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

реакционная способность, температура плавления золы, ситовой анализ (или зерновой состав) топлива.

Состав топлива. Очевидно, что с точки зрения выходов по основной реакции получения водяного газа (V-1) в газифицируе­ мом топливе желательно иметь максимальное количество угле­ рода. Идеалом был бы 100%-ный углерод. Из топлив, применяе­ мых для производства водяного газа, больше всего углерода содержится в каменноугольном коксе (до 96,5%, считая на горю­ чую массу его).

При получении водяного газа в генераторах с плотным слоем нежелательным является топливо с высоким содержанием лету­ чих, при переработке которого образуется газ, загрязненный углеводородами, смолой и другими примесями. В этом случае для выработки относительно чистого водяного газа приходится газифицировать топливо в генераторах со швелынахтой и либо отказываться от утилизации швельгаза в качестве целевого про­ дукта, либо швельгаз (после выделения из него смолы) дополни­ тельно подвергать пиролизу. В обоих этих вариантах к. п. д. газификации на водяной газ топлив с высоким выходом летучих будет меньше, чем топлив с низким содержанием таковых.

В высокотемпературных процессах получения водяного газа (1500—1600° С) доля летучих в топливе не имеет особого значе­ ния, так как при этом образующиеся примеси подвергаются терми­ ческому разложению.

При получении водяного газа, особенно в случаях производ­ ства его в газогенераторах с плотным или псевдоожиженным слоем топлива, в исходном сырье ограничивается содержание золы и влаги. Дело в том, что с повышением процента золы в топливе ра­ стут потери с ней углерода, а также увеличивается количество балласта, загружаемого в генератор, что ведет к снижению к. п. д. газификации. А с повышением влагосодержания топлива к. п. д. процесса заметно падает в связи с тем, что при этом боль­ шое количество тепла расходуется на испарение воды.

Не вызывает сомнений, что во всех случаях газификации на водяной газ следует стремиться к минимальному содержанию серы в исходном топливе.

Спекаемость топлива. При слабой спекаемости топливо гази­ фицируется вполне удовлетворительно. Однако при сильной спе­

в генераторе образуются шлаковые глыбы и своды, нарушающие гидравлический режим процесса. При газификации под давле­ нием необходимо считаться с возможностью перехода спекаю­ щихся топлив, в частности каменного угля, в пластическое состоя­

70 Глава V

ние, не позволяющее нормально эксплуатировать генератор без специальных дополнительных устройств.

Термическая стойкость и механическая прочность. Недоста­ точные термическая стойкость и механическая прочность топлива обусловливают его распад в генераторе и, как следствие, повыше-

•ние сопротивления слоя. Последнее ведет к падению производи­ тельности генератора и к неправильному распределению дутья по сечению шахты, в результате чего создаются благоприятные условия для шлакования генератора.

Само собой разумеется, что факторы термической стойкости и механической прочности, имеющие большое значение при гази­ фикации кускового топлива, теряют свой смысл при переработке пылевидного топлива.

Реакционная способность. Реакционная способность, или хи­ мическая активность, топлива по отношению к водяному пару характеризуется Скоростью взаимодействия углерода топлива с этим окислителем по реакциям (V-1) и (V-2).

В случае применения смешанного дутья (парокпслородного, паровоздушного или с добавкой углекислоты) следует учитывать

При получении водяного газа стараются ориентироваться на топливо высокой реакционной способности, так как это позво­ ляет вести процесс в сравнительно низком температурном интер­ вале (9Э0—1000° С). Газификация при низких температурах дает возможность перерабатывать на водяной газ без применения кислорода многие легкоплавкие и среднеплавкие топлива с точкой £2 (температура начала плавления золы) в пределах 1100—1200° С.

Как правило, химическая активность твердого топлива за­ висит от его геологического возраста и с повышением последнего уменьшается.

Интересно отметить, что химическая активность всех видов твердых топлив по отношению к НгО при температурах около 1150° С стремится к выравниванию, а при 1200° С н выше она прак­ тически одинакова для всех видов топлив.

