НАРЯДУ с твердым и жидким топливом широкое применение в промышленности и в быту получил горючий газ. Это объясняется большими преимуществами газообразного топлива его легко передавать по трубам на дальнее расстояние; при горении оно не оставляет золы, дыма и копоти; регулирование газового пламени осуществляется простым поворотом крана. Наконец, горючие газы являются хорошим сырьем для ряда отраслей химической промышленности (синтеза аммиака, получения искусственного жидкого топлива и др.).
Благодаря открытию в нашей стране богатых естественных месторождений потребление горючего газа в последнее время значительно увеличилось. Способствовали этому работы ученых и инженеров, нашедших эффективные методы искусственного превращения твердого топлива, в газообразное с помощью воздуха, водяного пара и кислорода. Для газификации топлива были сконструированы особые аппараты, называемые газогенераторами.
Основная часть газогенератора — это цилиндр, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Уголь поступает в аппарат через верхнюю его часть, а снизу подводится необходимое для горения топлива дутье.
Здесь же, в нижней части аппарата, расположена вращающаяся колосниковая решетка, с помощью которой удаляются шлак и зола - отходы при переработке угля. В результате различных физико-химических процессов в газогенераторе образуются горючие газы, окись углерода, водород, метан и другие.
До недавнего времени в газогенераторах можно было газифицировать только крупнокусковое топливо кокс, каменный уголь, антрацит, кусковой торф. Гораздо сложнее оказалась проблема использования для тех же целей угольной мелочи, легко разрушающихся бурых углей, фрезерного торфа, которые, как известно, занимают большое место в топливном балансе страны. Эффективные способы газификации мелкозернистого и пылевидного топлива удалось найти благодаря успешным исследованиям советскими учеными процессов горения углей и созданию новых типов газогенераторов.
Что же представляет собой с точки зрения современной науки процесс горения и газификации твердого топлива? Атомы углерода, входящие в топливо, начинают гореть, то есть соединяться с кислородом, лишь в том случае, когда к ним подводят окислитель. Таким окислителем может быть свободный кислород, углекислота или водяной пар. Следующий этап состоит в том, что под влиянием силового поля, создаваемого атомами углерода, к их поверхности притягиваются молекулы окислителя. Далее, в результате их взаимодействия возникают новые химические соединения - окись углерода, углекислота. Наконец, наступает последняя стадия процесса) — отделение продуктов реакции от поверхности углерода и их удаление в газовую оболочку, окружающую угольные частицы.
Газификация принципиально отличается от обычного полного горения топлива. При полном горении углерод, соединяясь с кислородом, образует негорючую углекислоту (углекислый газ). При газификации же горение происходит при недостатке кислорода и образуется окись углерода, которая является горючим газом.
Процесс химического взаимодействия окислителя с углеродом развертывается, таким образом, на поверхности топлива. Чем она больше, тем быстрее протекает реакция.
Но горение происходит на поверхности топлива, как мы уже отмечали, лишь в том случае, если к ней доставить окислитель. От чего же зависит эта стадия процесса горения? Она определяется в первую очередь скоростью газового потока окислителя, омывающего куски угля и интенсивностью подачи дутья в газогенератор.
Для максимального использования таких факторов, как развитая поверхность угля и большая скорость дутья, необходимо также, чтобы процессы газификации протекали при высоких температурах. Действительно, представим себе кусочки угля, которые хотя и обдуваются воздухом, но находятся в потухшем костре. В этих условиях мы не заметим горения, так, как процесс химического взаимодействия окислителя с атомами углерода будет идти исключительно медленно. Чтобы ускорить его, необходимо повысить окружающую температуру. Чем выше температура, тем интенсивнее протекает газификация, тем больше в получаемом газе горючей окиси углерода.
Наконец, следует назвать еще одно важное техническое средство, оказывающее большое влияние на газификацию топлива повышение концентрации кислорода в дутье, что резко ускоряет процесс горения.
