Одним из наиболее распространенных способов получения газа из углей является газификация в кипящем слое [1,2]. Воздушная газификация бурых углей в кипящем слое позволяет получить горючий газ без использования кислородного дутья.
В кипящем слое одновременно идут две реакции: 2C + O2 + 3,76N2 = = 2CO + 3,76N2 - частичного горения углерода с выделением теплоты и C + CO2 + + 3,76N2 = 2CO + 3,76N2 - эндотермическая реакция взаимодействия оставшегося углерода с диоксидом углерода. Часть продуктов газификации (1-х) поступает на горение со вторичным воздухом, где выделяется теплота: 2CO + 3,76N2 + O2 + 3,76N2 = 2CO2 + + 7,52N2. Продукты газификации и полного сгорания углерода отводятся раздельно.
При идеальном перемешивании твердой фазы в газогенераторе с кипящим слоем стационарную задачу о распределении температуры и концентраций реагирующих компонентов можно описать следующей системой уравнений:
где:
qx0 - теплота экзотермической реакции частичного горения углерода 2C+O2+3,76N2 = C+CO2+3,76N2 , отнесенная к массе исходного углерода, равная 16410 кДж/кг;
qx3 - теплота эндотермической реакции C+CO2+3,76N2 = 2CO+3,76N2 , отнесенная к массе исходного углерода, равная 8031 кДж/кг;
qx1 - теплота экзотермической реакции горения оксида углерода 2CO+3,76N2+O2+3,76N2 = 2CO2+7,52N2 , отнесенная к массе углерода, равная 16507 кДж/кг;
qy ; qвy; qвl ;qв2 -теплота, вносимая в газогенератор с углем, влагой угля, воздухом, подаваемым на газификацию и горение, отнесенные к массе угля и равные соответственно 27, 66, 116, 277 кДж/кг;
qнив у - теплота, затраченная на нагрев и испарение влаги угля, отнесенная к массе углерода и равная 1230 кДж/кг;
q3 ; q4 - потери теплоты с химическим недожогом и уносом угля, приняты равными 0,03 и 0,02 соответственно;
Cпг и Cпc - удельные теплоемкости продуктов газификации и сгорания, равные 9,68 и 9,2 кДж/(кгК), отнесенные к массе исходного углерода, соответственно; x - доля продуктов газификации, отводимая из газогенератора для полезного использования, а (1-х) - на сжигание для повышения температуры в кипящем слое;
GC - массовая скорость углерода на входе в кипящий слой, равная 0,12 кг/(с-м );
ρ0пг - плотность продуктов газификации при нормальных условиях, равная 1,51 кг/м3;
CCL - концентрация углерода в слое;
CC0 - концентрация углерода на входе в слой, равная 0,52 кг/м3;
P, P0 - давление в газогенераторе и атмосферное давление, равные 0,1 МПа;
rO2 ; rCO; rCo2 ;rN2 - объемные доли кислорода, оксида углерода, диоксида углерода и азота в продуктах газификации, м3/м3;
K2, K3 - константы скоростей реакций взаимодействия углерода с кислородом и углерода с диоксидом углерода, м3/(скг), взяты из [3];
R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(мольК);
t - температура в кипящем слое, oC;
ε - порозность кипящего слоя, равная 0,5.
Расчеты показывают, что при увеличении доли продуктов газификации, идущих на сгорание (1-х) увеличивается температура в кипящем слое и теплота сгорания Q, но количество полезно отводимого продукта газификации уменьшается. Однако, произведение B • х • Qir, кВт (где B - производительность газогенератора по продуктам газификации, м3/с) имеет экстремальный характер и достигает максимума 44 кВт при х = 0,925. При этих условиях температура кипящего слоя составляет 815 oC, теплота сгорания продуктов газификации 3629 кДж/м3.
ЛИТЕРАТУРА
- Альтшурер В.С., Сеченов Г.П. Процессы в кипящем слое под давлением. М.: Наука, 1963. 214 с., ил.
- Альтшурер В.С. Новые процессы газификации твердого топлива. М.: Недра, 1976. 280 с., ил.
- Лавров Н.В. Физико-химические основы горения и газификации топлива. М.: Металлургиздат, 1957. 288с.