Температура плавления золы. Одним из важных параметров характеристики твердого топлива, определяющих пригодность последнего в том или другом процессе газификации, является температура плавления золы. Как правило, в обычных условиях газификации топливо, имеющее сравнительно низкую температуру плавления золы, может успешно перерабатываться в газ только при относительно высокой его реакционной способности. И наобо­ рот, топливо с высокой температурой плавления золы может га­ зифицироваться даже при сравнительно небольшой реакционной его способности, так как в этом случае процесс получения водя­ ного газа может проводиться при повышенных температурах.

температурой плавления золы вряд ли может успешно перераба­ тываться на газ в генераторах плотного или псевдоожиженного слоя с сухим удалением золы. Низкая точка плавления золы тре­ бует уменьшения температуры процесса, а следовательно, повы­ шенного расхода водяного пара. В зависимости от расхода пара, подаваемого в генератор, естественно, изменяется и состав газа.

Топливо с низкой точкой плавления золы и небольшой хими­ ческой активностью может газифицироваться в генераторах с жид­ ким шлакоудалением на парокислородном дутье, где процесс получения водяного газа ведется при температурах выше точки плавления золы и где вообще предпочтительнее легкоплавкие золы.

Топливо подобного рода может быть также переработано на водяной газ в условиях газификации во взвешенном слое с приме­ нением парокислородной смеси как газифицирующего реагента.

При парокислородном (или паровоздушном) дутье точка пла­ вления золы определяет необходимый состав дутья, т. е. соот­ ношение О2 : НгО.

Ситовой анализ топлива. По размерам частиц в топливе, при­ меняемом для газификации, различают 3 основные группы. При этом классы с частицами от 15 до 100 мм относят обычно к куско­ вому, классы 1 —10 мм — к мелкозернистому, а классы 0—1 мм — к пылевидному топливу.

Следует отметить, что вышеуказанная классификация топлив по степени его крупности является весьма условной. Достаточно четких границ между отдельными классами не существует. Так, иногда перерабатывают на водяной газ промежуточные, смешан­ ные и более узкие классы, как например: 0—2; 0,5—3; 2—10; 6—30; 20—60 мм и т. д. С другой стороны, в рабочем топливе, поступающем в газогенератор, в результате его истирания, не­ четкости сортировки, а главное по экономическим соображениям, почти всегда содержится какое-то количество более мелких и более крупных частиц, чем это полагалось бы в соответствии с принятой поминальной крупностью топлива.

Зерновой состав топлива имеет большое значение для выбора способа газификации (см. стр. 73). Размеры и равномерность кус­ ков топлива при его газификации в газогенераторах с плотным слоем определяют ту или иную высоту последнего. Мелкозерни­

лимитирует интенсивность газификации, могут перерабатываться более мелкие куски топлива, чем в газогенераторах без дав­ ления.

ческими соображениями, вместе с тем требует различного техно­

Ре жим процесса газификации

Для максимального выхода СО и минимального выхода С02 в газогенераторе желательно поддерживать возможно более вы­ сокую температуру. Однако температура процесса, как было

вления золы, как например, в газогенераторах на парокисло­ родном дутье с жидким шлакоудалением или во взвешенном слое топлива, такого ограничения температур не существует. В этих случаях оптимальные температуры процесса обусловли­

преимуществ, так как реакции процесса протекают не с уменыпе- -

ее в топливе допускается до 17,5%.

нием объема, а преимущественно с его увеличением 1). Поэтому большинство способов получения водяного газа из твердых то­ плив осуществляется без применения давления 2)* .

Гидродинамическое состояние газифицируемого слоя

По гидродинамическому состоянию газифицируемого слоя способы переработки твердого топлива в водяной газ разделяются на:

а) процессы в обычном — стационарном (точнее плотном) слое топлива;

б) процессы в «кипящем» (псевдоожиженном) слое топлива; в) процессы во взвешенном слое топлива.

