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气化的工作原理

来源:
2023-01-13
类别:基础知识
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文章创建人 拍明

  

南伊利诺伊大学煤炭研究中心的助理主任站在一个将少量煤分离成合成气的模型气化系统旁边。查看更多绿色科学图片。


  南伊利诺伊大学煤炭研究中心的助理主任站在一个将少量煤分离成合成气的模型气化系统旁边。查看更多 绿色科学图片.

  美联社照片/史蒂夫·扬克一些最有前途、最引人注目的能源替代品并不是革命性的想法。我们都知道风车和水车,它们已经存在了几个世纪。今天,各种改进,包括创新的涡轮机设计,正在将这些古老的机器转变为尖端技术,可以帮助各国满足其能源需求。

  还有另一个古老的过程 - 一个你可能不太了解的过程 - 越来越受欢迎,并可能加入风能和水力发电的清洁,可再生能源的万神殿。该过程称为 气化,一组化学反应,利用有限的氧气将含碳原料转化为 合成气或 合成气.

  这听起来像燃烧,但事实并非如此。燃烧使用大量的氧气通过燃烧产生热量和光。气化仅使用少量的氧气,与蒸汽结合并在高压下烹饪。这引发了一系列反应,产生主要由一氧化碳和氢气组成的气态混合物。这种合成气可以直接燃烧,也可以用作制造肥料、纯氢、甲烷或液体运输燃料的起点。

  信不信由你,气化已经存在了几十年。苏格兰工程师威廉·默多克(William Murdoch)因开发基本流程而受到赞誉。在1790年代后期,他使用煤炭作为原料,生产了足够数量的合成气来照亮他的家。最终,欧洲和美国的城市开始使用合成气 - 或当时称为“城市煤气” - 来照亮城市街道和家庭。最终,燃煤发电厂产生的天然气和电力取代了城镇燃气,成为首选的热源和光源。

  今天,随着全球气候危机迫在眉睫,渴望电力的国家正在寻找替代能源,气化正在卷土重来。气化技术委员会预计,到2015年,世界气化能力将增长70%以上。在中国和印度的快速发展推动下,大部分增长将发生在亚洲。但美国也在拥抱气化。

  让我们仔细看看这个过程是如何工作的。我们将从煤气化开始,这是该过程最常见的形式。

  煤气

  

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  2005年,罗德岛州蒂弗顿的一名居民在一个标有“天然气厂废物”的容器旁边摆姿势。该州认为,该地区的污染是由福尔河天然气公司倾倒煤气化废物数十年造成的。

  美联社照片/炖米尔恩燃煤发电厂的核心是锅炉,其中煤炭通过燃烧燃烧将水转化为蒸汽。以下等式显示了燃烧煤的化学性质:C + O2 --> 一氧化碳2.煤不是由纯碳制成的,而是由与许多其他元素结合的碳制成的。尽管如此,煤炭的碳含量仍然很高,正是这种碳在燃烧中与氧气结合产生二氧化碳,这是全球变暖的罪魁祸首。煤燃烧的其他副产品包括硫氧化物、氮氧化物、汞和天然存在的放射性物质。

  包含气化的发电厂的核心不是锅炉,而是 气化 炉,一个高约 40 英尺(12 米)、宽约 13 英尺(4 米)的圆柱形压力容器。原料从顶部进入气化炉,而蒸汽和氧气从下方进入。任何一种含碳材料都可以作为原料,但煤气化当然需要煤。一个典型的气化厂每天可以使用16,000吨(14,515公吨)褐煤,一种褐色煤。

  气化炉在比燃煤锅炉更高的温度和压力下运行 - 分别约为2,600华氏度(1,427摄氏度)和每平方英寸1,000磅(6,895千帕)。这导致煤发生不同的化学反应。首先,煤碳的部分氧化释放热量,有助于气化反应。其中第一个是 高温分解,当煤的挥发性物质降解成几种气体时,就会发生这种情况,留下 煳,一种类似木炭的物质。然后,还原反应将炭中剩余的碳转化为称为 合成气.

  一氧化碳和氢气是合成气的两个主要成分。在称为 气体净化,原始合成气通过可用于分离各种组分的冷却室。清洁可以去除有害杂质,包括硫、汞和未转化的碳。甚至二氧化碳也可以从气体中抽出并储存在地下或用于氨或甲醇生产。

  剩下纯氢和一氧化碳,它们可以在燃气轮机中清洁燃烧以发电。或者,一些发电厂通过将清洁的气体通过镍催化剂将合成气转化为天然气,导致一氧化碳和二氧化碳与游离氢反应形成甲烷。这种“替代天然气”的行为类似于普通天然气,可用于发电或为家庭和企业供暖。

  但是,如果没有煤炭,气化仍然是可能的。你所需要的只是一些木头。

  合成气秒

  尽管电力行业最近对气化产生了兴趣,但化学、炼油和化肥行业已经使用了几十年的工艺。这是因为合成气的主要成分 - 氢气和一氧化碳 - 是其他几种产品的基本组成部分。从合成气中提取的一些最重要的产品包括甲醇、氮基肥料和用于炼油和运输燃料的氢气。甚至 炉渣,气化过程的玻璃状副产品,可用于屋顶材料或作为路基材料。

