Получение водорода газификацией топлив.

Газификация топлив–превращение твёрдого или жидкого топлива в горючие газы путём неполного окисления воздухом (кислородом, водяным паром) при высокой температуре. При газификации топлив получают главным образом горючие продукты (окись углерода и водород).

Газифицировать можно любое топливо: ископаемые угли, торф, мазут, кокс, древесину и др. Газификацию топлив проводят в газогенераторах; получаемые газы называются генераторными. Их применяют как топливо в металлургических, керамических, стекловаренных печах, в бытовых газовых приборах, двигателях внутреннего сгорания и др. Кроме того, они служат сырьём для производства водорода, аммиака, метанола, искусственного жидкого топлива и др.

Газификация топлив, несмотря на большое разнообразие способов (непрерывные и периодические, газификация в кипящем слое, газификация угольной пыли и жидкого топлива в факеле, при атмосферном и высоком давлении, подземная газификация углей и др.), характеризуется одними и теми же химическими реакциями.

При газификации твёрдого топлива окислению кислородом или водяным паром подвергается непосредственно углерод:

2C + O₂ = 2CO + 247 Мдж (58 860 ккал);

С + H₂O = CO + H₂ — 119 Мдж (28 380 ккал).

Однако весь углерод превратить в целевой продукт CO обычно не удаётся, часть его сгорает полностью:

С + O₂ = CO₂ + 409 Мдж (97 650 ккал).

Образовавшийся при этом углекислый газ, в свою очередь, реагирует с раскалённым углеродом:

CO₂ + С = 2CO — 162 Мдж (38 790 ккал).

В процессе газификации жидкого топлива под действием высокой температуры происходит расщепление углеводородов до низкомолекулярных соединений или элементарных веществ, которые и подвергаются окислению, например;

CH₄ + 0,5O₂ = =СО + 2H₂ + 34 Мдж (8030 ккал);

CH₄ + H₂O = СО + ЗН₂ — 210 Мдж (50 200 ккал).

Образующиеся при Г. т. газообразные продукты реагируют между собой:

CO + H₂O = CO₂ + Н₂ + 44 Мдж (10 410 ккал).

Для получения генераторных газов применяют различные виды окислителей (дутья): воздух; смесь водяного пара с воздухом или кислородом; воздух, обогащённый кислородом, и др. Состав дутья подбирается так, чтобы тепла, выделяющегося в экзотермических реакциях, хватило для осуществления всего процесса.

Названия генераторных газов часто определяются составом дутья. Например, воздушный газ образуется при подаче в газогенератор воздуха. Состав воздушного газа, полученного из кокса (объёмных %): 0,6 CO₂, 33,4 CO, 0,9 H₂, 0,5 CH₄, 64,6 N₂; теплота сгорания 4,53 Мдж/м³ (1080 ккал/м³), выход газа 4,65 м³/кг топлива. Состав воздушного газа, полученного при газификации мазута под давлением 1,5 Мн/м² (15 кгс/см²) (объёмных %): 3,5 (CO₂ + H₂S), 21,0 CO, 17,5 H₂, 58 N₂; теплота сгорания 5 Мдж/м³ (1200 ккал/м³), выход газа 6,1 м³/кг топлива.

Газификация угля.

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°-1300° Цельсия без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Впервые о планах подобного строительства заявил еще о 2003 году министр энергетики США Спенсер Абрахам. Мощность станции должна составить 275 МВт. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

Водяной газ (синтез-газ, технологический газ) образуется при взаимодействии раскалённого топлива с водяным паром. Поскольку реакция получения водяного газа эндотермична, то для накопления необходимого для газификации количества тепла слой топлива в генераторе периодически продувают воздухом (полученный при этом воздушный газ является побочным продуктом). Состав водяного газа из каменноугольного кокса (объёмных %): 37 CO, 50 H₂, 0,5 CH₄, 5,5 N₂, 6,5 CO₂, 0,3 H₂S, 0,2 O₂; теплота сгорания 11,5 Мдж/м³ (2730 ккал/м³), выход газа 1,5 м³/кг топлива. Применяя парокислородное дутьё, водяной газ можно получать непрерывно. Например, при газификации мазута под давлением 3 Мн/м² (30 кгс/см²) образуется газ состава (объёмных %): 46,8 CO, 48,8 H₂, 3,8 CO₂, 0,3 CH₄, 0,3 N₂; теплота сгорания 12,3 Мдж/м³ (2940 ккал/м³).

Смешанный газ (смесь воздушного и водяного газов) получают при Г. т. на паровоздушном дутье. Например, состав смешанного газа из кускового торфа (объёмных %): 8,1 (CO₂ + H₂S), 28 CO, 15 H₂, 3 CH₄, 45,3 N₂, 0,4 C_mH_n, 0,2 O₂; теплота сгорания 6,9 Мдж/м³ (1660 ккал/м³), выход газа 1,38 м³/кг топлива.

Городской газ из угля получают на парокислородном дутье под давлением до 2—3 Мн/м² (20—30 кгс/см²); в этих условиях газ обогащается метаном; например, при газификации бурого угля образуется газ состава (объёмных %): 23,6 CO, 55,7 H₂, 14,3 CH₄, 5,5 N₂, 0,2 (CO₂ + H₂S) и 0,7 C_mH_n; теплота сгорания около 16,8 Мдж/м³ (4000 ккал/м³), выход газа 0,97 м³/кг топлива. Городской газ из жидкого топлива получают комбинированием газификации и пиролиза под давлением. Мощность установок по производству газа из твёрдого топлива достигает 80 000 м³/час в одном агрегате; из жидкого топлива — до 60 000 м³/час. Преобладающая тенденция в развитии техники Г. т. — осуществление процесса под высоким давлением (до 10 Мн/м² и выше) в агрегатах большой мощности. Степень использования тепла (кпд Г. т.), заключённого в топливе, составляет 70—90%.

Г. т. получила распространение в 19 в. благодаря преимуществам газового топлива перед твёрдым и жидким. Одновременно развивалось производство светильного газа, основанное на процессах термической деструкции топлива без доступа воздуха (сухой перегонки, коксования). При Г. т. в газ переходит вся горючая часть топлива, а при образовании светильного газа — только часть топлива. В 1-й половине20 в. водяной газ производился с целью получения водорода для синтеза аммиака и искусственного жидкого топлива. После 2-й мировой войны 1939—45 интенсивно стали разрабатываться способы газификации жидких топлив под давлением, особенно в районах, удалённых от источников природного газа. В СССР успешно разрабатываются методы получения из высокосернистого котельного топлива (мазута) малосернистого газообразного топлива для электростанций. Благодаря этому резко уменьшаются загрязнение воздушного бассейна сернистым газом, а также коррозия котельного оборудования.