Геиераторные газы. Процесс безостаточной газификации осуществляют

В газоге нераторах путем продувания воздухом слоя раскаленного топлива. В нижней части слоя происходит сгорание углерода топлива с образованием С02 [201, 202].

В результате экзотермического процесса, сопровождающегося выделением -—98 ООО ккал/кг-атом сгоревшего углерода, происходит разогрев слоя топ­лива до температуры порядка 1200°

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

С 4 Со2’+ з,7бгад= 2со + здая.

В результате процесса восстановления С02 углеродом топлива до СО получают воздушный газ, состоящий из 34,7% СО и 65, 3% Г^2.

Теплота сгорания идеального воздушного га«а — 1050 ккал/нм3. Ре­альный воздушный газ содержит некоторое количество непрореагировав­шей С02 и соответственно меньшее количество СО.

Теплота реакции восстановления по Гессу, равна

<2 = <2^ — 2()Со = 98 000 — 2-68 000 = —• 38 000 ккал.

В соответствии с этим слой топлива в зоне восстаповления охлаждается. Суммарная теплота реакции образования идеального воздушного газа равна

С + 02 + 3,76141 = СОа + 3,76Иа + 98 000 ккал + С + СОа + 3,76^ = 2СО + 3,7ГЛТа — 38 000 ккал

2С + Ог + 3,7(Шг = 2 СО 3,76Р1* 4 00 000 ккал

Развиваемая при идеальном процессе температура составляет

, ____________ 60 000___________ , оППо

22,4 (2 СО + 3,76 N2) С

Где С — теплоемкость двухатомных газов в температурном интервале от 0 до 1500°, равная 0,35 ккал/нм3 °С (см. табл. 24).

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

С + нго =;со + н2.

Теплота реакции равна

(? = (?с -(<?со + <?нг) =98000 — (68 000 + 58000) = -<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/нмя (см. табл. 95).

При газификации битуминозного топлива горячий генераторный газ из зоны восстановления проходит через слой подлежащего газификации топ­лива и обогащается летучими веществами, выделяющимися из топлива нри его нагревании. В результате этого теплота сгорания газа, генерируемого из торфа и других видов битуминозного топлива, составляет около 1500 ккал/нм3, т. е. примерно на 300 ккал выше, чем генераторных газов, производимых из тощего топлива [166].

Примерный состав смешанных генераторных газов и их теплотехниче­ские характеристики приведены в табл. 95.

Жаропроизводительность смешанных генераторных газов, забалласти­рованных N2 и С02, на 300—400° ниже жаропроизводителыюсти природных газов.

В02 тах смешанных генераторных газов составляет около 20,0%.

Наличие в генераторном газе азота снижает его жаропроизводительность. Получить генераторный газ высокой жаропроизводителыюсти, т. с. 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 цроцесс — холодное дутье (С

4- НаО = СО 4- 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 потенциалы! ого и физического теп­ла низкокалорийных газов.

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

В реальном водяном газе содержится 50% Н2, 40% СО, 5% С02и 5% 1Ч2.

Низшая теплота сгорания водяного газа около 2500 ккал/нм3, т. е. значи­тельно ниже теплоты сгорания коксового и в особенности природного газов. Однако жаропроизводительность водяного газа, обусловленная высокой тем­пературой горения Н2 и СО, составляет около 2200°, т. е. превышает жаропро­изводительность коксового и природного газов.

К. п. д. установок водяного газа, работающих без использования тепла газов горячего дутья, — 50%, а при утилизации отбросного тепла — норядка 80%.

Недостатком генераторных газов является их высокая стоимость и ток­сичность.

До развития промышленности природного гааа смешанные генератор­ные газы широко использовали в качестве топлива для промышленных печей, а водяной газ — для производства водорода по конверсионному и же- лезо-паровому методам и для осуществления весьма высокотемпературных процессов.

В настоящее время эти виды искусственного газообразного топлива в рай­онах, подключенных к газопроводам, заменены более дешевым и нетоксич­ным природным газом [204].

Доменные газы. В процессе выплавки чугуна в домнах в результате продувания воздуха через слой кокса происходит образование доменного газа, по составу близкого к воздушному газу, получаемому в газогеперато — pax. Доменный газ, помимо С02, образующийся 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 ес восстановления

С + FeO = Fe + СО,

СО + FoO = Fe + С02;

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

СаСОа = СаО + С02.

В результате образования С02, не сопутствуемой азотом, R02max Домен­ного газа превышает С02тах генераторных газов и углерода (т. е. выше 21%). Еще более повышает R02Iljax 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 R02max доменного газа.

