Газогенераторы: три цепочки использования

Короткая труба

Горячий поток используем рядом с газогенератором в подходящем тепловом процессе. Потребитель задаёт допустимый состав и количество примесей.

Топка условно обозначает теплового потребителя: это может быть печь, сушилка либо обогреваемый реактор. Воронка — условный загрузочный узел; в рабочем аппарате шлюзовой затвор или барабанный питатель герметизирует ввод сырья.

Средняя труба

Сохраняем общий газогенератор и разворачиваем большую систему подготовки газа. В качестве потребителя показан поршневой двигатель внутреннего сгорания, соединённый валом с электрогенератором: механическая работа превращается в электроэнергию. Показаны отдельные сборники пыли, конденсата, жидкости со смолами и капель.

Это пример разделения задач, а не обязательная последовательность аппаратов. Охлаждение и мокрая очистка могут совмещаться; конкретные ступени подбирают под исходный газ и требования потребителя. На рисунке выделены и потоки, которые после очистки нужно собирать и перерабатывать.

Обычное отделение пыли, капель и смол не является отделением молекулярного азота. Если газ получен на воздушном дутье, фильтрующая цепочка сама по себе не устраняет азотное разбавление.

Показанная связка ДВС с электрогенератором делает конечную задачу наглядной. Для газового двигателя газ служит топливом; при газодизельном исполнении сохраняется запальная подача дизельного топлива. Исполнение двигателя и требования к подготовленному газу задают состав системы очистки.

Длинная труба решает задачу расстояния и запаса

Её основной смысл — получить продукт, который можно накопить, хранить и доставить конечному потребителю. Между производством и использованием появляется логистический буфер: запас в резервуарах или баллонах. Потребитель может находиться далеко от установки и расходовать топливо по своему графику; производство организуют по своему графику, с учётом технологии и необходимого запаса.

Результатом может быть жидкий топливный продукт или выделенная сжижаемая газовая фракция. Подготовка, разделение и сжижение позволяют превратить подходящую часть потока в продукт для хранения и перевозки. Пропан и бутан — знакомые примеры сжиженных углеводородных газов, сокращённо СУГ. Состав фракции из конкретного сырья определяет способ её подготовки и условия хранения. Сырой генераторный газ с его исходными примесями и составом не приравнивается к такому подготовленному продукту.

При конденсационном выделении подходящей углеводородной фракции азот преимущественно остаётся в неконденсируемой части. На рисунке этот остаточный поток показан отдельно. Насколько мало азота окажется в продукте, зависит от состава смеси и режима разделения: одно слово «сжижение» не означает полной очистки любой смеси. Например, в технологиях сжиженного природного газа применяют и специальные узлы удаления азота. Это другой состав газа и другой процесс; здесь этот пример поясняет границу общего утверждения.

Второй смысл — менять ассортимент под спрос

Развитая цепочка может давать возможность перенастраивать выпуск в пределах заложенных технологических возможностей. Меняются задачи разделения, подготовки и дальнейшей переработки: сейчас нужен сжижаемый газ для баллонов, в другой период — лёгкая бензиновая либо дизельная фракция с соответствующей очисткой. Запас и транспортировка позволяют ориентироваться на спрос, а не только на топку, стоящую непосредственно возле аппарата.

Сколько переработки готов оплатить покупатель

Здесь я начинаю с простого вопроса: за какой продукт и сколько готов платить потребитель? От этого зависит, во что имеет смысл вкладывать деньги. Дополнительный реактор, водородная подсистема, более глубокая очистка или разделение добавляют возможности, но требуют вложений и постоянных расходов. Прибавка к цене и объём продаж должны оправдывать эти переделы. Конкретную схему поэтому подстраивают под сырьё, требования покупателя и экономические условия.

Длинная труба расширяет и сам круг покупателей. Когда продукт можно накопить и перевезти, предприятие меньше привязано к одному ближайшему потребителю. Границы рынка определяет логистика: расстояние, способ доставки, размер партии и стоимость обращения с запасом. Иногда новый способ продажи обнаруживается уже после запуска — так произошло в истории, которую рассказал мне друг из Бразилии.

