Способы газификации можно систематизировать на основе раз­личных принципов. Например, по состоянию топлива в газоге­нераторе различают способ в неподвижном или в медленно опу­скающемся слое твердого топлива, газификацию в псевдоожиженном слое, газификацию в потоке пылевидного топлива. Другая систематизация основана на различии способов подвода тепла в реактор газификации. В этом случае различают автотермические и аллотермические способы. Некоторые способы, осо­бенно новые разработки в США, нельзя отнести к чисто автотер­мическим или к чисто аллотермическим. Сведения об этих много­ступенчатых способах тоже излагаются на стр. 205.

Важной характеристикой способов является также размер ча­стиц угля. Если перерабатывают мелкозернистый или пылевидный уголь, систематизируют процессы по принципу организации по­тока. Кусковой уголь обычно газифицируют в стационарном со­стоянии: загружаемое сырье медленно опускается, а газифици­рующие агенты вводят снизу. Преимущества этого способа обу­словлены очень хорошей теплопередачей. При этом снижаются расходные показатели и повышается общая эффективность про­цессов. Кроме того, в этом случае создаются особенно благо­приятные кинетические условия для реакций: вновь загружаемое топливо взаимодействует с уже в значительной степени прореаги­ровавшим газифицирующим агентом, а зола, содержащая только небольшое количество углерода, наоборот, контактирует с непрореагировавшим газифицирующим агентом.

Эти достоинства, однако, оборачиваются и недостатками — под влиянием прореагировавшего и нагретого газифицирующего аген­та протекает полукоксование угля, а нежелательные продукты полукоксования (масло, смола, фенолы) загрязняют газ. Все это значительно усложняет и увеличивает установку газификации [4]. Кроме того, могут возникать трудности при переработке спекающихся

Рис. 56. Зависимость потерь давления в слое песка и в дви­жущемся вверх потоке воздуха от скорости воздуха:

1—тангенс угла наклона прямой ра­вен 1; 2—значительный унос твер­дых частиц; 3—уменьшение ско­рости песка.

углей, и для их устранения необходимо сооружать специальные устройства. Но эти уст­ройства, обычно находящиеся в движении, и вращающаяся решет­ка, благодаря которой золу удаляют из реакционного объема в твердом состоянии, изнашиваются. Поэтому в таких газогенерато­рах увеличивается время простоя и возрастает стоимость ремонт­ных работ.

Если заторможенный поток тонкоизмельченного твердого топлива совместно с газом движется снизу вверх, то с увеличением высоты слоя топлива растут и потери давления до некоторой предельной величины (точка разрыхления). После этого потери остаются почти постоянными в широком интервале повы­шения скорости дутья. Слой засыпанного твердого топлива разрыхляется газо­вым потоком и переходит в состояние псевдоожижения, а при очень высокой скорости потока наступает значительный вынос твердых частиц [5]. При этих условиях возникает состояние пневматического транспорта. В качестве примера на рис. 56 дана графическая картина, возникающая при движении песка под действием потока воздуха.

Состояние потока топлива между точкой разрыхления и областью начавше­гося пневмотранспорта называется псевдоожиженным слоем *. Тонкоизмельченные угли с частицами 0,5—3 мм обычно газифицируют в таком слое. Процессы в псевдоожиженном слое имеют ряд преимуществ. В этом случае возможна непрерывная подача топлива в газогенератор, а хорошее перемешивание обес­печивает высокую теплопередачу, что приводит к равномерному распределению температур по всему слою. Благодаря хорошей теплопередаче можно быстро и легко регулировать температуру. Конструкция реактора проста, капиталовложе­ния низкие.

Следует упомянуть, однако, и о недостатках газификации в псевдоожижен­ном слое. Вследствие турбулентности газового потока уголь смешивается с ча­стично прореагировавшим газом. Из-за этого, а также потому, что разные ча­стицы твердого топлива пребывают в реакторе неодинаковое время, довольно большая часть непрореагировавшего углерода выносится из газогенератора с сырым газом. Значительное повышение производительности приводит к увели­ченному выносу загруженного, но не прореагировавшего исходного материала. Максимально возможная температура реакции ограничена температурой плав­ления золы, содержащейся в исходном топливе. Этот процесс пригоден в основ­ном для бурых углей и для очень реакционноспособных молодых каменных углей. Более старые каменные угли при нагревании до температуры реакции могут спекаться, т. е. размер частиц неконтролируемо увеличивается. Поэтому газификация спекающихся углей в псевдоожиженном слое крайне проблематична.

