2.2. Схема газоутворення
Газообразование в канале газификации является следствием химического, термического и механического воздействия на угольный пласт и вмещающие породы.
Механический фактор в процессе газообразования играет небольшую роль и сводится в основном к тому, что канал газификации дренирует изогазы из угольного пласта и вмещающих пород.
Термический фактор играет более существенную роль в процессе газообразования и сводится к выделению в газовую фазу канала из угля и пород газов и паров в результате их нагрева.
В общем количестве тепловой энергии результативного газа тепловая энергия газов, образующихся под действием термического фактора, может достигать 40%, причем она, как было показано выше, зависит не только от содержания летучих веществ в угле и вмещающих породах, но также и от метода газификации.
Химический фактор имеет решающее значение в процессе газообразования не только потому, что на его долю обычно приходится подавляющее количество газообразных веществ, составляющих результативный газ, но еще и потому, что он является источником тепловой энергии и для термического фактора газообразования.
Газообразование под действием химического фактора происходит в результате химического воздействия главным образом кислорода дутья на твердую фазу непосредственно либо на выделившиеся из нее горючие вещества. Тепловая энергия реакций горючих веществ с кислородом создает условия для соответствующего реагирования водяного пара.
Некоторое представление о развитии процесса газообразования в канале по важнейшим компонентам газа показано на рис. 2.1.
Изогазы, представляющие в основном метан для каменных углей и углекислоту для бурых углей, входят в газовую фазу канала по всей его длине. В зависимости от того, в какую зону твердой фазы, поверхности раздела фаз или газовой фазы они попадают, они претерпевают в большей или меньшей степени соответствующие изменения.
Часть изогазов, проникающая в газовую фазу канала газификации на участке I, II и III—зон угольной поверхности, не претерпевает каких-либо существенных изменений вследствие небольшой температуры в этих зонах. Но изогазы, проникающие в газовую фазу канала на участке IV зоны — зоны экзотермических реакций, претерпевают существенные изменения при газификации каменных углей (метан) и остаются, без изменения при газификации бурых углей (двуокись углерода).
Рис.2.1. Общая схема газообразования при газификации угольного пласта в канале: 1 – угольная поверхность; 2 – газовая фаза, компоненты дутья и газа О2, N2, CH4, HО2, CО2, CО, H2.
После изогазов угля в процессе газификации включаются водяные пары, выделяющиеся из бета-зоны твердой фазы в результате сушки угля.
Водяные пары, поступающие в газовую фазу канала на протяжении II, III, VI и VII зон угольной поверхности, не претерпевают изменений, а та часть водяных паров, которая попадает в газовую фазу канала на участке IV и V зон угольной поверхности, проходя дельта-зону твердой фазы, вступает в основном в гетерогенное реагирование с углеродом по схемам:
C + HО2 → СО2 + 2H2
C + HО2 → СО + H2
Горючие продукты этого реагирования, попадающие в газовую фазу в пределах ее переходной зоны, реагируют со свободным кислородом по схемам (2.3) и (2.7), а та часть продуктов, которая входит в газовую зону газовой фазы на участке V зоны угольной поверхности, остается без изменения.
Аналогичная картина имеет место и в части летучих веществ, выделяющихся из твердой фазы в ее гамма-зоне. Соответствующие компоненты этих летучих веществ претерпевают некоторое термическое разложение при прохождении через дельта-зону твердой фазы и в пределах этой же зоны вступают главным образом в гетерогенные реакции с углеродом.
Соответствующиё компоненты летучих веществ и вторичных продуктов, образовавшиеся из них в дельта-зоне, соединяются с кислородом в переходной зоне газовой фазы, а если они попадают в дутьевую зону газовой фазы канала на участке III зоны угольной поверхности или если они выделяются в газовую зону газовой фазы на участке V и VI зон угольной поверхности, то они подвергаются, небольшим изменениям в результате наличия условий для дальнейшего протекания гомогенных и гетерогенных реакций.
Рассмотренные процессы относились к газообразованию в твердой фазе.
Но при газификации угля решающее значение имеет реагирование кислорода дутья с углем.
