Материальный и тепловой баланс в процессе получения синтез–газа

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

Теоретические основы проектируемого процесса

Характеристика исходного сырья, материалов и готового продукта

Описание технологической схемы

Материальный и тепловой баланс

Методы очистки

Заключение

Введение

Газификация топлив, превращение твёрдого или жидкого топлива в горючие газы путём неполного окисления воздухом (кислородом, водяным паром) при высокой температуре. При газификации топлив получают главным образом горючие продукты (окись углерода и водород). Газификацию топлив проводят в газогенераторах; получаемые газы называются генераторными. Их применяют как топливо в металлургических, керамических, стекловаренных печах, в бытовых газовых приборах, двигателях внутреннего сгорания и др.. Кроме того, они служат сырьём для производства водорода, аммиака, метанола, искусственного жидкого топлива и др.. Принципиально возможно газифицировать все угли, однако в этих процессах преимущественно используют молодые угли, от бурых до слабо спекающихся каменных. В качестве газифицирующих агентов обычно применяют воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода и (особенно в последнее время) водород, а также смеси этих веществ. Полученные газы содержат оксид и диоксид углерода, водород, метан, водяной пар и в виде примеси азот, который вносится с воздухом.

Серу, находящуюся в топливе в связанном состоянии и являющуюся нежелательной примесью, переводят в газообразный сероводород и серооксид углерода; количество последнего незначительно. В зависимости от способа газификации в газе могут находиться также продукты полукоксования угля.

Среди процессов газификации различают Автотермические, при которых тепло, необходимое для эндотермического процесса газификации, получают путем сжигания части введенного топлива кислородсодержащими газифицирующими агентами, и аллотермические, когда требуемое тепло подводится извне, с помощью твердого или газообразного теплоносителя.

Автотермические процессы в зависимости от направления реакционных потоков подразделяют на противоточные и прямоточные. Важное преимущество противоточных процессов - более благоприятные условия использования тепла; недостаток их заключается в смешении газа, образующегося при газификации, с газом термического разложения, содержащим сравнительно большое количество метана и высших углеводородов.

Газификация топлив, несмотря на большое разнообразие способов (непрерывные и периодические тарификация в кипящем слое, газификация угольной пыли и жидкого топлива в факеле, при атмосферном и высоком давлении, подземная газификация углей и др.), характеризуется одними и теми же химическими реакциями.

При газификации твердого топлива окислению кислородом или Водяным паром подвергается непосредственно углерод: 2С+ О2 =2С0 + 247 МДж (58 860 ккал); С + Н2О= СО + Н2 - 119 МДж (28 380 ккал). Однако весь углерод превратить в целевой продукт СО обычно не удаётся, часть его сгорает полностью: С + О2 = СО2 + 409 МДж (97 650 ккал). Образовавшийся при этом углекислый газ, в свою очередь, реагирует с раскалённым углеродом: СО2 + С = 2СО - 162 МДж (38 790 ккал).

В процессе газификации жидкого топлива под действием высокой температуры происходит расщепление углеводородов до низкомолекулярных соединении или элементарных веществ, которые и подвергаются окислению, например; СН4 + 0,5О2 = СО +2H2+ 34 МДж (8030 ккал): СН4 + Н2О = СО + 3Н2 - 210 МДж (50 200 ккал). Образующиеся при Г.т. газообразные продукты реагируют между собой: СО + Н2О = СО2 + Н2 + 44 МДж (10 410 ккал).

Для получения генераторных газов применяют различные 3 иды окислителей (дутья): воздух; смесь водяного пара с воздухом или кислородом; воздух, обогащённый кислородом, и др. Состав дутья подбирается так, чтобы тепла, выделяющегося в экзотермических реакциях, хватило для осуществления всего процесса. И зависимости от используемого режима и окислителей получают воздушный, водяной, пара воздушный, парокислородный и другие газы, отличающиеся друг от друга содержанием горючих компонентов (СО, Н, СН4 и др.).

Названия генераторных газов часто определяются составом дутья. Например, воздушный газ образуется при подаче в газогенератор воздуха. Состав воздушного газа, полученного из кокса (объемных %): 0,6 С02, 33,4 СО, 0,9 Н2, 0,5 СН4, 64,6 N2 теплота сгорания 4,53 МДж/м3 (1080 ккал/м3), Выход газа 4,65 м3/кг топлива. Состав воздушно so газа, полученного при газификации мазута под давлением 1,5 МН/м2 (15 кгс/см2) (объёмных %): 3,5 (CO2 +H2S), 21,0 СО, 17,5 Н2, 58 N2; теплота сгорания 5 МДж/м3 (1200 ккал/м3), Выход газа 6,1 м3/кг топлива.

