Для того, чтобы правильно наметить обоснованный план соответствующих глубоких систематических исследований, необходимо разобраться в том, что мы знаем о процессе подземной газификации и что сегодня представляет собой техника п. г. у., какими методами газификации и в какой степени она владеет и в каком или каких направлениях может и должна развиваться. Едва ли нужно доказывать, что для ответа на поставленные вопросы необходимо проанализировать сущность (механизм) процесса газификации твердых топлив и, в частности, процесса подземной газификации на современной базе научно-теоретического анализа данных лабораторных экспериментальных исследований, испытаний моделей п. г. у. и результатов работы всех испытанных и работающих подземных панелей — газогенераторов. Необходимо выделить основные приемы, определяющие главные способы и конкретные пути воздействия на процесс подземной газификации углей.
В основу определения метода газификации вообще и, в частности, под земной газификации следует положить такие признаки и приемы организации процесса, которые наиболее важны и характерны и которые позволяют воздействовать на процесс получения газа соответствующего состава.
Когда говорится о методах организации процесса, то, очевидно, имеется в виду, что метод — это некоторый комплекс принципиальных, первостепенных по важности приемов и способов, позволяющих управлять процессами и рационально решать поставленную задачи.
Проводя исследования, мы всегда отделяем методические положения от техники выполнения. Уметь отделить главное от второстепенного — одна из важных задач и один из ответственных этапов исследования.
Таким образом, метод осуществления (организации) того или иного процесса определяется основными, важнейшими приемами, с помощью которых достигается принципиально наивыгоднейшая организация процесса или одна из наиболее выгодных. Совершенно очевидно, что этими определяющими приемами являются только приемы, радикально воздействующие на процесс и управляющие основными, первостепенными звеньями и этапами процесса.
Из нашего определения следует, что методов газификации может быть несколько.
В практике часто затруднительно полностью соблюдать заданные условия, и очевидно, что в этом случае необходимо добиваться максимального приближения к идеальной организации процесса. Именно в этом в первую очередь и состоит прогрессивное значение правильного определения метода, указывающего наиболее эффективный путь рационального осуществления газификации. В этом смысле правильное определение метода газификации имеет особенно большое значение для п. г. у., где практически добиться приближения к идеальным условиям, характерным для данного метода, особенно трудно в связи с невозможностью непосредственного непрерывного наблюдения за действительным характером развития процесса.
При определении метода организации процесса важно не спутать главные принципиальные положения и приемы с второстепенными техническими способами и приемами, без которых так же немыслима организация процесса, как немыслима методика исследования без конкретной техники эксперимента.
Правильное определение методов сжигания топлива и производства газа является первым решающим шагом в направлении эффективнейшей для любых конкретных условий организации процесса.
Ошибочная ненаучная классификация (определение методов), построенная на внешних признаках (как бы удачно они ни были выбраны), не будет способствовать познанию процесса, а следовательно, и его эффективной технической организации. В лучшем случае такая классификация методов и, в частности, методов газификации будет бесполезной, а в худшем — она в той или иной степени затормозит познание процесса и, соответственно, развитие техники газификации. Очень часто наряду с организацией процесса по конкретным методам применяются такие приемы организации, которые не позволяют осуществить в чистом виде данный метод, и тогда появляются промежуточные, смешанные формы организации процесса*.
Такие в значительной мере случайные формы организации не связаны с научной методикой — они возникают в связи с попытками использовать естественный ход процесса, приспособиться к условиям, случайно складывающимся под воздействием ряда неуправляемых факторов. Едва ли всерьез можно придерживаться такого пути для решения сложного научно-технического вопроса, особенно для создания надежно работающих подземных газогенераторов.
Такие формы организации при слабой изученности процесса нередко трудно распознаются, и очень часто их усиленно пытаются представить как метод, а не как вынужденную организацию процесса п. г. у.
Анализ физико-химического механизма сущности процесса является наилучшим средством правильной классификации методов организации процесса. Чем лучше изучен процесс, тем легче правильно его классифицировать.
Познание механизма процесса позволяет установить совершенно четкое и однозначное определение фактической роли и значения тех или иных способов, приемов как в развитии и становлении процесса, так и в принципиальной конструктивно-технической организации его в данном конкретном аппарате.
Следует помнить, что познание сущности процесса — его физико-химического механизма во всех многообразных взаимосвязях различных, совместно протекающих процессов — непрерывно развивается и возможно, по словам Ф. Энгельса, «...только при данных нашей эпохой условиях и настолько, насколько эти условия позволяют» [4, стр. 192].
Классификация методов, способов, конструкций и т. д., так же как и теория процесса, непрерывно совершенствуется по мере развития науки и экспериментальных приемов, позволяющих все глубже и точнее познавать действительный механизм материальных процессов.
* Комбинированные методы, т. е. целесообразное сочетание известных методов, бывают иногда весьма удачны и эффективны (например, сжигание топлива в кипящем слое и в газовзвеси, а при п. г. т.— применение фильтрационного метода с использованием естественных скважин).
