15.1.2. Газификация угля

Газификация твердых топлив - превращение углей, торфа, сланцев в горючий газ, состоящий главным образом из СО и Н₂, при высокой температуре в присутствии окислителя (газифицирующего агента). Процесс проводится в газогенераторах, поэтому получаемые газы называются генераторными.

Газификацию твердых топлив можно рассматривать как неполное окисление углерода. Наиболее часто окислителями служат кислород, углекислый газ и водяной пар:

С + 0,5 О₂ СО

С + СО₂  2СО

Газ, содержащий главным образом оксид углерода (II), называется воздушным газом.

Газ, который получают по реакции С + Н₂О  СО + Н₂, называют также водяным газом. Водяной газ применяется в производстве углеводородов, метанола и др. (в этих случаях он называется синтез-газом или сигазом). Теплота сгорания водяного газа достаточно высока  до 12 МДж/м³.

Наряду с основными реакциями осуществляются следующие:

С + О₂  СО₂

СО + Н₂О  СО₂ + Н₂

С + 2Н₂  СН₄

СО + 3Н₂  СН₄ + Н₂О

СО + Н₂  0,5СН₄ + 0,5 СО₂ .

Таким образом, прямой продукт газификации (так называемый сырой газ) помимо основных компонентов СО и Н₂ всегда содержит некоторые количества СО₂, СН₄ и Н₂О, а при использовании воздуха  еще и N₂.

В 1888 году Д.И. Менделеевым была предложена идея подземной газификации угля. "...Настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что угля из земли вынимать не будут, а там в земле его сумеют превращать в горючие газы",  писал Менделеев. Позднее, в 1912 году эту идею высказал и У. Рамзай.

Подземная газификация твердых топлив  это превращение угля, сланцев, торфа непосредственно на месте их залегания в недрах земной коры в горючий газ, который выводят на поверхность через буровые скважины. Разработано несколько методов подземной газификации угля, однако по ряду экономических и других причин широкой практической реализации они пока не получили.

15.1.3. Гидрогенизация угля

При гидрогенизации (каталитическом гидрировании ) измельченное твердое топливо реагирует с водородом в присутствии катализаторов при температуре около 500⁰ С и высоком давлении. В результате реакции образуются жидкие и газообразные продукты: бензин, минеральные масла, метан и др.

Научные основы процесса были разработаны в начале 20 века В.Н. Ипатьевым, Н.Д.Зелинским, Ф. Бергиусом, Ф. Фишером и др.

В состав угля входят связанный кислород, сера и углекислый газ, которые представляют собой "нежелательные примеси". Их особенно много в буром угле. Если нужно превратить такое сырье в бензин, дизельное топливо и т.п., от этих примесей избавляются путем гидрирования под давлением. При этом примеси восстанавливаются, переходят в летучие водородные соединения и отгоняются.

S + H₂  H₂S 

0,5O₂ + H₂  H₂O 

Для такого процесса необходимо значительное количество водорода, который вместе с оставшимся углеродом образует углеводородные смеси, подобные нефтяным фракциям.

В 30-х годах в некоторых странах, в частности в Германии и Великобритании, были построены первые промышленные предприятия для получения из угля бензина, дизельного топлива, фенолов, смазочных масел. Гидрогенизация угля в промышленном масштабе в нашей стране была освоена в 50-х годах. В это же время, в 50-х годах, производство синтетического жидкого топлива во всем мире практически прекратилось. Это было связано с открытием в этот время богатых нефтяных месторождений и СССР, на Ближнем востоке и других районах. Цена синтетического топлива была в 5-7 раз выше моторного топлива, получаемого из нефти.

Однако в 70-х годах цена на нефть резко повысилась. Кроме того, стало очевидным, что при существующих масштабах потребления нефти ( 3 млрд. т/год) запасы ее, пригодные для добычи экономичными методами, будут истощены в начале 21 века. Запасы же угля по расчетам будут истощены только к 27 веку. Проблема вовлечения твердого топлива, главным образом угля, в переработку для получения жидких продуктов  заменителей нефти стала вновь актуальной.

В общем виде процесс получения синтетического жидкого топлива можно представить в следующем виде:

nCO + 2nH₂ = (CH₂)_n + nH₂O

2nCO + nH₂ = (CH₂)_n + nCO₂

В свою очередь смесь водорода и окиси углерода получают методом газификации угля.

Первичным продуктом синтеза является смесь насыщенных углеводородов и алкенов с различной длиной цепи атомов углерода. При разгонке получают газы типа пропана и бутана, а также бензин, дизельное масло. Однако качество такого бензина из-за низкого октанового числа невелико и в дальнейшем его подвергают дополнительной обработке.