Матеріальний і тепловий баланс реактору при виробництві газифікованого вугілля

/

вступ

Дисципліна «Загальна хімічна технологія» відноситься до циклу загально професійних дисциплін. Мета виконання курсової роботи. — набуття практичних навичок формулювання математичного опису та проведення розрахунків матеріальних і теплових балансів хімічних реакторів, які є основною складовою будь-якої хіміко-технологічної системи.

Задачі, які вирішуються під час виконання курсової роботи:

ѕ аналіз існуючих хіміко-технологічних систем (ХТС) для одержання даного хімічного продукту, або проведення хіміко-технологічного процесу (ХТП) з виявленням їх достоїнств та недоліків;

ѕ виявлення оптимальних умов проведення ХТП в реакторі заданого типу та вплив різних технологічних параметрів на ефективність ХТП;

ѕ вибір технологічної схеми, виконання її креслення та опису згідно матеріалам, приведеним в навчальній та науково-технічній літературі;

ѕ формулювання математичного опису ХТП, визначення спрощень, припущень та вихідних даних до розрахунку матеріального і теплового балансів заданого хімічного реактору;

ѕ розрахунок матеріального і теплового балансів заданого хімічного реактору;

ѕ визначення кількості та складу відходів, що утворюються в ХТС та методів їх утилізації або знешкодження;

ѕ пошук технологічних рішень, направлених на вдосконалення ХТС.

газифіковане вугілля матеріальний тепловий баланс

1. Аналітичний огляд методів газифікації

1.1 Класифікація методів одержання водню та азотоводневої суміші газифікацією твердих палив

Газифікація — високотемпературний процес взаємодії вуглецю палива з окислювачами, що проводиться з метою отримання суміші горючих газів (H₂, CO, CH₄). Як окиснювачі або газифікуючи агенти застосовують кисень, водяну пару, двоокис вуглецю або суміш цих речовин.

Методи газифікації класифікують за:

· видом дуття: повітряна, повітряно-киснева, пароповітряна, паро-киснева;

· за тиском: при атмосферному тиску (0,1−0,3 МПа), середньому (до 2−3 МПа), високому (понад 3 МПа);

· за розміром вихідного палива: газифікація грудкового, дрібнодисперсного та пилоподібного вугілля;

· за конструктивними особливостями реакційної зони: у щільному шарі палива, в псевдо зрідженому шарі, в пиловугільному факелі;

· за способами виділення смоли;

· за способами підводу тепла: авто термічна (за рахунок внутрьошніх джерел), алотермічна;

· за теплотою згоряння одержуваного газу (в МДж/м³): низької (до 6−7); середньої (12−18) та високої (30−35) теплоти згоряння;

· за призначенням газів: для енергетичних і технологічних цілей (синтезу, виробництва водню, технічного вуглецю).

· за температурою газифікації: низькотемпературна (до 800^оС), середньо температурна (800—1300^оС), високотемпературна (1300^оС).

1.2 Газифікація вугілля в газогенераторах

У залежності від складу, співвідношення початкових речовин, температури, тривалості взаємодії можна отримати газові суміші різного складу. Процес газифікації в промислових умовах проводять в спеціальних апаратах, що називають газогенераторами, а газову суміш, яку одержують в результаті процесу — генераторним газом Середній склад генераторного газу

Загальні принципи роботи газогенераторів можна розглянути на прикладі найпростішого шарового газогенератора, який являє собою вертикальну шахту, у верхній частині якої є завантажувальний люк із затвором. У нижній частині газогенератора встановлено колосникові грати, через які в шахту подають газифікуючий агент. Зверху поступає тверде паливо.

При подачі в газогенератор кисню в зоні, розташованій безпосередньо біля колосникових грат (зона горіння або окислювальна зона) відбувається горіння твердого палива:

2С + О₂ = 2СО + 218,8, МДж/кмоль С + О₂ = СО₂ + 394,4, МДж/кмоль .

Діокис вуглецю, що утворюється, відновлюється у відновній зоні новими порціями вуглецю:

СО₂ + С = 2СО — 175,6, МДж/кмоль Якщо разом з киснем в генератор подають водяну пару, то у відновній зоні протікають реакції:

С + Н₂О = СО + Н₂ — 132,6, МДж/кмоль С + 2Н₂О = СО₂ + 2Н₂ — 89,5, МДж/кмоль У цьому випадку газ, що утворюється містить два горючих компоненти: оксид вуглецю і водень, які утворилися за рахунок гетерогенних реакцій.

Крім того, в газовій фазі можуть протікати гомогенні реакції між газоподібними продуктами:

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ + 43,1, МДж/кмоль, СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О + 203,7, МДж/кмоль.

Метан в умовах процесу схильний до термічного розпаду:

СН₄ = С + 2Н₂ — 71,1, МДж/кмоль.

