ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 3, с. 21-26
УДК 662.74:552
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА ПРИ ГАЗИФИКАЦИИ ПОДМОСКОВНОГО
БУРОГО УГЛЯ1
© 2014 г. А. М. Гюльмалиев*, И. А. Султангузин**, А.В. Федюхин**, Т.А. Степанова**
* Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, Москва E-mail: Gyulmaliev@ips.ac.ru **Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт E-mail: SultanguzinIA@mpei.ru, FediukhinAV@mpei.ru, StepanovaTA@mpei.ru Поступила в редакцию 25.09.2013 г.
При давлении Р = 0.1 МПа проведен термодинамический расчет температурной зависимости равновесного состава продуктов паровоздушной газификации подмосковного бурого угля с данными технического анализа: Сr = 31, Нr = 2.3, Nr = 0.6, Оr = 9.6, SrR = 2.7, Ar = 20.8%, Wr = 33%. Построен график зависимости концентрации компонентов газовой фазы от температуры для случая газификации 100 г сухой беззольной массы подмосковного угля при коэффициенте дутья а = 0.3 и подачи пара (4 моль H2O). Показано, что в этом случае при температуре выше 800°C газовая фаза в основном состоит из N2, СО и Н2. Проведен расчет энергетических характеристик газовой фазы.
DOI: 10.7868/S0023117714030050
Одно из приоритетных направлений выработки электроэнергии для обеспечения нужд небольшого населенного пункта — газификация углеродистых материалов с дальнейшим переводом энергии генераторного газа в электрическую [1]. В качестве топлива могут быть использованы угли различной марки, сланцы, торф, древесина, отходы нефтяной промышленности, бытовые отходы и т.д. Методы химической термодинамики позволяют с помощью компьютерного моделирования вычислить значения физико-химических параметров генераторного газа, полученного газификацией исходных подмосковных углей [2—7]. В настоящее время в различных исследовательских центрах разработаны сервисные компьютерные программы [5—10] и созданы широкие базы данных по термодинамическим свойствам химических соединений [11—13], которые могут образоваться в процессе газификации и достаточно корректно моделировать характеристики полученного топливного газа.
В данной работе методами химической термодинамики рассматриваются вопросы использования углей Подмосковного угольного бассейна для производства электроэнергии. Подмосковный буроугольный бассейн расположен к западу и югу от Москвы на территории Тульской, Калужской, Московской, Рязанской, Смоленской, Калинин-
1 Статья написана в рамках государственного контракта № 14.516.11.0077.
ской и Новгородской областей. Эти угли в основном представляют собой гумусовые окисленные угли с теплотой сгорания (0н) до 6.7—8.4 МДж/кг [14]. Бурые угли Подмосковного бассейна (около 95%) используются в промышленности в основном в качестве энергетического топлива. Эти угли отличаются высокой влажностью и зольностью. В зависимости от массовой доли рабочей влаги бурые угли Подмосковного бассейна делятся на три технологические группы: Б1 (№" > 40%), Б2 (Жг = 30-40%) и Б3 (Жг < 30%) [14-16].
Интересно было выяснить, как будет влиять разность в технических характеристиках углей одного бассейна на качества полученного генераторного газа при газификации. В [16] приведены результаты технического анализа углей шахт ПО "Новомосковскуголь", откуда следует, что содержание влаги в углях меняется в пределах 3036 мас. %, золы (Аг) - 25-47 мас. %. Значения выхода летучих веществ (V) и теплоты сгорания близки. Элементные составы органической массы углей также близки, а составы золы несколько отличаются.
В рассматриваемых углях среднее содержание микроэлементов, г/т сухого вещества: Т1 - 1350; 2п - 170; 2г - 116; Мп - 30; РЬ - 27; V - 27; № -до 25; N1 - 21; Мо - 20; У - 18; Оа - 17; Си - 9.5; Сг - 9.0; Ьа - 6.3; Со - 5.16; 8е - 4.5; Ве - 3.7; 8п-2.3; Ое - 1.4; А§ - 0.6; Щ - 0.004 [14].
Таблица 1. Исходные данные по элементному составу угля для термодинамического расчета
Элемент (на daf)* Атомная масса, г-ат Содержание, мас. % Г-ат/100г ОМУ
С 12 67.0 5.58
Н 1 5.0 5.00
N 14 1.3 0.09
О 16 20.8 1.30
8 32 5.9 0.18
: daf — на сухую беззольную массу.
Следует отметить, что состав продуктов газовой фазы будет существенно зависеть от технологических параметров процесса газификации: давления (Р), температуры (Т), концентрации кислорода в окислителе (), от подачи влаги в
реакционную среду (Н2О). В зависимости от того, в каком виде подается окислитель дутья, состав газовой фазы существенно изменяется, следовательно, меняется и его теплотворная способность. При подаче воздушного дутья в продуктах газификации содержание N резко увеличивается, что приводит к снижению теплоты сгорания генераторного газа. При использовании паровоздушного дутья (воздух с умеренной добавкой к нему водяных паров) за счет образования водяного газа (смесь СО и Н2) по реакциям
Н2О + С — СО + Н2,
С + СО2 — 2СО
теплотворная способность генераторного газа существенно возрастает [6].
Для термодинамического моделирования равновесного состава продуктов газификации подмосковных углей приняты следующие данные технического анализа (%) [14]: С^ = 67.0; Н^ =
= 5.0; Ndaf = 1.3; О** = 20.8; = 5.9; № = 33%, А* = 31%.
