Диффузионно-кинетическая теория горения и газификации; макрокинетика процессов при газификации углей

23. Диффузионно-кинетическая теория горения и газификации; макрокинетика процессов при газификации углей.

Реакции горения являются необратимыми. Конечными продуктами горении любого топлива (газообразного, жидкого или твердого) являются вода и диоксид углерода. Горение сравнительно легко может быть доведен до полного сгорания исходного топлива. Реакции горения – экзотермические. Тепловой эффект возрастает по мере глубины горения и в пределе равен теплоте сгорания топлива. Горение  характеризуется высокими значениями энергии активации, т.е. скорость его резко возрастает при повышении температуры.

Для активации смеси топлива с воздухом необходимо его предварительно нагреть до температуры воспламенения, которая зависит от свойств топлива (его температур вспышки, воспламенения и самовоспламенения) и условий его сжигания. Воспламенение холодных топливо – воздушных смесей происходит при определенной концентрации топлива в смеси, ограниченной нижним и верхним пределами. С увеличением температуры эти пределы расширяются.

Скорость распространения пламени в топливо – воздушной среде является важнейшей характеристикой топлива. Она зависит от свойств топлива, температуры горения и количества воздуха в горючей смеси. 

Горение, химическая реакция, которая сопровождается интенсивным выделением тепла и тепло- и массообменном с окружающей средой и протекает в условиях прогрессирующего самоускорения. Такие реакции сразу во всем объеме системы, называются самовоспламенением, самоускорение реакции в локальном объеме вследствие подвода энергии от внешнего источника энергии – зажигание. Различают гомогенное горение и гетерогенное. При гомогенном горении реакция протекает в перемешанной на молекулярном уровне смеси реагентов, при гетерогенном – на границе участвующих в горении веществ. Продуктами горения могут как газы, так и конденсированные вещества. Химическая природа горения может быть различной. Наиболее распространено кислородное горение. Известно ряд реакций и бескислородного горения: распад ацетилена; взрывчатых веществ; реактивных однокомпонентных топлив; прямой синтез из элементов карбидов; боридов; силицидов и др. Наиболее важные области применения горения: теплоэнергетика, автомобильный, авиационный, морской и железнодорожный транспорт, доменный процесс, производство сажи и ацетилена и др. 

Важными показателями топлива являются его теплотворная способность – количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы или объема топлива и температура сгорания – температура, образующаяся при горении топлива.

Для топлива важны также его температура вспышки – температура, при которой при поднесении к топливу открытого огня оно вспыхивает и тут же гаснет, температура воспламенения – температура, при которой топливо горит длительное время за счет тепла, образующегося при горении, температура самовоспламенения – температура, при которой топливо в присутствии воздуха или кислорода вспыхивает само по себе без внешнего источника огня.

Горючими компонентами топлива (газ, нефтепродукты, каменный уголь, дрова и т.п.) являются водород, углерод, сера. Вода, азот, соли, металлы и пустая порода являются примесями, снижающими теплотворную способность топлива и образующие золу и шлак.

Горение происходит следующим образом. Топливо, находящееся при температуре воспламенения при поднесении к нему огня вспыхивает, выделяет тепло и образует поток паров и газов. За счет тепла топливо нагревается и усиливает нагрев объема топлива. Кислород воздуха притекает к очагу горения и образуется 3 слоя огня: наружный – догорание топлива, средний – слой максимального горения и центральный слой – слой испарения топлива. Подача топлива к очагу горения производится форсунками под давлением, самотеком, по поверхности слоя топлива.

Рекомендуемые материалы

Механизм горения относится к свободно-радикальных цепных реакций с вырожденным разветвлением.

Процесс газификации твердого топлива является высокотемпературным процессом воздействия углерода твердого топлива с окислителем с получением горючего газа – Н₂, СО и СН₄. В качестве окислителей используют кислород (или обогащенный кислородом воздух), водяной пар и диоксид водорода. При взаимодействии углерода топлива с газопаровыми потоками (О₂, СО₂,  водяной нар) при высоких  температурах в получаемом генераторном газе присутствуют в разных пропорциях одни и те же компоненты – СО, СО₂, Н₂, СН₄. Однако реакции, по которым они могут быть получены, крайне разнообразны, и на них существенно влияет температура.  

В зависимости от соотношения исходных реагентов, температуры, продолжительности реакции и других факторов можно получить газовые смеси самого разного состава.

Впервые газификацию угля провели в Англии в 1835 г. для производства светильного газа. В  России в 1835 г. был построен завод для производства светильного газа из каменного угля, который, кстати, доставляли из Англии. В СССР в 1950-х голах было 350 газогенераторных станций, включавших 2500 газогенераторов. Однако впоследствии в большинстве стран отрасль свернули из-за достаточно боль­ших запасов нефти и природного газа. Сейчас отрасль вновь возрождается.

Достоинства газификации:

1) возможность перехода серы в газы Н₂S и SО₂, откуда ее легче извлечь, чем из продуктов прямого гидрирования или сжигания угля (при этом происходит загрязнение атмосферы);

2) возможность синтеза углеводородов из газа при более мягких условиях, чем при прямом гидрировании.

Вариантов газификации много:

• по компонентам дутья (пар – воздух, пар – О₂, пар);

• по характеру слоя угля (стационарный, кипящий):

• по давлению (атмосферное, повышенное до 3 МПа):

• по температуре (от 800 до 1200^о С);

• по способу золо- или шлакоудаления (сухой, жидкий):

• по способу подвода тепла (непосредственно, через стенку);

• по способу получения газа заданного состава и с заданной теплотой сго­рания (низкой – 6 - 7 МДж/кг, средней 12 - 18 МДж/кг и высокой – 30 - 35 МДж/кг).

"Значение военно-экономической науки для укрепления обороноспособности страны" - тут тоже много полезного для Вас.

Газификации может быть подвергнуто большинство твердых горючих иско­паемых, и при этом можно получить газ заданною состава или заданной теплотой сгорания, поскольку эти параметры в значительной степени определяются температурой, давлением и составом применяемого дутья.

Газ с низкой теплотой сгорания образуемся при использовании воздушного или паровоздушного дутья. В нем много балласта (азота) – до 40 – 50 % об., и поэтому он имеет низкую теплоте сгорания. Применяется в топках промышленных печей и для углубления переработки нефти путем газификации кокса и производства электроэнергии.

Газ со средней теплотой сгорания получают в процессах паровой или парокислородной газификации твердых топлив под давлением 2,0 – 2,5 МПа. По составу он представляет собой смесь оксидов углерода, водорода и небольшою количе­ства метана:  СО₂ - 30 - 35 %, СО – 10   - I3 %,, Н₂ - 38 – 40 %, СН₄ - 10 – 12%.

По экономическим соображениям такие газы применяют в ограниченных масштабах.

Газ с высокой теплотой сгорания, приближающийся по этому показателю к природному газу, в настоящее время в промышленных масштабах не произво­дят, однако технология его получения в ряде случаев отработана на достаточно крупных опытно-промышленных установках.

Газы заданного состава предназначены для синтеза химических продуктов и представляют собой смеси водорода с азотом или оксидом углерода (в широком диапазоне соотношений) либо технический водород. Используют их в процессах синтеза аммиака, метанола, углеводородов по Фишеру-Тропшу, оксосинтезе, восстановление железа, гидрокрекинге и др.