Производство на синтетичен газ

Екологичните проблеми, свързани с повишеното изхвърляне на парникови газове в атмосферата, както и осигуряването на алтернативни и лесно достъпни горива, са сред основните предпоставки за търсенето и развитието на технологии за производство на биогорива. Немалко усилия са насочени към производството на т. нар. второ поколение биогорива, които се характеризират с много добри екологични показатели. Производството на синтетичен газ се счита за една от стъпките към производството на биогорива от второ поколение.

Синтетичният газ

наричан още синтезен или сингаз, представлява смес от газове, включваща въглероден оксид и водород в ролята на основни горивни компоненти. Суровият синтезен газ също така съдържа и значителни количества въглероден диоксид и вода.

Синтетичният газ се получава основно при газификацията на въглеродосъдържащи горива до газови продукти, които имат някаква топлинна стойност. Подобни процеси са: газификация на въглища, газификация на отпадъци за производство на енергия, реформинг на природен газ с водна пара за производството на водород.

Принципно газификацията е процес, които се използва за конвертиране на всеки материал, който има въглерод до сингаз. Полученият сингаз може да се използва като гориво за производство на пара или електричество или като основен градивен химичен елемент в нефтохимическата промишленост и рафинирането.

Биосинтетичният газ е химически идентичен до синтетичния газ, но основна суровина за производството му са различни видове биомаса.

Възможни приложения

Синтезният газ притежава 50% от енергийната плътност на природния газ. Той може да бъде изгарян и използван като гориво. Друга употреба е използването му като междинен продукт за производството на други химически продукти. Използва се като междинен продукт в индустриалните процеси на синтез на водород и амоняк. По време на този процес метанът (от природен газ) се комбинира с вода, за да се генерира въглероден окис и водород. Като остатък от енергийната газификация се получава сингаз, които може да се използва като гориво за производството на електричество.

Използването на сингаз като гориво се постига предимно чрез газификация на въглища или битови отпадъци. В тези реакции въглеродът се комбинира с вода или кислород, за да се получи въглероден диоксид. Този въглероден диоксид се комбинира с въглерод, за да се получи въглероден оксид. Обикновено процесът протича в газификатори, където изходната суровина се подава в течно или сухо състояние. В газификатора тази суровина реагира в среда без кислород с пара и кислород при повишено налягане и температура. Полученият синтетичен газ се състои от 85% въглероден окис и водород и малки количества от метан и въглероден двуокис. Така полученият синтезен газ може да съдържа някои микроелементи от примесите, които обикновено се отстраняват, като обикновено се възстановяват или пренасочват към газификатора. Така например сярата се възстановява в елементарна форма или като сярна киселина.

Производство на синтезен газ от биомаса

Има две възможности за превръщането на биомасата в синтезен газ или чрез прилагането на висока температура, или с помощта на катализатор при много по-ниска температура. Съответно в първия случай протича газификация с увличащ поток (Entrained flow gasification) при температура приблизително около 1300 оС с интензивно предварително третиране, а вторият включва газификация в кипящ слой с последващ каталитичен реформинг при температура и на двата процеса от порядъка на около 900 оС.

Предимство на газификацията в кипящ слой е, че се явява по-разработената до момента технология при използването на биомаса за производството на топлина и електричество.

Газификацията с увличащ поток е технология, която за момента се използва повече при газификацията на въглища. В този случай е необходимо биомасата да бъде предварително обработена. За предварителна обработка може да се използва т. нар. бърза пиролиза за производството на високоенергийна каша и изпичане за производството на биовъглища. Има възможност и за предварително третиране, включващо бавна пиролиза при температура от около 500 оС и газификация в кипящ слой при температура 600 - 900 оС.

Газификация в кипящ слой

Този метод е сравнително добре познат, тъй като освен за газификация на биомаса, намира широко приложение и при газификация на торф. Използването му е свързано със създаването на кипящ слой, към който се подава биомасата. Обикновено създаването на кипящ слой е посредством подаването на въздух или друг вид газ през слой от инертен материал. Често използван в газификаторите инертен материал е пясъкът, като количеството му надвишава количеството гориво, което осигурява стабилен и високоефективен процес на горене. За намаляване на съдържанието на катран, в кипящия слой може да се добави катализатор.

