Пиролиза и газификация на въглища

Глобалните климатични промени, повишаването на цените на суровия петрол и природния газ и високата енергоемкост на съвременните производства извеждат на преден план потребността от чиста и достъпна енергия.

И макар да са разработени редица иновативни технологии, които се базират на използването на възобновяема енергия като слънчевата например, основен критерий за избора на енергиен източник в редица индустрии остава възможността за постигане на високи мощности. Ето защо, наред с постоянно нарастващия дял на възобновяемите източници в глобалния енергиен микс се увеличава и използването на фосилни горива и в частност - въглища.

Производството на електроенергия в световен мащаб до голяма степен зависи от въгледобива. Директното изгаряне на въглищата обаче е свързано с отделянето на вредни за атмосферата газове - въглеродни и серни окиси и др. По-малко вредно влияние за околната среда оказва използването като гориво на вторични продукти от преработката на въглища.

Освен за енергетиката, въглищата са важен ресурс и за химическата промишленост, като голяма част от добива след преработка се превръща в химическа суровина. Тези предпоставки налагат нуждата от надеждни и по-екологосъобразни технологии за оползотворяване на въглища.

Технологии за преработка на въглища

Въглищата се преработват при високи температури чрез т. нар. пирогенетична преработка, като вторичните продукти от процеса могат да бъдат използвани в качеството им горива или химическа суровина. Сред основните процеси по преработка са пиролизата и газификацията.

Това са относително чисти технологии, които вероятно ще играят все по-важна роля в производството на електроенергия, химикали и синтетични горива през следващите десетилетия поради сравнително високата си ефективност и нисък въглероден отпечатък. Те предоставят възможности за контрол на замърсяването на въздуха, особено по отношение емисиите на сяра, азотни оксиди и най-вече въглероден диоксид.

Пиролизата се състои в термично разлагане на въглища или други органични горива в инертна атмосфера, като процесът генерира смес от твърди, течни и газообразни съставки, които като вторични продукти намират широко приложение в индустрията. На практика това е основна химична реакция, която предшества процесите на горене и газификация.

Газификацията, както показва и самият термин, е промишлен метод за превръщане на твърди въглеродсъдържащи горива в газообразни, които позволяват по-лесна и разширена употреба. И двете технологии отдавна са познати на човека, но истинският им потенциал предстои тепърва да се разкрива.

В наши дни пиролизата и газификацията могат все-по ефективно да допълват използването на течни горива, а световните запаси на изкопаеми въглища са повече от запасите на нефт и газ. Разнообразието от технологии за преработка и вторични продукти позволяват в перспектива изкопаемите въглища да станат предпочитан източник на енергия и на суровина за химическата промишленост без пагубни последствия за околната среда.

Газификация

Вместо директно да се изгарят по конвенционален път, при газификация въглищата (или други въглерод-съдържащи фосилни горива) се разлагат на основните си химични съставки под влиянието на окислители - въздух, кислород, водни пари, въглероден диоксид или смеси от тези газове.

Газификацията е термохимичен процес, при който органичната материя се подлага на непълно окисление при високи температури (от порядъка на 900-1600 °С ). В резултат от нагряването протича химична реакция между въглерода от въглищата и окислителя.

Крайният продукт от процеса е газообразно вещество, представляващо синтетичен газ (известен още като генераторен газ, синтез-газ или сингаз). На газификация могат да се подлагат всички видове каменни въглища (лигнитни, кафяви, черни и антрацитни) без значение процента им на съдържание на пепел, летливи вещества, влага и др.

Самият процес се извършва в специални съоръжения, наречени газгенератори. След края му от установката излиза суров газ, в чийто състав влиза известно количество примеси. В зависимост от използвания окислител синтетичният газ може да съдържа въглероден оксид (CO), въглероден диоксид (СО2), азот, водород (H2), кислород (O2) метан (CH4) и други газове в различно съотношение.

След газификацията синтетичният газ се подлага на пречистване и охлаждане и може да бъде използван като суровина за производството на течни горива и химикали, като редуктор в различни пирометалургични процеси (например за пряка редукция на желязна руда) или като директен източник на енергия за производството на електричество, например в системи за интегрирана газификация с комбиниран цикъл.

Газгенератори

Газгенераторите (наричани още газификатори) са специални съоръжения, в които се извършва термохимичният процес по газификация на въглища. Твърдото изкопаемо гориво се зарежда в бункера на съоръжението. Оттам въглищата попадат в реактор, където се излагат на стриктно регулирани количества водна пара, въздух, кислород или друг окислител при високи температури и налягане.

При тези условия молекулите на въглищата се разпадат, като задействат химични реакции, при които се получава синтетичният микс от газове. Съоръжението обикновено включва зона за подаване на въглища, система за загряване на реактора, за подаване на окислител, за отвеждане на крайния продукт, както и устройство за отделяне на шлаката.

Съществуват различни конструкции газификатори в зависимост от предназначението на газа и качествата на изходната суровина. Устройството на газгенераторите се различава и в зависимост от начина на подаване на твърдото вещество в реактора, посоката на двата потока - на въглищата и на окислителя, начина на взаимодействие между тях, начина на загряване на реактора и др.

В различните типове газгенератори се използват въглища в различно състояние - на по-едри парчета, на прах, на зърна. Температурите в различните типове съоръжения обикновено варират между 900 и 1600 °С.

Системите за комбинирана газификация и оползотворяване на продукта, използвани в производството на електроенергия например, се състоят от газгенератор или газификатор, система за пречистване и съоръжение за отвеждане и оползотворяване на получения газ.

