Практичне заняття №2 Основні процеси газифікації угольного пласта в канале

Мета заняття: вивчення основних процесів повної газифікації вугілля та схеми газоутворення

2.1. Основні процеси повної газифікації вугілля

В основе процесса полной газификации угля лежит химическое реагирование кислорода с главной составляющей частью угля — углеродом.

Это химическое реагирование наступает при соответствующих температурах и при контакте кислорода с углеродной поверхностью.

В результате реагирования кислорода с углеродом образуются параллельно в основном два углеродных окисла — в различных соотношениях.

Реагирование углерода с кислородом может быть изображено схемами раздельного образования окислов углерода:

С +О₂ →СО₂ +97650, ккал/ кг·моль (2.1)

2С +О₂ →2СО +58860, ккал/ кг·моль (2.2)

Поскольку окись углерода в присутствии кислорода может также сгорать до двуокиси по схеме (2.3), то в зоне реагирования углерода с кислородом конечным продуктом в основном является двуокись углерода. Таким образом, образование двуокиси углерода протекает по схемам (2.1 и 2.3)

2СО +О₂ →2СО₂ +136440 , ккал/ кг·моль (2.3)

Реагирование углерода с кислородом протекает в соответствующим выделением тепла, т.е. экзотермично. Следовательно, в начальной стадии процесса газификации углерода образуется СО₂, при этом а результате выделившегося тепла нагреваются как топливо, так и продукты сгорания.

При высоких температурах и наличии контакта СО₂ и углерод также вступают в химическое взаимодействие по схеме (2.4), но эта реакция протекает с поглощением тепла — эндотермично:

СО₂ +С →2 СО - 38790 , ккал/ кг·моль (2.4)

Скорость восстановления СО₂ по схеме (8) при прочих равных условиях сильно зависит от температуры и от характера углерода (чем выше температура , тем больше СО; чем выше стадия метаморфизма, тем меньше СО).

При отсутствии значительных количеств свободного кислорода в зоне протекания реакции (2.4) образующаяся СО не сгорает.

Таким образом, за счет тепловой энергии, выделившейся при реакциях (2.1), (2.2 ) и (2.3), негорючая СО₂, реагируя с углеродом, дает горючий компонент газа —СО.

Но процесс газификации угля всегда протекает с участием водяных паров, которые подаются вместе с кислородосодержащим дутьем или выделяются из угля в результате его сушки и термического разложения.

Водяной пар при высокой температуре также вступает в химическое взаимодействие с углеродом по схемам (2.5) и (2.6), в результате чего образуются горючие компоненты газа полной газификации угля — СО и Н₂:

С + 2Н₂О → СО₂ + 2Н₂ - 17 970, ккал/кг моль; (2.5)

С + Н₂О → СО + Н₂ - 28 380, ккал/кг моль. (2.6)

При прочих равных условиях разложение водяного пара углеродом, так же как и восстановление СО₂, сильно зависит от температуры и свойств углеродной поверхности.

Следовательно, тепловая энергия, выделившаяся при горении углерода по схемам (2.1) и (2.2), обеспечивает течение не только реакции восстановления СО₂ углеродом, но также и реакции разложения водяного пара.

За счет этой же тепловой энергии нагревается уголь, в результате чего происходит сушка угля и выделение из него летучих веществ, содержащих горючие компоненты (СО, Н₂, СН₄ и др.).

Рассмотренная схема газификации углерода не при всех методах газификации угля точно отображает ход первой фазы этого процесса.

При некоторых методах газификации угля кислород дутья реагирует не с углеродом (угольным коксом), а непосредственно с углем, т. е. в химическое взаимодействие с кислородом вступают также и летучие вещества угля. При таких методах газификации угля тепловая энергия, обеспечивающая в дальнейшем течение эндотермических процессов, получается не только за счет реакций (2.1) и (2.2), но также и за счет реакции горения водорода (2.7) и серы угля (2.8) непосредственно как таковых, или в виде компонентов летучих угля: метана (2.9), сероводорода (2.10) и др.

2Н₂ + О₂ → 2 Н₂О + 115620, ккал/кг моль; (2.7)

S + О₂ → 2 Н₂О + 70900, ккал/кг моль; (2.8)

CН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2 Н₂О + 191820, ккал/кг моль; (2.9)

2Н₂S + 3О₂ → 2Н₂О + 2SО₂ + 1262035, ккал/кг моль; (2.10)

Кроме того, при ведении полной газификации угля некоторое значение имеют реакции конверсии (2.11) и распада СО (2.12):

CO + Н₂О → СО₂ + Н₂+ 10410, ккал/кг моль; (2.11)

2CO → СО₂ + C+ 38790, ккал/кг моль; (2.12)

Реакция (2.11) особенно интенсивно протекает при большем содержании водяных паров в газе и в присутствии окислов железа. Реакция (2.12) активно протекает при 400—500° в присутствии окислов железа и металлического железа. Во избежание существенного влияния реакции (2.12) на состав генераторного газа он на выходе из газогенератора подвергается быстрому охлаждению.

Для ведения процесса газификации в газогенератор подаются уголь и кислородосодержащее дутье как таковое или в смеси с водяным паром или углекислотой. Те участки реакционного объема газогенератора, где уголь реагирует с кислородом дутья, называют кислородной зоной, зоной горения или зоной окисления.

Чем меньше протяженность кислородной зоны при прочих равных условиях, тем больше выделяется тепла на единице длины или в единице реакционного объема этой зоны, т. е. тем интенсивнее протекает реагирование угля с кислородом.

При таких условиях углеродная поверхность и газообразные продукты горения угля приобретают наиболее высокую температуру, что при прочих равных условиях делает более интенсивным процесс восстановления углекислоты по схеме (2.4) и процесс разложения пара углеродом по схемам (2.5) и (2.6).