Использование микроволновой СВЧ-энергии для плазмохимической переработки угля в синтез-газ

В последнее время интенсивно разрабатываются новые и прогрессивные направления переработки каменного угля в условиях высокотемпературных плазмохимических процессов с целью превращения его в газообразные продукты, такие как водород, ацетилен, цианистый водород, синтез-газ. Такой метод переработки твердых видов топлива считается весьма перспективным за счет ряда преимуществ, к которым относятся: высокая селективность плазмохимических технологических процессов, возможность перерабатывать различные виды сырья, основное оборудование, имеющее небольшие габариты, полная автоматизация технологического процесса, минимизация выбросов в окружающую среду золы, серы и других вредных веществ. Для этих целей могут применяться и электромагнитные СВЧ-плазмотроны. Микроволновое излучение может использоваться как для пиролиза угля, так и для его газификации.

Пиролиз углей в микроволновых СВЧ плазмотронах

Пиролиз углей чаще всего проводят в плазме аргона и водорода. Пиролиз угля с высокой степенью метаморфизма и минимальным содержанием кислорода (битуминозный, суббитуминозный уголь) в плазме аргона и водорода в основном дает газообразный ацетилен. При термическом превращении бурых углей с высоким содержанием кислорода в составе продуктов преобладают окислы углерода и водород.

Технологические реакторы с плазменным нагревом сырья могут различаться способом ввода угольных порошков в плазменную струю. В зависимости от применяемого способа ввода угольного порошка, результаты обработки несколько различаются.

Состав компонентов технологического процесса пиролиза

При пиролизе углей в плазме аргона при прочих равных условиях технологического процесса выход основного продукта реакции ацетилена пропорционален наличию летучих газов в угле. Работы, проводимые различными авторами, показывают, что при радиальной подаче угля в камеру пиролиза максимальный выход ацетилена из углей, содержащих около 50% летучих веществ, составляет примерно 20%. При вводе угля, содержащего 36% газов, через полый катод выход ацетилена составляет 30%, а при содержании летучих 47,8% — ацетилена выходит 46%. Так как в технологическом процессе пиролиза выделяется еще и 10% угарного газа, общий выход газообразных продуктов примерно на четверть превышает содержание летучих в исходных углях, определенных стандартным методом.

Добавление к плазме аргона 10% водорода ведет к заметному увеличению ацетилена: 40% при радиальной подаче угля в камеру пиролиза и 74% при подаче через полый катод. При пиролизе углей в плазме аргона с добавлением 33% водорода выход ацетилена в 3 – 4 раза выше, чем в плазме аргона. Он также растет с увеличением содержания летучих.

Результаты в разработке СВЧ плазмохимического пиролиза угля с целью получения ацетилена

Хорошие результаты в разработке СВЧ плазмохимического пиролиза угля с целью получения ацетилена продемонстрировала американская компания Avco, которая работает в этом направлении с 60-х годов 20 века. Сейчас испытания проводятся на полупромышленной установке мощностью 1 МВт и производительностью ацетилена 900 тонн в год. Результаты были достигнуты при использовании плазмохимического реактора с электрической дугой, вращающейся в электромагнитном поле.

Вращение дуги на большой скорости благоприятствует равномерному нагреву водорода до высокой температуры и препятствует привязыванию дуги к определенному месту анода и его прогоранию. Уголь в кипящем слое водорода подается в зону реакции через серию отверстий, расположенных концентрически вокруг катода. В качестве катода используется охлаждаемая водой медная трубка с торированным вольфрамовым наконечником.

Оптимальные результаты были получены при закладке продуктов низкомолекулярными углеводородами. При прохождении реакции тепло отходящих газов, нагретых до 2000 К, частично применяется для получения дополнительного количества этилена и ацетилена. Стоит обратить внимание на то, что выход ацетилена при микроволновом СВЧ плазмохимическом пиролизе бурых углей в плазме водорода и аргона значительно ниже, чем при переработке битуминозных углей с таким же содержанием летучих. Это объясняется высоким содержанием в них кислорода и повышенным образованием окислов углерода и воды при разложении. Такие угли целесообразнее подвергать переработке в синтез-газ (СО+Н2) в плазме водяного пара.

Итак, могут быть получены интересные результаты не только при пиролизе твердых топлив, но и при использовании СВЧ-энергетики для газификации твердых горючих ископаемых (ТГИ).

