ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

Кафедра Газохимии

Сосна М.Х., Эвенчик Н.С., Лысенко А.И.

Методические указания по выполнению лабораторных работ

Расчет процесса газификации твердого топлива

Под редакцией профессора Лапидуса А.Л.

МОСКВА -- 2008

УДК

Сосна М.Х., Эвенчик Н.С., Лысенко А.И.

Методические указания по выполнению лабораторных работ: «Расчет процесса газификации твердого топлива»/ под ред. профессора Лапидуса А.Л. – М.: РГУ нефти и газа, 2008. – 16с.

В методических указаниях по выполнению лабораторных работ: «Расчет процесса газификации твердого топлива» дана методика проведения лабораторных работ по курсу «Технология производства синтез-газа»: изложены теоретические основы процесса газификации твердого топлива, промышленные методы и их классификация, принципы расчета, инструкция к работе с программой. Методические указания предназначены для студентов РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина направления 655000 «Химическая технология органических веществ и топлива» (дипломированные специалисты), специальность 2504 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов», направления 550800 «Химическая технология и биотехнология» (бакалавры), программа 550801 «Химия и технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза» и 550809 «Химическая технология топлив и газа» (магистры).

Издание подготовлено на кафедре Газохимии.

Методические указания одобрены к изданию учебно-методической комиссией факультета химической технологии и экологии.

Рецензент

проф., д.т.н. Лыков О.П.

Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина, 2008

Оглавление

Введение 4

1. Физико-химические основы процесса 5

2. Методы газификации угля 7

3. Методика расчета процесса газификации угля 13

4. Инструкция по работе с программой 13

4.1. Исходные данные программы 13

4.2. Результаты расчета 13

4.3. Порядок действий для запуска программы расчета 13

Литература 14

Приложение 15

Введение

Технология газификации твердых топлив, в частности, угля, более актуальна для тех стран, которые не имеют месторождений нефти и газа и вынуждены либо импортировать топлива, либо производить их самостоятельно, как, например, ЮАР. Но и в России, которая имеет около 20% мировых запасов угля, уже сегодня целесообразно создание газогенераторных установок небольшой мощности для использования в регионах, имеющих большие ресурсы угля, сланцев, но недостаточно обеспеченные нефтью и природным газом. Используя в качестве сырья различные твердые топлива, в зависимости от газифицирующих агентов, температуры и давления, технологического оформления процесса можно получить различные газы, например, синтез-газ, бытовой газ, синтетический природный газ (СПГ).

Уголь, так же как и нефть, и газ, относится к невозобновляемым источникам энергии, но при этом геологические запасы угля значительно превышают запасы нефти и газа. Разработаны технологии как обычной, наземной, так и подземной газификации угля, при которой существенно снижаются капитальные и эксплуатационные затраты.

Однако до настоящего времени в России не создано ни одной промышленной энергетической установки с газификацией угля полного цикла. [1]

1. Физико-химические основы процесса

Вначале рассмотрим виды твердого топлива, которые можно подвергнуть газификации.

Во-первых, это торф, образующийся при неполном разложении остатков растений в условиях болот. Во-вторых, это горючие сланцы, в которых минеральная часть преобладает над органической, содержание которой составляет 10-30%. Только в высококачественных сланцах ее содержание доходит до 50-70%. В-третьих, это три основных типа углей: бурые, каменные и антрациты. К бурым углям относятся неспекающиеся угли, с высоким выходом летучих веществ, но низкой теплотой сгорания. Они характеризуются высокой гигроскопичностью и общей влажностью (около 40%), высоким содержанием кислорода, повышенной склонностью к самовозгоранию. Образуются из отмерших органических остатков под действием повышенных температуры и давления на глубинах порядка 1 километра.

Каменные угли содержат до 14% влаги и до 97% и выше углерода. Образуются из продуктов разложения органических остатков высших растений, претерпевших превращения в условиях давления окружающих пород земной коры и высокой температуры. Имеют склонность к спеканию. Глубина залегания углей различна — от выхода на поверхность до 2000—2500м и глубже.