Если усилить приток воздуха к поверхности накаленного угля, то вместе с кислородом будет подводиться в 4 раза больше азота. Последний же только охлаждает топливо и ухудшает качество горючего газа. Поэтому воздушное дутье необходимо обогатить кислородом. Напомним в связи с этим памятный многим школьный опыт, когда еле тлеющую лучинку вводят в сосуд с кислородом и она моментально вспыхивает ярким пламенем.
Однако все эти факторы ускорения процесса газификации сравнительно долгое время не удавалось использовать. Этому в значительной мере препятствовала технологическая схема работы газогенератора. Ее основой являлся расположенный в шахте неподвижный слой крупнокускового топлива. Пробовали заменить, крупные куски мелочью, тогда сильно возрастало сопротивление слоя подаче дутья. Нельзя было также подать большое количество дутья, ибо оно прорывалось через слой топлива в отдельных местах и нарушало течение реакций в покоящемся слое. При этом создается неравномерное распределение дутья и температуры, зола топлива расплавляется, газогенератор «шлакуется» и останавливается. Таким образом, старая техника газификации была ограничена определенными пределами интенсивности дутья, размерами кусков и качеством применяемого топлива. Это, в свою очередь, не позволяло резко увеличить производительность агрегата, который, как правило, давал не больше 6-8,5 тысячи кубических метров газа в час.
Рост химической промышленности, повышение мощности металлургических предприятий требовали громадное количество генераторных газов, исчисляемых сотнями тысяч кубических метров в час. Для удовлетворения этой потребности пришлось бы строить станции, имеющие в своем составе 50-60 и более газогенераторов. Такие сооружения были бы слишком громоздкими и дорогими. Кроме того, они могли быть рассчитаны лишь на применение таких ценных видов топлива, как кокс, антрацит, кусковой каменный уголь.
Так сама жизнь выдвинула задачу создания газогенераторов очень большой производительности и расширения сырьевой базы газификации. Эта задача была разрешена учеными, предложившими принципиально новый метод превращения твердого топлива в горючий газ. Он состоит в замене устойчивого, неподвижного слоя крупнокускового угля подвижным слоем мелкораздробленного топлива. Благодаря этому удалось эффективно использовать основные факторы интенсификации газогенераторного процесса применение больших скоростей дутья и кислорода, мелкозернистого топлива и высоких температур. Новый способ дает возможность не только газифицировать низкосортные бурые угли, отходы и мелочь каменных углей, но и получать при этом газ высокого качества. Технология подвижного слоя позволяет строить газогенераторы непрерывного действия. Один такой агрегат производительностью в 60-80 тысяч кубических метров газа в час может заменить собой станцию старой конструкции, состоящую из 10 газогенераторов.
Газогенераторы новой конструкции просты по своему устройству. Большая часть шахты также имеет цилиндрическую форму, однако по своим размерам она крупнее - высота ее достигает 20 метров, а диаметр — 9 метров. Нижняя же часть аппарата имеет форму усеченного конуса. Мелко раздробленное топливо подается с помощью особых транспортных устройств - шнеков - в нижнюю часть шахты газогенератора (над колосниковой решеткой). Воздушное дутье, обогащенное кислородом и паром, или чистое парокислородное дутье подается через специальную камеру, расположенную под колосниками). Количество и скорости дутья рассчитаны таким образом, чтобы слой угля над колосниками находился в постоянном движении. По внешнему виду это движение напоминает кипение жидкости, через которую продувается газ. В «кипящем» слое топлива и происходит его превращение в горючий газ. Отсюда же ведет свое наименование и метод газификации.