Часто можно слышать мнение о том, что механизм процессов (в частности, подземной газификации) пока недостаточно изучен, да и едва ли будет хорошо изучен, и что поэтому правильнее в основу классификации положить технические и конструктивные приемы и внешние, явные условия организации того или иного процесса в конкретных аппаратах. Такой подход к классификации не может быть прогрессивным, так как не отражает основных, определяющих существо процесса, факторов. Как бы несовершенны и малы ни были наши познания сущности процесса, его физико-химического механизма, но именно они должны быть положены в основу классификации. Эмпиризм без теории не может способствовать радикальному развитию техники. Только с диалектических позиций, т. е. разумно сочетая опыт с теорией, сочетая процесс получения обширных и точных опытных данных с анализом их, и путем построения теории действительного, объективно реального процесса, можно подойти к открытию закона. Только таким путем можно подойти к конечной цели всякого научно-технического исследования — созданию научно обоснованного теоретического метода расчета, к управлению процессом и созданию эффективных способов производства той или иной необходимой продукции.
Определяя роль рабочей гипотезы в исследованиях, Ф. Энгельс писал: «Формой развития естествознания, поскольку оно мыслит, является гипотеза. Наблюдение открывает какой-нибудь новый факт, делающий невозможным прежний способ объяснения фактов, относящихся к той же самой группе. С этого момента возникает потребность в новых способах объяснения, опирающегося сперва только на ограниченное количество фактов и наблюдений. Дальнейший опытный материал приводит к очищению этих гипотез, устраняет одни из них, исправляет другие, пока, наконец, не будет установлен в чистом виде закон. Если бы мы захотели ждать, пока материал будет готов в чистом виде для закона, то это значило бы приостановить до тех пор мыслящее исследование, и уже по одному этому мы никогда не получили бы закона.
Количество и смена вытесняющих друг друга гипотез, при отсутствии у естествоиспытателей логической и диалектической подготовки, легко вызывает у них представление о том, будто мы не способны познать сущность вещей...» [4, стр. 191].
Рабочая гипотеза и тем более ее развитие в виде теоретической концепции и теории процесса не может основываться только на группе изолированных опытов, она должна базироваться на всех достоверных опытных данных, относящихся к рассматриваемому вопросу, и объяснять их. С этой точки зрения исключительно большой вред приносят недоброкачественные, безответственные и тем более фальсифицированные экспериментальные исследования. Результаты этих ошибочных исследований1 не могут быть объяснены с позиций правильной теоретической концепции, и, в конечном счете, ставят под сомнение и результаты полноценных экспериментальных работ.
1 Это, конечно, не относится к несовершенным исследованиям, ошибки которых объясняются недостаточно высоким уровнем развития данной области науки или техники; такие, хотя и неточные, исследования прокладывают дорогу новому, способствуют выполнению других, более совершенных, исследований.
Особенно большой вред приносят такие исследования при изучении сложных физико-химических процессов типа газификации.
В газогенераторах протекает ряд физико-химических процессов в весьма сложных конструктивно-технических условиях. При выработке системы научной классификации первой задачей является выделение важнейших процессов и основных факторов, определяющих развитие суммарных процессов в газогенераторах. При такого рода систематизации, очевидно, необходимо точно обусловить конкретное значение терминов, имеющих достаточно широкую и не всегда вполне конкретную и однозначную трактовку.
В данной работе мы рассматриваем главным образом безостаточную газификацию твердых топлив, в которых преобладающую или во всяком случае энергетически весьма значительную роль играет газификация нелетучей, коксовой части топлива, т. е. рассматриваем газификацию его углеродной части, сопровождающуюся процессом выделения ценных летучих веществ твердого топлива. При подземной газификации сланцев решающее значение для полноты использования энергии топлива приобретает также процесс термической переработки. Но подземная газификация путем только термической переработки (полукоксование, коксование и т. д.) не рассматривается нами, так как она не является безостаточной для большинства видов природного топлива.
Исследования советских ученых показали, что в процессе газификации и горения большинства топлив решающую роль играет процесс горения коксового остатка. Сушка и термическое разложение топлива при соответствующей организации их, как правило, не тормозят процесс газификации.
На первый взгляд, кажется весьма трудным определить, какие же признаки и какой комплекс приемов являются главными в процессе газификации твердого топлива и особенно в таком сложном процессе, каким является подземная газификация углей. Химический процесс образования горючего газа, гидродинамика, тепловой режим, состав дутья и температура его, влажность угля, поведение (движение) очага, и конструкция подвода дутья — все эти факторы оказывают то или иное влияние на процесс газификации.
Но во всем этом многообразии можно выделить два наиболее важных фактора, определяющих в значительной степени все остальные и диктующие, по существу, основы организации процесса и ход газификации.
К ним следует отнести, во-первых, собственно химический процесс, который приводит к образованию горючего газа, и во-вторых, гидродинамический характер взаимодействия дутья и реагирующей твердой поверхности кокса, обеспечивающий транспорт реагирующих компонентов газа и определяющий интенсивность процесса взаимодействия углерода кокса с кислородом дутья. Для случая безостаточной газификации эти два фактора практически целиком определяют процесс реагирования кокса топлива и дутья.
