Газификация угля

Вследствие постоянно растущего недостатка топливно-энергетических ресурсов, а конкретно угля, формируется необходимость увеличивать эффективность использования данного вида топлива и снижать выбросы в атмосферу. Разработанные много десятков лет назад технологии сжигания угля в топке уже не соответствуют современным требованиям, поскольку превышают допустимый уровень выбросов в атмосферу твердых углеродных частиц, окислов азота. Помимо этого, вследствие частичного сгорания угольных частиц, вероятна опасность заражения почвы выбросами золы и шлака.
Реакция газификации угля является высокотемпературным процессом взаимодействия углерода из топлива с окислителями. Этот процесс необходим для того, чтобы получить горючие газы (Н2, СО, СН4). Окислителем выступает кислород (или обогащенный им воздух), водяной пар, диоксид углерода или комбинации перечисленных веществ. Во время газификации можно получить газы с различным составом и теплотой сгорания, которые пригодны для широкого применения как топлива в промышленной отрасли и в быту, а также как химическое сырье для различных синтезов, среди прочего и для получения жидких продуктов в синтезе Фишера-Тропша.
Уголь, фактически, представляет собой самый насыщенный углеродом вид ископаемого топлива. Вследствие его сгорания на электростанциях образуется в два раза больше СО2, чем в процессе сжигания природного газа. Тем не менее, государствам, которые имеют очень незначительные запасы нефти и природного газа, например Китай, приходится сжигать уголь, для удовлетворения постоянно растущую потребность в энергии своей развивающейся экономики.

Больше энергии, меньше отходов

Для уменьшения вредного воздействия угля на окружающую среду, правительство многих государств занимается поиском более эффективных и чистых методов преобразования угля в такую необходимую энергию. Одним из таких методов является газификация угля. Технология газификации угля подразумевает получение из него синтез-газа – смеси оксида углерода и водорода, которую можно использовать в газовых турбинах для выработки электроэнергии. Кроме этого из синтез-газа производят удобрения или химикаты.
Процесс газификации угля, конечно более дорогостоящий в плане получения электроэнергии, чем строительство обычной электростанции. Тем не менее, экологическая выгода очевидна, ведь синтез-газ может быть очищен от серы, и большей части токсичных окисей азота, а также тяжелых металлов и частиц. Тогда как при сжигании угля на электростанции это крайне проблематично осуществить в дымовых трубах. Объем отходов при этом незначительный: сера может быть использована дальше в промышленных процессах, а расплавленный минеральный остаток, выпадающий на дно газификатора в виде шлака, может быть использован в строительстве дорог.
Во многих правительственных кругах сегодня активно обсуждается политика и торговые рамки, обеспечивающие контроль выброса СО2 на электростанциях. В этом направлении газификация каменного угля сможет стать отличным техническим решением. Ведь этот процесс использует энергию более эффективно, в сравнении с обычной электростанцией, сжигающей уголь, а также выделяет меньше СО2 на аналогичный объем полученной электроэнергии. Процедура газификации угля открывает возможность бюджетного и легкого метода улавливания СО2, отводимого по трубопроводам в подземное хранилище или закачиваемого в истощающиеся нефтяные пласты для того, чтобы повысить нефтеотдачу. Вывести СО2 из синтез-газа до момента сжигания, когда наблюдается высокая концентрация СО2 и большое давление, намного легче и связан этот процесс с меньшими затратами, чем улавливать его в дымовых трубах, где более низкое давление и углекислый газ смешан с прочими отработанными газами.
Прямое сжигание угля - это окислительный процесс, сопряженный образованием большого объема тепловой энергии, а также дымовых газов:

• твёрдых отходов
• оксидов азота (NOx)
• оксидов серы (SO2)
• двуокиси углерода (CO2).

Все перечисленные соединения являются опасными для окружающей среды.
Электростанции, на которых имеется внутрицикловая установка газификации угля (IGCC) потребляют намного меньшее количество воды, в сравнении с традиционными угольными станциями.