Типичната работна температура при газификацията на биомасата е от порядъка от 800 - 850 оС. Основната част от биомасата се превръща в газ в границите на самия кипящ слой, а по-малка част в зоната над кипящия слой. В повечето случаи степента на оползотворяване на въглерода достига 100% при отсъствие на прекомерно пренасяне на фини прахови частици, които могат да се образуват при горно подаване на биомасата.

Тази технология позволява да се постигне висока ефективност благодарение на почти пълното изгаряне на горивото при по-ниски емисии на остатъчни продукти на горенето. Характерно за газификаторите с кипящ слой е висока скорост на протичане на топло- и масопреносните процеси, както и по-доброто смесване на твърдата фаза, което осигурява висока скорост на реакция и слой с почти постоянна температура. При използването на газификатори с кипящ слой се препоръчва използването на биомаса със сравнително малки размери на отделните частици. Това изискване често налага предварителното смилане на биомасата.

За инсталации със сравнително големи мощности се препоръчва използването на газификатори с циркулиращ кипящ слой. Характерно за тях е по-високата скорост на продухване на частиците на инертния слой в сравнение с газификаторите с кипящ слой, поради което те се изхвърлят от слоя заедно с продуктите на горене. За улавянето им се използват циклони и те се връщат обратно в кипящия слой. Полученият от тези газификатори газ е подходящ за използване предимно в котли и ТЕЦ-ове.

Полученият газ при използването на газификатори с кипящ слой, работещи обикновено при температури от порядъка на 900 оС, съдържа Н2, СО, СО2, Н2О и значителни количества въглеводороди като СН4, С2Н4, бензен и катрани. Въпреки че този газ е подходящ за използване в горивни процеси, той не отговаря на изискванията за синтетичен газ, който е подходящ за производството на биогорива или да се използва при производството на химични продукти. Необходимо е полученият газ да бъде подложен на допълнителна обработка чрез каталитичен реформинг, при което въглеродите се превръщат в Н2 и СО (СО2 и Н2О). Тъй като при преобразуването на синтетичния газ в течни горива се изисква суровият газ да съдържа много малки или никакви количества инертни газове се препоръчва при газификацията и реформинга да се използва чист кислород, а не въздух. Често се добавя и пара като посредник. Друга възможност за предотвратяване на разреждането на N2 е използването на индиректни газификатори, при които производството на газа и генерирането на топлина не се случва на едно и също място в реактора.

Газификацията с увличащ поток (Entrained flow gasification)

Некаталитичното производство на синтетичен газ от биомаса изисква високи температури, обикновено около 1300 оС. Газификаторите с увличащ поток са сред най-често използваните съоръжения за тази цел. Тъй като биомасата съдържа минерални вещества (прах), увличащият шлаката поток се счита за една от най-подходящите технологии. Използваната биомаса за тези газификатори е необходимо да бъде с много малки частици, за да се получи достатъчно добро преобразуване. Това налага смилане на подаваната към газификатора суровина, което е енергоемко, а крайният резултат са частици с много малки размери, които е трудно да бъдат подавани към реактора посредством стандартните пневматични системи. Като най-обещаващи технологии за предварително третиране за момента се очертават изпичането (torrefaction) и пиролизата.

Изпичането е лека форма на температурна обработка при температури от порядъка на 250 - 300 оС, чрез която твърдата биомаса се превръща в крехък, лесен за пулверизация материал (биовъглища), който може да бъде третиран като въглища. Така обработена биомасата може лесно да бъде пелетизирана и транспортирана.

Пиролизното разлагане обикновено протича при температури от порядъка на 500 оС и при него твърдата биомаса се превръща в течен продукт (биомасло), а процесът е познат като бърза пиролиза.

Газификаторите с увличащ поток за момента не са широко използвани в приложения за преработка на биомаса.

Чистият и обработен синтезен газ може да бъде използван за производството на много продукти, както и на биогорива като Фишер-Тропс (Fischer-Tropsch) дизел и други петролни продукти, метанол, диметил етер, смесени алкохоли и чист Н2.