От типа реакций образования горючего газа будет зависеть химический принцип работы газогенераторов. В свете современных представлений о механизме горения определяются три таких принципа.
- Редукционная газификация. В этом случае горючий газ получается путем восстановления углекислоты 16], образующейся в результате взаимодействия углерода с кислородом дутья, а также путем восстановления водяных паров как введенных с дутьем, так и полученных из топлива и грунта. При редукционной газификации кислородная зона (зона горения) не является областью производства горючего газа, и основной рабочей зоной газогенератора служит зона восстановления. Тепло, необходимое для образования горючего газа, получается за счет горения кокса в кислородной зоне, но используется для получения горючего газа в восстановительной зоне. Оно передается из кислородной в восстановительную зону частично в результате теплопроводности и радиации, а главным образом путем непосредственного переноса с физическим теплом газообразных продуктов, поступающих из кислородной в восстановительную зону.
- Первичная высокоскоростная газификация. В этом случае горючий газ образуется преимущественно в кислородной зоне путем непосредственного взаимодействия углерода с кислородом до окиси углерода, а также путем восстановления углеродом водяных паров и частично двуокиси углерода в присутствии кислорода.
При первичной газификации кислородная зона является основной рабочей зоной газогенератора, а тепло для образования горючего газа получается за счет горения кокса в этой зоне и используется также в значительной степени в ней же. В восстановительной зоне при первичной газификации, хотя и играющей второстепенную роль, может в некоторых условиях существенно измениться (улучшиться) состав газа.
- Бескислородная газификация. В этом случае горючий газ образуется путем непосредственного восстановления водяного пара и углекислоты, которые раздельно или совместно подаются непосредственно на раскаленный кокс с дутьем. При бескислородной газификации дутье не содержит практически существенных количеств свободного кислорода. Тепло, необходимое для нагрева кокса и дутья, а также для протекания эндотермических реакций, вводится извне, например с дутьем или с коксом, нагреваемыми до высокой температуры другими источниками тепла.
Гидродинамические условия определяют, организуется ли подвод реагирующего компонента из потоков газа, протекающего в канале (внутренняя задача), или за счет транспорта реагирующего газа из струи дутья, обтекающей или ударяющейся о поверхность углеродного целика (внешняя задача), или, наконец, перенос вещества к реакционной поверхности идет из дутья, протекающего по порам, трещинам и неправильной формы криволинейным канальцам, т. е. из газа, фильтрующегося через растрескавшийся целик угля или слой кусков его (фильтрационная задача).
В основном устойчивость газификации, химический принцип ее1 и интенсивность гетерогенного процесса определяет комплекс приемов, которые обеспечивают соответствующую организацию важнейшего процесса газификации — переноса реагирующего компонента газа из газового объема потока дутья к реакционной поверхности углерода,— т. е. по существу соответствующую гидродинамику газификации кокса. В большинстве случаев на характер гидродинамической организации процесса влияет также температурный режим процесса газификации, а в ряде случаев и относительное расположение очага горения (способ воспламенения). Обеспечивая соответствующие гидродинамические условия взаимодействия газа с твердой поверхностью кокса и, следовательно, при заданном составе дутья режим газификации, т. е. работая по определенному методу газификации, можно управлять основным звеном процесса газификации — образованием горючего газа.
Группа факторов, которая не играет принципиальной, существенной роли в основном процессе газификации Кокса, но оказывает существенное влияние на тепловой режим и условия выделения летучих веществ из угля, связана со способом воспламенения2 и направлениями движения дутья, газа и топлива (или очага, при неподвижном слое топлива). Способ воспламенения (ограниченный, неограниченный и полуограниченный или, в другой терминологии, прямой, обращенный или смешанный — поперечноточный) в заметной степени влияет на условия выделения и судьбу летучих веществ, образующихся из топлива при его нагревании, а также на температурный режим газификации и, следовательно, на состав газа и предельную интенсивность горения с точки зрения обеспечения подготовки и воспламенения свежего топлива.
1 Редукционный или высокоскоростной.
2 Не следует смешивать это понятие с понятием розжига, т. е. первоначального воспламенения еще не зажженного газогенератора.
Нетрудно, однако, показать, что способ воспламенения угля не имеет такого первостепенного значения для организации процесса газификации, как гидродинамический режим, поскольку он, слабо влияя на основной процесс газификации коксового остатка, и сам в значительной мере зависит от гидродинамического режима (метода газификации). Способ воспламенения может быть лишь использован в качестве вспомогательного, хотя в ряде случаев достаточно сильного средства воздействия на ход процесса газификации.
Основной процесс горения и газификации коксового остатка решающим образом и в первую очередь зависит от гидродинамической организации процесса, и поэтому комплекс приемов, применяемых для нее, несомненно, и должен быть положен в основу определения метода газификации твердых топлив1. Совершенно очевидно, что и интенсивность процесса, определяющаяся, как известно, при полном расходовании кислорода скоростью подачи дутья и длиной кислородной зоны, также в значительной степени зависит от гидродинамического режима газификации.
