Файл: Софронов А.Л. Технология связанного азота курс лекций.pdf

- 15 - Газификация твердого топлива

газификацией топлива называют процесс перевода его органичес­ ких составляющих и углерода в газообразное состояние под действием различных окислителей. Выбор окислителя определяется назначением технологического газа.

Процесс газификащт проводят в газогенераторах, поэтому про­ дукты окисления называются генераторным газом. В зависимости от ро­ да окислителя возможно получение воздушного, водяного, паровоздуш­ ного и парокислородного генераторных газов.

Воздушным называют газ, полученный при взаимодействии твердо­ го топлива с кислородом воздуха. При добавлении к воздуху водяного пара получается паровоздушный газ, а замена воздуха чистым кислоро­ дом приводит к получению парокислородного газа.

При взаимодействии топлива с водяным паром образуется водяной газ. В азотной промышленности в качестве сырья для производства во­ дорода применяется пглуводяной газ, получаемый смешением в опреде­ ленном соотношении воздушного и водяного генераторных газов.

Производство воздушного генераторного газа

Процесс окисления углерода топлива воздухом может быть описан следующей суммарной реакцией:

где п - коэффициент, величина которого зависит от соотношения оки- I си углерода и углекислоты в продуктах окисления;

3,762 - отношение мольных долей азота и кислорода, содержащихся в воздухе.

Если п равно -I, то в полученном газе будет содержаться только СО и І)‘г. В этом случае газ будет состоять из ЗА,7% СО и 65,7/^. На прак­ тике п. всегда меньше I, и в газе наряду с окисью углерода всегда со­ держится углекислота.

На механизм образования СО и С0г в процессе горения углерода су­ ществует несколько точек зрения.

Согласно "первичной" теории в процессе горения образуется пер­ воначально окись углерода, которая затем окисляется кислородом с образованием углекислоты:

-16 -

С+ Ог *2С 0]

СО' {2 0г =сог .

С точки зрения "редукционной" теории получение окиси углерода осуществляется при взаимодействии углекислоты, образовавшейся в первой стадии процесса*, с элементарным углеродом:

С + Ог =сог ,

С0г С - 2 СО

По-видимому, наиболее верно раскрывает механизм процесса "комплексная" теория, согласно которой первоначально на поверх­ ности углерода происходит хемосорбция кислорода с образованием комплекса переменного состава Сх Оу . Затем под действием высокой температуры комплекс распадается с образованием СО и ГД,.Состав комплекса, а следовательно, и состав продуктов окисления зависят „т вида, топлива, способа газификации, температуры и т.д.

Таким образом, процесс горения углерода может быть представ- 'і следующей схемой.

1.Доставка окислителя из газовой атюс: срд к повер.снссти лздела фаз путем молекулярной или конвективной диффузии.

2.Физическая или химическая адсорбция молекул окислителя поверхностью углерода.

3.Химическое взаимодействие адсорбированного окислителя с поверхностными атомами углерода с образованием продуктов реакции

(возможно через промежуточные неустойчивые соединения).

4. Десорбция продуктов реакции с поверхности топлива и диф­

Изобарно-изотермический потенциал реакций (I) и (2) имеет большое отрицательное значение,•и в интервале температур І000-І500°С эти реакции практически необратимы. Равновесие реакции (3), называемой реакцией газификации, сдвигается вправо с повышением температуры.

- 18 -

топлива производят периодическую смену направления парового ду­ тья. Во избежание смешения водяного и воздушного газов между пе­ риодами парового и воздушного дутья производят периодическую про­ дувку генератора. Цикл работы генератора периодического действия складывается чаще всего из 6 фаз:

I - подача воздуха для разогрева (65 сек);

П- продувка генератора водяным паром (5 сек);

Ш- паровое дутье снизу (80 сек);

ГУ - паровое дутье сверху (70 сек); У - паровое дутье снизу (15 сек);

УІ - продувка водяным паром.

