Тема 6. Газификация твёрдого топлива (стр. 2 )

1.2  Классификация процессов газификации твёрдых горючих ископаемых

Процессы газификации можно классифицировать по следующим признакам:

1) По теплоте сгорания получаемых газов (в МДж/м3):

а) с низкой (4,18-6,70); б) средней (6,70-18,80); в) высокой (31-40) теплотой сгорания;

2) По назначению газов:

а) для энергетических (непосредственное сжигание); б) технологических (синтезы, производство Н2, технического углерода) целей.

3) По типу дутья (воздушное, паровоздушное, кислородное). Выбор типа дутья определяется назначением газа. Если целью является получение газа с высокой теплотой сгорания Q для транспортирования, то следует использовать парокислородное дутьё, т. к. в этом случае в газе отсутствует балласт.

Воздушное и паровоздушное дутьё целесообразно применять в тех случаях, когда газ перерабатывают непосредственно вблизи от газогенераторного цеха для нагрева котлов или сжигания в газовых турбинах.

Паровое дутьё рационально использовать, когда требуется получить водяной газ – сырьё для производства Н2, жидких и газообразных топлив и химических продуктов.

4) По давлению газификации. Большинство современных технологических процессов основаны на применении газификации под давлением до 6-8 МПа.

5) По температуре. Повышение температуры газификации увеличивает скорость реакций и уменьшаем образование побочных продуктов

а) низкотемпературная (до 800 єС)

б) среднетемпературная (800-1300 єС)

в) высокотемпературная (выше 1300 єС)

На практике подвергают газификации угли с достаточно большим содержанием гетероатомов, в частности бурые и низкометаморфизированные марки каменных, при температурах 1000-1400 °С. Считается, что в этих условиях реакциям газификации предшествует пиролиз угля с выделением летучих веществ и образованием твердого обуглероженного остатка (кокса). Газифицирующие агенты реагируют затем с газообразными продуктами пиролиза и частицами кокса. Большая часть этих реакций обратима, за исключением окислительных реакций с участием молекулярного кислорода. В связи с очень большим количеством возможных реакций, при рассмотрении состава продуктов газификации, в реальной системе прибегают к некоторым упрощениям.

Предполагается, что за время пребывания частицы в реакторе (газогенераторе) успевает установиться равновесие газофазных реакций. Время газификации частиц кокса определяется временем его пребывания в газогенераторе. На практике обычно упрощенным методом оценивают состав генераторного газа по известному составу угля и дутья (исходных газообразных веществ) при соответствующей температуре газификации. При этом считается, что окислитель расходуется почти мгновенно по сравнению с его временем пребывания в аппарате, и практически весь углерод переходит в газообразные соединения.

1.2  Газификация твёрдых горючих ископаемых

Для превращения твердого топлива в газообразное применяют специальные аппараты – газогенераторы.

Рис.2  Схема прямого газогенераторного процесса http://energy-sources. org/wiki:Gorizontalnii. jpg

Преимущество прямого процесса - простота исполнения, недостаток - большое содержание влаги и смол, данный недостаток можно устранить, используя очищенное топливо древесный уголь или кокс

Рис.3  Схема обратного газогенераторного процесса

Обратный процесс имеет самое меньшее содержание смол, потому что газ разложения топлива проходит самую высокотемпературную зону «окисления», что приводит его к практически полному разложению, на практике исполняется немного сложнее, чем прямой.

Рис.4. Схема горизонтального газогенераторного процесса

Рис. 5. Схема работы слоевого газогенератора:

Топливо поступает сверху в загрузочное устройство. Снизу через зазоры в колосниковой решетке подают воздух и водяной пар. В нижней части слоя, расположенной над зоной шлака и золы, происходит сгорание топлива. Так как в этой зоне  расходуется в основном весь кислород, она называется кислородной. Слой шлака и золы, примыкающие к колосниковой решетке, играют роль засыпки, выравнивающей распределение дутья (воздуха и водяного пара). Продукты горения углерода, содержащие в большом количестве CO2 и в меньшем СО, поступают в зону газификациии. Здесь двуокись углерода, а также водяной пар вступают в химические реакции с углеродом топлива, раскаленного за счет тепла, выделившегося в кислородной зоне.
Следует заметить, что эти процессы начинаются и в кислородной зоне. В результате реакций СО2 и Н2О с углеродом топлива образуются горючие газы – СО, Н2, к которым подмешивается негорючий балласт – азот (из воздуха), неразложенная часть СО2 и водяной пар.
Образующаяся смесь газов идет вверх через слой топлива и нагревает его своим («физическим») теплом. Топливо, нагретое без доступа кислорода, претерпевает сложное видоизменение своей внутренней структуры в процессе полукоксования (зона сухой перегонки ). За счет оставшегося тепла в верхней части слоя топливо подсушивается и к газам присоединяются водяные пары в зоне сушки.
В результате сухой перегонки из топлива выделяются летучие, т. е. газообразные продукты, содержащие СО, СО2, Н2, СН4 (метан), непредельные и другие углеводороды, а также пары жидких продуктов – смолы и внутренней (так называемой пирогенетической) влаги. Само топливо при этом превращается в твердый продукт, состоящий из углерода и минеральных примесей (золы), называемый коксом или (при большом остаточном выходе летучих) полукоксом. Таким образом, топливо из зоны сухой перегонки в зону восстановления и далее в кислородную зону поступает в виде кокса или полукокса.
Образующийся генераторный газ, к которому в верхней части слоя топлива подмешиваются летучие, содержащие газообразные углеводороды, смоляные и водяные пары – отводится через газоотводящий патрубок. Негорючие твердые остатки в виде шлака удаляются с колосниковой решетки в ванну с водяным затвором.
Первичные реакции происходят с кислородом

С + О2 = СО2 + 394,4 МДж/кмоль·С

(1)

2С + О2 = 2СО + 218,8 МДж/кмоль·С

(2)

Образуется диоксид углерода в восстановительной зоне восстановлением новыми порциями углерода в СО

СО2 + С = 2СО - 175,6 МДж/кмоль·С

(3)

Если вместе с воздухом в генератор подают ещё и водяной пар, то в восстановительной зоне дополнительно протекают реакции

С + Н2О = СО + Н2 - 132,6 МДж/кмоль·С

(4)

С + 2Н2О = СО + 2Н2 - 89,5 МДж/кмоль·С

(5)

С + 2Н2 > СН4

(6)

В газовой зоне возможны и другие реакции

СО + Н2О =  СО2 + Н2 + 43,1 МДж/кмоль·С

(7)

СО + 3Н2 =  СН4 + Н2О + 203,7 МДж/кмоль·С

(8),

которые в условиях процесса подвергается термическому распаду

СН4 = С + 2Н2 – 71,1 МДж/кмоль·С

(9)

Сочетание всех реакций и определяет состав образующегося газа, который изменяется по высоте газогенератора. После окислительной и восстановительной зон, называемых вместе зоной газификации, выходят горючие газы при температуре 800-900 єС. Они нагревают уголь, который подвергается пиролизу. Эту зону называют зоной пиролиза или зоной полукоксования.

Выходящие из этой зоны газы подогревают уголь в зоне сушки. Эти две зоны образуют зону подготовки топлива. Таким образом, при слоевой газификации сочетается термическая переработка топлива и собственно газификация полукокса или кокса, полученного в зоне подготовки, содержит не только компоненты, образовавшиеся в процессе газификации, но и продукты пиролиза ТГИ (газ пиролиза, пары смолы, водяной пар). Из выше сказанного следует, что газификация представляет собой сложное сочетание гетерогенных и гомогенных процессов. Причём возможно и последовательное, и параллельное протекание этих реакций.

Рис 6. Схема установки для получения газа из твёрдых горючих ископаемых

1 - газогенератор; 2 - стояк охладительной ступени; 3 - коллектор сырого газа; 4 - газопровод с электрическим фильтрам; 5 - электрофильтр; 6 - газопровод к скрубберам; 7 — трехступенчатый скруббер; 8 - коллектор очищенного газа; 9 - газодувка; 10 — каплеуловитель; 11 - газопровод к потребителю; 12 - воздушный вентилятор; 13 - воздухопровод к газогенераторам; 14 - паровая магистраль низкого давления; 15 — паросборник; 16 - смеситель пара и воздуха.

1.3 . Теоретические основы процесса

http://www. b-n-w. ru/pechi. php? wr=229

Механизм процесса газификации до сих пор не выяснен до конца.

Первой стадией взаимодействия кислорода и углерода в зоне горения считают образование поверхностного углерод-кислородного адсорбированного комплекса; вопрос о том, что является первичным продуктом взаимодействия водяного пара с раскаленным коксом является предметом дискуссии.