Из общения с коллегами: США, Бразилия и Малайзия

По словам коллег, работавших в США и Бразилии, с которыми я общался, они меняли выпускаемый продукт в зависимости от времени года и текущего спроса: газ для баллонов, лёгкие бензиновые фракции или дизельные фракции для автомобильного применения после соответствующей очистки. Это переданный мне производственный опыт; конкретный ассортимент зависел от их сырья, оборудования и потребителей.

В Бразилии, а также у знакомых специалистов в Малайзии, в таких разговорах встречался и другой продукт — более широкая, сравнительно недорогая топливная смесь для отдельных прибрежных судовых потребителей: рыболовов и небольших каботажных перевозчиков. Самую легколетучую часть отделяли, а оставшийся продукт, по моему впечатлению, представлял смесь пиролизатов от мазутной до соляровой области с примесью керосиновых фракций. Я называл её «грязной смесью»; это моя разговорная оценка, а не результат приведённого здесь лабораторного анализа.

Речь шла о конкретных судовых двигателях, которые, по этим рассказам, были менее чувствительны к такому топливу, чем сравниваемые автомобильные двигатели. Эта разница требований и более низкая цена объясняли спрос на смесь. Для самой идеи длинной трубы здесь важно другое: предприятие могло выбирать выпуск под востребованный продукт в пределах своей технологической цепочки.

Заправка посреди моря: история со слов друга

Один из моих друзей, работавший в Бразилии, заметил любопытную вещь: небольшие покупатели стали регулярно забирать довольно большие количества судового топлива. Он поинтересовался, куда оно уходит. Оказалось, покупатели устроили плавучие заправки в соседних прибрежных районах. По его рассказу, для этого использовали полузатопленные плавучие цистерны примерно по 5–6 кубических метров.

Топливо на такой заправке стоило несколько дороже. Но рыбаку не приходилось идти к берегу, тратить на переход время и топливо, а затем возвращаться к месту ловли. Можно было заправить баркас прямо в море и продолжить работу. Покупатель платил за удобное место заправки и сэкономленный путь. Для производителя появился канал сбыта, которого он заранее не предполагал.

Это история, переданная мне другом. Она хорошо показывает, как возможность хранения меняет логистику: запас топлива может переместиться туда, где он нужен потребителю, и породить ещё одно небольшое дело между производством и конечным использованием.

Здесь уже работает целый комплекс

«Длинная труба» — удобное разговорное название цепочки, в которой между исходным сырьём и конечным продуктом появляется несколько самостоятельных производств. На этом листе я показываю один из вариантов для резины и пластиков: пиролиз, отбор жидкости, её подготовку и гидропереработку, а затем разделение на продуктовые фракции. Пиролиз — разложение нагревом без подачи воздуха в сырьё. Гидропереработка — обработка полученной жидкости водородом на катализаторе. Это разные операции, каждая со своей задачей.

В показанном варианте получают жидкие продукты и отдельно работают с газовой частью. Из неё можно выделять подходящую сжижаемую фракцию; другие доли потока направлять на обогрев или в подсистему получения водорода, согласуя распределение с балансом установки. Углеродный остаток и металлокорд шин тоже выводят и обрабатывают отдельно. Назвать углеродный остаток готовым техническим или активированным углём можно только после соответствующей обработки и оценки его свойств.

Что происходит с жидкостью

Конденсатор охлаждает выходящий поток и позволяет отобрать конденсируемую часть. Это ещё не превращает её в готовое моторное топливо. В подготовку жидкости могут входить удаление твёрдых примесей, разделение воды, предварительное фракционирование и другие операции, нужные для конкретного сырья. Их состав и порядок различаются. На рисунке этот участок собран в один функциональный узел; изображённый сосуд обозначает всю подготовку.

Для шинной жидкости существенны сернистые соединения, а также состав углеводородов и устойчивость продукта. Гидроочистка, то есть удаление нежелательных соединений при обработке водородом, отличается от механической фильтрации или промывки водой. В исследованиях Straka и соавторов, а также Korányi и соавторов описаны варианты гидропереработки шинного пиролизата и последующего получения фракций. Эти работы показывают разные сочетания операций и условия; один общий плакат не заменяет их технологические схемы.

Узел гидропереработки на листе включает и последующее разделение газа с жидкостью. Сернистые газы направляют в собственный узел очистки; продуктовую жидкость — на дальнейшее разделение. Поэтому коричневая ветвь от этого участка обозначает побочный газовый поток, а зелёная — жидкостный путь. Сосуд с катализатором служит условным изображением всего участка.