Водяной газ (синтез-газ, технологический газ) образуется при взаимодействии раскаленного топлива с Водяным паром. Поскольку реакция получения Водяного газа эндотермична, то для накопления необходимого для газификации количества тепла слои топлива в генераторе периодически продувают воздухом (полученный при этом воздушный газ является побочным продуктом). Состав водяного газа из каменноугольного кокса (объёмных %): 37 СО, 50 Н2, 0,5 СН4, 5,5 N2, 6,5 СО2 , 0,3 H2S, 0,2 О 2 ; теплота сгорания 11,5 МДж/м3 (2730 ккал/м3), выход газа 1,5 м3/кг топлива. Применяя парокислородное дутьё, водяной газ можно получать непрерывно. Например, при газификации мазута под давлением 3 МН/м2 (30 кгс/см2) образуется газ состава (объёмных %): 46,8 СО, 48,8 Н2 3,8 СО2, 0,3 CH4 , 0,3 N2; теплота сгорания 12,3 МДж/м3 (2940 ккал/м3).

Смешанный газ (смесь воздушного и водяного газов) получают при Г. т. на паровоздушном дутье. Например, состав смешанного газа из кускового торфа (объёмных %): 8,1 (СО2 + H2S), 28 СО, 15 Н2, 3 СН4, 45,3 N2, 0,4 СmНn 0,2 О2; теплота сгорания 6,9 МДж/м3 (1660 ккал/м3), выход газа 1,38 м3/кг топлива.

Городской газ из угля получают на парокислородном дутье под давлением до 2-3 МН/м2 (20-30 кгс/см2); В этих условиях газ обогащается метаном; например, при газификации бурого угля образуется газ состава (объёмных %): 23,6 СО, 55,7 Н2 , 14,3 CH4, 5,5 N2 , 0,2 (СО2 + H2S) и 0,7 СmНn; теплота сгорания около 16,8 МДж/м3 (4000 ккал/м3), выход газа 0,97 м3/кг топлива. Городской газ из жидкого топлива получают комбинированием газификации и пиролиза под давлением. Мощность установок по производству газа из твердого топлива достигает 80 000 м3/час 3 одном агрегате; из жидкого топлива - до 60 000 м3/час. Преобладающая тенденция В развитии техники Г. т.- осуществление процесса под высоким давлением (до 10 МН/м и Выше) В агрегатах большой мощности. Степень использования тепла (кпд Г. т.), заключенного В топливе, составляет 70- 90%.

Газификация твердых топлив может быть охарактеризована как совокупность гетерогенных и гомогенных реакции; из них в конечном счете желательны те, которые приводят (В зaвucuмоcmи от цели процесса) к образованию СО, Н2 и СН4 в качестве составных частей газа. Газообразные смеси СО + Н2 с разным соотношением компонентов необходимы для многих синтезов.

В зависимости от состава топлива, природы окислителя, температуры и давления газы газификации различны по составу.

Скорость газификации зависит от свойств твердого топлива размера его частиц, температуры и газифицирующего реагента

Другой наибольшей реакционной способностью обладают древесный уголь, торфяной кокс. Чем меньше размеры частиц топлива, тем выше скорость газификации, так как при этом увеличивается поверхность контакта топлива с окислителем,

Если перерабатывают мелкозернистый ил и пылевидные уголь, систематизируют процессы по принципу организации потока. Кусковой уголь обычно газифицируют. В стационарном состоянии: загружаемое сырье медленно опускается, а газифицирующие агенты вводят снизу Преимущества этого способа обусловлены очень хорошей теплопередачей. При этом снижаются расходные показатели, и повышается общая эффективность процессов. Кроме того, В этом случае создаются особенно благоприятные кинетические условия для реакций: вновь загружаемое топливо взаимодействует с уже в значительной степени прореагировавшим газифицирующим агентом, а зола содержащая только небольшое количество углерода, наоборот, контактирует с не прореагировавшим газифицирующим агентом.

Эти достоинства, однако, оборачиваются и недостаткам и под влиянием прореагировавшего и нагретого газифицирующего агента протекает полукоксование угля, а нежелательные продукты полукоксования (масло, смола, фенолы) загрязняют газ. Все это значительно усложняет и увеличивает установку газификации. Кроме того, могут возникать трудности при переработке спекающихся углей, и для их устранения необходимо сооружать специальные устройства. Но эти устройства, обычно находящиеся в движении, и вращающаяся решетка, благодаря которой золу удаляют из реакционного объема в твердом состоянии, изнашиваются. Поэтому в таких газогенераторах увеличивается время простоя, и возрастает стоимость ремонтных работ.

Если заторможенный поток тонко измельченного твердого топлива совместно с газом движется снизу вверх, то с увеличением высоты слоя топлива растут и потери давления до некоторой предельной величины (точка разрыхления). После этого потери остаются почти постоянными в широком интервале повышения скорости дутья. Слой засыпанного твердого топлива разрыхляется газовым потоком, и переходит в состояние псевдоожижения, а при очень высокой скорости потока наступает значительный вынос твердых частиц. При этих условиях возникает состояние пневматического транспорта.

Состояние потока топлива между точкой разрыхления и областью начавшегося пневмотранспорта называется псевдоожижейным слоем. Тонкоизмельченные угли с частицами 0,5~ 3 мм обычно газифицируют в таком слое. Процессы в псевдоожиженном слое имеют ряд преимуществ. В этом случае возможна непрерывная подача топлива в газоанализатор, а хорошее перемешивание обеспечивает высокую теплопередачу, что приводит к равномерному распределению температур по всему слою. Благодаря хорошей теплопередаче можно быстро и легко регулировать температуру. Конструкция реактора проста, капиталовложения низкие.

