1598005503-634bb8193a0a063d19abf81fb6d27ecd (811219), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Если эта теплота будет подв диться к системе за счет сжигания углерода в кислород по реакции С+О,=СОгл то с учетом того, что для этой реакции ЛН'299= . = — 393,7 кДж моль-' С, на 1 моль С, участвующий в р акции (2.3),. понадобится схсечь до СОг дополнительн 0,23 моля С. Следовательно, на получение 2 кмолей Нг (4 кг вод рода) надо будет затратить 1,23 моля С, или 14,76 к углерода (3,69 кг С на 1 кг Нг), Очевидно, что КПД этог процесса, рассчитанный по низшей теплоте сгорания вод рода, должен составлять 100%. Но этим затраты углерод не исчерпываются. В соответствии с реакцией (2.3) водо род будет получен в смеси с СОм причем равновесны концентрации Нг и СО, будут являться функциями темп ратуры.
Минимальная работа разделения этой газово смеси (см. гл. 4) составляет 739,3 кДж моль-' Нг. 'Если считать, что эта работа будет получена преобразованием теплоты, получаемой при сжигании углерода, с КПД 3396, то понадобится затратить 0,01 кмоля С на 1 кмоль г!г, -илп 0,06 кг С на 1 кг Нг. Таким образом, в этом варианте суммарные затраты углерода в лучшем случае должны составлять около 3,76 кг С на 1 кг Нг и максимальный КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, будет равен 98919. В связи с высоким уровнем температур протекания реакций газификации аллотермический принцип на практике обеспечить сложно. Поэтому обычно автотермичность процесса достигается одновременным воздействием на углерод водяного пара и кислорода (так называемая парокислородпая конверсия).
При этом в основном происходят следующие реакции: С+О,=СО,; (2.4) С+2Н20 = СОг+2Нг! (2.6) С+Н2О=СО+Но! (2.6) С+СОг=2СО (2.7) Из этих 4 реакций только 3 являются независимыми. Основные термодинамические характеристики, относящиеся к этим реакциям, приведены в табл, 2,1, 52 т н бли цп 2.1. Термодинамические характеристики реакций пароиислородной конверсии 0 Лаыв' кдж-кзюль' 299 9, кдж кмсль'~ К' дло 299' кдж кмсль' ревкцпв с+о,=-со, С+2Йвоч=СОя+2Нв с+н,о"=<.о+11, С+С Ов=2СО 2,89 91,59 133,66 175,73 — 394 568 +62 860 +91 510 +!20!50 — 393 701 +90 170 +13! 360 +172 550 В етой тлзщцс н,о првнята в глзсюмвзнам состоянии прн р"=о, ! мпв, 1'зн299 к лн,з о,кг Лвя акг о,к 050 огв ава Ое агк !09 ага йгг 1500 1750 7, К 57 1,гв 1,5г Юаа 1гка Паа 175О тх в! ' 750 1000 1гка Рис.
2.1. Термодинамика аитотермической пврокислородиой газифнкпции углерода: а — рзвкавесныс канцентрлцпп реагентов прп давлении 9,! МПв; 6 — соствв дутья, обеспечивающего ввтетермнчнасть реакцИи прп злдлнной твмпервтуре продуктов реакции обходимые для газификации 1 моля углерода. Влияние давления на выход продуктов газификации обычно мало.
Расчеты показывают, что равновесные концентрации Ог и Н20 в продуктах газификации при всех представляющих интерес для практики температурах пренебрежимо малы (это видно из рис. 2.1). Таким образом, продукты парокислородной газификации представляют собой смесь СОг, 55 Прн заданных давлении р и температуре Т в газификаторе, в который подаются углерод, кислород и водяной пар, будут в пределе устанавливаться равновесные концентрации всех газообразных реагентов, определяемые константами равновесия соответствующих реакций (табл.