  木材气化

  煤气化有时被称为“清洁煤”,因为它可以用来发电,而不会将毒素和二氧化碳排放到大气中。但它仍然基于不可再生的化石燃料。它仍然需要采矿作业,使地球伤痕累累,并留下自己的有毒废物。木材气化 -- 或 生物质气化,从技术上讲更正确 - 可能提供一个可行的替代方案。生物质被认为是一种可再生能源,因为它是由有机材料制成的,如树木、农作物甚至垃圾。

  生物质气化就像煤气化一样:原料进入气化炉,气化炉在低氧环境中烹饪含碳材料以生产合成气。原料通常分为四类:

  农业残留物是农民收获商品作物后留下的。它们包括小麦、苜蓿、豆类或大麦秸秆和玉米秸秆。小麦秸秆和玉米残余物构成了这种生物质的大部分。

  能源作物的种植仅用作原料。它们包括杂交杨树和柳树,以及柳枝稷,一种原生的、快速生长的草原草。

  林业残留物包括木材采伐后留下的任何生物质。枯木也很好用,剥皮和拔肢手术产生的废料也很好用。

  城市木材垃圾是指建筑垃圾和拆除垃圾,否则最终会进入垃圾填埋场。托盘 - 扁平运输结构 - 也属于这一类。

  原料的选择决定了气化炉的设计。生物质气化中常见的三种设计:上升气流、下降气流和交叉气流。在一个 上升气流气化炉,木材从上方进入气化室,落到炉排上并形成燃料堆。空气从炉排下方进入并通过燃料堆向上流动。合成气,也称为 发生炉煤气 在生物质圈中,退出腔室顶部。在 下沉气流 或 交叉气流气化炉,空气和合成气可能在不同的位置进出。

  燃料和气化炉设计的选择会影响合成气中化合物的相对比例。例如,放置在下吸式气化炉中的小麦秸秆会产生以下结果:

  17% 至 19% 氢气

  14% 至 17% 的一氧化碳

  11% 至 14% 的二氧化碳

  几乎没有甲烷

  但放置在下吸式气化炉中的木炭会产生以下结果:

  28%至31%的一氧化碳

  5% 至 10% 氢气

  1%至2%的二氧化碳

  1%至2%的甲烷

  [资料来源:拉杰万希]。

  现在,您可以制作自己的木材气化炉了。继续点击看看如何。

  更好的加油里程

  信不信由你,木材气化的主要用途之一是为内燃机提供动力。在1940年之前,偶尔会看到气化动力汽车,尤其是在欧洲。然后,在第二次世界大战期间,石油短缺迫使人们考虑替代方案。西欧的运输业依靠木材气化来为车辆提供动力,并确保食品和其他重要材料到达消费者手中。战后,随着天然气和石油的广泛普及,气化在很大程度上被遗忘了。然而,未来的石油短缺可能会重振我们对这项旧技术的兴趣。未来的汽车司机可能会要求用几根木头而不是几加仑的汽油来“加满”。

  自制气化

  

未来是否从像这样的气化炉中获得更多的能量?


  未来是否从像这样的气化炉中获得更多的能量?

  菲利普·斯皮尔斯/盖蒂图片社气化的一个有吸引力的品质是它的可扩展性。坦帕东南部的波尔克发电站是一个占地4,300英亩(1,740公顷)的气化厂。它每小时将100吨(90.7公吨)的煤炭转化为2.5亿瓦的电力,供约60,000个家庭和企业使用[来源: 福尔杰].

  但你不必成为一个巨大的公用事业公司来试验气化。你可以用房子周围的材料建造一个简单的小型气化炉。YouTube上有这些自制单位的几个视频。例如,一段视频显示,油漆可以扮演发生气化反应的压力容器的角色。当合成气在密封罐内产生时,它通过一些简单的管道配件移动到燃烧罐,在那里可以点燃气体。

  另一个 有趣的视频 展示了一个小团队根据美国联邦紧急事务管理局 (FEMA) 和橡树岭国家实验室制定的计划组装和操作木材气化炉。FEMA 于 1989 年制定了这些计划,专门用于在发生石油紧急情况时进行小规模气化。该机构的报告包括有关下吸式生物质气化炉的制造,安装和操作的详细插图说明。(该报告的链接包含在下一页“Lafontaine”下的源列表中。该装置需要一个镀锌金属垃圾桶、一个小金属桶、普通管道配件和一个不锈钢搅拌碗,可以安装在车辆上,为内燃提供合成气。气化炉就位后,车辆可以使用木屑或其他生物质作为燃料可靠地运行。

  如果您对气化感兴趣,但不是自己动手的类型,那么您可能需要考虑从制造商那里购买气化装置。例如,新视野公司分销可安装在家庭环境中的气化系统。这些生物质气化锅炉可以为房屋、车库和其他建筑物供暖,并可以使用各种燃料,包括调味木材、玉米棒、锯末、木屑和任何类型的颗粒。

  无论哪种方式,气化都可能成为未来几十年最重要的能源替代品之一。这是使用煤炭最清洁的方式,但也可以有效地使用可再生能源,例如生物质。而且,由于气化的主要产物之一是氢气,该过程为生产大量用于燃料电池和清洁燃料的氢气提供了垫脚石。


责任编辑:David

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