Поєднання цих і деяких інших реакцій визначає склад газів, що утворюються по висоті газогенератора. З відновної зони гази виходять з температурою 800−900⁰С. Проходячи через вугілля, що розташоване вище, вони нагрівають його, внаслідок чого протікає процес піролізу. Ця зона називається зоною піролізу або зоною напівкоксування. Гази, що виходять з неї, підігрівають і сушать вугілля у верхній зоні - зоні сушки. Дві нижні зони (окислювальна і відновна) складають зону газифікації, а дві верхні - зону підготовки палива.

У цьому процесі змінюється і склад твердої фази, оскільки в зону газифікації поступає кокс або напівкокс, а з неї виводиться зола.

Процес газифікації інтенсифікують шляхом підвищення температури, збільшення тиску газифікації, що дозволяє значно збільшити парціальні тиску реагуючих речовин, а також досягти збільшення швидкості дуття, концентрації кисню в дуття і збільшення реакційної поверхні.

На перших промислових установках як сировину використовували кам’яновугільний кокс, а згодом замість коксу газіфкації стали піддавати антрацит, кам’яне і буре вугілля, торф та інші види твердого палива.

1.3 Підземна газифікація

Підземна газифікація корисних копалин — спосіб розробки родовищ корисних копалин (вугілля, сланців, сірки і інш. копалин, що містять горючі компоненти), оснований на фізико-хімічних перетвореннях корисних копалин у газоподібні і рідкі продукти за допомогою повітря, водяної пари, кисню або їх сумішей при високій температурі. Підземна газифікація — складний комплексний процес, що включає прогрівання покладу, видалення вологи і легко летких компонентів, переведення в рідку фазу легкоплавких компонентів, процеси гетерогенного і гомогенного горіння, фільтрації газів, взаємодії компонентів газової фази, механічного розтріскування і обвалення порід внаслідок температурного впливу, конденсацію летких речовин і інш.

Рис. 1.1. Принципова схема підземної газифікації вугілля

Найважливіша ознака всіх способів підземної газифікації - їх авто термічність, що дозволяє підтримувати процес без підведення тепла ззовні, за рахунок екзотермічних реакцій частини горючих компонентів покладу з киснем дуття. Основним продуктом підземної газифікації вугілля є горючий газ; сланців і бітумів — горючий газ, рідке паливо, смоли, масла, феноли і інш. продукти; сірки — сірчистий ангідрид, рідка і пароподібна сірка.

Підземна газифікація вугілля включає буріння з поверхні вертикальних, похилих і похило-горизонтальних свердловин для подачі повітряного або киснево-повітряного дуття і відводу газу, що утворився, і створення в пласті між свердловинами реакційних каналів, в яких вугілля взаємодіє з потоками дуття і газу. Ці канали виконуються шляхом збійки свердловин. Трубопроводи для подачі дуття і транспортування газу, установки для дуття і охолодження газу розташовані на поверхні. Одержуваний газ очищають від пилу в циклонах. Охолоджування газу ведуть у скруберах, потім його очищають в електрофільтрах, після чого направляють у скрубери сірко очистки, де витягують сірководень. Аналогічно газифікують горючі сланці.

За допомогою запалювальних патронів і легкозаймистих матеріалів вугілля запалюють у вогневому штреку, формують реакційні зони і починають процес газифікації. В процесі газифікації горюча маса вугілля перетворюється на газ, а у випаленому просторі залишається зола. По мірі газифікації вугільного пласта реакційні зони переміщаються, під дією гірничого тиску відбувається зрушення порід покрівлі і заповнення ними випаленого простору.

При цьому на поверхню видаються феноли, бензоли, піридини, жирні кислоти, сірка і т.д. При підземній газифікації отримують в 1.5 — 3 рази більше аміаку, в 1.5 — 10 раз більше піридинових основ, ніж при коксуванні в коксових батареях.

Таким чином, в результаті ряду процесів, що протікають в реакційній зоні з вугілля одержують газ, який містить водень, оксид вуглецю, метан. Теплота згоряння і склад газу залежить від виду дуття, якості вугілля, а також від геологічних умов залягання пласта. Через високий вміст азоту і двоокису вуглецю теплота згоряння газу відносно низька. Вона складає при газифікації кам’яного вугілля на повітряному дутті - 3,8 — 5 МДж/м³, на дутті, збагаченому киснем, — 6,9 — 7, 5 МДж/м³. За хімічним складом газ придатний для синтезу аміаку і вуглеводнів.

