CC BY
16
АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ПО ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ПРИРОДНЫХ И ВТОРИЧНЫХ РЕСУРСОВ
УДК 622.331:552.577.02
А.Е.АФАНАСЬЕВ, Э.М.СУЛЬМАН, А.Е.УСАНОВ, О.С.МИСНИКОВ
Тверской государственный технический университет
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ И ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
Представлены результаты исследования процессов низкотемпературной газификации различных видов торфа и органического сапропеля. Для повышения теплотворной способности горючего газа и одновременного снижения температуры газификации использованы различные каталитические системы на основе металлов платиновой группы. Показано, что увеличение теплоты сгорания получаемого газа происходит за счет повышения доли углеводородов в газовой смеси.
The results of the research of low-temperature peat and organic sapropel gasification processes are presented. For the increasing of combustible gas calorific value and simultaneous gasification temperature decreasing different catalytic systems based upon the platinum group metals were used. It was shown that the increasing of the heat of combustion comes from the increasing of hydrocarbons content in the gaseous mixture.
Критическая ситуация со снабжением субъектов РФ основными энергоносителями (природный газ, мазут) привела к тому, что во многих регионах нашей страны необходимо использование местных видов топлива (торф, дрова, отходы деревообработки). До 60-х годов XX в. во многих технологических процессах использовался горючий газ, получаемый в газогенераторах при термической переработке твердых топлив. Однако сравнительно низкая теплотворная способность вырабатываемого газа и введение в эксплуатацию месторождений природного газа в Западной Сибири привели к тому, что производство данного вида топлива постоянно сокращалось. В современных условиях многие предприятия и организации жилищно-коммунального хозяйства начинают пользоваться автономными источниками
тепловой энергии. Для этих целей отечественная и зарубежная промышленность выпускает газогенераторные установки малой и средней мощности, реализация которых сдерживается из-за целого ряда объективных факторов. Для основных факторов характерны следующие показатели: большая зависимость от вида и качества используемого топлива, значительная энергоемкость процесса газификации и металлоемкость оборудования, небольшая теплотворная способность газов.
При разработке качественно нового процесса газификации органических материалов появляется возможность решения этой проблемы без усложнения конструкций технологического оборудования. При этом предполагается использовать в качестве сырья для газификации торф, сапропель и
твердые органические отходы перерабатывающий производств (в частности, отходы деревопереработки - древесные опилки).
В этом направлении актуальность исследований обусловлена тем, что они связаны со многими показателями из перечня критических технологий РФ:
• добыча и переработка угля (разрабатываемая технология позволяет более эффективно проводить газификацию бурых и каменных углей);
• каталитические системы и технологии (решение задач по низкотемпературной газификации органических материалов предполагает использование широкого спектра каталитических систем);
• нетрадиционные возобновляемые экологически чистые источники энергии и новые методы ее преобразования и аккумулирования (торф, сапропель, биомасса и различные виды органических отходов являются возобновляемыми (частично возобновляемыми) источниками энергии);
• производство электроэнергии и тепла на органическом топливе и т.п.
Таким образом, целью исследований является научное обоснование метода повышения эффективности функционирования технологического оборудования за счет увеличения теплотворной способности горючего газа, получаемого при низкотемпературной каталитической переработке органических и органоминеральных материалов (торф, сапропель) биогенного происхождения.
В связи с поставленной целью в годовом этапе (2003 г.) исследований необходимо решение следующих задач:
• научное обоснование выбора сырьевой базы органических и органоминераль-ных материалов;
• анализ литературных и патентных данных о способах повышения теплотворной способности газов в процессах газификации твердых топлив;
• исследование изменения теплотворной способности получаемых газов с учетом предлагаемых научных разработок (использование различных видов каталитических систем);
• проведение газификации материалов с определением компонентного состава горючего газа.
В качестве исходного сырья использовались различные органические субстраты, широко распространенные в центральной зоне РФ: верховой магелланикум торф (степень разложения Я = 5^10 %, зольность А° = 2 %); пушицево-сфагновый торф (Я = 20^2 %, Ас = 5 %); органический сапропель (Ас = 17 %).
Эксперименты по термической конверсии проводили в следующих режимах: без дутья (анаэробный процесс); воздушное дутье; паровое дутье; паровоздушное дутье с варьированием содержания «воздух -пар» в смеси.