Газификация в том или ином слое тесно связана с зерновым составом топлива. Так, получение водяного газа из кускового топлива ведется в плотном слое. 3) Псевдоожиженный слой свя­ зан с применением мелкозернистого топлива.4) Для газификации во взвешенном слое используется в основном пылевидное топливо.

Тот или иной слой топлива в газогенераторе устанавливается в зависимости от относительной скорости, определяемой ско­ ростью опускания частиц топлива в генераторе и скоростью дутья. При плотном слое дутьевые, а также образующиеся газы проходят через промежутки между отдельными кусками топ­ лива, не приводя основную массу частиц последнего во взаим­

частиц топлива начинается состояние, при котором динамиче­ ское давление газа подпирает слой топлива и поддерживает его в положении неустойчивого равновесия. При уменьшении разме­ ров частиц просветы между отдельными зернами сокращаются, и газовый поток для своего прохождения вынужден раздвигать частицы, увеличивая расстояние между ними. Слой топлива при

алегкие и маленькие устремляются к верху, наподобие движения

L)Как уже указывалось выше, повышение давления способствует обра­ зованию метана, который не может считаться полезной составной частью водяного газа при использовании последнего для целей синтеза и для полу­ чения водорода.

2)Из промышленных способов газификации твердых топлив с примене­

нием давления следует назвать способ Лурги (см. стр. 95).

3)Зерновой состав и допускаемое количество мелочи в топливе в случаегазификации его в плотном слое определяется многими факторами, как на­ пример: реакционной способностью топлива, родом окислителя, высотой слоя топлива в генераторе и др.

4)В определенных условиях мелкозернистое топливо может газифици­ роваться как в плотном (под давлением), так и во взвешенном слое (в смеси

спылевидным).

частиц в «кипящей» жидкости. Поэтому такое состояние газифи­ цируемого топлива называют «кипящим» или псевдоожиженным слоем.

При дальнейшем сокращении размеров частиц топлива и пре­ вращении его в пылевидное состояние скорость опускания частиц становится незначительной по сравнению со скоростью дутья, в результате чего частицы топлива уносятся потоком парогазовой смеси и реагируют с последней, находясь в состоянии витания.

Вэтом случае говорят о газификации во взвешенном слое.

Вусловиях плотного слоя топливо сходит в направлении, противоположном движению газа. Таким образом, в этом случае осуществляется принцип противотока. При этом по мере схода топлива его температура повышается, а температура газа в напра­

влении его движения постепенно снижается. Следовательно, в условиях плотного слоя достигается хорошее использование тепла в самом газогенераторе, а также относительно невысокая температура газа на выходе из газогенератора.

При переработке топлива в «кипящем» и взвешенном слоях, где оно частично или полностью выносится дутьем, имеет место принцип прямотока.

В случае газификации топлива в «кипящем» слое, в связи

снеобходимостью использования при этом топлива с высокой хи­ мической активностью, в газогенераторе поддерживаются относи­ тельно невысокие температуры (не более 900—1000° С). При этом температурное поле примерно одинаково по всей высоте газоге­ нератора. По этой причине температура отходящего газа практи­ чески равна температуре процесса.

При газификации во взвешенном слое дутьевая парогазовая смесь и все топливо движутся совместно. По мере движения тем­ пература потока постепенно и значительно падает. Однако в связи

стем, что в данных условиях начальная температура газифика­ ции должна быть весьма высокой (см. стр. 106) температура газа на выходе из газогенератора, хотя и ниже температуры процесса, все же представляет достаточно большую величину.

Род окислителя

В процессе получения водяного или полуводяного газа в ка­ честве окислителей (газифицирующих реагентов) применяются водяной пар, паровоздушная смесь, .смесь пара и обогащенного воздуха и парокислородная смесь. Кроме того, в определенных условиях водяной пар может частично заменяться углекислотой.