Очень мелкий (пылевидный) уголь газифицируют при подаче в одном  направлении  и угля  и газообразного газифицирующего агента. Эти разработки, проводимые большей частью в США пос­ле II мировой войны, стимулируются следующими преимущества­ми по сравнению с процессом газификации в неподвижном слое [6]:

1. меньшая стоимость мелкозернистого топлива, используемого в этих процессах, по сравнению с кусковым;
2. можно применять сырье любой степени углефикации, прежде всего любой спекаемости;
3. нет  побочных   продуктов   (смола,  масло,  фенолы,  жирные кислоты) и нет надобности в очистке от них;
4. можно заменять уголь жидкими и газообразными углево­дородными топливами.

 Если газификацию осуществляют при повышенном давлении, значение этих преимуществ еще более возрастает, так как произ­водительность газогенератора растет пропорционально давлению. Кроме того, исключаются или сильно снижаются расходы на компримирование синтез-газа * и повышается к. п. д. газификации. Благодаря очень высокой производительности газогенераторов, при газификации угольной пыли под давлением можно весьма интенсивно охлаждать стенки шахты (для защиты кладки от пе­регрева) без существенных потерь тепла. Теплопередача конвек­цией пропорциональна плотности газа в степени ≈ 0,75, т. е. про­порциональна р^0,75, а доля тепловых потерь за счет охлаждения стенки при одинаковой поверхности снижается пропорционально р^-0,25. Это значит, что потери тепла при охлаждении стенки сни­зятся от 10% при ≈ 0,1 МПа до 5% при ≈1,6 МПа.

Этим преимуществам противостоят недостатки: в случае углей с высокой температурой плавления золы затрудняется выбор ма­териала для футеровки реакционной камеры. Кроме того, при большом содержании золы в топливе и из-за необходимости ра­ботать при более высоких температурах в способах газификации с жидким шлакоудалением к. п. д. снижается в большей степени, чем при газификации в стационарном слое.

Опыты по газификации пыли на американских установках, ра­ботавших при высоком давлении с удалением золы в жидком со­стоянии, подтвердили перечисленные преимущества процесса. Однако при этом были выявлены и другие, нерешенные проблемы, связанные с непрерывным подводом пылевидного топлива, вы­грузкой шлака через шлюз и достижением полного превращения топлива.

Независимо от того, стремятся ли к чистому прямотоку, к вращающемуся или к вихревому потоку вокруг оси шахты (га­зогенератор с вихревым потоком), к потоку, направленному вниз к жидкому шлаку (с последующим изменением направления над шлаковой ванной и возвращением потока вверх), топливо всегда

Рис. 57. Три основных способа газификации угля [4J:

а — в стационарном слое; б—в псевдоожиженном слое; в —в потоке пылевидного топлива.

сначала взаимодействует с кислородом. При этом достигается максимально возможная температура горения. Только после того, как пройдут окислительные и термические превращения топлива, начинаются эндотермические реакции газификации, главными из которых являются превращения диоксида углерода и водяного пара в оксид углерода и водород.

В результате протекающих на поверхности топлива реакций газификации и снижения температуры уменьшается реакционная способность топлива. Температуру горения следует поддерживать максимально высокой, чтобы за несколько секунд достигалось интенсивное сгорание топлива; для очень многих углей, прежде всего для высокообуглероженных, при газификации необходима температура, превышающая температуру плавления золы. При управлении потоком следует также следить, чтобы скорость твер­дых частиц относительно окружающей газовой среды была бы возможно большей.

Новые, находящиеся в разработке, процессы свидетельствуют о преимуществах методов газификации в псевдоожиженном слое и в потоке пылевидного топлива по сравнению со способом в ста­ционарном слое. Практически все многоступенчатые способы имеют как ступень газификации угля в псевдоожиженном слое, так и ступень газификации в потоке пылевидного топлива. Срав­нение трех основных типов газификации приведено на рис. 57.

----------------

* Псевдоожиженный слой — не состояние газового потока, а совокупность твердых подвижных частиц, которые под действием газового потока совершают возвратно-поступательное движение в границах слоя.

 Снижение расходов на компрессию синтез-газа наблюдается при всех про­цессах газификации топлив под давлением.