Следует упомянуть, однако, и о недостатках газификации в псевдоожиженном слое. Вследствие турбулентности газового потока уголь смешивается с частично прореагировавшим газом. Из-за этого, а также потому, что равные частицы твердого топлива пребывают в реакторе неодинаковое время, довольно большая часть не прореагировавшего углерода выносится из газогенератора с сырым газом. Значительное повышение производительности приводит к увеличенному выносу загруженного, но не прореагировавшего исходного материала. Максимально возможная температура реакции ограничена температурой плавления золы содержащейся в исходном топливе. Этот процесс пригоден в основном для бурых углей и для очень реакционноспособных молодых каменных углей. Более старые каменные угли при назревании до температуры реакции могут спекаться, т. е. размер частиц неконтролируемо увеличивается. Поэтому газификация спекающихся углей в псевдоожиженном слое крайне проблематична.

Очень мелкий (пылевидный) уголь газифицируют при подаче в одном направлении и угля и газообразного газифицирующего.

Псевдоожиженный слой - не состояние газового потока, а совокупность твердых подвижных частиц, которые под действием газового потока совершают возвратно-поступательное движение в границах слоя

В зависимости от размера частиц газификацию проводят в газогенepaторах шахтного типа (куски от 35 до 100 мм), а также в псевдоожиженном (кипящем) слое (тонкоизмельченное топливо) при температуре газификации от 900 до 1200°С, но не выше температуры плавления золы, так как ошлакование золы затрудняет ее удаление и нарушает режим газификации.

Газификацию твердых топлив проводят в аппаратах - газогенераторах, представляющих собой вертикальную шахту цилиндрической формы диаметром 3,5 м и высотой 4,5 м, футерованную огнеупорным кирпичом. Нижняя часть тахты газогенератора опущена во вращающуюся чашу, заполненную водой для создания гидравлического затвора, причем стенки шахты не доходят до дна чашки и находятся в подвешенном состоянии. В чаше 5 крепится колосниковая решетка, через которую подается газифицирующий окисляющий агент.

Газогенератор сверху периодически загружается кусковым
топливом через загрузочную коробку при опущенном конусе затвора и закрытой крышке коробки. При пропускании, окисляющего агента через газогенератор происходит выгорание углерода из топлива, и оно постепенно опускается вниз. Образующаяся зола проводит через отверстия колосниковой решетки, и гасится водой в чаше, откуда удаляется.

Теоретические основы проектируемого процесса

Для некоторых реакций можно не учитывать наличие в топливе и газифицирующем агенте небольших количеств не основных составляющих (азот, сера, инертные газы). Если допустить, что твердое топливо состоит только из углерода, будут справедливы следующие уравнения:

С+02=С02 (1)

С+С02=2С0 (2)

С+2Н2=СН4 (3)

С+Н2О=СО+Н2 (4)

С0+ЗН2=СН4 +Н20 (5)

СО+Н2О=СО2+Н2 (6)

Этими уравнениями с достаточной полнотой описываются гетерогенные реакции образования желаемых газообразных соединений. Одновременно учитывается, что первичные продукты газификации, например С02 могут в дальнейшем взаимодействовать с углеродом, еще находящимся в реакционном объеме. Однако при этом не принимается во внимание, что из твердого топлива также получаются продукты его термического разложения: диоксид углерода, вода, водород и продукты полукоксования (углеводороды), которые могут взаимодействовать с раскаленным углеродом. Совместно с гомогенными превращениями первоначально образовавшихся газов

СО + ЗН2 =СО + Н2О (5)

СН4 + Н20=С02 +Н2 (6)

процессы в газогенераторе описываются уравнениями (1)-(6) с достаточной полнотой. Приведенные уравнения не учитывают образования углеводородов С2 и выше. Однако это ограничение обоснованно, потому что реакции газификации протекают со скоростью, достаточной для технических целей, только при таких высоких температурах, когда образование высших углеводородов практично.

Несмотря на интенсивные исследования в этой области, еще не разработаны общепринятые основы для расчета влияния этих параметров, их взаимное влияние может быть оценено только качественно. Три разных процесса влияют на скорость газификации:

1) химическая реакция, которая в интервале 600- 900°С является лимитирующей стадией газификации;

2) диффузия в порах, Влияющая на скорость газификации
до 12000С ;

3) диффузия в граничном слое.
Производительность газогенератора зависит и от других факторов, прежде всего от технологического оформления процесса в аппарате.

Характеристика исходного сырья, материалов и самого продукта

Важным продуктом переработки синтез--газа, получаемого углехимическим путем, может стать метан. В настоящее время, правда, синтез-газ, наоборот, производят из метана, прежде всего потому, что природный газ доступен по цене. Хотя получение синтез-газ из метана при перестройке химической промышленности на углехимическую основу естественно, не имело бы смысла, тем не менее, допустимо получать метан в виде полупродукта из смесей CO-f-H2, вырабатываемых газификацией угля. Другая вoзможность произвoдcтвa метана на углехимической основе - низкотемпературное разделение коксового газа, содержащего 25-30% (об.) СН4. При гидрогенизации угля и синтезе Фишера - Тропша тоже можно получать значительные количества метана из остаточных газов этих процессов. И, наконец, метан получают в недавно разработанных процессах гидрогазификации углей (особенно бурых), здесь не требуется проводить дорогостоящее метанирование синтез газа.

