ГАЗИФИКАЦИЯ И ГИДРОГЕНИЗАЦИЯ ТОПЛИВ

При промышленном использовании твердых минеральных ископаемых в качестве топлив и особенно в качестве химического сырья для синтезов возникает необходимость в глубокой химической переработке этих источников.

Такая глубокая переработка обычно предпринимается для полного превращения всей горючей массы исходного топливного сырья в новый, существенно отличающийся от этого сырья продукт с заданными качествами. Применение этого вида переработки особенно важно в странах, богатых, например, твердым топливом, но не имеющих собственных запасов нефти или природного газа.

Направление такой глубокой химической переработки при промышленном облагораживании топлив можно представить следующей схемой:

Твердые топлива ---> Жидкие топлива ---> Горючие газы

При использовании твердых природных ископаемых в качестве химического сырья целью их переработки является превращение содержащихся в них сложных веществ в более простые химические соединения (легкие и средние парафиновые и олефиновые углеводороды, бензол, толуол, ксилол и другие их производные, синтез-газ – СО и Н₂ и т.д.), которые затем служат целевыми продуктами или исходными веществами в дальнейших процессах синтеза. Для осуществления таких превращений необходимо взаимодействие топлива с каким-либо реагентом. В качестве подобных реагентов при глубокой переработке топлив обычно используют кислород и водород. В зависимости от применяемого реагента при глубокой переработке твердых топлив различают процессы:

1. газификации

2. гидрогенизации.

Газификацией топлива называется процесс превращения его в горю­чий газ путем окисления органической части топлива кислородом или кислородными соединениями (водяным паром или двуокисью углерода).

В результате газификации получается генераторный газ и твердый остаток, содержащий золу топлива и неиспользованные органические вещества. Применяемые для газификации аппараты называются газогенераторами.

Газификация топлива представляет собой метод превращения твердого топлива в газообразное, а также является первой стадией химической переработки топлива при производстве синтетических продуктов — аммиака, спиртов, жидкого топлива и др.

Газообразное топливо по сравнению с твердым обладает рядом преимуществ. Оно сгорает полностью, не дает твердых отходов, процесс горения легко регулируется. При сжигании газообразного топлива требуется очень небольшой избыток воздуха, благодаря чему достигается высокая температура, которая может быть еще более повышена путем подогрева сжигаемого газа. Кроме того, газ можно передавать на дальние расстояния по трубам, расходуя мало энергии на его перемещение и не загружая сухопутный или водный транспорт.

Газообразное топливо используется в промышленных печах — металлургических, стекольных, керамических и др., как котельное и моторное топливо и как топливо для коммунальных нужд.

Газифицировать можно все виды природного и искусственного твердого топлива — дерево, солому, торф, бурые угли, каменные угли, антрацит, горючие сланцы, древесный уголь, полукокс, кокс. Таким образом, газификация представляет собой универсальный метод пре­вращения любого топлива, в том числе и низкосортного, в высококаче­ственное газообразное топливо. Одновременно метод газификации дает возможность использовать огромные ресурсы твердого топлива как сырье для синтетических процессов. Ранее для этой цели применяли преимущественно кокс. В последнее время быстро развиваются способы получения исходных веществ для синтетических производств путем газификации бурых углей, торфа, дерева, горючих сланцев.

Гидрогенизацией топлива называется процесс превращения его в смеси легкокипящих жидких углеводородов и более простых соединений путем присоединения водорода, которое в дальнейшем может быть использовано как легкое моторное топливо или химическое сырье.

Присоединение водорода к топливам (обычно твердым или тяжелым жидким) происходит в процессах деструктивной гидрогенизации топлива и связано с его одновременным разрушением и образованием гораздо более простых соединений. В результате таких превращений обычно получаются смеси легкокипящих жидких углеводородов, используемых далее как легкое моторное топливо или химическое сырье.

Разнообразные химические превращения индивидуальных углеводородов, подобные описанным выше, широко используются в промышленности органического синтеза. Эти процессы глубокого химического воздействия на сырье при переработке топлив протекают очень сложно и, как правило, не могут быть описаны одной элементарной реакцией; возможно показать лишь общее направление химических изменений перерабатываемого сырья. Поскольку химическая сущность этих процессов однотипна для всех видов топлива, их можно рассматривать в обобщенном виде для различного сырья. Аппаратурное же оформление весьма разнообразно, так как конструкция применяемых аппаратов зависит от агрегатного состояния перерабатываемого сырья, его состава, зольности и других свойств.

ГАЗИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ

Газификация топлива заключается в неполном окислении органической части топлива кислородом или кислородными соединениями (водяным паром или двуокисью углерода) с целью получения газообразных углеводородов и других химических соединений (СО, Н₂, СО₂, Н₂О, технического углерода и т.д.)

Процесс проводится при температуре выше 700 °С, протекает с выделением тепла и в общем виде может быть представлен уравнением:

2С + О₂ = 2СО +52,8 ккал (~220 кдж)

Наряду с этим процессом происходит тепловое разложение органического вещества топлива и взаимодействие кислорода и водяных паров с продуктами разложения, в результате чего образуется так называемый «генераторный газ», представленный смесью СО₂, СО и Н₂.

Состав генераторного газа зависит:

1. от вида газифицируемого топлива,

2. от условий проведения процесса;

3. от рода окислителя.

В зависимости от вида газифицируемого топлива и от условий проведения процесса, а также от того, все ли органические составляющие топлива подверглись воздействию кислорода, состав и, следовательно, свойства получаемых газов могут быть весьма различны.

В зависимости от рода окислителя получают газы — воздушный, паровоздушный, водяной, парокислородный.

При действии на топливо только кислородом воздуха получается воздушный газ.

При добавлянии к воздуху некоторого количества водяного пара, получают паровоздушный газ.

При действии на топливо только водяного пара (без воздуха) получается водяной газ.

При действии на топливо смеси водяного пара и кислорода синтезируется парокислородный газ.

На рисунке приведены кривые, характеризующие изменение состава газа в зависимости от температуры процесса газификации.