книги из ГПНТБ / Иоффе, Вениамин Борисович. Основы производства водорода

В котле-утилизаторе вырабатывается пар, давлением 15 атм. Пройдя циклон, газ промывается и охлаждается в скруббере 6,

Одним из важных условий успешного проведения данного процесса является обеспечение постоянства гомогенной смеси пыль — кислород. В этих целях уровень топлива в воронке, ход шнека, а также скорость поступления кислорода автомати­ чески регулируются, что обеспечивает определенное соотношение компонентов в пылекислородной смеси. После смешения гомо­ геннаяпылекислородная смесь направляется в пылеугольные горелки, устанавливаемые в так называемых газификационных головках камеры газификации (рис. 18), куда, кольцеобразно по отношению к входному отверстию для пылекислородной смеси, вводится также водяной пар. При этом назначение водяного пара состоит не только в химическом взаимодействии с углеродом топлива, но и в физическом обволакивании весьма горячего пыле­ кислородного пламени на входе в камеру газификации и в пред­ охранении стенок камеры от действия слишком высоких темпе­ ратур.

В камере газификации и газоходе топливо газифицируется не полностью. Меньшая часть непрореагировавшей топливной пыли уходит вместе со шлаком, отводимым из зольной чаши. Основная часть топливной пыли, не вступившей в реакцию, уно­ сится потоком газа из камеры газификации и осаждается в ниж­ ней части котла-утилизатора, циклоне, скруббере и дезинтегра­ торе. Уловленное непрореагировавшее топливо возвращается в си­ стему и подмешивается к свежему сырью.

Смесь угольной пыли и кислорода взрывоопасна. Поэтому, во избежание обратного распространения пламени, скорость нодачи пылекислородной смеси должна превышать скорость ее воспла­ менения. С повышением концентрации кислорода в смеси скорость воспламенения последней возрастает. В связи с этим необходимо обеспечивать непрерывное(непрекращающееся во время работы)поступление топлива в камеру газификации. С этой целью пылекис­ лородная смесь вводится в камеру газификации, по крайней мере, по шести трубкам-пылепроводам. При этом в случае выпадения пыли и прекращения ее подачи по одной и даже двум трубкам резкого увеличения концентрации кислорода не произойдет. Ухуд­ шится только состав образующегося газа (за счет повышения содержания в нем углекислоты).

но Глава V

В связи с высокой температурой процесса получаемый водя­ ной газ, даже при переработке битуминозных топлив, характе­ ризуется отсутствием легкоконденсирующихся примесей: смолы,, газового бензина и ненасыщенных углеводородов. Газ содержит незначительное количество метана (до 0,1 об. %) и свободен от его гомологов. В газе заключается только небольшое количество сераорганических соединений (в форме COS и CS2). Концентрация:

Н* - 0,3.

Кроме того, в газе содержатся: соединения органической серы

40—42 г/100 нм3, SO2 1,5—2 г/100 нм3 и N0 5—6 см3/м3.

Первая промышленная установка для получения водяного газа по способу Копперса — Тотцека была введена в эксплуата­ цию в 1952 г. в г. Оулу (Финляндия). Показатели этой установки при работе на верхнесилезском угле характеризовались следую­

числе и жидкого, что приближает газопроизводящий агрегат Копперса — Тотцека к универсальному типу газогенератора;

б) высокое качество вырабатываемого водяного газа, содер­ жащего до 85% (СО + Нг) и незначительное количество метана (менее 0,1 %). Такой газ особенно пригоден для получения из него азотоводородной смеси;

в) отсутствие в газе легкоконденсирующихся соединений (смол, фенолов, газового бензина и др.), что приводит к значитель­ ному упрощению сооружений, связанных с очисткой газа.

Г л а в а VI

КОНВЕРСИЯ ОКИСИ УГЛЕРОДА

§ 1. Теоретические основы процесса

Процесс конверсии окиси углерода основан на известной реак­ ции водяного газа, в соответствии с которой водяной пар, окисляя СО до углекислоты, восстанавливается при этом до водорода.

