Газогенератор Лурги

Газогенератор Лурги — это промышленная установка для газификации твёрдого топлива (угля, торфа, биомассы) в неподвижном слое, работающая под давлением. Относится к классу аппаратов с вращающейся колосниковой решёткой и шлакоудалением. Разработана немецкой компанией Lurgi AG (ныне Air Liquide Global E&C Solutions Germany GmbH) в 1930-х годах. Основное назначение — получение синтез-газа (смеси CO и H₂) для последующего синтеза метанола, аммиака, жидких углеводородов (процесс Фишера — Тропша) или производства водорода.

История

Разработка газогенератора началась в 1930-х годах в Германии в условиях острой нехватки нефти и необходимости создания собственной сырьевой базы для синтетического топлива. Первый промышленный образец был запущен в 1936 году на заводе в Лейне (Leuna). В 1939–1945 годах технология использовалась для получения синтез-газа на предприятиях IG Farben (организация ликвидирована после Второй мировой войны) и других компаний.

После Второй мировой войны технология была передана союзникам. В 1950-х годах компания Lurgi продолжила совершенствование конструкции, внедрив систему паро-кислородного дутья и увеличение рабочего давления до 3–4 МПа. В 1960–1970-х годах газогенераторы Лурги устанавливались на крупных газохимических комплексах в ЮАР (Sasol), где использовались для переработки низкосортных углей. В 1980-х годах технология была адаптирована для газификации биомассы и отходов.

В 1990-х годах компания Lurgi была поглощена французской Air Liquide, а производство газогенераторов продолжилось под брендом Lurgi GmbH. В 2000-х годах технология получила развитие в проектах по газификации угля в Китае, Индии и Австралии.

Устройство и принцип работы

Газогенератор Лурги представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с внутренним диаметром от 2 до 5 метров и высотой до 20 метров. Основные элементы:

• Корпус — стальной, футерованный огнеупорным кирпичом для защиты от высоких температур (до 1400 °C).
• Вращающаяся колосниковая решётка — расположена в нижней части аппарата. Обеспечивает равномерное распределение топлива и удаление золы и шлака.
• Устройство загрузки топлива — шлюзовой бункер с системой клапанов, позволяющий подавать уголь или другое сырьё под давлением без разгерметизации аппарата.
• Система подачи дутья — через центральную трубу и боковые патрубки в нижнюю часть слоя подаётся смесь кислорода (или воздуха) и водяного пара.
• Газоотвод — расположен в верхней части аппарата, через который отводится сырой газ.

Принцип действия

Процесс газификации протекает в неподвижном слое топлива, движущемся сверху вниз. Выделяют четыре зоны:

1. Зона сушки (верхняя часть, 150–300 °C) — испарение влаги из топлива.
2. Зона пиролиза (300–600 °C) — разложение органической массы с выделением летучих веществ (смолы, углеводороды).
3. Зона газификации (600–1000 °C) — реакции углерода с водяным паром и диоксидом углерода:

• C + H₂O → CO + H₂ (эндотермическая реакция водяного газа)
• C + CO₂ → 2CO (реакция Будуара)

1. Зона горения (нижняя часть, 1000–1400 °C) — сжигание остаточного углерода в кислороде:

• C + O₂ → CO₂ (экзотермическая реакция)

Шлак и зола удаляются через вращающуюся решётку в шлаковый бункер.