Подземная газификация угля

Это физико-химический процесс, в результате которого уголь превращается в горючие газы при помощи свободного или связанного кислорода прямо под землей. Стоит отметить, что из угля в пласте, под землей, формируется горючий газ (газ подземной газификации, генераторный газ, искусственный газ), характеризующийся довольно высокой калорийностью для энергетического и технологического использования.
Подземную газификацию придумал Д. И. Менделеев и, согласно данным его записных книжек, впервые такая идея пришла ему в начале 80-х годов XIX века: «Нужно просто поджечь уголь под землей, чтобы он превратился в светильный, генераторный, или водяной газ. После этого его нужно отвести по бумажным трубам, которые предварительно стоит пропитать смолой и обвить проволокой».
Первый в мире проект подземной газификации угля был составлен в СССР в 1928 г.. Еще через 5 лет была сформирована контора (впоследствии трест) «Подземгаз» для осуществления координации научно-исследовательских, проектных и экспериментальных работ, касающихся подземной газификации угля.
Первым удачным методом, т.н. «поточным», стал проект группы бывших студентов Сталинского (Донецкого) углехимического института (П. В. Скафа, В. А. Матвеев, Д. И. Филиппов), руководил которыми профессор И. Е. Коробчанский. Также в проекте активное участие принимал профессор В. С. Крыма. Вслед за лабораторными испытаниями в 1934 году результаты исследований ученые внедрили на Лисичанской шахте «Подземгаз» и Горловской шахте № 4 «Подземгаз».
До сегодняшнего дня подземным способом газ добывается из бурого угля на Ангренском месторождении в Узбекистане. Автором всех новейших разработок в этом направлении является ОАО «Газпром промгаз».
Первые заграничные опыты по подземной газификации состоялись в 1946 г. в США в штате Алабама, а потом в 1947 г. в Италии (Вальдорио около Флоренции).
Однако в середине 1970 г. востребованность ПГУ начала падать, поскольку показатель экономической эффективности подземной газификации углей оказался неконкурентоспособным по сравнению с разработкой природного газа.
Для реализации подземной газификации угля необходимо в угольном пласте создать реакционные каналы. Виды создания таких каналов:

• фильтрационно-огневая (или фильтрационная) сбойка скважин
• гидравлический разрыв пласта
• направленное бурение скважин по угольному пласту.

Внутри каналов газификации формируются реакционные зоны. Реакция газификации ведётся чаще всего на воздушном дутье. Химические превращения, происходящие в каналах подземной газификации, такие же, как и в газогенераторном процессе. В процессе выгазовывания угольного пласта реакционные зоны передвигаются, а горное давление сдвигает породы кровли и заполняет ими выгазованное пространство. Вследствие этого, габариты и структура каналов газификации не изменяются на протяжении длительного периода времени, чем и обуславливается постоянство состава получаемого газа.
Используется две технологические схемы подземной газификации углей:

• подача дутья от угольного целика в процессе отвода газа через выгазованное пространство
• подача дутья от выгазованного пространства, а отвод газа от целика угля по опережающим скважинам для его термической подготовки.

Сегодня подземная газификация угля используется ограничено. Предприятие Yerostigaz, которое является дочерним филиалом австралийской Linc Energy производит примерно 1 млн. м³ синтетического газа ежедневно на территории Узбекистана. Полученный газ применяется как топливо на электростанции в городе Ангрен.
Само предприятие Linc Energy внедряет только пилотные проекты в Австралии вместе со специалистами фирмы Cougar Energy. В ЮАР предприятие Eskom (при поддержке Ergo Exergy - поставщика технологии) внедрило в работу пилотный завод для создания в промышленном количестве синтетического газа для местной электростанции. Компания ENN принимает участие в пилотном проекте подземной газификации угля в Китае. На разной стадии разработки находятся проекты подземной газификации угля, которые реализуют на территории Австралии, Великобритании, Венгрии, Пакистана, Польши, Болгарии, Канады, США, Чили, Индонезии, Индии и Ботсваны. По информации предприятия Zeus Development всего существует примерно 60 пилотных проектов.

Достоинства и недостатки подземной газификации

К главным плюсам процедуры газификации угля можно отнести:

• малый объём подземных работ
• нет необходимости дополнительно подготавливать топливо у потребителя
• сохранение плодородного слоя почвы на территории горного отвода
• нет породных отвалов
• чистый воздушный бассейн
• более низкая в сравнении с традиционными методами добычи цена топлива.

Из недостатков:

• низкая теплота сгорания газа
• сложно контролировать распространение фронта газификации.