научная статья по теме ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА ПРИ ГАЗИФИКАЦИИ ПОДМОСКОВНОГО БУРОГО УГЛЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА ПРИ ГАЗИФИКАЦИИ ПОДМОСКОВНОГО БУРОГО УГЛЯ»

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.

Показать целиком