Основні переваги процесу газифікації вугілля: відносно невеликий обсяг підземних робіт, відсутність необхідності додаткової підготовки палива у споживача, збереження родючого шару ґрунту (відсутність відвалів і ін.), чистота повітряного басейну, низька вартість палива (в порівнянні з традиційними способами). Недоліки процесу: низька теплота згоряння газу і труднощі контролю поширення фронту газифікації. Перша в світі промислова станція підземної газифікації вугілля стала до ладу 1937 року в Горлівці (Донбас). В різні роки працювало до шести дослідно-промислових і промислових станцій підземної газифікації вугілля. Сьогодні використовується дві з них — Південно-Абінська (Росія, Кузбас) та Ангренська (Сер. Азія). Дослідно-промислові установки є в США, ФРН, Великобританії, Канаді, Австралії. Основні переваги підземної газифікації корисних копалин — низькі витрати на розкриття покладів, низькі енерговитрати внаслідок авто термічності процесів газифікації, збереження родючого шару ґрунту, екочистота. Недоліки: складність управління процесом горіння, можливість витоку газу через тріщини в покрівлі покладу, необхідність високої природної або штучної проникності покладу. Можливість реалізації способів практично не залежить від глибини залягання корисної копалини, тому актуальність їх розвитку зростає по мірі вичерпання запасів, доступних для традиційних методів.

2. Фізико-хімічні основи проведення процесу газифікації

При подачі в газогенератор кисню в зоні, розташованій безпосередньо біля колосникових грат (зона горіння або окислювальна зона) відбувається горіння твердого палива:

2С + О₂ = 2СО + 218,8, МДж/кмоль (2.1)

С + О₂ = СО₂ + 394,4, МДж/кмоль (2.2)

Двоокис вуглецю, що утворюється, відновлюється у відновній зоні новими порціями вуглецю:

СО₂ + С = 2СО — 175,6, МДж/кмоль (2.3)

Якщо разом з киснем в генератор подають водяну пару, то у відновній зоні протікають реакції:

С + Н₂О = СО + Н₂ — 132,6, МДж/кмоль (2.4)

С + 2Н₂О = СО₂ + 2Н₂ — 89,5, МДж/кмоль (2.5)

У цьому випадку газ, що утворюється містить два горючих компоненти: оксид вуглецю і водень, які утворилися за рахунок гетерогенних реакцій.

Крім того, в газовій фазі можуть протікати гомогенні реакції між газоподібними продуктами:

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ + 43,1, МДж/кмоль (2.6)

СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О + 203,7, МДж/кмоль (2.7)

Метан в умовах процесу схильний до термічного розпаду:

СН₄ = С + 2Н₂ — 71,1, МДж/кмоль (2.8)

Константу рівноваги основної відновної реакції визначають за рівнянням

(2.9)

Швидкість цієї реакції від температури й типу палива, яке використовується.

Рис. 1. Залежність ступеня розкладання водяної пари від температури, тривалості процесу й типу палива.

1 — кокс при 1300 °C; 2 — деревинне вугілля при 1100 °C; 3 — кокс при 1200 °C; 5 — кокс при 1000 °C; 6 — кокс при 900 °C Щоб одержати синтез-газ для виробництва аміаку змішують водяний та пароповітряний гази.

3. Технологічна схема виробництва холодного газу

Схема без використання фізичного тепла газу показана на мал. 2 Газ з газогенератора поступає до стояка-охолоджувача (грубому очиснику), в якому промиванням водою з газу видаляється віднесення і пил. Далі газ поступає в скрубер, де остаточно охолоджується і звільняється від вологи. Зазвичай газ охолоджують до температури 25−45° С. Із скрубера газ проходить через крапліулавлювач, що уловлює зважені крапельки води, засмоктується газодувкою і нагнітається в газопровід, що йде до споживача. При необхідності тонкого очищення газу від пилу після газодувки встановлюється електрофільтр.

Вода, необхідна для охолодження, подається в стояки-охолоджувачі і скрубери насосами. Брудна вода освітлюється і відводиться у водойми або в каналізацію. У тих випадках, коли витрата води велика, а подача свіжої води обмежена, влаштовується оборотний (замкнутий) цикл води, як це показано на мал. 2 Відпрацьована брудна вода збирається у відстійниках, де освітлюється і частково охолоджується. Освітлена вода забирається насосами і подається для охолодження в градирню або в басейн з розбризкуючими соплами, після чого за допомогою насоса вона знову подається в стояки і скрубери. Внаслідок втрат води з циклу із-за випару її в атмосферу і витоки потрібна добавка в систему свіжої води. Шлам, що утворюється у відстійниках і інших збірках брудної води, періодично видаляється. Якщо газ має бути очищений від сірководня, споруджується спеціальна установка для сіркоочищення.

Схема отримання холодного газу при смолянистих паливах.

Рис. 2 Технологічна схема виробництва холодного газу

1 — газогенератор; 2 — стояк — охолоджувач; 3 — скрубер; 4 — крапліулавлювач; 5 — газодувка; 6 — вентилятор; 7 — градирня; 8 — відстійник — фільтр, 9 — насос для води.

4. Норми технологічного режиму

Під час газифікації вугілля чистим повітрям в зоні горіння розвивається температура до 1500 °C, що утруднює процес. В цілях зниження температури разом з повітрям вдувають водяну пару. Практикою встановлено, що оптимальна температура газифікації 1050 °C. Визначити, скільки потрібно водяної пари на 1 м³ повітря, щоб температурі при газифікації була 1050 °C. Приймаємо, що вміст вуглецю в паливі 100% і весь вуглець згорає в СО.