Метан как химическое сырье можно применять в следующих направлениях.

1. Получение ацетилена способами, применяемыми в настоящее время для переработки природного газа. Поскольку при некоторых из этих способов (например, при частичном окислении по способу BASF) образуется большое количество синтез-газа, недостатком была бы необходимость частичного обратного превращения метана в полупродукт.

2 Хлорирование метана с получением его хлорпроизводных. Следовало бы испытать, можно ли некоторые хлорпроизводные метана получать на основе химической переработки угля, но другим более выгодным путем, например получать хлористый метил взаимодействием метанола с хлористым водородом, хлористый метилен хлорированием хлористого метила, тетрахлорметан и перхлорэтилен при пиролизе углеводородов С2 и С3, получаемых синтезом Фишера - Тропша, в присутствии хлора.

3. Получение синильной кислоты аммонолизом метана (способ Дндруссова) или путем непосредственного взаимодействия метана и аммиака (способ фирмы Degussa). Однако на основе химической переработки угля можно проводить синтез и не через метан - синильную кислоту удобно получать из метанола, по старому формамидаммиачному способу.

Получение сероуглерода при взаимодействии метана с
элементной серой. Наряду с этим процессом в рамках углехимии можно было бы рассматривать взаимодействие кокса с серой в псевдоожиженном слое (как дальнейшую разработку старого ретортного способа получения сероуглерода), а также применение для этой цели углеводородов С2 и выше, синтезированных например, при гидрогенизации угля или по Фишеру - Тропшу.

Получение сажи. Это производство весьма экономично
именно на основе дешевого природного газа. Если исходить
из угля, то кроме выработки метана следует учитывать, кроме того, возможность использования для этой цели котельного топлива и остатков от дистилляции смолы, а также способ неполного сгорания высших углеводородов, образующихся при гидрогенизации угля и синтезе Фишера -Тропша.

Синтез метана из смеси СО+Н2 до сих пор рассматривают главным образом для получения высококачественного заменителя природного газа (газ SNG) для энергоснабжения. Если бы через действующую систему дальнего газоснабжения природным газом можно было подавать метан, это позволило бы обеспечить и его химическое использование, и применение в качестве только энергоносителя. В настоящее время во всем мире природный газ применяют и для химической переработки и для энергетических целей.

Технологическая схема

Способ Coalcon (Ф. Бигер, Б. Корнильс).

Способ Coalcon (называемый также способом «зола -- клинкер»), предложен институтом Battel Met. и фирмой Union Carbide под названием «процесс агломерации золы» и детально исследован в небольшом масштабе. Опытная установка производительностью 20 т угля в сутки построена в штате Огайо (США). Она рассчитана на давление 0,7 МПа. Вес предварительные исследования проведены при атмосферном давлении, и в настоящее время не считают целесообразным проводить работу при давлениях, существенно более высоких, чем 7 МПа. Метод работы ясен из рис.

.

Схема способа Coalcon по методу фирмы Battell -- UCC:

1--топка - регенератор; 2,5--циклоны; 3 газовый скруббер; 4-- за газогенератор; 6--скруббер для очистки газа.

Аппаратура состоит из двух реакционных агрегатов, работающих под давлением, -- газогенератора, в котором осуществляется газификация угля перегретым паром в псевдоожиженном слое, и топки-регенератора, где кокс сгорает с воздухом тоже в псевдоожиженном слое. Теплоносителем являются гранулы золы, которые выводят, из топки-регенератора и вводят в псевдоожиженный слой газогенератора. Уголь сушат и измельчают до частиц размером <0,4 мм и, если нужно, подвергают термообработке для уменьшения спекающейся способности. С помощью шлюзов, работающих под давлением, уголь подают в газогенератор пневматически -- инертным или рециркулирующим газом. Уголь вводят в верхнюю часть псевдоожиженного слоя на том же уровне, на который подают горячие гранулы золы. Гранулы золы и угля разделяются в псевдоожиженном слое за счет разности плотностей. Более тяжелые гранулы золы собираются в нижней, суженной по сечению части газогенератора. В этом месте скорость потока такова, что твердые частицы еще приводятся в состояние псевдоожижения. Зона контактирования горячих гранул золы и не прореагировавшего угля простирается почти до места, в котором поперечное сечение начинает уменьшаться. Выше находится зона, в которой содержатся в основном частички кокса. В верхних зонах устанавливается скорость, заметно превышающая скорость, необходимую для образования псевдоожиженного слоя. Зола переходит в нижнюю часть газогенератора, где оставшийся в золе углерод газифицируют паром, и выводят через центральный трубопровод, в котором с помощью распределительных пластин создается затвор для водяного пара. Основное количество золы возвращают на циркуляцию, а часть, соответствующую золе, вводимой с исходным углем, выводят из процесса. Золу, необходимую для процесса, доставляют в регенератор пневматически. Одновременно с золой через центральную трубу в топку поступает кокс из верхней чаcти газогенератора. В трубе с помощью распределительных пластин создается затвор для воздуха, подаваемого для сжигания кокса.

