Уголь - самый насыщенный углеродом вид ископаемого топлива.
При сжигании угля на тепловых электростанциях (ТЭС) образуется в 2 раза больше СО2, чем в процессе сжигания природного газа.
В связи с декарбонизацией мировой экономики предполагается отказаться от использования угля в качестве энергоресурса из-за превышения допустимого уровня выбросов в атмосферу твердых углеродных частиц, окислов азота.
Газификации угля позволяет его использовать в переходный период декарбонизации и снижать выбросы в атмосферу.
Технология газификации угля
Реакция газификации угля является высокотемпературным процессом взаимодействия углерода из топлива с окислителями.
Этот процесс необходим для того, чтобы получить горючие газы (Н2, СО, СН4).
В зависимости от применяемого сырья и вида конверсии (водяным паром или нестехиометрическим количеством О2) соотношение компонентов в газовой смеси изменяется в широких пределах:
СН4 + Н2О : СО + 3Н2
СН4 + ½O2 : СО + 2Н2
-СН2-+ Н2О : СО + 2Н2
-СН2-+ ½O2 : СО + Н2
Окислители:
кислород (или обогащенный им воздух),
водяной пар,
диоксид углерода (СО2)
или комбинации перечисленных веществ.
Основные реакции при газификации угля - реакции неполного окисления углерода органической массы, гетерогенные превращения угля с образованием газообразных продуктов:
С + 1/2 O2 : СО,
С + СO2 : 2 СO2,
С + Н2О : СО + Н2
Первичные продукты газификации, например СО2, могут реагировать с углеродом угля.
Сопутствующие газификации угля продукты его термического разложения:
диоксид углерода,
вода,
водород,
продукты полукоксования (углеводороды), которые также могут взаимодействовать с раскаленным углеродом.
Скорость реакции газификации - соответствует техническим целям.
Температура - высокая, при которой образование высших углеводородов практически исключается.
Угольная сера - нежелательная примесь, переводится в сероводород и сероуглерод.
Состав и теплота сгорания полученного в результате газификации газа различны и зависят от его использования:
горючий газ (для технологического и энергетического сжигания) - наличие большего объема метана и отсутствие нежелательных продуктов полукоксования угля: масла, смолы, фенолы,
синтез-газ ( химсырье для производства метанола, аммиака, использование в процессе Фишера-Тропша для производства жидкого топлива) - определенное соотношения СО:Н2 и Н2*2, что достигается подбором условий техпроцесса и выбором состава газифицирующего агента( состав: кислород и водяной пар).
восстановительный газ (в металлургической промышленности) - для прямого восстановления железной руды и др..
Классификация газификации:
По состоянию топлива в газогенераторе:
газификация в неподвижном слое;
газификация в медленно опускающемся слое твердого топлива;
газификация в кипящем слое;
газификация в потоке пылевидного топлива.
На различии подвода тепла к реактору газификации - эндотермический процесс:
автотермический, необходимое для газификации тепло, получают путем сжигания части введенного топлива в присутствии кислородсодержащих газифицирующих агентов,
аллотермический, тепло подводится извне с твердого или газообразного теплоносителя.
По принципу организации потока. Мелкозернистый или пылевидный уголь газифицируют при подаче в одном направлении угля и газообразного газифицирующего агента.
Это техническое решение имеет ряд преимуществ по сравнению с процессами газификации в неподвижном слое:
- более низкую стоимость мелкозернистого топлива по сравнению с кусковым;
- возможность применения сырья любой степени газификации, прежде всего любой спекаемости;
- отсутствие побочных продуктов - смолы, масла, фенолов и др.
- если газификацию проводят при повышенном давлении, значение этих факторов еще более возрастает, так как производительность генератора увеличивается пропорционально давлению.
В настоящее время:
совершенствуются существующие технологии газификации под давлением,
разрабатываются принципиально новых технологических процессов под давлением,
разрабатываются технологии повышения реакционной температуры,
разрабатываются технологии без использования дорогостоящей кислородной установки.
Повышение давления:
позволяет увеличить производительность, что повышает концентрация газифицирующего агента.
влияет на равновесие в процессе газификации.
благоприятно отражается на габаритных размерах газогенератора и скрубберов,
дает экономию затрат на компрессию, так как производимый газ занимает больший объем, чем газифицирующий агент.
делает возможным применение физических очистки газа, которые неэффективны при атмосферном давлении, экономить стоимость чистящего агента, снижать его потребления .