В результате воздействия перечисленных факторов R02max доменного газа испытывает значительные колебания и в большинстве случаев равно 24— 26%.

Примерный состав доменного газа приведен в табл. 95. Величину В02тах доменных газов при содержании в них водорода менее 2,5% предложено определять по формуле

В02 гаах = 23,3 + 0,0188 ROa, а при большем содержании водорода по формуле ROamax= 23,1 +0,0149 R022.

Теплота сгорания доменных газов зависит от соотношения горючих ком попрптов к балласту, т. е. определяется отношением

СО + На

СО;>-{- N2

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

Увеличение содержания кислорода в дутье, естественно снижая содер­жание азота в доменном газе, повышает его теплоту сгорания. Теплота сго­рания доменного газа колеблется в значительных пределах: большей ча­стью от 800 до 1000 ккал/нм3 [166, 205].

Примерные обобщенные теплотехнические характеристики доменных га­зов: Јmax — 1500°; ^max—1470 Р — 600 ккал/нм3; R02ma3t — 24,5%; В —

0,98.

Поскольку жаропроизводительность доменного газа невысока, исполь­зовать его для отопления мартеновских печей в смеси с коксовым газом не­рационально. Эффективные области применения доменного газа: воздухо­нагреватели доменных печей, коксовые печи, низкотемпературные ПЄЧІІ и сушилки, котельные установки. Следует отметить высокую токсичность до­менного газа. 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.

При выплавке 80 млн. т. чугуна в год и выходе доменного газа порядка 3500 м3/т чугуна ресурсы доменного газа в стране составляют округленно 250 млрд. м3, что соответствует по теплу примерно 30 млрд. м3 природного газа и почти в два раза превосходит запас тепла в коксовом газе.

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 оп 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» [58, стр. 542].

Идею подземной газификации высоко оцепил В. И. Ленин.

Для претворения в жизнь этой идеи были созданы станции подземной газификации: Подмосковная, Горловская в Донецком бассейне, Южно-Абин- ская в Кузнецком бассейне и др. Был отработан процесс подземной газифика­ции углей с получением газа с теплотой сгорания от 700 до 1200 ккал/нм3. Таким образом, идея подземной газификации, представлявшаяся многим фантастической и нереальной, оказалась вполне осуществимой.

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

Газы с весьма низкой жаропроизводительностью. К числу газов с весьма низкой жаропроизводительностью, затрудняющей их использование, при­надлежат: ваграночные газы; газы горячего дутья генераторных станций водяного газа; газы, получаемые в процессе выжига кокса и регенерации катализатора на нефтеперерабатывающих заводах; газы сажевых заводов.

Ваграночные газы получают в результате продувания воздухом раска­ленного слоя кокса в вагранках. Таким образом, они по существу принадле­жат к числу воздушных генераторных газов, но отличаются от ппх повышен­ный содержанием С02 и соответственно пониженными содержанием СО, теплотой сгорания и жаропроизводительностью. Ваграночные газы вслед­ствие нх низкой температуры горения часто выпускают в атмосферу без ис­пользования. Это ведет к потере топлива и загрязнению воздушного бассейна токсичной окисью углерода.

Методом безопасного использования ваграночных и других газов с низ­кой жаропроизводительностью является их сжигание совместно с природ­ным газом. Й02 шах газов коксовых вагранок составляет 20,5%. При замене части кокса природным газом Н02тах ваграночного газа заметно снижается.

Газы горячего дутья, получаемые в процессе разогрева слоя топлива в ге­нераторах водяного газа, близки по составу и теплоте сгорания к ваграноч­ным газам. Их использование осложняется периодичностью процесса горя­чего дутья и изменением состава газов в течение кратковременного периода горячего дутья, но вместе с тем в большой степени облегчается высокой температурой газов — 700—1000°.

В настоящее время вопросы использования тепла указанных газов утра­тили свою остроту в связи с заменой водяного газа природным, однако опыт, накопленный при использовании газов горячего дутья, представляет инте­рес для утилизации тепла других отбросных газов.

В процессе регенерации катализатора на заводах нефтеперерабатывающей промышленности прибегают к выжиганию кокса, отлагающегося на поверх­ности катализатора. При этом получают газы, наряду с С02 содержащие СО и другие горючие компоненты.

На заводах, производящих сажу для резиновой промышленности из природного газа и нефтепродуктов, получают газы следующего состава: С02 5—8; СО 3-4; Н2 9—12; 02 1—2; N3 75-76%.

Теплота сгорания сухих газов — порядка 700 ккал/нм3, а температура —250°. Газы сажевых заводов содержат до 50% водяного пара, соответствен­но снижающего теплоту сгорания и жаропроизводительность влажных газов.