Реагирование кислорода дутья с угольной поверхностью начинается от начальной границы ее IV зоны, где температура этой поверхности выше температуры воспламенения угля в соответствующей стадии термического разложения. Главными продуктами реагирования кислорода дутья с «угольной» поверхностью на участке ее IV зоны являются двуокись и окись углерода:
C + О2 → СО2
2C + О2 → 2СО
Обе эти реакции экзотермичны.
В дальнейшем на участке V зоны угольной поверхности с ней уже реагируют не кислород дутья, а продукты газификации, образовавшиеся в пределах протяженности предыдущих зон процесса газификации в канале. Это гетерогенное реагирование вызывает уже течение эндотермических реакций, главным образом связанных с восстановлением двуокиси углерода (2.4) и с разложением водяного пара раскаленным углеродом (2.6) и (2.5).
Далее, по ходу дутья и газа в канале газификации, на угольной поверхности в пределах ее VI, VII и VIII зон уже нет каких-либо существенных процессов газообразования за счет реагирования газовой фазы с угольной поверхностью, так как температура угольной поверхности и газовой фазы на этом участке канала газификации низка. Запас физического тепла в газовой и твердой фазах, образовавшийся в пределах IV зоны угольной поверхности, сработан до соответствующего температурного предела на протяжении V зоны этой поверхности.
Но в отдельных случаях, когда в пределах VI—VIII зон угольной поверхности в газовую фазу из выгазованного пространства попадают обходные потоки дутья, температура газовой фазы может возрасти за счет дожигания горючих компонентов газа и соответствующие вещества смогут вступать во вторичное гетерогенное реагирование с угольной поверхностью по известным эндотермическим реакциям.
Появление в канале газификации этих вторичных зон снижает эффективность итогового процесса газификации.
В заключение остановимся на процессах, протекающих в газовой фазе канала газификации.
На протяжении I зоны угольной поверхности в дутьевой зоне газовой фазы не происходят химические изменения, а имеет место смешение изогазов с дутьем и сорбция углем кислорода дутья.
На протяжении II зоны угольной поверхности дутьевая зона газовой фазы продолжает обогащаться изогазами, водяными парами сушки угля и продуктами термического разложения угля.
Некоторая часть из этих горючих продуктов у конечной границы дутьевой зоны газовой фазы реагирует с кислородом дутья. Главные химические процессы в газовой фазе происходят на протяжении IV зоны угольной поверхности канала газификации, т. е. в переходной зоне, газовой фазы. Все эти процессы в основном сводятся к химическому реагированию кислорода дутья с горючими газообразными компонентами, поступающими в эту зону газовой фазы [реакции (2.3), (2.7), (2.9) и (2.10)].
Далее, в газовой фазе на протяжении ее газовой зоны в известных условиях протекают реакции конверсии окиси углерода
СО + Н2О → СО2+ Н2
и реакции разложения окиси углерода
2СО → С + СО2.
Течению обеих реакций способствуют каталитические влияния некоторых веществ, например окислов железа.
Если рассмотреть процесс газообразования в канале газификации по компонентам результативного газа, то получается следующая картина.
Двуокись углерода является продуктом изогазов, термического разложения угля, реагирования кислорода дутья с угольной поверхностью и с соответствующими компонентами летучих веществ и изогазов, а также продуктом реагирования водяного пара с углеродом и окисью углерода. Кроме того, источником двуокиси углерода является твердая фаза, представленная породами, и реакция разложения окиси углерода.
Водород является главным образом продуктом термического разложения твердой фазы, а также продуктом реагирования водяного пара с углеродом и окисью углерода.
Окись углерода является продуктом реагирования кислорода дутья, двуокиси углерода и водяного пара с угольной поверхностью, а также продуктом термического разложения твердой фазы.
Метан является главным образом продуктом изогазов и термического разложения твердой фазы.
Углеводороды предельные и непредельные являются в основном продуктами термического разложения твердой фазы.
Сероводород является в основном продуктом термического разложения твердой фазы и продуктом восстановления окислов серы, образующихся на протяжении IV зоны угольной поверхности.
Азот в своей основной массе является продуктом дутья.
Некоторое представление о характере изменения состава газовой фазы по длине канала газификации в природных условиях дает рис. 2.2.
Рис. 2.2. Характер изменения состава результативного газа в газовой фазе канала газификации по его длине
Контрольні питання: