ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2015, № 2, с. 31-33
УДК 621.1:662
ПАРОВАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЕЙ ПРИ ИЗБЫТКЕ ВОДЯНОГО ПАРА © 2015 г. А. М. Дубинин, Е. В. Черепанова, О. А. Обожин
ФГАОУВПО "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Екатеринбург
E-mail: dpe_ustu@mail.ru Поступила в редакцию 05.03.2014 г.
Разработана модель, удовлетворительно описывающая эксперименты по паровой газификации углерода твердого топлива при соотношении водяного пара и углерода 2:1.
DOI: 10.7868/S0023117715020024
Газификация углей — один из базовых процессов химической промышленности. Продукты газификации используют для производства водорода, метанола, синтетического топлива и т.д. [1].
В [2] представлены исследования паровой газификации угля при мольном отношении водяного пара к углероду 1 : 1. В настоящей работе показаны особенности процесса паровой газификации при соотношении Н2О : С = 2 : 1, которая описывается следующими химическими реакциями:
Н2О + С-
->Н2 + CO,
прямой
СО + Н2О ——— СО2 + Н2 и обратной реакции водяного газа
СО2 + Н2 ——— СО + Н2О.
(1) (2) (3)
t, °C кр rco, % ГН2О, % rco2, % Гн2, %
227 126 3.84 3.84 29.49 62.83
327 27 7.52 7.52 25.81 59.15
427 9 11.55 11.55 21.78 55.12
527 4 15.25 15.25 18.08 51.42
627 2.2 18.23 18.23 15.10 48.44
727 1.4 20.54 20.54 12.79 46.13
827 0.95 22.47 22.47 10.86 44.20
927 0.70 23.94 23.94 9.39 42.73
1227 0.37 26.72 26.72 6.61 39.95
Моделирование паровой газификации
Все три реакции протекают в объеме реторты, заполненного шаровой насадкой и дисперсным промежуточным теплоносителем. Под насадку подается водяной пар с частицами угля. Теплота подводится извне через стенку реторты. Из-за низкой температуры и недостаточной высоты реакционной зоны часть водяного пара, не вступившего в реакцию с углеродом ("пролетный" пар), выходит из реторты.
Концентрация водяного пара на выходе из реторты гп* определяется из решения дифференциального уравнения сохранения массы
- W . dr* = w 6 dz
при граничном условии на входе r*
z=0
= 1. Здесь
Равновесный состав продуктов представлен в табл. 1 [3].
Таблица 1. Зависимость равновесного состава продуктов реакции Н20 + С ^ СО + Н2 о С02 + Н2 от температуры [3]
к1 — эффективная константа скорости расходования водяного пара при взаимодействии с углеродом топлива на его поверхности, м3/(м2 • с) [4]; S — удельная площадь внешней поверхности частиц углерода, м2/м3; е — порозность слоя в реторте, заполненной насадкой и электрокорундом, м3/м3; г — текущая координата, м, отсчитывается от нижнего торца реторты; w — возрастающая по высоте скорость продуктов газификации при реальных параметрах, м/с. Скорость продуктов газификации увеличивается по мере расходования водяного пара по высоте от 2^0/3 на входе (гп = 1) до на выходе из реторты (гп = 1/3) и описывается уравнением w ---0—.
4
С1 + Гп )
Средняя по высоте скорость
1
wQdrT
*
- 3 w = -
21/3 3/4(1 + r*
= 0.81w0
32
ДУБИНИН и др.
273 + / Р л где ж0 = ж*---0; ж* — скорость на выходе из
273 р
реторты при нормальных условиях в расчете на полную площадь сечения реторты, м/с; Р0 — атмосферное давление, МПа; р — давление в реторте, МПа.
Подстановка данного выражения в дифференциальное уравнение и решение его при упомянутом граничном условии дает концентрацию водяного пара, не вступившего в реакцию с углеродом, на выходе:
ехр
стью
1 к1Б ехр (- ), а по реакции (2) СО при 3 \ ж !
взаимодействии с Н2О превращается в СО2 со
скоростью к2БгС0; по реакции (3) СО образуется со скоростью к3БгС0г. На основании изложенного запишем уравнение материального баланса для СО
к2БгС0 + к3БгС02
(4)
к1Б гк) ж )'
где к — высота слоя, м.
Составим систему из дифференциальных уравнений материального баланса для определения объемных концентраций продуктов газификации на выходе из реторты. По реакции (1), СО образуется из углерода и водяного пара со скоро-
Ж ЁТсс = 1 ^ ехр (б ёг 3 \ ж
Аналогично составим уравнение материально го баланса для СО2
Ж ёгС0
е
ёг
— кт^ГСо к3^Гс
(5)
Решение системы из двух уравнений (4) и (5) при граничных условиях гСО|г=0 = 0 и гСО}_ „ = 0
°2| г=0
дает концентрации СО и СО2 на выходе из реторты (при г = к)
ГС0 - ~
к1к2 ехр I -
(к2 + к3) Бгк
ж
] (к! - к3 )ехр (-^
к2 + к3 (к! - к2 - к3 )( + к3)
к - к2 - к3
ГС02 " 3
, , I (к2 + к3) Бе к] / к,Бек\л
кхк2 ехр | 2 У-| к2 ехр (- ^^)
ж
+ ■
к2 + к3 (к1 к2 к3 )(к2 + к3) к1 к2 к3
Концентрация водяного пара
Гп = ГС0 + Г*.