Технологии газификации твердых топлив

В начале 19 века в Англии в промышленности впервые был получен искусственный газ при газификации угля в масштабах отрасли. После этого искусственный газ получил широкое применение для освещения домов и промышленных предприятий в передовых странах Европы и в России. Этот газ также стали использовать в печах металлургической и машиностроительной промышленности. На первоначальной стадии газификации в качестве окислителя использовали воздух, а позднее – смесь воздуха и водяного пара. После разработки технологии производства кислорода стали использовать кислород и смесь пара с кислородом. Это позволило увеличить теплотворную способность получающихся газов. Сейчас этот искусственный газ используется для бытовых нужд. Изыскания по усовершенствованию технологий газификации твердых топлив проводятся постоянно. На сегодняшний день действуют тепловые электростанции на 250 – 300 МВт, работающие на искусственном топливном газе.

Методы газификации твердых горючих ископаемых в самом общем смысле разделяются на автотермические и аллотермические. При автотермическом методе энергия образуется при сгорании части топлива непосредственно в газогенераторе. Аллотермический метод предполагает подведение энергии в газогенератор извне при помощи твердого и газообразного теплоносителя. Так же в аллотермических процессах благодаря отсутствию в искусственном газе азота увеличивается его энергетический потенциал. Помимо этого в таких процессах не требуются дорогие установки для производства кислорода. Сейчас промышленные технологии газификации являются автотермическими, поскольку газогенераторы для аллотермических процессов сложны в изготовлении и эксплуатации. В автотермических газогенераторах с кислородным дутьем существенно ускоряются химические реакции газификации из-за более высокой температуры процесса. Это позволяет снизить размер генератора и проводить газификацию высокозольных ТГИ.

Образование синтез-газа

Газификацию твердых горючих ископаемых упрощенно можно описать пятью гетерогенными и двумя гомогенными химическими реакциями.

Высокие температуры в применяемых газогенераторах практически исключают образование С2 и более высоких углеводородов.

Есть возможность рассчитать состав получающихся газов в зависимости от температуры газификации, но эти значения будут в основном теоретическими, так как реальные процессы сложнее и проходят в нестационарных условиях. К тому же, затруднительно теоретическое определение скорости разложения твердых горючих ископаемых, времени контакта между топливом и окислителем и последующее взаимодействие твердых и газообразных продуктов.

При любой технологии газификация начинается с горения углерода. В результате в следствие воздействия высоких температур твердые горючие ископаемые подвергаются окислительным и термическим превращениям и создаются условия для реализации главных реакций газификации. Раскаленное топливо при взаимодействии с водяным паром приводит к образованию синтез-газа – смеси угарного газа и водорода. В эндотермической гомогенной химической реакции слой топлива периодически продувают воздухом. Как правило, синтез-газ из каменного угля содержит 37% угарного газа и 50% водорода.

Использование микроволновой СВЧ-энергии для газификации твердых топлив

Использование электромагнитной СВЧ-энергии для газификации твердых топлив предлагает принципиально новый и высокоэффективный метод по сравнению с применением плазмотронов. При испольовании СВЧ-энергии может быть существенно повышена эффективность выработки водорода при разложении водяного пара. Это связано с тем, что при температуре ниже или равной 17400° С практически вся энергия идет на возбуждение колебаний молекул воды, из-за чего они быстрее разрушаются при значительно меньшем энергопотреблении. Приобщение в систему угарного и углекислого газов, имеющих на два порядка бОльшие сечения возбуждения колебательного движения молекул воды электронным ударом, существенно снижает требования к степени ионизации.

Получается, что процесс разложения воды происходит при более низкой температуре. Таким образом, углекислый газ выступает в качестве катализатора при получении водорода из воды. Таким образом, картина возможна при воздействии электромагнитной СВЧ-энергии в процессе получения синтез-газа. СВЧ-колебания будут раскачивать колебания молекул воды, в результате чего молекулы распадутся на водород и угарный газ при гораздо меньших затратах энергии и значительно меньших температурах.

На основе изложенного материала можно сделать вывод о том, что применение неравновесной микроволновой СВЧ-плазмы появляется возможность существенно повысить эффективность процесса получения синтез-газа. В том числе эти процессы могут в значительной степени снизить температуру зажигания водоугольной смеси за счет разложения воды и образования водорода при сравнительно низкой температуре.

Использование микроволновой СВЧ-энергии для плазмохимической переработки угля в синтез-газ