Повышение реакционной температуры:
увеличивает производительность газификатора;
уменьшает удельный объем газификатора,
снижает выход смол или нежелательных углеводородов,
за счет смещения равновесия при высоких температурах выходит газ с более высоким восстановительным потенциалом вследствие низкого содержания СО2 и более глубокого разложения водяного пара.
Дано: смесь - RbNO₃,BaSO₄ массы газов тяжелее массы С₃H₄ на 40% Найти: m(исходной смеси)/m(конечной смеси) -? Решение: Пусть масса исходной смеси равна 100г. В ней содержится : x моль - RbNO₃ , у моль - ВaSO₄. Запишем уравнения реакций: 2RbNO₃--[t]-->2RbNO₂+O₂↑ BaSO₄--[t]-->BaO+SO₃↑ Молярные массы которые нужны для расчетов: M(RbNO₃)=148г/моль M(BaSO₄)=233г/моль M(O₂)=32г/моль M(SO₃)=80г/моль M(C₃H₄)=40г/моль 1: 148x+233y=100 - масса всей смеси !Находим химические количества газов по реакциям, а так же их массы: n(O₂)=n(RbNO₃)*1/2= x/2(моль) m(O₂)=n*M=32*x/2=16x (г) n(SO₃)=n(BaSO₄)=y(моль) m(SO₃)=n*M=80y (г) Из условия нам сказано,что масса смеси газов на 40% больше массы С₃H₄.Т.е иными словами: m(O₂)+m(SO₃)+0.4m(C₃H₄)=m(C₃H₄) Что же собой представляет масса С₃H₄?Все просто m(C₃H₄)=M(C₃H₄)*n(C₃H₄) ,где n(C₃H₄)=x+y В общем получаем: 16x+80y+0.4*40(x+y)=40(x+y) -8x+56y=0 8x=56y x=7y Далее осталось решить простенькую системку: 148x+233y=100 x=7y Решив систему получаем: x=0.552моль y=0.079моль Находим массу конечной смеси: m(конечной смеси)=m(исходной смеси)-m(смеси газов) m(смеси газов)=32*0.552+80*0.079=23.984г m(конечной смеси)=100-23.984=76.016г m(исходной смеси)/m(конечной смеси)=100/76.016≈1.31 раза ответ: А)1.31 раза
Газификация угля
Актуальность газификации угля
Уголь - самый насыщенный углеродом вид ископаемого топлива.
При сжигании угля на тепловых электростанциях (ТЭС) образуется в 2 раза больше СО2, чем в процессе сжигания природного газа.
В связи с декарбонизацией мировой экономики предполагается отказаться от использования угля в качестве энергоресурса из-за превышения допустимого уровня выбросов в атмосферу твердых углеродных частиц, окислов азота.
Газификации угля позволяет его использовать в переходный период декарбонизации и снижать выбросы в атмосферу.
Технология газификации угля
Реакция газификации угля является высокотемпературным процессом взаимодействия углерода из топлива с окислителями.
Этот процесс необходим для того, чтобы получить горючие газы (Н2, СО, СН4).
В зависимости от применяемого сырья и вида конверсии (водяным паром или нестехиометрическим количеством О2) соотношение компонентов в газовой смеси изменяется в широких пределах:
СН4 + Н2О : СО + 3Н2
СН4 + ½O2 : СО + 2Н2
-СН2-+ Н2О : СО + 2Н2
-СН2-+ ½O2 : СО + Н2
Окислители:
кислород (или обогащенный им воздух),
водяной пар,
диоксид углерода (СО2)
или комбинации перечисленных веществ.
Основные реакции при газификации угля - реакции неполного окисления углерода органической массы, гетерогенные превращения угля с образованием газообразных продуктов:
С + 1/2 O2 : СО,
С + СO2 : 2 СO2,
С + Н2О : СО + Н2
Первичные продукты газификации, например СО2, могут реагировать с углеродом угля.
Сопутствующие газификации угля продукты его термического разложения:
диоксид углерода,
вода,
водород,
продукты полукоксования (углеводороды), которые также могут взаимодействовать с раскаленным углеродом.
Скорость реакции газификации - соответствует техническим целям.
Температура - высокая, при которой образование высших углеводородов практически исключается.
Угольная сера - нежелательная примесь, переводится в сероводород и сероуглерод.
Состав и теплота сгорания полученного в результате газификации газа различны и зависят от его использования:
горючий газ (для технологического и энергетического сжигания) - наличие большего объема метана и отсутствие нежелательных продуктов полукоксования угля: масла, смолы, фенолы,
синтез-газ ( химсырье для производства метанола, аммиака, использование в процессе Фишера-Тропша для производства жидкого топлива) - определенное соотношения СО:Н2 и Н2*2, что достигается подбором условий техпроцесса и выбором состава газифицирующего агента( состав: кислород и водяной пар).