Концентрация водорода
ГН2 = 1 - (Гп + ГС0 + ГСО2 ).
Здесь к2 — эффективная константа скорости расходования СО при взаимодействии с Н2О по реакции (2), м3/(м2 • с) [2]; к3 — эффективная константа скорости расходования СО2 при взаимодействии с Н2, м3/(м2 • с), по реакции (3), причем к3 = к2/кр , где кр — константа равновесия реакции водяного газа, значения которой указаны в [3].
Экспериментальные исследования
Эксперименты проводились в промышленном эндотермическом генераторе ЭН-30 с электрическим обогревом реторты, в котором высота реакционной зоны составляет 1 м, а внутренний диаметр реторты 0.12 м (площадь сечения реторты Ир = 0.0113 м2). Реторта заполнялась сфериче-
катанного огнеупорного кирпича с порозностью 0.48.
С целью равномерного распределения температуры по объему реторты между частицами насадки ожижались дисперсные частицы электрокорунда размером 0.5 мм с фактором формы 0.58 и порозностью 0.375. Благодаря тормозящей насадке образование пузырей в псевдоожиженном слое сведено к нулю.
В нижней части реторты размещалась колпач-ковая газораспределительная беспровальная решетка. Через газораспределительную решетку вдувался перегретый до 450°С водяной пар с угольной пылью, фракционный состав которой представлен в табл. 2. Средний размер частиц сухого угля составляет 0.3 мм (фактор формы 0.696), удельная внешняя площадь поверхности — 13 • 103 м2/м3.
В экспериментах использовался сухой бородинский уголь следующего состава: С* = 63.56;
Н* = 4.48; Б = 0.30;
N * = 0.90; 0* = 19.69;
ской насадкой диаметром 50 мм из колотого и об- А * = 11.07. Выход летучих на сухую беззольную
ПАРОВАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЕЙ ПРИ ИЗБЫТКЕ ВОДЯНОГО ПАРА
33
Таблица 2. Фракционный состав угля
Фракционный состав, мкм 1000-800 800-630 630-500 500-400 400-300 300-200 200-150 150-80 80-40 40-0
мас. % 5.3 5.7 10.4 12.3 12.4 15.1 10.4 14.2 8.5 5.7
Таблица 3. Сравнение экспериментальных и расчетных значений концентраций компонентов продуктов газификации на выходе из реторты при разных температурах
Состав продуктов, об. %
СО2 N. сн4 со Н2
н2о
Эксперимент Расчет
Эксперимент Расчет
17.0 15.4
13.0 16.8
Температура в реторте 720°С
0.2
2.4
Температура в реторте 790°С
0.2
0.8
13.4 15.8
16.0 16.4
Температура в реторте 850°С
47.0 46.4
49.0 50.0
20.0 22.4
21.0 16.8
Эксперимент 10.2 0.2 0.0 18.9 49.6 21.1
Расчет 15.6 - - 17.7 48.9 17.8
массу уйа = 47%. Низшая теплота сгорания сухого угля QH = 23100 кДж/кг.
Расход сухого угля составлял 6.9 кг/ч, водяного пара — 13.14 кг/ч. Порозность в реторте, заполненной насадкой и электрокорундом, е = 0.3. Опыты проведены при температурах 720, 790 и 850°С. Температуру по высоте реторты измеряли ХА-термопарой, перемещаемой в тонкостенной трубке из высоколегированной стали, заваренной с нижнего торца и размещенной по оси реторты. Зола удалялась вместе с продуктами газификации. Состав продуктов определяли на хроматографе, влажность продуктов — массовым методом при помощи бюреток, заполненных хлористым кальцием. Продукты, отобранные для анализа, проходили через фильтр для очистки от золы. Результаты экспериментов представлены в табл. 3.
В модели удельная площадь поверхности частиц углерода принималась £ = 13 • 1036 = 3.9 • 103 м2/м3; константы скорости реакций к1 = 710.5 х
(- И968), к2 = 1.9 ехр (- 6600
х ехр
г + 273/
г + 273,
и кр = 1.456;
1.1165; 0.8925 (при температурах 720, 790 и 850°С соответсвенно).
Проверка материального баланса по элементам (С, О, Н и N на входе и выходе из реторты по-
казала удовлетворительное схождение. Небольшое превышение концентрации Н2О над СО в полученных данных объясняется дополнительным выходом Н2О при взаимодействии Н2 с О2, присутствующими в угле, а также подмешиванием "пролетного" водяного пара. В целом удовлетворительное количественное и качественное совпадение расчетных и экспериментальных данных дает основание утверждать о правильном подходе к моделированию паровой газификации бурого угля при мольном соотношении Н2О : С = = 2:1. Сравнение фактического состава с равновесным (табл. 3) показывает их существенное различие, особенно при невысоких температурах (720°С).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хоффман Е. Энерготехнологическое использование угля. М.: Энергоатомиздат, 1983. 328 с.
2. Дубинин А.М., Кагарманов Г.Р., Обожин О.А. // ХТТ. 2012. № 3. С. 30.
3. Жоров Ю.М. Термодинамика химических процессов. Нефтехимический синтез, переработка нефти, угля и природного газа. М.: Химия, 1985. 464 с.
4. Путрова Е.Е., Свиридова Л.В., Федосеев С.Д. // ХТТ. 1982. № 2. С. 94.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.