Лекція 8

ПЕРСПЕКТИВНІ НАПРЯМИ ПІДВИЩЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ОБ'ЄКТІВ,ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬ ОРГАНІЧНЕ ПАЛИВО

8.1. Конверсія органічного палива

Органічна речовина вугілля (ОРВ) являє собою складний тривимір­ний природний сополімер, що складається з багатьох макромолекул і приєднаних до них окремих молекул. Між макромолекулами ОРВ є попе­речні зв'язки, що характеризуються визначеною нестійкістю. Коли ці зв'язки руйнуються, з ОРВ екстракцією (розчиненням) можна виділити окремі молекули 70-800 а. о. м., що мають досить високу фізико-хімічну стабільність.

Методи конверсії твердого палива ґрунтуються на його термохімічній переробці, у результаті якої можна отримати синтетичне рідке або газо­подібні паливо. Рідке паливо характеризується високим воднево-вуглецевим (Н:С) відношенням (більше 1,5), водночас як для вугілля воно менше одиниці.

Основне завдання виробництва синтетичного палива з вугілля - збіль­шити вміст водню у вугільній масі. Є два принципово різні методи кон­версії вугілля в синтетичне паливо: деградація і синтез, покладені в ос­нову класифікації конверсії органічного палива, схему якої наведено на рис. 8.1. Рис. 8.1.

Рис. 8.1. Класифікація методів конверсії твердого органічного палива 192

Деградація, що підрозділяється на піроліз, гідрогенізацію і газифіка­цію, полягає в розкладанні молекули вугілля на окремі складові, молеку­лярна маса яких знаходиться в межах, характерних для рідких вуглевод­невих продуктів.

Є два способи збільшення воднево-вуглецевого відношення - перероз­поділ водню у вугіллі і додавання водню ззовні. У першому випадку в ре­зультаті перерозподілу водню поряд з рідкими продуктами утворюється карбонізований залишок (напівкокс, кокс), що можна використовувати як паливо або піддати його подальшій переробці кисневою або паровою га­зифікацією. Такий процес називають піроліз вугілля, він полягає в нагрі­ванні вугілля в інертному середовищі. Коли вугілля нагрівається до 400 °С і вище, у макромолекулі починають відбуватися реакції розриву зв'язків.

Залежно від температурного рівня процесу піролізу органічної маси вугілля розрізняють: коксування (процес прир ~ 1 атм в інтервалі темпе­ратур t = 900...1 100 °С), напівкоксування (при t = 500...600 °С), парову дистиляцію (процес у вакуумі з додаванням водяної пари, у результаті чого збільшується вихід летких), швидкісний піроліз (піроліз вугільного пилу в потоці зі швидкістю нагрівання часток 10⁴ К/с), гідропіроліз (швид­кісний піроліз з додаванням водню).

Процес гідрогенізації може відбуватися як у рідкій, так і в газовій фазі. Під час рідкої гідрогенізації вугільна паста, що складається з вугільного пилу і розчинника, підігрівається до температури 700...750 °С при високому тиску за наявності водню. У цій технології застосовують також каталізатори.

Газофазна гідрогенізація відбувається без носія (розчинника) при ви­щій температурі (t > 760 °С) і нижчому тиску.

Під час газифікації вугілля утвориться синтез-газ (суміш CO і Н₂О у відповідній пропорції) або метан.

У сучасній промисловості застосовують три основні методи газифіка­ції: метод Лургі (газифікація в нерухомому шарі при t = 800... 1 600 °С, ти­ску 1,0...10,0 МПа і розмірі частинок вугілля 6 = 3...30 мк), метод Вінклера (у супутному потоці при атмосферному тиску і t = 1 400... 1 600 °С), метод Копперс - Тотцек (у псевдозрідженому шарі при t - 1 800.. .1900 °С).

Якщо розглядати вугілля як чистий вуглець, то газифікацію можна описати за допомогою реакцій:

С + 2Н₂О = СО₂ + 2Н₂ + 90 кДж/моль;

С + ¹/2 О₂ = СО -111кДж/моль; (8.1)

С + Н₂О = CO + Н₂ - 131 кДж/моль.

Перша реакція перебігає з поглинанням (знак «+»), а дві останні - з виді­ленням теплоти (знак «-»). Щоб одержати синтез-газ (суміш CO і Н₂ визначеного складу), переважно використовують так звану парокисневу газифі­кацію, проводячи одночасно першу і другу реакції з системи рівнянь (8.1), підбираючи таке співвідношення між Н2О і О₂, щоб сумарний процес був автотермічним, тобто не потрібно було підводити чи відводити теплоту.

Процес синтезу водневих сполук із синтез-газу в спрощеному вигляді можна подати як одну з таких реакцій:

nСО + 2nН₂ = (СН₂)n + nH₂О;

(8.2)

2nСО + nН₂ = (СН₂)n + nСО₂.

Для першої реакції (8.2) мольне відношення Н:СО має дорівнювати 2:1, для другої -1:2.

Зазвичай реакції синтезу на вигляд складніші, і шлях процесу зале­жить від каталізаторів, що при цьому застосовують. У результаті реакцій синтезу з вугілля можна одержати як рідке, так і газоподібні паливо, зок­рема замінники природного газу, що переважно містять метан.

Технології конверсії твердого палива можна застосовувати для пере­робки різноманітного асортименту сировини, зокрема відходів деревини, сільськогосподарські та тверді міські відходи, водорості.