восстановительный газ (в металлургической промышленности) - для прямого восстановления железной руды и др..
Классификация газификации:
По состоянию топлива в газогенераторе:
газификация в неподвижном слое;
газификация в медленно опускающемся слое твердого топлива;
газификация в кипящем слое;
газификация в потоке пылевидного топлива.
На различии подвода тепла к реактору газификации - эндотермический процесс:
автотермический, необходимое для газификации тепло, получают путем сжигания части введенного топлива в присутствии кислородсодержащих газифицирующих агентов,
аллотермический, тепло подводится извне с твердого или газообразного теплоносителя.
По принципу организации потока. Мелкозернистый или пылевидный уголь газифицируют при подаче в одном направлении угля и газообразного газифицирующего агента.
Это техническое решение имеет ряд преимуществ по сравнению с процессами газификации в неподвижном слое:
- более низкую стоимость мелкозернистого топлива по сравнению с кусковым;
- возможность применения сырья любой степени газификации, прежде всего любой спекаемости;
- отсутствие побочных продуктов - смолы, масла, фенолов и др.
- если газификацию проводят при повышенном давлении, значение этих факторов еще более возрастает, так как производительность генератора увеличивается пропорционально давлению.
В настоящее время:
совершенствуются существующие технологии газификации под давлением,
разрабатываются принципиально новых технологических процессов под давлением,
разрабатываются технологии повышения реакционной температуры,
разрабатываются технологии без использования дорогостоящей кислородной установки.
Повышение давления:
позволяет увеличить производительность, что повышает концентрация газифицирующего агента.
влияет на равновесие в процессе газификации.
благоприятно отражается на габаритных размерах газогенератора и скрубберов,
дает экономию затрат на компрессию, так как производимый газ занимает больший объем, чем газифицирующий агент.
делает возможным применение физических очистки газа, которые неэффективны при атмосферном давлении, экономить стоимость чистящего агента, снижать его потребления .
Повышение реакционной температуры:
увеличивает производительность газификатора;
уменьшает удельный объем газификатора,
снижает выход смол или нежелательных углеводородов,
за счет смещения равновесия при высоких температурах выходит газ с более высоким восстановительным потенциалом вследствие низкого содержания СО2 и более глубокого разложения водяного пара.
смесь - RbNO₃,BaSO₄
массы газов тяжелее массы С₃H₄ на 40%
Найти:
m(исходной смеси)/m(конечной смеси) -?
Решение:
Пусть масса исходной смеси равна 100г. В ней содержится : x моль - RbNO₃ , у моль - ВaSO₄.
Запишем уравнения реакций:
2RbNO₃--[t]-->2RbNO₂+O₂↑
BaSO₄--[t]-->BaO+SO₃↑
Молярные массы которые нужны для расчетов:
M(RbNO₃)=148г/моль
M(BaSO₄)=233г/моль
M(O₂)=32г/моль
M(SO₃)=80г/моль
M(C₃H₄)=40г/моль
1: 148x+233y=100 - масса всей смеси
!Находим химические количества газов по реакциям, а так же их массы:
n(O₂)=n(RbNO₃)*1/2= x/2(моль)
m(O₂)=n*M=32*x/2=16x (г)
n(SO₃)=n(BaSO₄)=y(моль)
m(SO₃)=n*M=80y (г)
Из условия нам сказано,что масса смеси газов на 40% больше массы С₃H₄.Т.е иными словами:
m(O₂)+m(SO₃)+0.4m(C₃H₄)=m(C₃H₄)
Что же собой представляет масса С₃H₄?Все просто m(C₃H₄)=M(C₃H₄)*n(C₃H₄) ,где n(C₃H₄)=x+y
В общем получаем:
16x+80y+0.4*40(x+y)=40(x+y)
-8x+56y=0
8x=56y
x=7y
Далее осталось решить простенькую системку:
148x+233y=100
x=7y
Решив систему получаем:
x=0.552моль
y=0.079моль
Находим массу конечной смеси:
m(конечной смеси)=m(исходной смеси)-m(смеси газов)
m(смеси газов)=32*0.552+80*0.079=23.984г
m(конечной смеси)=100-23.984=76.016г
m(исходной смеси)/m(конечной смеси)=100/76.016≈1.31 раза
ответ: А)1.31 раза