Фракционирование разделяет жидкость по летучести. Лёгкие, средние и тяжёлые фракции могут иметь разные назначения и нуждаться в дополнительной переработке или смешении. В работе Straka и соавторов полученные компоненты оценивали по конкретным топливным показателям; сам факт перегонки не означает соответствия всем требованиям к бензину, керосину или дизельному топливу.

Откуда берётся водород

Фиолетовая ветвь — отдельная водородная подсистема. Показан один из вариантов: подготовка газового сырья, реформинг с паром, конверсия CO с паром и выделение H₂. Реформинг превращает углеводороды в газовую смесь, содержащую водород и оксид углерода. При следующей операции оксид углерода реагирует с паром с образованием дополнительного водорода и углекислого газа. Затем водород выделяют из смеси; на рисунке показана адсорбция с циклами давления, или PSA. При адсорбции определённые компоненты удерживаются поверхностью специального материала, а смена давления позволяет организовать повторяющийся цикл.

До последней ступени по этой ветви идёт газовая смесь — поэтому промежуточные стрелки оранжевые. Фиолетовая линия начинается после выделения водорода. Пар и тепло показаны отдельными входами. Подготовка газа для катализаторов, работа с сернистыми соединениями и обращение с выходными газами — самостоятельные части подсистемы.

В работе Li и Williams исследован паровой реформинг летучих продуктов пиролиза шин с использованием шинного углеродного остатка. Получали богатый водородом синтез-газ — смесь прежде всего H₂ и CO; это не тот же продукт, что выделенный водород. Вопрос влияния серы авторы оставили за пределами той работы. Официальное описание DOE использовано здесь для объяснения общей последовательности реформинга, конверсии CO и выделения H₂, а не как готовый режим для шинного газа.

Хватит ли собственного газового потока для нужного количества H₂, определяют материальный и тепловой балансы. Иногда потребуется дополнительное сырьё или внешний водород. Если же направить на реформинг сами конденсируемые пары, изменится и выход жидкости: одна и та же порция сырья не может одновременно целиком стать жидким продуктом и сырьём для водородного производства.

Где остаются газификация и крекинг

От тяжёлой фракции на рисунке отходит пунктирная ветвь «Возможный крекинг → более лёгкие фракции». Крекинг — расщепление тяжёлых углеводородных молекул. Он позволяет направить часть тяжёлого продукта на получение более лёгких компонентов; состав выхода зависит от выбранного процесса. Эта ветвь обозначает дополнительную возможность, которую включают под нужный продукт.

В авторском опыте, описанном на странице «Прямой и обращённый процессы», тяжёлую жидкую фракцию возвращали в горячую зону колонны и получали её частичное разложение. Это конкретный опыт автора с совмещением процессов; на нынешнем листе такой возврат не нарисован как обязательный узел любого пиролизного производства.

Углеродный продукт тоже участвует в цепочке

При пиролизе шин наряду с газом и жидкостью получают углеродный остаток — пиролизный углерод. После подготовки он может стать вторичным техническим углеродом для подходящего применения; исходный остаток и подготовленный товарный материал имеют разные свойства. Один из возможных маршрутов — использовать его как топливо для обогрева процесса. Другой — готовить водоугольное топливо: суспензию тонкоизмельчённого углеродного материала в воде, с составом и свойствами под выбранный способ сжигания.

В более разветвлённой схеме углеродное сырьё можно газифицировать и получить синтез-газ — смесь, содержащую прежде всего водород и оксид углерода. После подготовки и последующих превращений из него можно выделять водород. Это отдельный маршрут, наряду с показанным реформингом газовой части. Важно различать получение водорода из углеродного сырья и обработку самого сырья водородом: у этих операций разные входы и цели.

За пределами этого листа: синтез и облагораживание

Подготовленный синтез-газ может служить сырьём для процесса Фишера—Тропша — каталитического получения углеводородов из оксида углерода и водорода. Тогда между газификацией и жидким топливом появляется самостоятельное производство со своей очисткой, подготовкой состава и последующей переработкой продуктов. В такой реактор подают подготовленный синтез-газ; жидкий пиролизат проходит другую технологическую ветвь.