Рішення. Підрахуємо температуру, яка досягається в зоні горіння під час газифікації вугілля, приймаючи, що генератор втрачає у навколишнє середовище 10% тепла. Температура горіння визначається із рівняння:

де: Q — алгебраїчна сума приходу тепла в зоні горіння, яка складається із суми теплового ефекту реакції горіння (q₁) і фізичного тепла, що вноситься в зону горіння коксом (q₂), мінус тепловтрати у навколишнє середовище (q₃), тобто:

Q = q₁ + q₂ — q₃;

— сума добутків із кількості одержаних продуктів горіння на їх середню теплоємкість.

Підрахуємо величину Q.

При згоранні вуглецю в СО виділяється тепла [табл. 17, 37]:

2С + О₂ = 2СО + 59 400 (при 20 °С),

або при 1050 °C (Т = 1323 °К) [табл. 23, 37];

q₁ = 60 320 — 4,289 Т + 3,594 ^. 10^{-3 .} Т² + 1,25 ^. 10^{-6 .} Т^{3 .} 4,1868.

Підставляючи сюди значення Т = 1273 °К, одержимо

q₁ = 60 320 — 4,289 ^. 1323 + 3,594 ^. 10^{-3 .} 1323² + 1,25 ^. 10^{-6 .} 1323^{3 .} 4,1868,

звідки

q₁ = = 63 820 кДж на 2 кг-атом (24 кг) вуглецю,

q₁ = 31 910 кДж на 1 кг-атом (12 кг) вуглецю.

Кокс в генераторі до зони горіння підходе з температурою 1050 °C. Середня теплоємкість його при 1050 °C [табл. 13, 37]:

.

Звідси тепловміст 1 кг-атом (12 кг) коксу при 1050 °С

q₂ = 5,724 ^. 1050 = 6010 кДж.

Втрати тепла у навколишнє середовище складають 10% від приходу його:

q₃ = 0,1(q₁ + q₂) = 0,1(31 910 + 6010) = 3792 кДж.

Звідси

Q = q₁ + q₂ — q₃ = (31 910 + 6010−3792) = 34 130 кДж.

Теоретично продукти горіння містять в своєму складі окис вуглецю СО, який одержують за рахунок горіння вуглецю, і азот, що надходить з повітрям, в кількості 3,76 кмоль на 1 кмоль кисню:

2 С + О₂ + 3,76 N₂ = 2 CO + 3,76 N_2,

С +? О₂ + 1,88 N₂ = CO + 1,88 N_2.

Звідси температура зони горіння визначиться із рівняння

.

Так як теплоємкість СО і N₂ в свою чергу залежить від температури, тоді підставляючи сюди вираз цієї залежності, отримаємо рівняння, яке, зважуючи на його складність, розв’язати важко. Тому визначаємо t методом інтерполяції. Приймемо t = 1500 °C. Тепловміст вказаних газів при цій температурі [табл. 16, 37] складе:

СО 11 734 кДж

N₂ 1,88 ^. 11 602 = 23 340 кДж

___________________________________________

Всього: Q` = 35 070 кДж Значення Q? > Q. Приймаємо t = 1400 °C. При цій температурі тепловміст (СО + 1,88 N₂) буде рівним СО 10 885 кДж

N₂ 1,88 ^. 10 761 = 20 230 кДж Всього: Q`` = 31 110 кДж Отже Q`` < Q. Таким чином, маємо

1500 — 1400 = 100 °C, 35 070 — 31 110 = 3960 кДж

t — 1400 = Дt, 34 130 — 31 110 = 3020 кДж Звідси:

°С, або t = 1400 + 76 = 1476 °C.

Отже при газифікації вугілля чистим повітрям можна досягти усередині генератора температури 1476 °C. Ми ж в умові задачі прийняли, що температура газифікації повинна бути 1050 °C. Зниження температури можна досягти вдуванням в генератор не чистого повітря, а пароповітряної суміші:

С + Н₂О = СО + Н₂ — 28 150 кДж (при 20 °С) або 28 150 кДж при 1050 °C [табл. 23, 37].

Вище ми визначили, що при вдуванні в генератор 0,5 кмоль О₂ + 1,88 кмоль N₂, тобто 2,38 кмоль повітря (на 1 кг-атом вуглецю) в зоні горіння виділиться 34 130 кДж тепла. Приймаючі температуру від ходячих газів (СО і N₂) 1050 °C, знаходимо, що тепловміст їх при цій температурі рівний СО 7965 кДж

N₂ 1,88 ^. 7876 = 14 810 кДж

_____________________________________________________________

Всього: 22 770 кДж Таким чином, в генераторі утворюється 34 130 кДж тепла на 1 кг-атом вуглецю. Звідси надлишок тепла складе:

?Q = 34 130 — 22 770 = 11 360 кДж.