Классификация

Газогенераторы Лурги классифицируются по типу дутья и рабочему давлению:

• По типу дутья:
• Паро-кислородное (основной вариант для получения синтез-газа с высоким содержанием H₂ и CO)
• Паро-воздушное (для получения низкокалорийного топливного газа)
• По давлению:
• Низкого давления (0,1–0,5 МПа) — устаревшие модели
• Среднего давления (1,0–3,0 МПа) — стандартные промышленные агрегаты
• Высокого давления (3,0–4,0 МПа) — современные модификации

Характеристики

Основные технические параметры типового газогенератора Лурги (на примере модели Lurgi MK IV):

• Производительность по сырому газу: 30 000–50 000 м³/ч
• Расход угля: 10–20 т/ч
• Рабочее давление: 2,5–3,5 МПа
• Температура газа на выходе: 350–500 °C
• Состав сырого газа (объёмные доли): CO — 25–30%, H₂ — 35–40%, CO₂ — 10–15%, CH₄ — 5–10%, N₂ — 1–3%, H₂S — 0,5–2%
• Теплотворная способность газа: 10–12 МДж/м³
• Степень конверсии углерода: 85–95%

Применение

Газогенераторы Лурги используются в следующих отраслях:

• Химическая промышленность — получение синтез-газа для производства метанола, аммиака, уксусной кислоты, формальдегида.
• Нефтехимия — синтез жидких углеводородов по методу Фишера — Тропша (заводы Sasol в ЮАР, заводы в Китае).
• Энергетика — производство топливного газа для газовых турбин и котлов (газификация угля и биомассы).
• Металлургия — получение восстановительного газа для прямого восстановления железа (процесс DRI).
• Переработка отходов — газификация твёрдых бытовых отходов, древесных отходов, торфа.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая эффективность конверсии углерода (до 95%).
• Возможность переработки низкосортных углей с высоким содержанием золы и влаги.
• Получение газа с высоким содержанием метана (до 10%), что упрощает его транспорт по трубопроводам.
• Относительная простота конструкции и высокая надёжность.

Недостатки

• Высокое содержание смол и углеводородов в сыром газе (требуется дорогостоящая очистка).
• Большие габариты и металлоёмкость.
• Ограниченная производительность (до 50 000 м³/ч газа на один аппарат).
• Необходимость периодической остановки для замены футеровки (раз в 1–2 года).

Современное состояние

По состоянию на 2024 год газогенераторы Лурги продолжают эксплуатироваться на десятках предприятий по всему миру. Наиболее крупные парки установок расположены в ЮАР (Sasol, более 80 аппаратов), Китае (Shenhua, Yankuang, более 50 аппаратов), Индии (GAIL, NTPC). В России технология применялась на ряде заводов (например, на Новомосковском предприятии «Азот»), однако в 1990–2000-х годах большинство установок было выведено из эксплуатации из-за экономической нецелесообразности.

В 2010-х годах компания Air Liquide (преемник Lurgi) разработала модификацию Lurgi MK V с увеличенным диаметром решётки (до 5,5 м) и повышенным давлением (до 4,5 МПа), что позволило увеличить единичную мощность до 60 000 м³/ч газа. Технология также адаптируется для газификации биомассы и отходов в рамках проектов по декарбонизации.

Интересные факты

• Первый промышленный газогенератор Лурги был построен в 1936 году на заводе в Лейне (Германия) и проработал до 1945 года.
• В ЮАР на заводе Sasol Secunda эксплуатируется крупнейший в мире парк газогенераторов Лурги — 96 аппаратов, обеспечивающих производство синтез-газа для синтеза жидкого топлива.
• Технология Лурги использовалась в проекте «Great Plains Synfuels Plant» (США, штат Северная Дакота) — единственном в США заводе по газификации угля, работающем с 1984 года.
• В 1990-х годах в СССР была разработана собственная модификация газогенератора Лурги — аппарат ГГ-1,5, однако серийного производства не последовало.

Источники

• Higman C., van der Burgt M. Gasification. — 2nd ed. — Gulf Professional Publishing, 2008. — 435 p.
• Probstein R. F., Hicks R. E. Synthetic Fuels. — McGraw-Hill, 1982. — 600 p.
• Lurgi GmbH. Lurgi Gasification Technology. — Technical brochure, 2010.
• Sasol Limited. Sasol’s Coal-to-Liquids Process. — Annual report, 2020.
• Air Liquide Global E&C Solutions. Lurgi MK V Gasifier. — Product specification, 2018.