для газификации углей и древесины, одной из которых является замещение генераторным газом, выработанным в газогенераторе (рис. 1), слоевого сжигания угля или факельного сжигания мазута в отопительных котлах. Полученный газ может быть использован не только для непосредственного сжигания в отопительных котлах, но и после очистки в газотурбинных установках, дизель-генераторах и для производства бензина. Данные технологии разработаны и применены в промышленности в ХХ в.

В рамках технологии по производству тепловой энергии из генераторного газа устанавливается газификатор, например, газогенератор BS-15 (см. рис. 1), старые котлы оборудуются газовыми горелками, при невозможности использования старых котлов устанавливаются новые газовые котлы или бойлеры. Внешние соединения котельной с тепловыми сетями и контуры по воде и/или пару внутри котельной никак не модернизируются.

Газогенераторы могут устанавливаться на котельных как непосредственно в населенных пунктах, так и на некотором удалении от них. Это обусловлено тем, что экологические показатели, в том числе и по дымовым выбросам котельных, работающих на генераторном газе, по всем показателям значительно выше, чем у традиционной угольной котельной. Значения предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ могут достигать уровня в 30-35 раз ниже, чем в традиционных технологиях. Еще одним плюсом является отсутствие твердых выбросов в атмосферу (зола, сажа), что становится особенно актуальным при размещении котельной в населенном пункте.

С экономической точки зрения эффективность очистки газа перед сжиганием значительно дешевле, чем очистка дымовых выбросов угольных отопительных и производственных котельных.

Эффективность производства тепловой энергии достигается не только за счет снижения затрат на экологию, но и за счет автоматизации процесса и исключения из технологического процесса человеческого фактора. Применение генераторного газа повышает маневренность котельной, так как при необходимости увеличения количества вырабатываемого тепла достаточно увеличить подачу газа в топку котла, чего нельзя сделать при производстве тепла на угле. Для того чтобы уголь прогрелся, подсох и загорелся, необходимо время. И, наоборот, если надо снизить количество вырабатываемого тепла, уголь в топке необходимо тушить, выгребать из топки или увеличивать скорость подачи подвижной колосниковой решетки, что приводит к удалению топлива из топки и его выгоранию за ее пределами, а следовательно, и к потерям энергоресурсов.

Рис. 1. Газогенератор BS-15:

1 – линия подачи угля; 2 – загрузочные бункеры; 3 – газификатор; 4 – система газоочистки

Генераторный газ может быть использован в качестве основного энергоресурса не только на угольных, но и мазутных отопительных котельных. При замещении мазута генераторным газом эффект от внедрения газогенераторной установки достигает более высоких показателей, позволяющих снизить срок окупаемости работ по модернизации до 2,5-3 лет. Эффективность предложенных решений достигается за счет разности цен на мазут и уголь. При одинаковых показателях теплопроизводительности котельной затраты на производство тепла даже с обыкновенными угольными котлами со слоевым сжиганием в 2-2,5 раза ниже, чем при производстве тепловой энергии на котельной, работающей на мазуте.

Производство генераторного газа осуществляется в газогенераторе, однотипном газификатору Lurgi. Основной проблемой подобных газификаторов является то, что при их работе выделяется большое количество каменноугольной смолы. Очистка газа от смол в традиционной технологии с последующей переработкой смол – одна из главнейших проблем слоевой газификации. Помимо проблем с утилизацией возникает вопрос, с помощью чего она осуществляется. Зачастую это громоздкие сооружениями с большим водопотреблением и хранилищем воды, загрязненной фенолами и канцерогенными органическими соединениями.

Для очистки генераторного газа от нежелательных продуктов пиролиза угля газификатор оборудован плазменной приставкой 1 (рис. 2), установленной в системе газоочистки 4 (см. рис. 1). Камера вывода газа представляет собой вертикально установленный мокрый пылеуловитель ударно-инерционного действия. Перед входным патрубком 2 навстречу выходящему из газогенератора потоку газа установлен плазмотрон 1, создающий высокую температуру за счет энергии электродуговой плазмы [3, 4, 5]. Под действием электродуговой плазмы конденсируемые вещества, образовавшиеся в результате пиролиза угля, разлагаются на элементарные составляющие. В верхней части камеры вывода газа установлены штуцеры 3 с паровыми форсунками. При подаче пара в область деактивации продуктов пиролиза угля происходит его разложение на водород и активный кислород, вступающие в реакции с образованием горючих компонентов, что способствует быстрому охлаждению генераторного газа до температур, при которых образование каменноугольных смол резко снижается, снижается и содержание NOx примерно в 3 раза.

Рис. 2. Система газоочистки, оборудованная плазмотроном:

1 – плазмотрон; 2 – входной патрубок; 3 – штуцер с паровой фарсункой

В ходе проведения исследований по очистке генераторного газа на опытной установке были получены результаты по составу и калорийности горючего газа, выработанного из угля Тугнуйского месторождения (табл.).

Таблица

Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха

Содержание компонентов, об. %	Расход воздуха, кг/ч
	30	45	60	75	90	105	120
H 2	48,95	44,05	40,05	36,71	33,89	31,47	29,37
CO	34,98	34,91	34,85	34,8	34,76	34,72	34,69
N 2	15,39	20,43	24,55	27,99	30,89	33,38	35,53
Q, ккал/нм3	2318,1	2189,6	2084,7	1997,0	1923,1	1859,5	1804,4

Полученный газ в основном состоит из водорода и оксида углерода, в качестве балласта в газе присутствует азот. Для снижения балласта в конечном продукте непосредственно в реакционную зону газификатора подавали водяной пар, что позволило снизить содержание азота до 10-12%.

Полученные результаты говорят о целесообразности предварительной газификации углей и последующего сжигания генераторного газа в отопительных котлах. При модернизации котлов:

• ‒    снижаются вредные выбросы в атмосферу;

• ‒    отсутствуют выбросы в атмосферу золы и сажи;

• ‒    повышается маневренность котла за счет установки газовой автоматики;

• ‒    снижается влияние человеческого фактора на процесс производства тепловой энергии;

• ‒    достигается экономия топлива за счет повышения КПД котла;

• ‒    уменьшаются металлозатраты установки по очистке генераторного газа.