Це тепло потрібно використати на реакцію розкладання води вуглецем:

С + Н₂О = СО + Н₂ — 28 150 кДж (при 1050 °С),

а також на компенсацію тепла, що виноситься з собою продуктами реакції, тобто 1 кмоль СО і 1 кмоль Н₂ (на 1 кмоль водяної пари, яка вдувається в генератор). Кількість тепла визначиться (при 1050 °С):

СО 7965 кДж Н₂ 7494 кДж

_____________________________________________________________

Всього: 15 460 кДж Звідси витрата тепла на 1 кмоль водяної пари, яка вдувається, або, що одне і те ж, витрата на 1 кг-атом вуглецю, що згорає за рахунок водяної пари (при 1050 °С), буде:

q' = 15 460 + 28 150 = 43 610 кДж, або з врахуванням фізичного тепла водяної пари у кількості 4250 кДж

q' = 43 610 — 4250 = 39 360 кДж.

Надлишок же тепла ми визначили у кількості 11 360 кДж (на 2,38 кмоль повітря). Отже, щоб забезпечити в зоні горіння генератора температуру 1050 °C, необхідно вдувати кмоль водяної пари на 2,38 кмоль повітря, або на 1 м³ повітря: м³ водяної пари.

Таким чином, для забезпечення в генераторі температури 1050 °C вдуваємо пароповітряну суміш у відношенні: на 0,121 м³ пари 1 м³ повітря. В зоні горіння протікають реакції:

С +? О₂ + 1,88 N₂ = CO + 1,88 N₂

0,289 С + 0,289 Н₂О = 0,289 СО + 0,289Н₂

сумарно:

1,289 С + 0,289 Н₂О +? О₂ + 1,88 N₂ = 1,289 С + 0,289 Н₂ + 1,88 N₂

Звідси:

а) склад сухого газу:

СО 1,289 кмоль, або 37,4%

N₂ 1,880 кмоль, або 53,8%

Н₂ 0,289 кмоль, або 8,8%

_____________________________________________________________

Всього: 3,458 кмоль, або 100%

б) на 1,289 кг-атом вуглецю потрібно подавати пароповітряної суміші 0,5 + 1,88 + 0,289 =2,669 кмоль.

Отже, на 1 кг вугілля необхідно пароповітряної суміші

м³.

У складі суміші міститься водяної пари:

кг.

Примітка. В даному розрахунку нами приймалося до уваги, що реакція горіння вугілля і в чистому повітрі, і з водяною парою іде до кінця; рівноважний стан реакції горіння не враховувався.

5. Матеріальні розрахунки

Розрахунок газогенераторного процесу за методом проф. Доброхотова на дві стадії. Спочатку підраховується кількість газу, отриманого за рахунок сухого розкладання (сухої перегонки) вугілля у верхніх частинах генератора. При цьому, виходячи із практичних даних, задаються розподіленням вуглецю, кисню, водню, які містяться в паливі, між складовими частками генераторного газу. Потім підраховують кількість СО, Н₂, СО₂ і Н₂О в газі, отриманої по основному генераторному процесу (при пароповітряному дутті) в нижніх частинах генератора. При цьому процесі протікають наступні реакції:

1) С + О₂ = СО₂,

2) СО₂ + С = 2СО,

3) С + Н₂О = СО + Н₂.

1. Підрахунок кількості продуктів, що утворилися при сухому розкладанні вугілля (у верхній частині генератора). Розрахунок проводимо на 100 кг вугілля.

а) Розрахунок H₂О. Кількість водяної пари при сухому розкладанні палива складається із вологи палива (гігроскопічної води) і води, отриманої за рахунок взаємодії кисню і водню палива. При розрахунку складу генераторного газу за методом Грум-Гржимайло застосовувалася поправка Дюлонга, тобто припускалося, що в процесі газифікації увесь кисень палива переходе у водяну пару Н₂О. Але при нормальному режимі генератора (час перебування пального в останньому 8−10 год. практично у воду іде біля 50% всього кисню. І чим менше час перебування палива в генераторі, тобто чим швидше хід генератора, тим менша кількість кисню палива переходе у водяну пару. Наприклад, при 4-годинному ході генератора переходе в Н₂О біля 40% кисню, при 16-годинному — біля 60% і так далі. Приймаємо, що у воду перейде 50% кисню, що міститься в паливі. На 100 кг пального це складе:

0,281 ^. 0,5 = 0,140 кмоль О₂.

По реакції 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О на вказану кількість О₂ витрачається 0,281 ^. 0,5 ^. 2 = 0,281 кмоль Н₂ і отримується 0,281кмоль Н₂О.

