Дигонский С.В., Тен В.В. Газификация негорючих углеродистых материалов - неисчерпаемый источник водорода (синтез-газа)

Подождите немного. Документ загружается.

ГАЗИФИКАЦИЯ НЕГОРЮЧИХ УГЛЕРОДИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ –

НЕИСЧЕРПАЕМЫЙ ИСТОЧНИК ВОДОРОДА (СИНТЕЗ-ГАЗА)

С.В. ДИГОНСКИЙ, В.В. ТЕН

ФГУП "УРАНГЕОЛОГОРАЗВЕДКА"

I. Газификация твердого топлива представляется, на первый взгляд, за-

дачей давно решенной и не требующей дополнительного исследования, но

это далеко не так.

Из химической термодинамики известно, что при окислении одного

грамм-атома углерода по реакции C+O

теоретически должно выде-

литься 94,05 ккал (393,2 кДж) тепла.

Известно также, что для газификации углеродистого вещества, то есть

для превращения его в горючий газ, необходимы три составных компонен-

та процесса:

1.Газифицируемый углеродистый материал – непременно горючее ве-

щество: уголь, сланец и т.п.

2. Газифицирующее кислородсодержащее соединение - непременно

кислород O

, а с ним какие-либо кислородсодержащие газы: H

O, CO

3. Высокая температура, при которой осуществляется взаимодействие

газифицируемого углеродистого материала с газифицирующим кислород-

содержащим соединением. Температура процесса достигается путем сжи-

гания части газифицируемого угля по реакции C+O

, при этом дру-

гая часть угля разогревается до необходимой температуры и взаимодейст-

вует, например, с водяным паром по реакции H

O+C

CO+H

с образова-

нием оксида углерода и водорода – горючих газов [1].

II. Приведенная схема является частным случаем газификации, пригод-

ным только для горючих углеродистых материалов. По этой схеме невоз-

можно газифицировать углеродистые вещества, не обладающие способно-

стью гореть: если в газогенератор, предназначенный для газификации угля,

подавать графит, то процесс остановится.

В то же время, необходимое сочетание трех компонентов газификации

может присутствовать и в других процессах. В разработанной нами техно-

логии получения феррохрома [2] восстанавливаемый оксид Cr

раство-

ряется в расплаве при высокой температуре, а углеродистый восстанови-

тель (уголь) плавает на поверхности расплава. Восстановление хрома про-

текает по реакции Cr

3(ж)

+3С

(т)

→ 2Cr

(ж)

+3CO

(г)

. Этот же процесс можно

рассматривать и как газификацию угля оксидом хрома - в качестве побоч-

ного продукта образуется огромное количество оксида углерода, сжигае-

мого в газоходе печи (некоторые авторы называют это газификацией угля в

жидком шлаке).

Возникает вопрос: можно ли создать такую комбинацию необходимых

факторов, которая обеспечит оптимальное течение процесса и позволит га-

зифицировать любые углеродистые вещества в произвольной последова-

тельности, не прекращая процесса газификации.

Очевидно, что кислородсодержащие соединения (Н

О, СО

), нагретые

до высокой температуры, уже являются двумя необходимыми компонен-

тами газификации. Следовательно, используя эти газы, разогретые до вы-

сокой температуры, в процесс газификации можно вовлекать любой угле-

родистый материал.

Поскольку углекислый газ (CO

) и водяной пар (H

O), обладающие вы-

сокой температурой, являются конечными продуктами сгорания любого

углеводородного топлива, то именно этими газами и надо окислять (гази-

фицировать) твердые все углеродистые материалы - как горючие, так и не

горючие.

III. Принцип комбинированного сжигания углеводородного топлива –

сжигание в сочетании с газификацией углеродистого материала продукта-

ми сгорания – позволяет максимально использовать теплотворную способ-

ность газифицируемого материала, при этом продукты сгорания углеводо-

родного топлива взаимодействуют с углеродом и превращаются в сумму

горючих газов – оксид углерода и водород [3].

Сжигание, например, метана осуществляется по реакции:

+ 2O

+ 2H

O {1}.

Теплота сгорания метана Qc = 212,8 ккал/моль (889,5 кДж/моль) CH

Если нагретые до температуры свыше 1000 С продукты сгорания (CO

O) пропустить через газопроницаемый слой любого твердого углероди-

стого материала, например графита, то осуществятся следующие реакции:

+ C

2CO {2}

тепловой эффект реакции –Qp = – 41,0 ккал/моль (171,4 кДж/моль) CH

;

O + 2C

2CO + 2H

{3}

тепловой эффект реакции –Qp= –31,05

2= –62,1 ккал/моль (259,6

кДж/моль) CH

Затраты тепла на превращение углекислого газа и воды, образованных

при сгорании 1 грамм-молекулы метана, в оксид углерода (4 моля) и водо-

род (2 моля) составят: 41,0+62,1 = 103,1 ккал (431 кДж).

В то же время, количество теплоты, выделившееся при сжигании че-

тырех молей оксида углерода и двух молей водорода по реакциям:

CO +

+ 67,5 ккал/г-моль CO {4}

O + 57,6 ккал/г-моль H

, {5}

составит: 67,5

4+57,6

2 = 385,2 ккал/моль (1610,4 кДж/моль) CH

Таким образом, суммарный энергетический эффект от сжигания мета-

на, окисления графита продуктами сгорания метана и дожигания продук-

тов конверсии по следующим реакциям:

+ 2O

+ 2H

O + 212,8 ккал/моль (889,5 кДж/моль) CH

+ C

2CO – 41,0 ккал/моль (171,4 кДж/моль) CH

O + 2C

2CO + 2H

– 62,1 ккал/моль (259,6 кДж/моль) CH

4CO + 2O

4CO

+ 270,0 ккал/моль (1128,6 кДж/моль) CH

+ O

O + 115,2 ккал/моль (481,5 кДж/моль) CH

составит 494,9 ккал/моль (2068,7 кДж/моль) CH

. Это означает, что горя-

чие продукты сгорания 1 моля метана газифицируют три грамм-атома лю

бого негорючего углеродистого материала, высвобождая его теплотворную

способность.

IY. Для реализации принципа комбинированного сжигания топлива не-

обходимо создать специальную многокамерную печь, в которой газифика-

ция углеродистого материала производится продуктами сгорания газооб-

разного топлива, являющегося, в свою очередь, продуктом газификации.

Эксплуатация такой установки открывает следующие возможности:

1. Синтез оксида углерода и водорода в неограниченном количестве.

2. Эффективная утилизация любых углеродистых веществ (уголь, торф,

древесина, отработанные покрышки, нефтешламы, бытовой мусор и т.п.).

3. Работа установки в автономном режиме в любых удаленных районах.

4. Непрерывный режим газификации при любой последовательности

газифицируемых углеродистых материалов.

5. Попутное решение экологических проблем – очистка тундры от неф-

тяных проливов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гинзбург Д.П. Газогенераторные установки. Ч.1. – ОНТИ НКТП, Мо-

сква, 1936.

2. Дигонский С.В., Дубинин Н.А., Кравцов Е.Д., Тен В.В. Способ полу-

чения феррохрома. – Патент РФ № 2148672 от 14.10.98 г.

3. Дигонский С.В., Дубинин Н.А., Ахмеров Р.Р., Тен В.В. Способ ком-

бинированного сжигания углеводородного топлива. – Патент РФ №

2184905 от 15.09.00 г.