Схема данной обратимой реакции представляется следующим уравнением

[2] и других исследователей вывел следующее уравнение изо­ хоры, выражающее зависимость константы равновесия реакции

Значения константы, вычисленные по уравнению (VI-2), хорошо согласуются с более поздними данными по исследованию равно­ весия реакции (VI-1). Для сравнения в табл. 33 даны значения константы равновесия реакции (VI-1)

рсо ' Р Н20 рсо2' рн2

в интервале температур 500—900° К (226,8—626,8° С), опре­ деленные по уравнению (VI-2) и вычисленные Вэгмэном, Кил­ патриком и другими на основании данных спектроскопических исследований [3].

Зависимость константы равновесия

Ар = Р СО ’ Р Н20

рсо2' р н2

от температуры по данным уравнения (VI-2) представлена также графически на рис. 21.

116 Глава V I

С повышением температуры равновесие реакции (VI-1) сме­ щается влево, а с понижением температуры — вправо, т. е. в сто­ рону образования На и СОг. Так как при снижении температуры заметно уменьшается скорость реакции процесс конверсии про­ водят в присутствии катализатора, благодаря чему достигается достаточная скорость реакции при сравнительно невысоких тем­

от типа и активности катализатора, необходимой степени конвер­ сии СО, технологической схемы и числа ступеней конверсии, давления процесса и экономических соображений. При этом не­ обходимо учитывать, что с повышением температуры уменьшается

с использованием катализатора на основе окиси железа обычно применяемые температуры лежат в пределах 400—550° С. При данной температуре процесса равновесие реакции (VI-1) может быть сдвинуто вправо или увеличением содержания водяного пара в исходной газовой смеси или уменьшением концентрации СОг в зоне реакции.

Равновесное количество водяного пара, необходимое по реак­ ции (VI-1), для одной ступени конверсии может быть определено

к — константа равновесия при данной температуре; а — число молей водорода;

b — то же окиси углерода;

с— то же углекислоты;

у— степень конверсии СО в долях единицы.

На рис. 22 приведена графически зависимость остаточного содержания СО в конвертированном газе от расхода водяного пара (отнесенного на 1 нм3 исходного СО) при температурах 300, 350, 400, 450 и 500° С. Из графика видно, что чем выше отношение НгО : СО, тем больше степень конверсии и тем меньше остаточное содержание СО в конвертированном газе. В связи с тем, что глу­ бокая конверсия СО (~ 98 —99%), как это явствует из кривых на рис. 22, связана с чрезмерными и непропорционально большими расходами водяного пара, обычно ограничиваются степенью кон­ версии за один проход, равной 85—90%. При этом в практиче­ ских условиях для достижения указанной степени конверсии при­ ходится затрачивать пара в 1,5—2 раза больше теоретического.

Расход пара на процесс может быть уменьшен, если вести кон­ версию ступенчато, в две или три ступени. В этом случае кон­ версию на каждой ступени проводят при разных температурах: н а и б о л ь ш е й — на первой п н а и м е н ь ш е й — на послед­ ней ступени. Ступенчатая конверсия позволяет на первой ступени (при значительных концентрациях реагирующих веществ) приме­

нить повышенные темпе­ ратуры процесса, что при­ водит к у в е л и ч е н и ю с к о р о с т и реакции, а на последующих ступенях (при уменьшенном содер­ жании СО) вести процесс при относительно пони­ женных температурах, что благоприятствует с м е-

При проведении процесса конверсии под атмосферным дав­ лением в две ступени температура на первой ступени устана­ вливается обычно в пределах 500—530°, а на второй —430—460° С.

Ступенчатая конверсия дает возможность заметным образом сократить расход пара на процесс. На рис. 23 показан сравни­ тельный теоретический расход водяного пара при одноступенча­

пара на процесс конверсии окиси углерода уменьшают также путем

вая СО водяным паром и используя СаО для поглощения обра­ зующейся СО2, можно получить в одном процессе относительно чистый водород с суммарным содержанием СО и СО2 не более

0,5 об. %.

Однако такой способ конверсии СО на практике себя не оправ­ дал, ввиду быстрого повышения сопротивления реакторов и необ­ ходимости, как следствие, частой их перезарядки. Устройства по перегрузке реакторов и регенерации поглотителя получаются громоздкими, а расходы тепла на регенерацию СаСОз весьма большими.

Другой способ отвода СО2 из зоны реакции заключается в том, что процесс конверсии разбивается на несколько ступеней,