Газогенератори: три ланцюжки використання

Коротка труба

Гарячий потік використовуємо поруч із газогенератором у відповідному тепловому процесі. Споживач визначає допустимий склад і кількість домішок.

Топка умовно позначає теплового споживача: це може бути піч, сушарка або реактор, який обігрівають. Лійка — умовний завантажувальний вузол; у робочому апараті шлюзовий затвор або барабанний живильник герметизує введення сировини.

Середня труба

Зберігаємо загальний газогенератор і розгортаємо велику систему підготовки газу. Як споживача показано поршневий двигун внутрішнього згоряння, з’єднаний валом з електрогенератором: механічна робота перетворюється на електроенергію. Показано окремі збірники пилу, конденсату, рідини зі смолами та крапель.

Це приклад розподілу завдань, а не обов’язкова послідовність апаратів. Охолодження й мокре очищення можуть поєднуватися; конкретні ступені добирають під початковий газ і вимоги споживача. На рисунку виділено й потоки, які після очищення потрібно збирати та переробляти.

Звичайне відділення пилу, крапель і смол не є відділенням молекулярного азоту. Якщо газ отримано на повітряному дутті, фільтрувальний ланцюжок сам по собі не усуває розбавлення азотом.

Показане поєднання ДВЗ з електрогенератором робить кінцеве завдання наочним. Для газового двигуна газ слугує паливом; у газодизельному виконанні зберігається запальна подача дизельного палива. Виконання двигуна й вимоги до підготовленого газу визначають склад системи очищення.

Довга труба розв’язує завдання відстані й запасу

Її основний сенс — отримати продукт, який можна накопичити, зберігати й доставити кінцевому споживачеві. Між виробництвом і використанням з’являється логістичний буфер: запас у резервуарах або балонах. Споживач може перебувати далеко від установки й витрачати паливо за власним графіком; виробництво організовують за своїм графіком, з урахуванням технології та потрібного запасу.

Результатом може бути рідкий паливний продукт або виділена газова фракція, придатна до зрідження. Підготовка, розділення й зрідження дають змогу перетворити відповідну частину потоку на продукт для зберігання та перевезення. Пропан і бутан — знайомі приклади зріджених вуглеводневих газів, скорочено ЗВГ. Склад фракції з конкретної сировини визначає спосіб її підготовки й умови зберігання. Сирий генераторний газ із його початковими домішками та складом не прирівнюється до такого підготовленого продукту.

Під час конденсаційного виділення відповідної вуглеводневої фракції азот переважно залишається в неконденсованій частині. На рисунку цей залишковий потік показано окремо. Наскільки мало азоту опиниться в продукті, залежить від складу суміші й режиму розділення: одне слово «зрідження» не означає повного очищення будь-якої суміші. Наприклад, у технологіях зрідженого природного газу застосовують і спеціальні вузли видалення азоту. Це інший склад газу та інший процес; тут цей приклад пояснює межу загального твердження.

Другий сенс — змінювати асортимент під попит

Розвинений ланцюжок може давати змогу переналаштовувати випуск у межах закладених технологічних можливостей. Змінюються завдання розділення, підготовки й подальшої переробки: зараз потрібен газ для зрідження в балони, в інший період — легка бензинова або дизельна фракція з відповідним очищенням. Запас і транспортування дають змогу орієнтуватися на попит, а не лише на топку, що стоїть безпосередньо біля апарата.

Скільки переробки готовий оплатити покупець

Тут я починаю з простого запитання: за який продукт і скільки готовий платити споживач? Від цього залежить, у що має сенс вкладати гроші. Додатковий реактор, воднева підсистема, глибше очищення або розділення додають можливостей, але потребують вкладень і постійних витрат. Приріст ціни й обсяг продажів мають виправдовувати ці переділи. Тому конкретну схему підлаштовують під сировину, вимоги покупця й економічні умови.

Довга труба розширює й саме коло покупців. Коли продукт можна накопичити й перевезти, підприємство менше прив’язане до одного найближчого споживача. Межі ринку визначає логістика: відстань, спосіб доставки, розмір партії та вартість роботи із запасом. Іноді новий спосіб продажу виявляється вже після запуску — так сталося в історії, яку розповів мені друг із Бразилії.

