Генераторные газы. Процесс безостаточной газификации осущест­вляют в газогенераторах, продувая воздухом слой раскаленного топли­ва. В нижней части слоя сгорает углерод топлива с образованием СОг.

В результате экзотермического процесса, сопровождающегося вы­делением ~98 000 ккал/кг-атом сгоревшего углерода, слой топлива ра­зогревается до температуры порядка 1200 °С.

Продукты реакции проходят через верхнюю зону слоя топлива и взаимодействуют с углеродом топлива с образованием СО:

C + C02 + 3,76N2=2C0 + 3,76N2.

В результате процесса восстановления СОг углеродом топлива до СО получают воздушный газ, состоящий из 34,7% СО и 65,3% N2.

Теплота сгорания идеального воздушного газа 1050 ккал/м3. Реаль­ный воздушный газ содержит некоторое количество непрореагировавшей СОг и соответственно меньшее количество СО.

Теплота реакции восстановления Q, по Гессу, равна

Q=QC—2Qco=98 ООО—2 • 68 ООО =—38 ООО ккал.

В соответствии с этим слой топлива в зоне восстановления охлаж­дается.

Суммарная теплота реакции образования идеального воздушного газа равна

С + 02+ 3,76N2=C02 3,76N2 + 98 ООО ккал С + С02 + 3,76N2 =2СО + 3,76N2—38 ООО ккал

2С + 02 + 3,76N2=2CO + 3,76N2 + 60 000 ккал Развиваемая при идеальном процессе температура составляет

60000 -13QQ°C

1 ~22,4(2CO+3,76N2)C ~~ louu

Где С — теплоемкость двухатомных газов в температурном интервале от 0 до 1500°С, равная 0,35 ккал/(м3-°С) .

Температура реального воздушного газа несколько ниже 1000 °С. Для использования располагаемого тепла воздушного газа устанавли­вают котлы-утилизаторы, генерирующие пар, или вдувают р генератор не воздух, а паровоздушную смесь. При этом вследствие использования экзотермического процесса окисления углерода кислородом воздуха проходит эндотермический процесс взаимодействия водяного пара с уг­леродом топлива с обогащением газа горючими компонентами

С + Н20=С0 + Н2.

Теплота реакции

Q=Qc—(Qco + QHa)=98 000 —(68 000 + 58 000) =—28 000 ккал.

В результате вдувания паровоздушной смеси получают смешанный генераторный газ. При газификации кокса, антрацита и других видов тощего топлива смешанный генераторный газ проходит через верхнюю зону топлива, подсушивая его за счет своего физического тепла, после чего отводится из газогенератора.

Низшая теплота сгорания смешанного генераторного газа при га­зификации тощего топлива составляет около 1200 ккал/м3 (см. табл. 121).

При газификации битуминозного топлива горячий генераторный газ из зоны восстановления проходит через слой подлежащего газификации топлива и обогащается летучими веществами, выделяющимися из топ­лива при его нагревании. В результате этого іеплота сгорания газа, ге­нерируемого из торфа и других видов битуминозного топлива, составля­ет около 1500 ккал/м3, т. е. примерно на 300 ккал выше, чем генератор­ных газов, производимых из тощего топлива [185—189].

Примерный состав и теплотехнические характеристики смешанных генераторных газов приведены в табл. 121.

Жаропроизводительность смешанных генераторных газов, забалла­стированных N2 и СОг, на 300—400 град ниже жаропроизводительности природных газов. Я02тах смешанных генераторных газов составляет около 20%.

Присутствие в генераторном газе азота снижает его жаропроизво­дительность. Получить генераторный газ высокой жаропроизводитель­ности, т. е. без балластирующего азота, можно двумя методами:

1) продуванием слоя топлива при генерировании газа не паровоз­душной, а парокислородной смесью, что, однако, связано со значитель­ным расходом энергии на производство кислорода или обогащенного кислородом воздуха;

2) осуществлением периодического процесса производства водяного газа, при котором эндотермический рабочий процесс — холодное дутье (С + Н20 = С0 + Н2 — 28 000 ккал)—компенсируется разогревом слоя топлива продуванием воздухом в течение второго вспомогательного периода — горячего дутья. Чередование холодного и горячего дутья, т. е. периодичность процесса, усложняет производство газа, а большой объем газов горячего дутья, содержащих наряду с С02 окись углерода, обусловливает необходимость создания установок для утилизации по­тенциального и физического тепла низкокалорийных газов.

Состав идеального водяного газа 50% Н2 и 50% СО.

В реальном водяном газе содержится 50% Н2, 40% СО, 5% С02 и 5% N2.

Низшая теплота сгорания водяного газа около 2500 ккал/м3, т. е. значительно ниже теплоты сгорания коксового и в особенности природ­ного газов. Однако жаропроизводительность водяного газа, обусловлен­ная высокой температурой горения водорода и окиси углерода, состав­ляет около 2200 °С, т. е. превышает жаропроизводительность коксового и природного газов.

КПД установок водяного газа, работающих без использования теп­ла газов горячего дутья, равен — 50%, а при утилизации отбросного тепла — порядка 80%.

Недостаток генераторных газов — их высокая стоимость и токсич­ность.