Антрациты почти целиком (до 97%) состоят из углерода. Образуются из каменного угля. Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Не спекаются. Антрацит с содержанием углерода в горючей массе более 97% называется суперантрацитом. [2]

Табл. 1. Состав твердых топлив, % масс. [3]

Топливо	Органическая масса			Влага	Зола	Сера
	С	Н	O+N
Торф	59	6,0	35,0	25	4,5	0,4
Бурый уголь	70	5,5	24,5	50	4,0	2-3
Горючие сланцы	75	10,0	13,0	10-15	30-60	1,5-11
Каменный уголь	82	5,0	13,0	3-8	6,0	2-6
Антрацит	95	2,0	3,0	1-1,5	6,0	1-2

Качество твердых топлив обусловлено следующими физико-химическими и механическими свойствами: влажностью, зольностью, элементным составом горючей массы, выходом летучих веществ и смолы, характеристикой кокса (остатка), составом золы, ее плавкостью, теплотой сгорания топлива и его реакционной способностью, классом крупности, плотностью, теплоемкостью, теплопроводностью, механической прочностью, термостойкостью и т.д.

Табл. 2. Характеристика твердых топлив. [4]

Топливо	Выход летучих веществ, %	Низшая теплота сгорания, МДж/кг
Торф	70	22
Горючий сланец	80-90	27-35
Бурый уголь	40-60	25-29
Каменный уголь	9-50	31-35
Антрацит	3-4	34

Процесс газификации твердых топлив — совокупность следующих гомогенных и гетерогенных реакций, где целевым продуктом является смесь CH₄, CO и H₂.

1. Реакции горения и газификации [4]:

1. С+О₂→СО₂

2. С+1/2О₂ = СО

3. С+1/2О₂ =СО₂

4. С+Н₂О=СО+Н₂

5. С+2Н₂О=СО₂+2Н₂

6. С+СО₂=2СО

7. СО+Н₂О=СО₂+Н₂

8. Н₂+1/2О=2Н₂О

2. Реакции гидрогазификации и термического распада:

9. С+2Н₂=СН₄

10. 2С+2Н₂О=СН₄+СО₂

11. СО+3Н₂=СН₄+Н₂О

12. 2СО+2Н₂=СН₄+СО₂

13. СО₂+4Н₂=СН₄+2Н₂О

14. СО+Н₂+Н₂О+С=СН₄+СО₂

15. С₂Н₄+2Н₂=2СН₄

16. СН₄=С+2Н₂

17. С₂Н₆=2С+3Н₂

18. С₃Н₈=3С+4Н₂

3. Побочные процессы:

19. 1/2S₂+H₂=H₂S

20. 1/2S₂+CO=COS

21. S₂+C=CS₂

22. C+1/2H₂+1/2N₂=HCN

23. CaO+CO₂=CaCO₃

Решающее влияние на равновесный состав получаемого газа оказывают реакция полного горения углерода топлива (1), реакция Будуара (6), реакция разложения водяного пара (4), реакция водяного газа (7), реакция метанирования оксида углерода (11) и гидрирования углерода (9). Отметим, что при газификации угля с участием воды получаемый синтез-газ называют «водяным газом».

Собственно реакциями газификации являются сильно эндотермические реакции (4) и (6), из-за чего процесс газификации угля требует подвода значительного количества тепла (температура процесса свыше 900^◦С), что осуществляется либо за счет сжигания части газифицируемого топлива до СО₂ (автотермический процесс), либо тепло подводится косвенным путем (аллотермический процесс). В обоих случаях температура теплоносителя должна быть на 90-100^◦С выше заданной температуры газификации твердого топлива.

Скорость процесса газификации твердого топлива [кг/(м²∙с)] определяется по уравнению:

V=KCⁿS,

Где К – истинная константа скорости химической реакции газификации:

K=K₀exp(-E/RT)

K₀ – предэкспоненциальный фактор; Е – энергия активации, Дж/моль; R – газовая постоянная, Дж/(моль∙К); Т – абсолютная температура, К; С –концентрация реагирующего газа у поверхности твердого топлива, кг/м³; n – показатель степени концентрационной зависимости; S – удельная поверхность углеродистого материала, м²/кг. [4]

Процессы газификации твердых горючих ископаемых интенсифицируют путем повышения температуры, увеличения давления процесса (что позволяет значительно увеличить парциальные давления реагирующих веществ), а также увеличения скорости дутья, концентрации кислорода в дутье или развития реакционной поверхности.