Сгорание происходит в нижней части псевдоожиженного слоя. В зоне горения требуется точное регулирование температуры, чтобы зола была пригодна для агломерации. Температуру нужно поддерживать в пределах (1100--1150) ± 30°С в зависимости от т. пл. золы. Температура газификации на 100--150°С ниже указанной.

Ниже представлены данные по составу газа (В % об.), получаемого способом Coalcon:

СО	Н2	СО2	С,,Н2,,	СН4
39	48-66	3-28	до 5	2-7

Его теплота сгорания равна Qb = 10,5 МДж/м3. Преимущество процесса Coalcon состоит в том, что при сжигании кокса в регенераторе образуются дымовые газы, которые содержат немного летучей золы и поэтому их можно использовать непосредственно в турбодетандере. В регенераторе можно применять вместо оставшегося кокса исходный уголь.

Описание установки

Газогенератор, аппарат для термической переработки твердых и жидких топлив в горючие газы, осуществляемой в присутствии воздуха, свободного или связанного кислорода (водяных паров). Получаемые в газогенераторе газы называются генераторными. Горение твердого топлива в газогенераторе в отличие от любой топки осуществляется в большом слое и характеризуется поступлением количества воздуха, недостаточного для полного сжигания топлива (например, при работе на паровоздушном дутье в газогенератор подаётся 33-35% воздуха от теоретически необходимого). Образующиеся В газогенераторе газы содержат продукты полного горения топлива (углекислый газ, вода) и продукты их восстановления, неполного горения и пирогенетического разложения топлива (угарный газ, водород, метан, углерод). В генераторные газы переходит также азот воздуха.

Газогенератор обычно представляет собой шахту. Внутренние стенки которой выложены огнеупорным материалом. Сверху этой шахты загружается топливо, а снизу подаётся дутье. Слой топлива поддерживается колосниковой решёткой. Процессы образования газов в слое топлива газогенератора показаны на рис. 1. Подаваемое в газогенератор дутьё вначале проходит через зону золы и шлака 0, где оно немного подозревается, а далее поступает в раскаленный слой топлива (окислительная зона, или зона горения 1), где кислород дутья вступает в реакцию с горючими элементами топлива. Образовавшиеся продукты горения, поднимаясь вверх по газогенератору и встречаясь с раскалённым топливом (зона газификации II), восстанавливаются до окиси углерода и водорода. При дальнейшем движении вверх сильно нагретых продуктов восстановления происходит термическое разложение топлива (зона разложения топлива III) и продукты восстановления обогащаются продуктами разложения (газами, смоляными и водяным и парами). В результате разложения топлива образуются вначале полукокс, а затем и кокс, на поверхности которых при их опускании вниз происходит восстановление продуктов горения (зона II). При опускании ещё ниже происходит горение кокса (зона Г). В верхней части газогенератора происходит сушка топлива теплом поднимающихся газов и паров. В зависимости от того, в каком виде подаётся в газогенератор кислород дутья, состав генераторных газов изменяется. При подаче в газогенератор одного воздушного дутья получается воздушный газ, теплота горения которого в зависимости от перерабатываемого топлива колеблется от 3,8 до 4,5 МДж/м3 (900-1080 ккал/м3). Применяя дутьё, обогащенное кислородом, получают так называемый парокислородный газ, содержащий меньшее количество азота, чем воздушный газ, теплота горения которого может быть доведена до 5-8,8 МДж/м3 (1200-2100 ккал/м3).

При работе газогенератора на воздухе с умеренной добавкой к нему водяных паров получается смешанный газ, теплота сгорания которого (в зависимости от исходного топлива) колеблется от 5 до 6,7 МДж/м3 (1200-1600 ккал/м3). И, наконец, при подаче в раскалённый слой топлива газогенератор водяного пара получают водяной газ с теплотой сгорания от 10 до 13,4 МДж/м3 (24 00- 3200 ккал/м3).

Несмотря на то, что идея газогенератора была выдвинута в конце 30-х гг. 19 В. В Германии (Битовом В 1839 и Эбелъманом В 1840), их промышленное применение началось после того, как Ф. Сименсом (1861) был предложен регенеративный принцип отопления заводских печей, позволивший эффективно применять генераторный газ. Изобретателям и первого промышленного газогенератора были братья Ф. и В. Сименс. Их конструкция газогенератора получила повсеместное распространение, и просуществовала в течение 40-50 лет. Только в начале 20 В. появились более совершенные конструкции.

В зависимости от вида перерабатываемого твёрдого топлива различают типы газогенераторов. Для тощего топлива - с незначительным выходом летучих веществ (кокс, антрацит, тощие угли), для битуминозного топлива - со значительным выходом летучих веществ (газовые и бурые угли), для древесного и торфяного топлива и для отбросов минерального топлива (коксовая и угольная мелочь, остатки обогатительных производств). Различают газогенераторы с жидким и твёрдым шлакоудалением. Битуминозные топлива обычно газифицируются в газогенераторе с вращающимся водяным поддоном, а древесина и торф - в газогенераторе большого внутреннего объёма, т. к. перерабатываемое топливо имеет незначительную плотность. Мелкое топливо перерабатывается в газогенераторе высокого давления и во взвешенном или кипящем слое.