Возможны и другие процессы облагораживания — изменения состава и свойств продукта под его назначение. Среди них гидропереработка, крекинг, смешение компонентов, а в соответствующих топливных цепочках — ароматизация, то есть образование ароматических углеводородов. Нужный набор операций зависит от требований к конкретному товарному продукту. Один и тот же передел не обязан улучшать каждое топливо.

Поэтому вся цепочка показана приблизительно и упрощённо. Реальный комплекс может быть гораздо более разветвлённым: работать с жидкостью, сжижаемой газовой фракцией и углеродным продуктом, получать водород, синтезировать новые углеводороды и возвращать отдельные потоки на переработку. Что из этого строить, определяют требования и цена продукта, объём спроса и экономика оборудования. Именно за такой выбор возможностей и платит будущий потребитель.

Условные аппараты показывают функции и связи. Подвод тепла к пиролизному аппарату изображён через стенку; воздух поступает в отдельную топку. Разрыв оранжевой линии у зелёного жидкостного пути обозначает пересечение без соединения. Масштабы, конструктивные исполнения и полный состав вспомогательного оборудования здесь не задаются.

Переработка вторичных ресурсов — одно из основных направлений моей работы. По конкретному техническому заданию, выбору схемы и особенностям оборудования можно обратиться ко мне через страницу контактов.

Пунктир от группы жидких фракций обозначает отправку раздельных продуктов на хранение, а не их обязательное смешение. Нижняя полоса показывает функциональные этапы: выбранная газовая фракция проходит подготовку и сжижение, продукты поступают в запас, затем доставляются потребителю. Этот запас и есть демпфер между выработкой и расходом.

Выбираем от продукта

Удобнее начинать с вопроса: что должно получиться на выходе и где это будет использовано? Если нужен горячий поток для подходящей топки рядом с установкой, короткая цепочка может решить задачу с небольшим числом переделов. Если потребитель предъявляет требования к примесям и температуре, после газогенератора появляется большая система подготовки газа. На втором листе её потребителем показан ДВС, вращающий электрогенератор. Так получается средняя цепочка.

Основная задача длинной цепочки — получить транспортабельный продукт и создать запас между производством и удалённым потребителем. Жидкие продукты либо выделенные и сжиженные газовые фракции можно хранить и доставлять; выработка и расход получают собственные графики. Второй смысл — возможность менять ассортимент под спрос в пределах технологических возможностей предприятия. На третьем листе выбран пример, который особенно интересует меня в переработке вторичных ресурсов: резина и пластики, пиролиз, жидкостная переработка с отдельной водородной подсистемой и выделение сжижаемой газовой фракции, а затем хранение и доставка. Другой целевой продукт даст другую компоновку.

Поэтому я не стал сводить сравнение к шкале «низкое, среднее и высокое качество газа». Для топки, двигателя, каталитического процесса и системы хранения нужны разные свойства. Даже слово «смолы» меняет практический смысл: в одном случае это нежелательные примеси перед потребителем, в другом — горючая часть горячего потока, в третьем — составляющая сырья для получения жидкости.

Глубину переработки выбирают и по экономике. Какую прибавку к цене даёт следующая операция? Достаточен ли спрос, чтобы оплачивать оборудование, энергию, реагенты, обслуживание и доставку? В длинной цепочке зона сбыта может стать гораздо шире, поскольку продукт хранится и перевозится. Но её реальные границы по-прежнему задают логистика и готовность покупателя платить за нужные свойства.

Короткая, средняя и длинная труба — разговорные обозначения цепочек использования. Они не заменяют классификацию газогенераторов по прямому или обращённому процессу. Выбор самого аппарата и выбор дальнейшей цепочки связаны, но это разные вопросы.

Очистка газа тоже не является одной универсальной операцией: отделение пыли, удаление капель, охлаждение и подготовка состава решают разные задачи. Изображённые на втором листе ступени не означают удаления молекулярного азота. Аналогично, богатая водородом газовая смесь после реформинга ещё не равна выделенному H₂, а отобранная жидкая фракция — готовому топливу с заданными показателями. Эти различия позволяют осмысленно выбирать следующий передел.

Для обсуждения конкретной цепочки переработки, состава оборудования и вашего технического задания можно связаться со мной. Пояснения к отдельным операциям и использованные материалы собраны ниже в общем списке источников.

Контакты автора →