Таким чином, баланс вугілля по Н₂О визначається так (в кмоль):

ВИТРАТА Кисню 0,140

Водню 0,281

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 0,421

ПРИХІД Водяної пари від сухого розкладання вугілля 0,281

Водяної пари від випарування вологи вугілля 0,311

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 0,592

б) Розрахунок СО₂. Чим паливо кисліше, тим більше одержується СО₂ при сухому його розкладанні, тобто більша кількість О₂ переходе в СО₂. Так, при газифікації торфу в вуглекислий газ переходе біля 40% кисню, при газифікації дерева — біля 30%, бурого вугілля — біля 20%; кам’яного вугілля — біля 10% і т.д. Приймемо, що 10% кисню палива дадуть при сухому розкладанні вуглекислий газ по реакції С + О₂ = СО₂.

Звідси баланс вугілля по СО₂ (в кмоль):

ВИТРАТА Кисню 0,1 ^. 0,281 = 0,028

Вуглецю 0,028

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 0,056

ПРИХІД Вуглекислого газу 0,028

в) Розрахунок СН₄. Визначити кількість метану розрахунком дуже важко. По методу Доброхотова приймається, що при сухому розкладанні торфу в метан переходе біля 5% водню, який міститься в торфі. При сухому розкладанні дров — біля 15%, бурого вугілля — біля 25%, кам’яного вугілля — біля 35%. Приймаючи кількість Н₂, яка переходе в метан, рівною 35%, отримаємо баланс вугілля по метану (в кмоль).

ВИТРАТА Водню 2,800 ^. 0,35 = 0,980

Вуглецю по реакції С + 2Н₂ = СН₄ 0,490

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 1,470

ПРИХІД Метану 0,490

г) Розрахунок С₂Н₄ і С_nН_m (етилену та інших вуглеводнів). Приймаємо, що біля 5% водню, що знаходиться у вугіллі, переходе в етилен і еквівалентну йому кількість С_nН_m. Звідси баланс вуглецю по С₂Н₄ (в кмоль):

ВИТРАТА Водню 2,800 ^. 0,05 = 0,140

Вуглецю 0,140

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 0,280

ПРИХІД Етилену 0,070

д) Розрахунок N₂. Азот при газифікації палива майже увесь виділяється у вигляді елементарного N₂.

Звідси ВИТРАТА Азоту 0,071 кмоль ПРИХІД Азоту 0,071 кмоль

є) Розрахунок S. По даному методу розрахунку генераторного процесу приймається, що біля 20% сірки залишається в золі вугілля. Решта 80% S переходе в газ у вигляді H₂S по реакції H₂ + S = H₂S. Таким чином, баланс вугілля по сірці визначається (в кмоль):

ВИТРАТА Сірки 0,047 ^. 0,8 = 0,038

Водню 0,038

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 0,076

ПРИХІД Сірководню 0,038

ж) Розрахунок Н₂. Витрата водню при сухому розкладанні вугілля визначається із наступних даних (в кмоль):

На утворення води 0,281

На утворення СН₄ 0,980

На утворення С₂Н₄ 0,140

На утворення Н₂S 0,038

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 1,439

Всього в 100 кг вугілля міститься 2,800 кмоль Н₂.

Отже, решта 2,800 — 1,439 = 1,361 кмоль Н₂ іде у вигляді елементарного водню.

з) Розрахунок СО. Кисню при сухому розкладанні вугілля було витрачено (в кмоль):

На утворення води 0,140

На утворення СО₂ 0,028

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 0,168

Всього в 100 кг вугілля міститься 0,281 кмоль О₂.

Звідси залишок кисню в кількості 0,281 — 0,168 = 0,113 кмоль іде на утворення СО:

2С + О₂ = 2СО.

Таким чином, баланс вугілля по СО визначиться (в кмоль):

ВИТРАТА Кисню 0,113

Вуглецю 0,226

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 0,339

ПРИХІД Оксиду вуглецю 0,226

і) Розрахунок вуглецю в золі. Приймаючи вміст вуглецю в золі в кількості 8% від ваги золи, одержимо

4,3 ^. 0,08 = 0,344 кг або кмоль вуглецю.

к) Розрахунок вуглецю. Решта вуглецю іде в нижню частину генератора, де і підлягає газифікації пароповітряним дуттям, тобто основному газогенераторному процесу.

При сухому розкладанні вугілля витрачено вуглецю (в кмоль):

На утворення СО₂ 0,028

На утворення СН₄ 0,490

На утворення С₂Н₄ 0,140

На утворення СО 0,226

Пішло в золу 0,029

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 0,913

Решта вуглецю в кількості 6,000 — 0,913 = 5,087 кмоль, тобто

іде в нижні шари генератора.

Отже, кількість газу, отриманого в зоні сухої перегонки вугілля, складає (в кмоль):

СО₂ 0,028

СО 0,226

H₂О 0,592

H₂ 1,361

Н₂S 0,038

СН₄ 0,490

С₂Н₄ 0,070

N₂ 0,071

_____________________________________________________________

ВСЬОГО: 2,876

2) Підрахунок кількості продуктів, отриманих при основному процесі газифікації (в нижній частині генератора) При вдуванні в генератор пароповітряної суміші спочатку на колосниковій решітці згоряє вуглець в СО₂:

С + О2 = СО₂,

після чого паливо піддається основному процесу газифікації

СО₂ + С 2СО — 39 360,

Н₂О + С Н₂ + СО — 28 150.