Для термической переработки биогенных органических материалов на основе металлов VIII группы таблицы Д.И. Менделеева использовались каталитические системы (содержание металла в катализаторах Р^у-А1203, К/у-АЬОз, Рс-№/у-АЬОз 0,5 %). Катализатор вводился в количестве 1/2 от массы навески торфа (соотношение торф : металл составляло 400 : 1).
Термическая конверсия осуществлялась в периодическом режиме в специально сконструированном реакторе. Смесь органического материала и катализатора помещалась в реактор и подвергалась нагреву. При достижении температуры 200 °С через специальный штуцер подавалось дутье. Газовая фракция, выделяемая при проведении процесса, анализировалась на содержание углеводородов. В результате экспериментов было подобрано оптимальное количество подаваемого воздуха и пара, отвечающее максимальному выходу углеводородов с использованием предлагаемой методики.
При анализе полученных данных установлено, что все исследованные органические субстанции при нагреве в присутствии паровоздушного дутья разлагаются с выделением горючего газа, состоящего в основном из смеси водорода, оксида углерода, метана и других углеводородов. Причем наибольший выход углеводородов наблюдается при конверсии пушицево-сфагнового торфа и органического сапропеля. Верховой
_ 217
Санкт-Петербург. 2004
магелланикум торф дает существенно меньший выход горючего газа. При меньших значениях максимального выхода кривая газификации пушицево-сфагнового торфа имеет бЦльшую ширину пика. Это связано с тем, что в его групповом химическом составе значительная доля органического вещества приходится на гуминовые и фульвовые кислоты, при термолизе которых выделяется много газа. При конверсии органического сапропеля выделяется наибольшее количество газа, по сравнению со всеми исследуемыми материалами. Это свидетельствует о существенных различиях состава гуминовых веществ торфа и сапропеля. В результате исследовании их методами гидролиза, гель-хроматографии, ИК-спектроскопии обнаружено более высокое содержание азота и водорода, что связано с особенностями их накопления в среде, богатой белками и жирами. Однако в промышленном производстве рекомендуется использовать торф средней и высокой степени разложения в связи с его большими запасами и низкой стоимостью.
Газификация торфа в присутствии катализатора на основе никеля позволила установить, что при температуре 300-350 °С состав и содержание газообразных продуктов практически не отличается от случая проведения газификации без катализатора. Применение платины для низкотемпературной газификации также показало нецелесообразность ее использования в качестве катализатора, ускоряющего процессы получения углеводородов при термолизе торфа. Платина интенсифицирует окисление газов пиролиза торфа и не оказывает существенного влияния на выход углеводородов. В данном случае происходит полное окисление торфа и выделение газов заканчивается. Сравнительный анализ палладиевого катализатора с другими исследованными контактами показывает, что его использование при обработке пиролизных газов торфа приводит к значительному повышению выхода
углеводородов: их содержание в выделяющейся газовой смеси примерно в 1,5 раза выше. Следовательно, применение такой каталитической системы значительно сокращает (приблизительно в 2 раза) время выхода газов при термолизе торфа.
Кроме снижения температуры применение катализаторов в процессе газификации торфа позволяет увеличить теплотворную способность газа за счет увеличения в его составе предельных и непредельных углеводородов. Экспериментально установлено, что теплота сгорания газа, получаемого при низкотемпературной каталитической конверсии торфа и сапропеля в гетерогенных условиях, Q = 12^18 МДж/м , а при отсутствии катализатора Q = 6^8 МДж/м3. Такое увеличение стало возможным за счет качественных изменений в составе газа, которые происходят при применении каталитической конверсии. Хроматографический анализ газовой смеси позволил установить значительное увеличение в ее составе углеводородов (метан, этан, этилен, бутан и др.) и снижение доли газов с низкой теплотворной способностью (водород, оксид углерода).
ВЫВОДЫ
1. Для газификации в качестве основного материала рекомендуется применять торф любых типов со средней и высокой степенью разложения и малой зольностью (до 15 %).
2. Повышение теплотворной способности газов достигается за счет синтеза углеводородов в газовой смеси в присутствии катализаторов VIII группы периодической системы Д.И.Менделеева (возможно применение и других каталитических систем, в том числе и более дешевых).
3. При соблюдении рекомендуемых параметров процесса возможно увеличение теплоты сгорания газа как минимум в 2 раза.