2.2). На рис. 2.1 в функции температуры при р=0,1 МПа приведены равновесные концентрации всех основных реагентов парокнслородной газификации (при условии авто-термичности реакции), а также количества 02 и Н20, не- (2.8) О1 СС СЧ С3 й в 3 11 $ .О1 13 Х и О О и $ Ф СЧ ог ЮС со а со са С3 Ф О О Ф Ф Ф О Ф Ф Ч ! С3 Ф Ф Ф Ф О С $3 Ф Ф в Ф ~о С1 о Ф О аа О сг !! О !СЧ + Сг + !! О х + сг О х + О О ж" + О сг !! О О + О О сг + СО и Нг, На этой стадии еще не весь углерод полностью окислен, окись углерода обладает возможностью окислиться до СОг, восстанавливая водород воды в соответствии с известной реакцией сдвига СО+ Н,О=СО,+Н,. Основные термодинамические характеристикн этой реакции в стандартных условиях следующие: .
ЬНогаа= — 4!!90 кДж кмоль — ', 8$6~гаа= — 28 650 кДж кмоль 344гагаа= — 10,05 энтропийной единицы. Равновесие в реакции (2.8) практически не зависит от давления, а зависимость равновесных концентраций от температуры показана на рис. 2,2. Прежде чем осуществлять реакцию сдвига„от смеси СОг, СО и Нг необходимо отделить ООг. На это должна быть затрачена работа разделения, н,!со которая также в конечном итоге л должна быть получена за счет окисления некоторого количества угле- а рода. Без учета работы разделения и в этом варианте теоретический КПД процесса, рассчитанный по низшей теплоте сгорания водорода, г должен составлять 100о3о, т.
е. на получение 1 кг Нг в с!леси реагентов выходящих из реактора, и в этом случае должно теоретически затралаа, гаго м 3а г чнватьсЯ 3,69 кг С. Анализ, пРиве- денный выше, не учитывает затрат рис. 2.г. тер31одииа31и. теплоты нл нагрев исходных веществ чесиое Равновесие реви- до температуры реакции Т. Это правомерно в предположении применения регенерации теплоты, т. е. использования теплоты продуктов реакции для подогрева исходных веществ.
Представляет интерес еще одна возможная схема получения водорода с помощью угля, Речь идет о последовательном осуществлении процесса окисления углерода до СО С+ — О,=СО (2.9) и реакции сдвига (2.8) 54 Х Ф О Ф 1 Ф Х Ф С в. Ф Ф Сс Ф Ф Ф Ф 'С Ф Ф О Х Ф Ф Ф- 'в' Ф СЧ Ф Ф 13 Ф Ф 3$ 1 Ф Ф 11 113 1$ !1 113 1 ')'ермодйнамические хзрактеристийкй реакции (2.9) еле.
дующие: ЛН'гза= — 110577 кДж кмоль — ', АОъзэа= — 137 209 кДж. кмоль-' Константа равновесия. для этой реакции приведена в табл. 2.3. В реальных условиях реакция (2.9) происходит в две стадии: вначале углерод окнсляется до СОе а затем СОз восстанавливается углеродом до СО по реакции С+СОз=2СО. Выше при рассмотрении автотермических процессов предполагалось, что окислителем углерода для производства недостающего количества теплоты является чистый кислород. На практике с этой целью в ряде случаев применяют воздух, ибо получение чистого кислорода из воздуха требует значительных затрат.
При аллотермическом осуществлении процесса принципиального различия между использованием чистого кислорода или воздуха нет. При автотермическом осуществлении процесса применение воздуха приводит к тому, что в продуитах реакции оказывается азот, удаление которого требует соответствующих затрат -работы или теплоты. 2.2. Схемы установок для получения водорода Как уже отмечалось, всякая газификация угля может рассматриваться как шаг на пути получения водорода. Поэтому в данном параграфе рассматриваются установки для газификации. При их описании указывается непосредственный выход водорода в газификаторе и отмечаются пути для получения чистого водорода.