До развития промышленности природного газа смешанные генера­торные газы широко использовали в качестве топлива для промышлен­ных печей, а водяной газ — для производства водорода по конверсион­ному и железо-паровому методам, а также в весьма высокотемператур­ных процессах.

В настоящее время эти виды искусственного газообразного топлива в районах, подключенных к газопроводам, заменены более дешевым и нетоксичным природным газом.

Газы подземной газификации. Д. И. Менделеев, ознакомившись с пожарами угольных пластов, которые продолжаются иногда годами, пришел к мысли о возможности осуществления подземной газификации углей. В конце прошлого столетия он предложил: «Пробурив в пласту несколько отверстий, одни из них должно назначить для введения, даже вдувания воздуха, другие для выхода, даже вытягивания (например, инжектором), горючих газов» [64, с. 542].

Идею подземной газификации высоко оценил В. И. Ленин[10].

Для претворения в жизнь этой цели были созданы станции подзем­ной газификации: Подмосковная, Горловская в Донецком бассейне, Южно-Абинская в Кузнецком бассейне и др. Был отработан процесс подземной газификации углей с получением газа с теплотой сгорания от 700 до 1200 ккал/м3. Таким образом, идея подземной газификации, представлявшаяся многим фантастической и нереальной, оказалась вполне осуществимой.

В данный период необходимость широкого развития подземной га­зификации углей стала менее актуальной вследствие коренного измене­ния газового баланса страны в связи с открытием мощных месторож­дений высококалорийного природного газа.

Методы газификации углей и других видов твердого топлива вновь привлекают внимание в связи с проблемой защиты воздушного бас­сейна.

В процессе газификации сера, содержащаяся в твердом топливе, сначала окисляется до SO2, а затем восстанавливается до H2S в резуль­тате взаимодействия с Н2 и СО:

S + 02= S02; S02 + 2Н2 + СО= H2S + Н20 + С02.

Очистка газа от сероводорода хорошо разработана и широко осущест­вляется в технике. При значительном содержании в газе сероводорода процесс очистки от него может сочетаться с получением элементарной серы

Следовательно, газификацией углей можно получить топливо, про­дукты сгорания которого не загрязняют воздушный бассейн золой, са­жей и окислами серы.

Доменные газы. В процессе выплавки чугуна в домнах в результате продувания воздуха через слой кокса образуется доменный газ, по со­ставу близкий к воздушному газу, получаемому в газогенераторах. До­менный газ, помимо С02, образующейся в результате сгорания кокса в воздухе, содержит также двуокись углерода, которой азот не сопутст­вует. Дополнительное образование С02 в доменном газе обусловлено двумя факторами:

1) частичным окислением углерода топлива не кислородом возду­ха, а кислородом руды в процессе ее восстановления:

C + FeO=Fe + CO, C0 + Fe0=Fe + C02;

2) диссоциацией известняка, вводимого в доменную печь с целью связывания серы и перевода ее в шлак:

СаС03=Са0 + С02.

В результате образования С02, которой не сопутствует азот, С02 max доменного газа превышает С02 тах генераторных газов и угле­рода (т. е. более 21%). Еще более повышает C02max доменного газа вдувание в печь обогащенного кислородом воздуха. Вместе с тем за­мена в доменном процессе кокса природным газом, осуществляемая на металлургических заводах СССР в большом масштабе, понижает С02 max доменного газа.

В результате воздействия перечисленных факторов С02 max Домен­ного газа испытывает значительные колебания и в большинстве случаев равно 24—26%.

Примерный состав доменного газа приведен в табл. 121.

Теплота сгорания доменных газов зависит от соотношения горючих компонентов и балласта, т. е. определяется отношением

(C0 + H2):(N2 + C02).

Поэтому с увеличением степени использования СО и Н2 для вос­становления окислов железа в печи теплота сгорания газа снижается.

Увеличение содержания кислорода в дутье, естественно, снижая содержание азота в доменном газе, повышает его теплоту сгорания, ко­торая колеблется в значительных пределах: большей частью от 800 до 1000 ккал/м3 [190].

Примерные обобщенные теплотехнические характеристики домен­ных газов: *max=1500°C; ^=1470°С; /" = 600 ккал/м3, #02тах=24,5%; В = 0,98.

Поскольку жаропроизводительность доменного газа невысока, ис­пользовать его для отопления мартеновских печей в смеси с коксовым газом нерационально. Эффективно применение доменного газа в возду­хонагревателях доменных печей, коксовых печах, низкотемпературных печах и сушилках, котельных установках. Доменный газ высокоток­сичен.

Ресурсы доменного газа прямо пропорциональны количеству рас­ходуемого в доменных печах топлива. Расход топлива на единицу вы­плавляемого чугуна систематически снижается в результате повыше­ния температуры дутья, увеличения мощности доменных печей и усо­вершенствования технологического процесса. Однако быстрый темп рос­та выплавки чугуна в стране обусловливает увеличение расхода метал­лургического топлива [190].

При выплавке 100 млн. т чугуна в год и выходе доменного газа около 2000 м3/т чугуна ресурсы доменного газа в стране составляют округленно 200 млрд. м3, что соответствует по теплу примерно 25 млрд. м3 природного газа и почти в 2 раза превосходит запас тепла в коксовом газе.