При згоранні вуглецю 1 кмоль його дає або 1 кмоль СО, або 1 кмоль СО₂:

С + О₂ = СО₂, С + 0,5 О₂ = СО.

Таким чином, байдуже, чи згоряє вуглець в СО, чи в СО₂, сума їх (в кмоль) завжди буде рівна загальній кількості вуглецю, що згорів (вираженому в кмоль).

В нашому прикладі в зоні газифікації згоряє 5,087 кмоль вуглецю. Отже, сума СО і СО₂ в газі, отриманому в цій зоні, складе 5,087 кмоль:

СО + СО₂ = 5,087 кмоль.

В процесі газифікації установлюється рухома рівновага:

СО₂ + С 2СО, Н₂О + С Н₂ + СО.

Константи рівноважних станів визначаться рівняннями (табл. 16, [37]):

; .

Не підраховуючи вказаних констант рівноваги генераторного процесу, їх відношення по методу Доброхотова беруть в межах від 1,7 до 2,5;

від 1,7 до 2,5.

Значення К приймається тим більшим, чим менше час перебування газу в генераторі, тобто чим менше хід генератора.

Приймемо К = 2,0:

2,0 Підраховуючи значення К для реакції СО + Н₂О = СО₂ + Н₂

при 1050 °C отримаємо 1,8,

або при досягненні рівноваги на 90% .

Для підрахунку концентрації СО, Н₂О, СО₂ і Н₂ при даному методі задаються кількістю водяної пари, яка вдувається з пароповітряною сумішшю, і кількістю вуглецю, що згоряє на 1 кмоль азоту, який надходить в генератор, або що одне і те ж, на 100/79 кмоль повітря. Приймемо, що водяної пари вдувається 22,5% від маси вугілля, тобто на 100 кг останнього береться кмоль водяної пари.

При розкладанні 1 кмоль Н₂О одержуємо 1 кмоль Н₂, тоді, якщо частка Н₂О і не розкладеться, всерівно сума (Н₂О + Н₂) повинна бути рівною кількості пари Н₂О, яка вдувається в генератор:

Н₂О + Н₂ = 1,250 кмоль.

При розрахунках газу на чисто повітряне дуття в данному методі приймають також, що на 100 кмоль азоту, який вдувається в генератор, згоряє від 50 до 52,7 кмоль вуглецю, на паро-повітряне дуття від 60 до 65 кмоль вуглецю. Тому що кількість вуглецю, який згоряє, завжди рівна сумі отриманих СО + СО₂, тоді це можна математично виразити слідуючим чином:

Чисто повітряне дуття від 0,50 до 0,527.

Пароповітряне дуття від 0,60 до 0,63.

Те ж, з підігрівом до 250 °C від 0,62 до 0,65.

Приймемо це співвідношення рівним 0,60, тобто на 1 кмоль азоту, який вдувається в генератор, або, що одне і те ж, на кмоль повітря, згоряє 0,60 кмоль вуглецю. Із попереднього відомо, що всього вуглецю згоряє 5,087 кмоль. Отже вдувається в генератор азоту (з повітрям): кмоль.

Тому що в повітрі на 1 кмоль азоту припадає кмоль, або, що одне і те ж, 0,266 ^. 2 = 0,532 кг-атом кисню, тоді з 8,466 кмоль N₂ буде надходити ж, 8,466 ^. 0,532 = 4,5 кг-атом кисню, які і підуть на горіння вуглецю. Крім того, при розкладанні водяної пари кисень також вступає в реакцію з вуглецем, причому на 1 кмоль водню (отриманого в результаті цього розкладання) звільняється 1 кг-атом кисню. Отже, всього кисню вступає в реакцію з вуглецем вугілля:

4,5 + Н₂ кг-атом.

В отриманому газі міститься кисню (зв'язаного):

(2СО₂ + СО) кг-атом.

Прирівнюючи ці вирази один з одним, отримаємо:

2СО₂ + СО = 4,5 + Н₂

Таким чином, отримано 4 рівняння з чотирма невідомими:

1) СО + СО₂ = 5,087;

2) 2,0;

3) Н₂О + Н₂ = 1,250;

4) 2СО₂ + СО = 4,5 + Н₂.

Складаючи третє і четверте рівняння і віднімаючи із них перше рівняння, отримаємо

2СО₂ + СО + Н₂О + Н₂ — СО — СО₂ = 4,5 + Н₂ + 1,250 — 5,087,

звідки

5) СО₂ = 0,663 — Н₂О.

Віднімаючи із першого рівняння п’яте, знаходимо

6) СО = 4,424 + Н₂О.

Із третього рівняння випливає

7) Н₂ = 1,25 — Н₂О.

Підставляючи вирази 5−7 в рівняння 2, одержимо:

або (Н₂О)² — 8,25 Н₂О + 1,658 = 0.