Зі спілкування з колегами: США, Бразилія й Малайзія

За словами колег, які працювали у США та Бразилії і з якими я спілкувався, вони змінювали продукт, що випускається, залежно від пори року й поточного попиту: газ для балонів, легкі бензинові фракції або дизельні фракції для автомобільного застосування після відповідного очищення. Це переданий мені виробничий досвід; конкретний асортимент залежав від їхньої сировини, обладнання та споживачів.

У Бразилії, а також у знайомих фахівців у Малайзії, у таких розмовах траплявся й інший продукт — ширша, порівняно недорога паливна суміш для окремих прибережних суднових споживачів: рибалок і невеликих каботажних перевізників. Найлегколеткішу частину відділяли, а решта продукту, за моїм враженням, була сумішшю піролізатів від мазутної до солярової області з домішкою гасових фракцій. Я називав її «брудною сумішшю»; це моя розмовна оцінка, а не результат наведеного тут лабораторного аналізу.

Ішлося про конкретні суднові двигуни, які, за цими розповідями, були менш чутливими до такого палива, ніж порівнювані автомобільні двигуни. Ця різниця вимог і нижча ціна пояснювали попит на суміш. Для самої ідеї довгої труби тут важливе інше: підприємство могло обирати випуск під потрібний продукт у межах свого технологічного ланцюжка.

Заправка посеред моря: історія зі слів друга

Один із моїх друзів, який працював у Бразилії, помітив цікаву річ: невеликі покупці стали регулярно забирати досить великі кількості суднового палива. Він поцікавився, куди воно йде. Виявилося, покупці влаштували плавучі заправки в сусідніх прибережних районах. За його розповіддю, для цього використовували напівзатоплені плавучі цистерни приблизно по 5–6 кубічних метрів.

Паливо на такій заправці коштувало дещо дорожче. Але рибалці не доводилося йти до берега, витрачати на перехід час і паливо, а потім повертатися до місця лову. Можна було заправити баркас просто в морі й продовжити роботу. Покупець платив за зручне місце заправки та заощаджений шлях. Для виробника з’явився канал збуту, якого він заздалегідь не передбачав.

Це історія, передана мені другом. Вона добре показує, як можливість зберігання змінює логістику: запас палива може переміститися туди, де він потрібен споживачеві, і породити ще одну невелику справу між виробництвом і кінцевим використанням.

Тут уже працює цілий комплекс

«Довга труба» — зручна розмовна назва ланцюжка, у якому між початковою сировиною та кінцевим продуктом з’являється кілька самостійних виробництв. На цьому аркуші я показую один із варіантів для гуми й пластиків: піроліз, відбір рідини, її підготовку й гідропереробку, а потім розділення на продуктові фракції. Піроліз — розкладання нагріванням без подачі повітря в сировину. Гідропереробка — обробка отриманої рідини воднем на каталізаторі. Це різні операції, кожна зі своїм завданням.

У показаному варіанті отримують рідкі продукти й окремо працюють із газовою частиною. З неї можна виділяти відповідну фракцію для зрідження; інші частки потоку спрямовувати на обігрів або в підсистему отримання водню, узгоджуючи розподіл із балансом установки. Вуглецевий залишок і металокорд шин теж виводять та обробляють окремо. Назвати вуглецевий залишок готовим технічним або активованим вугіллям можна лише після відповідної обробки й оцінки його властивостей.

Що відбувається з рідиною

Конденсатор охолоджує вихідний потік і дає змогу відібрати конденсовану частину. Це ще не перетворює її на готове моторне паливо. До підготовки рідини можуть входити видалення твердих домішок, відділення води, попереднє фракціонування та інші операції, потрібні для конкретної сировини. Їхній склад і порядок різняться. На рисунку цю ділянку зібрано в один функціональний вузол; зображена посудина позначає всю підготовку.

Для шинної рідини істотними є сірковмісні сполуки, а також склад вуглеводнів і стійкість продукту. Гідроочищення, тобто видалення небажаних сполук під час обробки воднем, відрізняється від механічної фільтрації або промивання водою. У дослідженнях Straka та співавторів, а також Korányi та співавторів описано варіанти гідропереробки шинного піролізату й подальшого отримання фракцій. Ці роботи показують різні поєднання операцій та умови; один загальний плакат не замінює їхніх технологічних схем.

Вузол гідропереробки на аркуші охоплює й подальше розділення газу з рідиною. Сірковмісні гази спрямовують у власний вузол очищення; продуктову рідину — на подальше розділення. Тому коричнева гілка від цієї ділянки позначає побічний газовий потік, а зелена — шлях рідини. Посудина з каталізатором слугує умовним зображенням усієї ділянки.