В предположении, что минеральные компоненты угля существенно не повлияют на концентрацию горючих газов, в дальнейшем расчет выполняется для органической массы угля. Для перевода результатов расчета на рабочую массу будем исходить из следующего. Поскольку состав рабочей массы угля равен [16]
Сг + Нг + Ог + N + + А* + = 100%,
то зольность на рабочее топливо определяется по формуле
А = а 1оо-ж = %. 100
Отсюда можно вычислить элементный состав рабочего топлива Эг:
Э = Эс1аЛ00 - (А + Жг)
100 .
Находим, что Сг = 31, Нг = 2.3, N = 0.6, Ог = = 9.6, 8 л = 2.7, Аг = 20.8%, № = 33%.
Термодинамический расчет удобно провести для 100 г сухого беззольного угля (см. табл. 1).
Количество воздуха при коэффициенте дутья а вычисляли по числу грамм-атомов элементов следующим образом:
[Одут] = а(2[С] + 0.5[Н] - [Оорг]),
[Мдут] = 3.84[0дут] + [Морг].
Отсюда при а = 0.3 получим [0дут] = 3.71 г-ат и [N^1 = 14.43 г-ат.
Расчет равновесного состава газа после газификации угля проводили при фиксированном давлении (Р = 0.1 МПа), а температуру варьировали в интервале Т = 25-1400°С. Перечень соединений, включенных в расчетную схему, приведен в табл. 2. Рассмотрели два варианта: в первом варианте для эффективного превращения углерода в систему добавили 2 моль Н2О (рис. 1), а во втором — 4 моль Н2О (рис. 2).
На рис. 1 приведена зависимость равновесного состава продуктов газификации от температуры при количестве влаги 2 моль Н20. Отсюда видно, что выше температуры 800°С состав газовой фазы состоит из СО и Н2. Следует отметить, что в этом варианте в равновесном составе присутствует твердый углерод. Для полной конверсии углерода нами было увеличено содержание пара и установлено, что при содержании 4 моль Н2О твердый углерод выше температуры 887.5°С полностью конвертируется, и выход горючих газов становится максимальным (рис. 2). В табл. 2 приведены числа молей всех компонентов при равновесии.
Между объемом V и температурой Т в двух состояниях газа имеет место зависимость: V = (К^)/^.
Учитывая, что при Т = 273.15 К объем моля газа составляет V = 22.4 • 10—3 м3/моль, находим зависимость объема газовой фазы от температуры:
3
22.4 • 10
-з м
V =
моль
моль Т( К)
273.15 К
Согласно данным табл. 2, общее число молей газовой фазы составляет 2моль = 17.909 моль. Тогда объем газовой фазы при Т = 1260.65 К составит V = 1.853 м3/100 г ОМУ, а при Т = 273.15 К — V= = 0.40 м3/100 г ОМУ.
Согласно данным табл. 3, объем горючего газа равен 2.35 нм3/кг(ОМУ), теплота сгорания && = = 27.64 МДж/кг (на сухую беззольную массу угля).
Рис. 1. Зависимость равновесного состава продуктов газификации 100 г сухой беззольной массы Подмосковного угля от температуры при коэффициенте дутья а = 0.3 и подачи пара (2 моль ЩО).
Вычислим коэффициент перевода данных, найденных для органической массы (М^), на рабочую массу (Мг)
г _ М/100 - (Аг + 1УГ)
М _ М
При значениях Аг = 20.8
100
%, ^ = 33% находим,
что
Мг = 0.462М^а^; 0Г = 0.4620^°^ - 58.3 Жг.
Следовательно, при пересчете на рабочую массу подмосковного угля объем горючих газов -1.09 нм3/кг, а теплота сгорания - 10.85 МДж/кг. При газификации 1 кг рабочей массы Подмосковного угля получается 1.09 нм3 синтез-газа с теплотой сгорания 10.85 МДж, что эквивалентно 2 кВт • ч электроэнергии.
Отметим, что при газификации (как показывает расчет) небольшие отличия в физико-химических характеристиках углей одного бассейна не
Рис. 2. Зависимость равновесного состава продуктов газификации 100 г сухой беззольной массы Подмосковного угля от температуры при коэффициенте дутья а = 0.3 и подачи пара (4 моль ЩО).
ца
ера
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
авновесный состав продуктов при условиях Р = 0.1 МПа, Т =
газификации 100 г сухой беззольной массы Подмосковного угля от = 987.5°С коэффициенте дутья а = 0.3 и подачи влаги Н20 = 4 моль
Соединение
Исходное число молей
Равновесное число молей
N2(0
^я)
С(я)
СЩОО
С2Н2(Я)
ОД^)
С2Н6(я)
С0(я)
С02(я)
С08(я)
С8(я)
С82(я)
Н(я) Н2(я)
НС^я)
НС0(я)
НС00Н(я)
HNC0(я)
HN0(я)
HN02(я)
HN02(C я)
Н^2(Т я)
HN0з(я)
Н20(я)
Н202(я)
Н28(я)
Н2$2(я)
HSCN(я)
Н2804(я)
H2S04(D я)
NHз(я)
N2H2(Cg)
N2H2(Tя)
N0(я)
N02(я)
N03^)
N20(я) N202(я)
N20з(я) N204(я)
^05(я) 0(я)
02(я) 03(я)
0.0000Е+00 1.4430Е+01 5.5790Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 5.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 4.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 0.0000Е+00 3.7100
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.