По назначению газогенераторы можно разделить на стационарные и транспортные, а по месту подвода воздуха и отбора газа - на прямого, обращенного и горизонтального процесса. В газогенераторах прямого процесса движение носителя кислорода и образующихся газов происходит снизу вверх. В газогенераторах с обращенным процессом носитель кислорода и образующийся газ движутся сверху вниз. Для обеспечения обращенного потока средняя часть таких газогенераторов снабжается фурмами, через которые вводится дутьё. Так как отсасывание образовавшихся газов осуществляется снизу газогенераторов, то зона горения 1 (окислительная) находится сразу же под фурмами, ниже этой зоны следует зона восстановления II, над зоной горения 1 располагается зона III - пирогенетического разложения топлива, происходящего за счет тепла раскалённого горящего кокса зоны 1. Сушка самого верхнего слоя топлива в газогенераторах происходит за счет передачи тепла от зоны III. В газогенераторах с горизонтальным, процессом носитель кислорода и образующийся газ движутся в горизонтальном направлении.

При эксплуатации газогенератора соблюдается режим давления и температуры, Величина которых зависит от перерабатываемого топлива, назначения процесса газификации и конструкции газогенератора.

Бурное развитие газовой промышленности в СССР привело к почти полной замене генераторных газов природными и попутными, т. к. себестоимость последних значительно ниже. В зарубежных странах, где мало природного газа, газогенераторы широко применяются в различных отраслях промышленности.

Схема газогенератора: 1-- Загрузочная коробка; 2-- корпус затвора; 3-шахта; 4-- колосниковая решетка; 5--чаша; 6--шлак; I -- зона газификации; II--зона сухой перегонки; III--зона сушки.

Скрубберы (англ. scrubber, от scrub -- скрести, чистить), аппараты различной, конструкции для промывки жидкостями газов с целью их очистки и для извлечения одного или нескольких компонентов, а также барабанные машины для промывки полезных ископаемых. Широко используются при улавливании продуктов коксования и очистке промышленных газов от пыли, для увлажнения и охлаждения газов, в различных химико-технологических процессах. Скрубберы, применяемые для промывки полезных ископаемых (крупностью до 250--300 мм), представляют собой барабаны цилиндрической или конической формы. Материал, загружаемый в скрубберы, перемещается в барабане с помощью внутренней спирали или лопастями и промывается подаваемой внутрь водой; глинистые примеси при этом размываются. Прямоточные скрубберы применяют для легко - и среднепромывистых материалов, в них материал и вода продвигаются в одном направлении от загрузке к выгрузке и совместно разгружаются. Противоточные скрубберы используют для труднопромывистых материалов, в них вода вводится со стороны разгрузочного конца, и движется навстречу промываемому материалу. Скрубберы предназначены только для промывки или для промывки и грохочения материала. В последнем случае к глухому барабану присоединяется коническая перфорированная часть для отделения воды и мелкого материала. Такие скрубберы называют скруббер-бутарами. Разновидность скрубберов -- лопастная мельница, в середине барабана которой проходит вращающийся вал с лопастями. Параметры скрубберов: длина от 3 до 10 м, диаметр от 1,5 до 4 м, расход воды 3-- 6 м3/т; Время промывки зависит от степени загрязненности и составляет от 2 до 12 мин; производительность от 25 до 200 т.

Циклон в промышленности, аппарат для очистки воздуха (газа) от взвешенных в нём твёрдых частиц (капель) под действием центробежной силы (рис.). Запылённый газовый поток обычно вводится со значительной скоростью в верхнюю часть корпуса циклона через патрубок, расположенный по касательной или по спирали к окружности цилиндрической поверхности циклона; в результате газ приобретает вращательное движение, и движется по спирали сверху вниз, образуя внешний вихрь. При этом под действием центробежной силы инерции, взвешенные частицы отбрасываются к стенкам циклона, опускаются вместе с газом вниз корпуса циклона и, затем выносятся через пылеотводящий патрубок. Очищенный от пыли газ поднимается кверху через выходную трубу, образуя внутренний вихрь, и выходит наружу. Получили распространение также циклоны с осевым вводом газа, в которых вращательное движение газовому потоку придаётся с помощью т. н. направляющего аппарата, выполненного в виде винтообразных лопастей (винта) или розетки с наклонными лопатками.

Степень очистки газа от пыли в циклоне зависит от геометрических размеров и формы аппарата, свойств пыли, скорости потока газа и т.д. Улавливание частиц в циклоне улучшается с повышением скорости газового потока (наиболее эффективные скорости находятся в интервале: 20--25 м/сек), а также с уменьшением диаметра циклона. Поэтому для получения высокого кпд при большом количестве очищаемого газа применяют несколько параллельно установленных циклонов. В циклонах наиболее совершенных конструкций можно достаточно полно улавливать частицы размером 5 мкм и более.

Очищенный воздух Запыленный воздух

Циклон: а -- общий вид; б -- схема. 1 -- коническая часть корпуса; 2 -- цилиндрическая часть корпуса, образующая кольцевое пространство; 3 -- выходная труба; 4 -- металлический зонт.