Выбор того или иного окислителя, с одной стороны, опреде­ ляется необходимым составом целевого газа. Так, если в конечном итоге желают получить водород без примеси азота или с минималь­ ным его содержанием, в качестве окислителя применяется водя­

ной пар или смесь его с кислородом. При выработке полуводяного газа с целью дальнейшего производства азотоводородной смеси в состав дутья, кроме водяного пара, входит атмосферный воздух или воздух, обогащенный кислородом. Для некоторых синтезов необходим водяной газ с повышенным содержанием СО. В этом случае в качестве окислителя частично используется СО2.

С другой стороны, состав дутья определяется характеристикой исходного топлива (температурой плавления золы, его зернением и др.).

Способы обеспечения газогенератора теплом

В связи с эндотермическим характером основных реакций получения водяного газа процесс требует подвода тепла. Для обеспечения процесса газификации топлив на водяной газ необхо­ димым теплом были предложены и осуществлены различные спо­ собы (табл. 23).

Таблица 23

Способы подвода тепла при переработке топлив на водяной газ

во время подачи в газогенератор воздуха образуется генератор­ ный газ и выделяется большое количество тепла. В период паро­ вого дутья вырабатывается целевой, водяной, газ, на производ­ ство которого затрачивается тепло, оставшееся в газогенераторе после воздушного дутья.

Применение теплоносителей основано на их циркуляции в си­ стеме и предварительном подогреве их перед поступлением в газо­ генератор. Перегрев теплоносителей осуществляется в специаль­ ных аппаратах и устройствах обычно за счет использования потен­ циального и физического тепла отопительного газа, вырабатывав-

Обогрев слоя топлива в газогенераторе может быть осуще­ ствлен при помощи электрического тока. Однако этот процесс представляется рентабельным только в тех случаях, когда при наличии потребности в газе имеются достаточные избытки весьма дешевой электроэнергии. Расход последней составляет до 1,7 квт-ч на 1 м3 газа. В связи с этим способ обогрева газогенератора при помощи электрического тока развития не получил. (О методе передачи тепла посредством внешнего обогрева см. стр. 88).

§ 4. Периодический способ получения водяного газа

Наиболее старым и пока еще одним из наиболее распростра­ ненных в практике является способ производства водяного газа из

водяного газа, аккумулируется в слое топлива газогенератора за счет экзотермических реакций, протекающих в период воздуш­ ного (горячего) дутья. Газы горячего дутья могут быть исполь­ зованы для получения и перегрева пара, для непосредственного обогрева разных устройств и печей.

При периодическом способе получения водяного газа топливо газифицируется в плотном слое. В качестве топлива при этом способе, как правило, применяются: каменноугольный кокс, каменноугольный и буроугольный полукокс и антрацит.

Для этого процесса обычно используется топливо с крупно­ стью кусков в пределах 20—100 мм. Конкретные пределы круп­ ности топлива и содержание мелочи в последнем для каждого отдельного случая устанавливаются в первую очередь в зависи­ мости от вида применяемого топлива и его химической активно­ сти. Так, например, для эффективной газификации донецкого антрацита на водяной газ в газогенераторах периодического дей­ ствия рекомендуется перерабатывать топливо с классом круп­ ности 40—100 мм с содержанием мелочи (0—40 мм) не более 8%

[3 ].

Обычный газогенератор периодического действия (без парово­ дяной рубашки) представляет собой цилиндрическую шахту, футерованную кирпичом и заключенную снаружи в металличе­ ский кожух (рис. 5). Внизу к шахте прикреплено жесткое кольцо, опущенное в чашу. Чаша заполнена водой, благодаря чему обра­ зуется гидравлический затвор шахты. Ко дну шахты прикреплена колосниковая решетка, назначение которой состоит в распреде­ лении дутья и удалении золы1). Колосниковая решетка вместе

счашей может вращаться при помощи электропривода. При мед-

ЧВ некоторых конструкциях газогенераторов периодического действия колосниковая решетка имеет только функцию распределения дутья.

J®гтлибо

Рис. 5. Общий вид газогенератора водяного газа периодического действии (без пароводяной рубашки):

1 — кожух генератора; 2 — футеровка; з — вращающийся конус; 4 — колосниковая, решетка; 5 — зольный карман.