Фракціонування розділяє рідину за леткістю. Легкі, середні й важкі фракції можуть мати різне призначення та потребувати додаткової переробки або змішування. У роботі Straka та співавторів отримані компоненти оцінювали за конкретними паливними показниками; сам факт перегонки не означає відповідності всім вимогам до бензину, гасу або дизельного палива.

Звідки береться водень

Фіолетова гілка — окрема воднева підсистема. Показано один із варіантів: підготовка газової сировини, реформінг із парою, конверсія CO з парою та виділення H₂. Реформінг перетворює вуглеводні на газову суміш, що містить водень і оксид вуглецю. Під час наступної операції оксид вуглецю реагує з парою з утворенням додаткового водню та вуглекислого газу. Потім водень виділяють із суміші; на рисунку показано адсорбцію зі зміною тиску, або PSA. Під час адсорбції певні компоненти утримуються поверхнею спеціального матеріалу, а зміна тиску дає змогу організувати повторюваний цикл.

До останнього ступеня цією гілкою йде газова суміш — тому проміжні стрілки помаранчеві. Фіолетова лінія починається після виділення водню. Пару й тепло показано окремими входами. Підготовка газу для каталізаторів, робота із сірковмісними сполуками та поводження з вихідними газами — самостійні частини підсистеми.

У роботі Li та Williams досліджено паровий реформінг летких продуктів піролізу шин із використанням шинного вуглецевого залишку. Отримували багатий на водень синтез-газ — суміш передусім H₂ і CO; це не той самий продукт, що виділений водень. Питання впливу сірки автори залишили поза межами тієї роботи. Офіційний опис DOE використано тут для пояснення загальної послідовності реформінгу, конверсії CO та виділення H₂, а не як готовий режим для шинного газу.

Чи вистачить власного газового потоку для потрібної кількості H₂, визначають матеріальний і тепловий баланси. Іноді знадобиться додаткова сировина або зовнішній водень. Якщо ж спрямувати на реформінг самі конденсовані пари, зміниться й вихід рідини: одна й та сама порція сировини не може одночасно цілком стати рідким продуктом і сировиною для водневого виробництва.

Де залишаються газифікація та крекінг

Від важкої фракції на рисунку відходить пунктирна гілка «Можливий крекінг → легші фракції». Крекінг — розщеплення важких вуглеводневих молекул. Він дає змогу спрямувати частину важкого продукту на отримання легших компонентів; склад виходу залежить від обраного процесу. Ця гілка позначає додаткову можливість, яку включають під потрібний продукт.

В авторському досвіді, описаному на сторінці «Прямий і обернений процеси», важку рідку фракцію повертали в гарячу зону колони й отримували її часткове розкладання. Це конкретний досвід автора з поєднанням процесів; на нинішньому аркуші таке повернення не намальовано як обов’язковий вузол будь-якого піролізного виробництва.

Вуглецевий продукт теж бере участь у ланцюжку

Під час піролізу шин поряд із газом і рідиною отримують вуглецевий залишок — піролізний вуглець. Після підготовки він може стати вторинним технічним вуглецем для відповідного застосування; початковий залишок і підготовлений товарний матеріал мають різні властивості. Один із можливих маршрутів — використовувати його як паливо для обігріву процесу. Інший — готувати водовугільне паливо: суспензію тонкоподрібненого вуглецевого матеріалу у воді, зі складом і властивостями під обраний спосіб спалювання.

У розгалуженішій схемі вуглецеву сировину можна газифікувати й отримати синтез-газ — суміш, що містить передусім водень і оксид вуглецю. Після підготовки й подальших перетворень із нього можна виділяти водень. Це окремий маршрут, поряд із показаним реформінгом газової частини. Важливо розрізняти отримання водню з вуглецевої сировини та обробку самої сировини воднем: у цих операцій різні входи й цілі.

За межами цього аркуша: синтез та облагороджування

Підготовлений синтез-газ може слугувати сировиною для процесу Фішера—Тропша — каталітичного отримання вуглеводнів з оксиду вуглецю й водню. Тоді між газифікацією та рідким паливом з’являється самостійне виробництво зі своїм очищенням, підготовкою складу й подальшою переробкою продуктів. У такий реактор подають підготовлений синтез-газ; рідкий піролізат проходить іншу технологічну гілку.