История газификации угля насчитывает уже около 200 лет, однако старые способы газификации с целью получения светильного и водяного газа в настоящее время е и меют практического значения. В настоящее время гази- время не фикация угля используется; для получения горючего газа для промышленных установок, главным образом различных печей, в последнее в емя — для парогазовых энергетических установок; ее вре- ~2) для получения синтез-газа (смеси СО+Н иногда для получения заменителя природного газа, допускаю.
щего дальний трубопроводный транспорт. Ба В связи с получением водорода наибольший интерес представляют процессы газификации, в которых промежуточным продуктом является синтез-газ. В соответствии с их назначением процессы строятся так, чтобы состав и параметры газа, получаемого в гази. фикаторе, наилучшим образом отвечали соответствующим требованиям. Процессы газификации угля классифицируют по различным признакам: во-первых, по состоянию угля, подаваемого в газификатор. Здесь различаются газификаторы' с неподвижным слоем угля, газификаторы с кипящим слоем угля, пыле- угольные газификаторы и, наконец, газификаторы, в которые уголь подается в виде водоугольной суспензни или в виде пасты, представляющей собой смесь угольной пыли с каким-либо минеральным маслом; во-вторых, по характеру подвода теплоты в газификатор. Здесь наиболее распространены случаи автотермиче'- ского ведения процесса газификации, но существуют схе-- мы и с аллотермическими процессами, когда недостающая теплота либо вводится в газификатор с тем или иным теплоносителем (газообразным или твердым), либо передается газификатору через стенку; в-третьих, по типу применяемого окислителя.
Здесь применяются воздух, кислород, водяной пар и двуокись углерода и различные их комбинации; в-четвертых, различают газификаторы с жидким и твердым шлакоудалением, что, естественно, зависит от уровня температуры в газификаторе; наконец, в-пятых, существенно давлейие в газификаторе. В связи с этим различают газификаторы атмосферного и повышенного давления. К середине 50-х годов нашего столетия были разработаны и достигли стадии промышленного применения три основных метода газификации угля, рассматриваемые ниже. Еще перед второй мировой войной в Германии был разработан процесс Лурги, который по тому времени был весьма прогрессивным. И сегодня с учком различных усовершенствований этот процесс является наиболее распространенным в производстве синтез-газа. Процесс Дурги представляет собой процесс газификации угля в неподвижном слое с использованием паровоздушного или парокислородного дутья с давлением около 3 МПа, 67 59 Рис.
2.3. Схема газификатора дурги Схема газификатора Лурги показана на рис. 2.3. Сортированный уголь с размерами кусков 5 — 30 мм подается в газиф икатор через шлюз. Вр ащающийся питатель распределяет поступающий уголь равномерным слоем по вращающейся решетке. Парокислородное дутье подается под решетку противотоком к реагирующему опускающемуся углю. !!о мере движения газифицирующей парок ислородной смеси сквозь ла - слой угля происходят следуюар щие процессы, Вначале смесь проходит сквозь слой горячего Кислер шлака, лежащего на решетке, и подогревается. Затем газы поступают в зону горения кокса, где температура достигает 1300 — 1500 К.
Из этой зоны горячие газы попадают в зону Зола газификации, где протекают эн- дотермическне реакции, и температура газон начинает снижаться. При температуре 1000— 1123 К (в зависимости от реакционной способности угля) реакции прекращаются и продукты газификации, продолжая подниматься, осуществляют термическое разложение сырого угля в верхней части слоя и уносят с собой его про. дукты. На выходе из слоя газы имеют температуру 600— 800 К и с этой температурой покидают газификатор. Непосредственно к газификатору примыкает скруббер-холодильник, в котором полученный газ промывается водой и охлаждается. Шлак проваливается сквозь решетку и попадает в бункер, откуда периодически удаляезся через шлюз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