Предимства и възможности на технологията

Да се построи и експлоатира съоръжение за производство на електроенергия чрез газификация на въглища струва повече, отколкото съоръжение за изгаряне. Предимството е, че при газифициране се генерират по-малко отпадъци, защото страничните продукти могат да се използват повторно.

Тази технология е по-енергийноефективно решение за електроцентрали от традиционното изгаряне, тъй като се отделят по-малко емисии на CO2 за едно и също количество произведено електричество. В допълнение, при този процес въглеродният диоксид се освобождава в концентриран вид под високо налягане, което прави възможно улавянето и съхранението му.

Технологията позволява и подземна газификация на въглища, при която твърдите изкопаеми горива се преработват в газ директно в земните недра. В залежите с въглища се пробиват отвори за инжектиране на оксиданти. После в пласта се създават канали между отворите, по които се запалва въглищният пласт при високо налягане. Процесът на горене се регулира чрез подаването на окислител. Полученият газ се отвежда на повърхността чрез сондажи и се пречиства.

Газификацията може би е и сред най-иновативните решения за намаляване на въглеродния отпечатък от транспорта, защото на практика е една от най-гъвкавите технологии за производството на чист водород, с който се захранват водородните хибридни автомобили и горивните клетки. Въглеводородите с отворена права верига, произвеждани в процеса, са подходящи за дизелово и ракетно гориво.

Пиролиза

Пиролизата, известна още като суха дестилация, е друг широко прилаган термохимичен процес за обработка на въглища. Тя е добре позната и използвана от векове и като метод за производството на дървени въглища. Съществената разлика с газификацията е, че при пиролизата загряването на твърдото вещество се извършва в инертна среда в отсъствието на оксидиращ агент.

Повишаването на температурата води до разпадане на сложната химична структура на изкопаемите въглища, като по-слабите химични връзки се разпадат при по-ниски температури, а по-силните - при по-високи. В зависимост от времето (съответно температурата), за което се извършва пиролизата, и крайния продукт може да се разграничат два типа процеси: нискотемпературна (полукоксуване) и високотемпературна пиролиза (коксуване).

Високотемпературната пиролиза на въглища с висока скорост на нагряване обикновено е първичен процес, предшестващ последващото им оползотворяване чрез изгаряне, газификация или втечняване. Сухата дестилация може да се използва и като самостоятелна технология за преработка на твърди изкопаеми горива.

Чрез термично разлагане на органичната им структура пиролизата способства за освобождаването на летливи продукти, които могат да представляват до 70% от теглото на въглищата.

Процесът пиролиза се характеризира с висока ефективност и добри екологични показатели. Подобно на газификацията, и тук вредните въглеродни окиси и други газове се отделят в контролирана среда, което позволява улавянето им и предотвратява замърсяването на атмосферата.

Механизъм на сухата дестилация на въглища

Когато въглищата се нагреят в специални пещи до определени температури (обикновено между 400 и 500 оC), възникват химични реакции, при които се отделя смес от летливи вещества и твърд остатък, за удобство категоризирани като газ, катран и въглен.

При пиролизата на въглища в инертна среда се предполага, че протичат едновременно три процеса: обезгазяване (отделяне на летливите вещества), крекинг (под въздействието на висока температура и/или катализатор от съединения с дълга въглеродна верига се получават съединения с по-къса въглеродна верига) и отлагане.

Пълното протичане на бавната пиролиза обикновено отнема часове, а бързата протича за много по-кратко време. За нея е характерно загряване на въглищата до висока температура и бързо предаване на топлината, което налага използването на предварително подготвена (раздробена или стрита) въглищна маса.

Тъй като на практика пиролизата е процес, предшестващ процесите на изгаряне и газификация, се приема, че за индуциране на тези процеси могат да се използват същите реактори, намиращи приложение в газификацията.

Продукти на пиролизата и техните приложения

Крайният продукт от пиролизата е смес от твърди (пиролизен въглен, полукокс или кокс), течни (въглищен катран на основата на масла, смоли и сродни продукти) и газови (метан, водород, въглероден оксид, въглероден диоксид) съставки, съотношението на които в голяма степен зависи от използвания метод на пиролиза, характеристиките на въглищата и параметрите на реакцията.

Обикновено при относително ниски температури от порядъка на 450 °С и ниска скорост на загряване, по-голям дял в крайните продукти заема въгленът. При високи температури от порядъка на 800 °С и високи скорости на загряване по-голям дял в крайните продукти заемат газовете.

При средни температури и относително бързо загряване основният продукт обикновено са въглищни катрани - дестилируеми течности с молекулно тегло, по-голямо от 6. При коксуването на въглища (при 900-1100 °С) освен кокс се произвежда още коксов газ и каменовъглен катран.

Продуктите от сухата дестилация на въглища намират широко приложение в енергетиката, транспорта, металургията, химическата промишленост и др. Коксът съдържа до 97% въглерод и се използва като гориво и като редуктор при получаването на метали. От летливите продукти след охлаждане се получават коксов газ, подходящ за когенерация, и каменовъглена смола и надсмолна вода, използвани в химията.

Полукоксът има свойството да се възпламенява лесно и да гори бездимно. Използва се като гориво в промишлеността и бита и като добавка към шихтата при коксуване. Катраните служат за суровина в производството на различни течни горива. Първичният газ се характеризира с голяма топлина на изгаряне и се използва като гориво за химичен синтез.