Регенератор (от лат. regenero -- вновь произвожу) в теплотехнике, теплообменник, в котором передача теплоты осуществляется путём поочередного соприкосновения теплоносителей с одними и теми же поверхностями аппарата. Во время соприкосновения с «горячим» теплоносителем стенки регенератора нагреваются, с «холодным» -- охлаждаются, нагревая его. Регенератор с периодическим переключением теплоносителей состоит из нескольких камер, заполненных кирпичной кладкой (насадкой), в камеры поочерёдно поступают горячие дымовые газы и нагреваемые воздух или газообразное топливо. В регенераторе с непрерывным переключением теплоносителей либо насадка поочерёдно входит в зону омывания теплоносителями, либо насадка неподвижна, а вращаются воздушные патрубки, размещенные внутри газовых коробов (см. рис.). Регенератор с периодическим переключением теплоносителей обеспечивают подогрев воздуха до 1000--12000 С, с непрерывным -- до 4000 С, однако последние значительно компактнее и дешевле.

Схема регенератора с непрерывным переключением теплоносителя:

1 -- насадка; 2 -- воздушный патрубок; 3 -- газовый короб.

Материальный баланс

С+О2 = СО2;

С+СО2 = 2СО;

С+2Н2=СН4;

С+Н2О=СО +Н2;

СО+3Н2=СН4+Н2О;

СО+Н2О=СО2+Н2.

ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

Расчет установки производства синтез-газа.

Производительность установки, м/час 26

Степень превращения топлива 52

Содержание углерода в кокс ост, % масс 49

Температурный режим, 0С

Реактора 1280

Дымовых газов 280

Синтез-газа на выходе из него 700

Состав синтез-газа, % объем.

СО2 14,6

Н2 55,6

СО 26,2

СН4 1,8

N2 1,8

Выход смолы, % масс 4,6

Потери тепла % 7

Топлива с пылью, % масс 9

Переведем из м/час в кг/час:

Свхобщ=26*12/22,4=13,9 ка/час

Зная степень превращения топлива, определяем, сколько уз-ля вступило в реакцию:

13,9*0,52=7,228 кг/час

Тогда на выходе углерода будет:

13,9*(1-0,52)=6,672 кг/час

Зная основные реакции, выведем общее уравнение:

4С+О2+5Н2+2Н2О+ЗСО2+СО=2Н2+ЗС0+2СН4+2С02+Н20;

Теперь, зная расход угля на входе, рассчитаем остальные расходы веществ (которые вступят в реакцию):

H2вх=(7,228*2/12)/1,25=O,9637 кг/час.

Н2Овх = (7,228*18/12)/0,5=22,54 кг/час

О2вх=(7,228*16/12)/0,25=38,549 ка/час.

Примем коэффициент подачи Воздуха равным 1,5, тогда кислорода на входе будет:

О2вх=38,549*1,5=57,824 кг/час

Aзoma:

N2вх =57,824*78/21=214,77 кг/час.

Водорода:

H2вх =57,824*1/21=2,753 кг/час.

Предположим, что количество угля для реакций с 1 по 4 вступало в одинаковом количестве, тогда:

Тогда расход угля для конкретной реакции:

C2вых=7,228/4=1,807 кг/час.

Из первой реакции найдем СО2:

С02 вых=1,807+ 38,549= 40,356кг/час.

Известно, что 12% полученного СО2 вновь вступает в реакцию и это составляет 4,843 кг/час.

Тогда для реакции (2) найдем СО на выходе:

СОвых2 =1,807+4,843=6,065 кг/час.

Для реакций (4) и (6) вода подается в одинаковом количестве (10,932 кг/час).

Из реакции (4) найдем сколько СО и Н2 образовалось:

С0вых4 = (1, 807+ 10,932) *28/30=11,89 кг/час

H2вых4 = (l, 608+9,648)-10,506=0, 75 кг/час

Для реакций (3) и (5) водород подается не в равном соотношении. Вычислим его из суммарного уравнения реакции:

Для третьей реакции: H2вх3 =0,9637*2/5=0,385 кг/час

Для пятой: H2вх5 = 0,9637*3/5=0,5256 кг/час,

Из реакции (3) найдем образовавшийся метан:

СН4вых=1,807+0,385=2,192 кг/час.

12% полученного СО вступают в реакции (5) и (6). Это составит:

СОвх5,6=(11,89+6,65)*12/100=2,25 кг/час.

Следовательно, СОвх5= СОвх6=1,11 кг/час.

Тогда из уравнений (5) и (6) находим:

СН4 вых5=(1,11+0,5256)*16/34=0, 7696 кг/час.

Н2Овых5=(1,11+ 0,5256)*18/34=0, 8659 кг/час.

СО2вых6=(1,11 + 10,932)*44/60=8,830 кг/час.

Н2вых6=(1,11+ 10,932)*18/60=3,612 кг/час.

Теперь найдем расходы на выходе не прореагировавших веществ:

О2вых=57,824-38,549=19,275кг/час.

Н2вых =2,753-0,9637+3,612+0,849=6,25кг/час.

N2вых=214,77 кг/час.

СОвых =6,65+11,89-2,22=16,32 кг/час.

СО2вых=40,356-4,843+8,830=44,35 кг/час.