Интенсивность процесса в «кипящем» слое возрастает не только из-за увеличения поверхности углерода (мелкозернистое топливо), но, и благодаря постоянному «обновлению» его поверхности, удалению с нее тонкого слоя образовавшейся золы. Это облегчает доступ молекул окислителя к постоянно обнажающимся новым поверхностям углерода. В «кипящем» слое происходит, кроме того, дальнейшее дробление топлива и образование мельчайшей угольной пыли, которая вместе с зольной пылью восходящим потоком дутья поднимается вверх. Чтобы частично догазифицировать эту угольную пыль, увлеченную горячими газами из «кипящего» слоя, в шахту через систему специальных фурм на определенной высоте подается вторичное кислородное дутье.
И все же в генераторе с «кипящим» слоем в горючий газ переходит только 75 процентов угля; 22-процента углерода уносится с зольной пылью, остальное топливо уходит с крупной золой, которая в виде оплавленных кусочков падает на дно газогенератора и оттуда удаляется специальными механизмами.
Таким образом, вместе с газом из аппарата уносится много зольной и угольной пыли. Последняя загрязняет горючие газы. Но в ней содержится много не сгоревшего еще ценного углерода, который может быть или вновь использован в процессе газификации или сожжен в топках котельных.
Поэтому на пути газов устанавливаются специальные улавливатели угольной пыли - циклоны.
Уходящий из генератора газ имеет высокую температуру, достигающую 850–950 градусов. Для использования этого тепла устанавливается паровой котел-утилизатор, в котором происходит нагрев и испарение воды. Газогенератор производительностью в 50 тысяч кубических метров газа в час становится, таким образом, мощным источником пара для энергетических и технологических нужд завода, который может выдать 30 тонн пара в час.
Из-под парового котла газ поступает в устройство для подогрева воды, идущей на питание котла, затем вновь в аппарат для очистки от пыли. Далее газ направляется на охлаждение и промывку> в скруббер и, наконец, в дезинтегратор, где он подвергается окончательной очистке от пыли. Содержание ее в газе после этого не превышает 4-тысячных грамма на кубический метр.
Охлажденный и очищенный от пыли горючий газ собирается в хранилище - газгольдере, откуда по трубам идет к потребителям. Такова общая схема производства горючих газов в современных газогенераторах с «кипящим» слое.
В заключение отметим также некоторые, другие важные свойства «кипящего» слоя, позволяющие использовать его в ряде отраслей техники. Благодаря интенсивному перемешиванию в нем происходит очень быстрое выравнивание температур. В настоящее время с помощью «кипящего» слоя выполняются такие химические процессы, как обжиг извести и гипса, получение активированного угля, восстановление руд, химическая переработка нефти и другие.
Процесс с «кипящим» слоем находит все более широкое применение в промышленности.
НА ВКЛАДКЕ
Мелкозернистый уголь из бункера подается шнеком в газогенератор. Одновременно через колосниковую решетку в аппарат поступает дутье, состоящее из воздуха, обогащенного кислородом и пара. Уголь приходит в подвижное состояние, напоминающее интенсивное кипение жидкости. Частички углерода в «кипящем» слое, вступая в химические реакции с кислородом и водяным паром дутья, начинают газифицироваться, то есть превращаться в газообразные соединения. Взаимодействуя кислородом, углерод дает окись углерода и углекислоту (1). Молекула углекислоты, вновь сталкиваясь с углеродом, образует две молекулы окиси углерода (2). Пар же, вступая в реакцию с углеродом, разлагается. При этом создаются молекулы водорода и окиси углерода (3). В результате взаимодействия углерода с кислородом повышается температура «кипящего» слоя, ускоряются происходящие в нем процессы.
Но не все топливо в «кипящем» слое успевает превратиться в горючий газ. Для догазификации углерода в генератор подается вторичное дутье. Раскаленный углерод, встречаясь в «кипящем» слое с новым потоком кислорода, вновь газифицируется.
Горючие газы уходят в верхнюю часть газогенератора. В нижнюю часть аппарата падают ошлакованные частицы золы, которые шнеком удаляются из газогенератора.