Звідси знаходимо значення Н₂О, тобто вміст водяної пари в газі:

Н₂О = 0,208 кмоль.

Таким чином, кількість газу, отриманого при основному процесі газифікації 100 кмоль вугілля, складе (в кмоль):

СО₂ 0,663 — 0,208 = 0,455

СО 4,424 + 0,208 = 4,632

H₂ 1,250 — 0,208 = 1,042

H₂О 0,208

N₂ 8,466

Зведемо в таблицю результати розрахунку.

Витрата повітря на 100 кг вугілля складе

кмоль, або 8,466 ^. 28 + (10,70 — 8,466) ^. 32 = 308,6 кг.

Витрата водяної пари, як було вказано вище, рівна 22,5 кг на 100 кг вугілля. Сухого газу одержуємо (при 0 °C і нормальному тиску):

(17,679 — 0,800) ^. 22,4 = 378 м³

Витратні коефіцієнти на 1 м³ сухого газу (в кг):

Повітря

Водяної пари

Вугілля

При розрахунку по методу Доброхотова, як це видно із розрахунку, доводиться задаватися і кількістю азоту (отже і повітря), і кількістю водяної пари, яка вдувається в генератор, на 100 кг спалюваного вугілля, і константою рівноваги конверсії оксиду вуглецю.

6. Проблеми виробництва

Багаторічний період експериментально-промислових випробувань і наукових досліджень в області газифікації вугілля не підтверджує переваг технології ПГУ, про які заявляють розробники. По-перше, усі види робіт, пов’язані з обслуговуванням газогенераторних, дутьевих цехів і цехів сіркоочищення станцій підземної газифікації вугілля віднесені до особливо небезпечних; по-друге, транспортування газу в процесі ПГУ не є простим і нешкідливим, оскільки газ підземної газифікації внаслідок високих температур і вологості, є агресивним середовищем і містить велику кількість смоли. При зміні температури, а також при зменшенні швидкості течії газу, смола осідає в трубопроводі, особливо в місцях установки дросельних пристроїв і забиває вимірювальні прилади; по-третє, усі розроблені конструкції і найпрогресивніші технологічні режими ПГУ супроводжуються небезпечними діями на компоненти природного середовища, а також негативними екологічними наслідками. Основні види таких Основні види таких дій і наслідків проявляються в деформації порід, теплових і хімічних, гідрогеологічних негативних змінах. В умовах підземної газифікації відбуваються непередбачувані явища по масштабах деформації і руйнування багатошарової товщі порід від вугільного пласта до земної поверхні, тобто над вигазованым простором. Методи прогнозування поведінки товщі порід дуже обмежені і непридатні для пророцтв переміщень усього масиву порід.

Підвищення температури гірських порід, спостережуване при ПГУ, досягає 1600 градусів Цельсія і вище і призводить до спікання вміщуючих порід і втрати первинних властивостей. Теплова дія обумовлює підвищення температури підземних вод і їх активне хімічне забруднення.

7. Екологія виробництва

Метою газифікації є отримання газу, головними компонентами якого є Н2 і СО. Отже, інші речовини, що виходять при газифікації, будуть побічними продуктами або відходами виробництва.

Такими є:

— Паливневий газ.

— Зола

— Сірководень

— Рідкий шлам.

Паливневий газ виходить спалюванням вугілля в топці. Він використовується для сушки підмета газифікації вугілля. Паливневий газ містить, в основному. Водяна пара і вуглекислий газ; можлива наявність невеликих кількостей оксидів азоту і чадного газу. Паливневий газ містить так само оксид сірки; його кількість залежить від виду початкового вугілля. Нині паливневі гази найчастіше просто викидаються в атмосферу.

Зола, що отримується при газифікації, який — або небезпеки не представляє. Як правило, золу складують на спеціально відведених земельних ділянках. Є можливість використання золи у виробництві будівельних матеріалів — в якості добавки до бетону, цементу та ін.

Рідкий шлам утворюється при відстоюванні води, використовуваної для промивання газу в скрубері. Рідкий шлам — суспензія найдрібніших частинок золи у воді. Як правило, шлам складують в спеціальних сховищах.

Сірководень міститься в генераторному газі. Залежно від виду викопного вугілля зміст сірководню в отримуваному газі може бути значним. Сірководень — отруйний газ, і просто викидати його в атмосферу небажано. Проте сірководень може бути витягнутий і перероблений на товарну сірку, сірчану кислоту і інші сірковмісні продукти.

Список використаної літератури

1. Короткий довідник фізико — хімічних величин / Під ред. А. А Равделя, К.П. Міщенко — М. Хімія, 1965.

2. Техно-хімічні розрахунки / Під ред. С. Д. Бесков — М. 1962

3. Хімічні речовини з вугілля / Під ред. І.В. Калечіца — М.: Хімія, 1980.

4. Коллеров Л. К. Газогенераторні установки. — М.: Машгіз, 1951.