Физико-химические основы

Физико-химические основы. Газификация твердых топлив может быть охарактеризована как совокупность гетерогенных и гомогенных реакции; из них в конеч­ном счете желательны те, которые приводят (в зависимости от цели процесса) к образованию СО, Н2 и СН4 в качестве состав­ных частей газа. Для некоторых реакций можно не учитывать наличие в топли­ве и газифицирующем агенте небольших количеств неосновных составляющих (азот, сера, инертные газы). Если допустить, что твердое топливо состоит только из углерода, будут справедливы следующие уравнения /1/ : C + O2 → CO2 (1) C + CO2 → 2CO (2) C + H2O → CO + H2 (3) C + 2H2 → CH4 (4) Этими уравнениями с достаточной полнотой описываются гете­рогенные реакции образования желаемых газообразных соедине­ний. Одновременно учитывается, что первичные продукты гази­фикации, например С02, могут в дальнейшем взаимодействовать с углеродом, еще находящимся в реакционном объеме.

Однако при этом не принимается во внимание, что из твердого топлива также получаются продукты его термического разложения: диок­сид углерода, вода, водород и продукты полукоксования (углево­дороды), которые могут взаимодействовать с раскаленным угле­родом.

СО + ЗН2 → СН4 + Н20 (5) СО + Н20 → С02 + Н2 (6) Совместно с гомогенными превращениями первоначально образовавшихся газов процессы в газогенераторе описываются уравнениями (1) -(6) с достаточной полнотой.

Приведенные уравнения не учитывают об­разования углеводородов С2 и выше. Однако это ограничение обоснованно, тем что реакции газификации протекают со ско­ростью, достаточной для технических целей, только при таких высоких температурах, когда образование высших углеводородов практически исключается.

С помощью термодинамических функций можно рассчитать равновесный состав газов газификации в зависимости от темпера­туры, а также температуру, при которой достигается равновесие, в зависимости от состава газифицирующего агента. Результаты расчетов представлены на рис. 1. Пользуясь этими графиками, можно установить для каждой смеси Н2О + 02 (газифицирующий агент) температуру и состав газа, образующегося при газифика­ции в условиях равновесия с углеродом.

Аналогичные графики можно рассчитать для любого давления. Однако они имеют толь­ко теоретическое значение, так как ни расчетные составы газов, ни соответствующие им расходные показатели в условиях реаль­ной газификации практически не достигаются, прежде всего пото­му, что метан образуется в значительно меньшем количестве, чем теоретически возможно.

Выход метана в значительной степени зависит от типа газифицируемого топлива. Исследование термодинамического равновесия реакций газогенераторного процесса дает возможность установить харак­тер относительного изменения состава газа при изменении темпе­ратуры и состава дутьевой смеси /3/. На рис. 2 показаны изменения отно­шения Н2:СО и содержа­ния СН4 и Н20 + С02 в газе при разных темпе­ратурах, давлениях и со­ставах дутья.

Изменением температуры, давления и состава исход­ной дутьевой смеси можно получить газ требуемого состава непосредственно в газогенераторе. Понижение температуры способствует увеличению в газе отношения Н2:СО содержания в нем метана и Н20 + С02. Применение высоких давлений при газификации углерода с паровым, парокислородным и паровоздушным дутьем приводит к увеличению в газе двуокиси углерода и метана и снижению содержания двухатомных газов (Н2, СО). Эти изменения наиболее резко выражены при низких температурах и при избыточных давлениях до 20—30 кгс/см2. Повышение концентрации водяного пара и снижение концентрации кислорода в дутье при всех иссле­дованных температурах и давлениях способствует возрастанию в газе метана и водорода и снижению содержания окиси и дву­окиси углерода.

Эта закономерность особенно четко прослежи­вается с понижением температуры и увеличением давления. При повышении температуры заметно только изменение содержания водорода и окиси углерода. 2