Скорость разложения водяного пара зависит от рода используе­ мого топлива. По реакционной способности различные виды топлива располагаются в следующем порядке: графит и сажа •< каменноуголь­ ный кокс, древесный уголь < буроугольный кокс и полукокс.

Водяной газ может быть использован в качестве топлива или в качестве сырья для производства водорода. В последнем случае для газификации применяют только кокс, так как примеси летучих угле­ водородов являются нежелательными при синтезе аммиака.

Основным недостатком данного способа получения генераторного газа является его периодичность. Непрерывный способ производства воздушного газа дает возможность получать газ со значительно мень­ шим содержанием полезных компонентов и с более низкой теплотворной способностью. Недостатки этих способов в какой-то мере устраняются при подаче в генератор смешанного паровоздушного дутья. Таким обра­ зом достигается непрерывность процесса, а получаемый смешанный газ обладает достаточно высокой теплотворной способностью. Количество водяного пара в дутье лимитируется условием автотермичности процес­ са. Обычно применяется І00-І20 г пара на нормальный кубометр сухо­ го воздуха. Отношение суммы полезных компонентов к азоту в смешан­ ном газе составляет

со+н2' 2,3 ■

мг

Для того чтобы газ стал пригоден для синтеза аммиака,необхо­ димо повысить это соотношение примерно до 3,2. Это достигается вве­ дением в дутье воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кисло­ рода.

- 19 -

Способы газификаттрги с применением кислорода

Применение парокислородного дутья в обычных газогенераторах с плотным слоем топлива и сухим удалением золы позволяет увеличить производительность установки и к.п.д. процесса. В связи с сильной экзотермичностью реакции углерода с кислородом дутья необходимо,

чтобы подаваемый совместно с кислородом водяной пар охлаждал топли­ во за счет своего перегрева. Это предполагает необходимость приме­ нения избытка водяного пара, благодаря чему степень разложения па­ ра в данном процессе не превышает 40-501?.

Вгенераторах с жидким шлакоудадением процесс ведут в плотном слое выше температуры плавления золы. Для этого процесса пригодно только неспекаоцееся коксовое топливо, обладающее высокой механи­ ческой прочностью и термической стойкостью.

Для поддержания образующегося шлака в жидком состоянии к топ­ ливу добавляют различные флюсы (известняк или твердый шлак). Под­ ходящим сырьем для данного процесса является топливо с повышенной зольностью.

Характерной особенностью процесса является невысокий расход водяного пара, так как в данном случае нет необходимости в приме­ нении избытка пара для понижения температуры. Следствием этого яв­ ляется то, что получаемый газ содержит сравнительно немного водо­ рода и много СО.

Процесс газификации с жидким шлакоудалением характеризуется:

1)высокой производительностью (съем газа с I кв.м сечения в 2-3 раза больше, чем в обычном генераторе периодического действия);

2)высоким к.п.д. (85-88?);

3)высоким содержанием в газе СО жНг (~ 90?).

Кнедостаткам способа следует отнести жесткие требования к исходному топливу, высокий расход дорогостоящего кислорода и слож­ ность обслуживания установки.

Врассмотренном случае интенсификация процесса осуществляется посредством повышения температуры. Другим, не менее эффективным, способом повышения скорости газификации является увеличение поверх­

ности контакта фаз. Этот прием используется при газификации мелко­ зернистого топлива в "кипящемпслое и пылевидного топлива, взвешен­ ного в потоке окислителя.

- 20 -

Газификация в "кипящем" слое топлива (способ Винклера)

Сущность способа заключается в том, что мелкозернистое топ­ ливо, вводимое в нижнюю часть генератора при помощи дутья,приво­ дится в интенсивное движение, напоминающее кипение жидкости.

сушки топлива; необходимость применения топлив с высокой реакци­ онной способностью; необходимость тонкого помола топлива (размер частиц не должен превышать 10 мм).