7 Побудова матеріального та теплового балансів процесу газифікації

Матеріальний баланс

Розглянемо задачу побудови матеріального та теплового балансів процесу газифікації на прикладі повітряної газифікації коксового залишку вугілля. Інтегральну характеристику цього процесу можна надати за допомогою наступного хімічного рівняння: .

Будемо конструювати матеріальний баланс відносно 1 кг кокосового залишку вугілля. Припускаємо, що коксовий залишок складається лише з вуглецю і золи. Тоді один кілограм коксового залишку містить кг вуглецю і кг золи, де С^р, А^р– вміст вуглецю і золи в коксовому залишку, %.

Виходячи з записаного хімічного рівняння для газифікації 1 кг коксового залишку необхідно кисню м³, або повітря м³, де k – коефіцієнт збагачення повітря киснем (показує об’ємну частку кисню в повітрі), %. Звичайне повітря містить 21% кисню і 79 % азоту. При збагаченні доля кисню зростає.

В результаті газифікації отримуємо газ, що складається з моноокису вуглецю і азоту, що повністю перейшов у генераторний газ з повітря. В результаті газифікації 1 кг коксового остатку отримуємо м³ генераторного газу (перший доданок відповідає виходу моноокису вуглецю, другий азоту). При чому доля моноокису вуглецю складає , %, а доля азоту , %.

Вважаючи, що вся зола коксового залишку переходить в шлак, можна показати матеріальний баланс процесу газифікації наступним чином.

Приходна частина	Маса, кг	Розходна частина	Маса, кг
Косовий залишок Повітря	1 Vповпов*	Газ Шлак	Vгазгаз
Ітого		Ітого

*– густина простих речовин (газів) визначається як , де M– мольна маса речовини, кг/кмоль, а густина газових сумішей визначається як , де M₁, M₂, ... M_n – молекулярні маси компонентів сумішей, кг/кмоль; ₁, ₂, ... _n – об’ємні долі відповідних компонентів в суміші, %.

В результаті підбиття суми приходної і розхідної частин балансу необхідно досвідчитись, що різниця між результатами не перевищує 1%, тоді результати розрахунків можна вважати вірними.

Тепловий баланс

Ідея теплового балансу полягає в тому, що кількість енергії, що надходить до будь-якої системи дорівнює кількості енергії, що використовується і розподіляється в цій системі.

Приходна частина

В випадку, який аналізується, енергія надходить до зони газифікації з хімічною енергією коксового залишку, фізичним теплом коксового залишку і фізичним теплом дуття (в нашому випадку повітря). Розглянемо окремо ці статті балансу. Він виконується для 1 кг коксового залишку. Далі коли дається розмірність кДж/кг розуміється на кг кокосового залишку.

Хімічна енергія коксового залишку, кДж/кг ;

Фізичне тепло коксового залишку, кДж/кг ,

де t_кокс – температура коксового залишку, що потрапляє до зони газифікації, С; с_кокс – теплоємність коксового залишку при температурі t_кокс, кДж/(кгК)

Фізичне тепло дуттєвого агента, кДж/кг ,

де t_пов – температура повітря, що потрапляє до зони газифікації, С; с_пов – теплоємність повітря при температурі t_пов, кДж/(м³К).

Теплоємність повітря в залежності від температури розраховується наступним чином , де с_О2^t, с_N2^t – теплоємності кисню і азоту взяті в довіднику роботи [3] в залежності від температури.

Розхідна частина

Тепло виводиться із зони газифікації наступним чином. З хімічною енергією генераторного газу, з фізичним теплом генераторного газу і з фізичним теплом шлаку. Розглянемо ці статті балансу окремо.

Хімічна енергія генераторного газу, кДж/кг: ,

де СО – вміст моноокису вуглецю в генераторному газі %.

Фізична енергія генераторного газу, кДж/кг ,

де t_газ – температура газу, що покидає зону газифікації, С; с_газ – теплоємність генераторного газу при температурі t_газ, кДж/(м³К).

Теплоємність газу в залежності від температури розраховується наступним чином , де с_СО^t, с_N2^t – теплоємності моноокису вуглецю і азоту взяті в довіднику [3] в залежності від температури.

Фізичне тепло шлаку, кДж/кг ,

де t_шлак – температура шлаку, що видаляється з зони газифікації, С; с_шлак – теплоємність шлаку при температурі t_шлак, кДж/(кгК).

Оскільки сумарна енергія приходної і розхідної частин дорівнюють одна одній, то концепцію теплового балансу в більшості випадків використовують для визначення температури генераторного газу, що покидає зону газифікації.

Для цього виводимо наступну залежність:

Розрахунки по цій залежності носять ітераційний характер. Тобто спочатку задаємося температурою генераторного газу, розраховуємо його теплоємність, що відповідає цій температурі. Далі розраховуємо температуру газу за формулою і порівнюємо отримане значення з прийнятим. У випадку збігу з помилкою, що не перевищує 5С вважаємо рішення закінченим. Якщо ж помилка перевищує 5С повторюємо ітераційну процедуру. Для отриманої за формулою температури розраховуємо теплоємність з її допомогою заново розраховуємо значення температури газу за формулою і порівнюємо з попереднім значенням і так далі доти різниця між двома значеннями не буде менше заданої допустимої розбіжності.

Завдання по розрахунку матеріального балансу процесу повітряної газифікації коксового залишку та визначенню температури генераторного газа

Побудувати матеріальний баланс повітряної газифікації коксового залишку та пересвідчитись в його вірності, якщо доля вуглецю складає С^р,%, доля золи відповідно А^р=100- С^р, %, а коефіцієнт збагачення повітря киснем складає k. Виходячи з матеріального балансу побудувати тепловий баланс процесу газифікації та на його основі визначити результуючу температуру генераторного газу. Чисельні значення вихідних даних для кожного з варіантів приведено в таблиці 7.

№ вар.	Ср,%	k, %	tкокс, С	tпов, С	Скокс, кДж/(кгК)	сшлак, кДж/(кгК)
1	65	21	100	300	1,5	1,6
2	70	22	150	350	1,2	1,3
3	75	22,5	200	360	1,3	1,4
4	68	23	50	200	1,25	1,6
5	67	23,5	60	150	1,4	1,7
6	83	21,5	400	400	1,45	1,6
7	74	24	70	20	1,35	1,3
8	76	23	120	70	1,28	1,5
9	75	22	200	80	1,3	1,7
10	74	22,5	250	120	1,16	1,3
11	69	26	30	20	1,18	1,8
12	88	23	190	30	1,4	1,4
13	83	21,8	150	320	1,3	1,6
14	82	22	220	250	1,2	1,6
15	80	23	230	50	1,35	1,5

Таблиця 7 – Вихідні дані для побудови матеріального та теплового балансів