Можливі й інші процеси облагороджування — зміни складу та властивостей продукту під його призначення. Серед них гідропереробка, крекінг, змішування компонентів, а у відповідних паливних ланцюжках — ароматизація, тобто утворення ароматичних вуглеводнів. Потрібний набір операцій залежить від вимог до конкретного товарного продукту. Один і той самий переділ не обов’язково поліпшує кожне паливо.

Тому весь ланцюжок показано приблизно й спрощено. Реальний комплекс може бути значно розгалуженішим: працювати з рідиною, газовою фракцією для зрідження й вуглецевим продуктом, отримувати водень, синтезувати нові вуглеводні та повертати окремі потоки на переробку. Що з цього будувати, визначають вимоги й ціна продукту, обсяг попиту та економіка обладнання. Саме за такий вибір можливостей і платить майбутній споживач.

Умовні апарати показують функції та зв’язки. Підведення тепла до піролізного апарата зображено крізь стінку; повітря надходить в окрему топку. Розрив помаранчевої лінії біля зеленого шляху рідини позначає перетин без з’єднання. Масштаби, конструктивні виконання й повний склад допоміжного обладнання тут не задаються.

Переробка вторинних ресурсів — один з основних напрямів моєї роботи. Щодо конкретного технічного завдання, вибору схеми та особливостей обладнання можна звернутися до мене через сторінку контактів.

Пунктир від групи рідких фракцій позначає відправлення окремих продуктів на зберігання, а не їх обов’язкове змішування. Нижня смуга показує функціональні етапи: обрана газова фракція проходить підготовку й зрідження, продукти надходять у запас, потім доставляються споживачеві. Цей запас і є демпфером між виробництвом і витратою.

Обираємо від продукту

Зручніше починати із запитання: що має вийти на виході й де це буде використано? Якщо потрібен гарячий потік для відповідної топки поруч з установкою, короткий ланцюжок може розв’язати завдання з невеликою кількістю переділів. Якщо споживач висуває вимоги до домішок і температури, після газогенератора з’являється велика система підготовки газу. На другому аркуші її споживачем показано ДВЗ, що обертає електрогенератор. Так виходить середній ланцюжок.

Основне завдання довгого ланцюжка — отримати транспортабельний продукт і створити запас між виробництвом та віддаленим споживачем. Рідкі продукти або виділені й зріджені газові фракції можна зберігати й доставляти; виробництво та витрата отримують власні графіки. Другий сенс — можливість змінювати асортимент під попит у межах технологічних можливостей підприємства. На третьому аркуші обрано приклад, який особливо цікавить мене в переробці вторинних ресурсів: гума й пластики, піроліз, переробка рідини з окремою водневою підсистемою й виділення газової фракції для зрідження, а потім зберігання й доставка. Інший цільовий продукт дасть інше компонування.

Тому я не став зводити порівняння до шкали «низька, середня й висока якість газу». Для топки, двигуна, каталітичного процесу й системи зберігання потрібні різні властивості. Навіть слово «смоли» змінює практичний сенс: в одному випадку це небажані домішки перед споживачем, в іншому — горюча частина гарячого потоку, у третьому — складова сировини для отримання рідини.

Глибину переробки обирають і за економікою. Який приріст ціни дає наступна операція? Чи достатній попит, щоб оплачувати обладнання, енергію, реагенти, обслуговування й доставку? У довгому ланцюжку зона збуту може стати значно ширшою, оскільки продукт зберігається й перевозиться. Але її реальні межі, як і раніше, визначають логістика й готовність покупця платити за потрібні властивості.

Коротка, середня й довга труба — розмовні позначення ланцюжків використання. Вони не замінюють класифікації газогенераторів за прямим або оберненим процесом. Вибір самого апарата й вибір подальшого ланцюжка пов’язані, але це різні питання.

Очищення газу теж не є однією універсальною операцією: відділення пилу, видалення крапель, охолодження й підготовка складу розв’язують різні завдання. Зображені на другому аркуші ступені не означають видалення молекулярного азоту. Так само багата на водень газова суміш після реформінгу ще не дорівнює виділеному H₂, а відібрана рідка фракція — готовому паливу із заданими показниками. Ці відмінності дають змогу осмислено обрати наступний переділ.

Для обговорення конкретного ланцюжка переробки, складу обладнання та вашого технічного завдання можна зв’язатися зі мною. Пояснення до окремих операцій і використані матеріали зібрано нижче в загальному списку джерел.

Контакти автора →