СН4 вых5=2,192+0,7696=2,9616 кг/час.

Теперь проверим правильность расчетов: расходы на входе и выходе должны быть равны расход на входе:

Свх + Н2Овх + О2вх + N2вх + СОвх + СО2вх + Н2вх =13,9+23,124+214,77+57,824+0,9657 = 310,1

Свых + Н2Овых + О2вых + N2вых + СОвых + СО2вых + Н2вых +СН4 вых = 6,672+19,275+5,7603+214,77+16,32+44,35+2,987= 310,1

Тепловой баланс

Qx.p.= Qпрчасти - Qлевчасти;

Q=G*C*T$

Qпрчасти= QобрСО+ QобрСН4+ QобрСО2+ QобрН2О

Qлевчасти= QобрСО+ QобрСО2+ QобрН2О

QобрСО=109800 кДж;

QобрСО=77870 кДж;

QобрСО=395000 кДж;

QобрСО=28600 кДж;

Следовательно, Qx.p = QобрСО+ QобрСН4+ QобрСО2 +QобрН2О -(QобрСО +QобрСО2 +QобрН2О)= QобрСН4=77870 кДж.

	400	700
C	1,21	1,45
О2	1,26	1,084
N2	1,14	1,187
СО	1,105	1,156
СО2	1,11	1,223
СН4	3,53	4,438
Н2О	2,064	2,274
Н2	14,671	14,848

На входе.

QвхC = 13,9*1,21*400=6727,6 кДж/ч.

QвхО2 = 57,824*1.26*400=29143.3 кДж/ч.

QвхN2 = 214,77*1,14*400=97935,12 кДж/ч.

QвхН2 =2,753*14,571*400=16044,48 кДж/ч.

QвхН2О = 21,864*2,064*400=18050,91 .Дж/ч.

QвхСО = 9,85*1,105*400=4353,7 кДж/ч.

На выходе.

QвыхС = 6,672*1,45*700=6772,08 кДж/ч.

QвыхО2 =19,275*1,084*700=14625,87 кДж/ч.

QвыхN2 = 214,77*1,14*400=97935,12 кДж/ч.

QвыхСО = 15,26*1,156*700=12348,392 кДж/ч.

QвыхСО2 = 43,35*1,223*700=37111,935 кДж/ч.

QвыхСН4 = 2,9287*4,438*700=9098,2994 кДж/ч.

QвыхН2О = 0,8288*2,274*700=1319,2838 кДж/ч.

QвыхН2 = 5,7603*14,848*700=59870,254 кДж/ч.

Теплоты на входе и выходе:

Qвх = 74319,99 кДж/ч.

Qвых = 141145,57 кДж/ч.

Теплота химической реакции:

Qх.р = 77870 кДж/ч.

Теплота потерь:

Qп = 5202,4 кДж/ч.

Теплота теплообмена.

Qт = 5841,6 кДж/ч.

Способы очистки газа

Пригодность того или другого способа очистки зависит от состава газа, характера и концентрации примесей. Несмотря на большое число предложенных способов, постепенно появляются новые, но ни один из до сих пор разработанных не может достаточно полно удовлетворить большой круг задач газоочистки.

При производстве синтез-газа из угля в зависимости от способа газификации получают (прежде вceso, 5 случае осуществления газификации в противотоке) сырой газ с относительно низкой температурой, загрязненный сернистыми соединениями и продуктами термического разложения. В случае способов, протекающих при высоких температурах, продукты термического разложения газифицируются настолько, что практически отпадает необходимость удалять из синтез--газа высококипящие углеводороды и аммиак. Если газификацию ведут при средних температурах, от газа нужно сна чала отделить сернистые соединения и продукты термического разложения угля. Это осуществляют способами, которые десятилетиями использовались при термической переработке углей. Их характеристика здесь не приводится.

Типичными загрязнениями присутствующими в синтез-газе из угля, являются так называемые кислотные компоненты (СО2 и H2S) наряду с небольшими концентрациями органических соединений серы. Для удаления всех этих примесей были разработаны многообразные процессы очистки.

Химическая очистка. Преимущество химической очистки состоит в том, что процесс можно направить на удаление специфических загрязнений. Самая известная и самая простая химическая очистка - вымывание аммиака из газов, содержащих диоксид углерода, водой с образованием раствора гидрокарбоната аммония. Эта водная промывка служит одновременно для охлаждения синтез--газа, а чаще всего и является первой ступенью его очистки, особенно, если газ получали среднетемпературной газификацией, так как водой можно отмыть и другие растворимые загрязнения - хлориды, фенолы, жирные кислоты, цианиды.

Способ обессеривания сухой массой, содержащей оксиды железа, ранее весьма распространенный, в настоящее время оказался неэкономичен для установок большой производительности по газу. Это определяется слишком большой потребностью в обслуживающем персонале и в рабочей площади при замене очистной массы, ее переработке и т. д. В настоящее время предпочитают, по крайней мере, для грубой очистки, промывку. В этом случае на ступени обессеривания можно применять те же процессы, что и для очистки газов, получаемых из другого сырья, например газификацией тяжелых масел или риформингом бензина кислородом и водяным паром. Для тонкой химической очистки с целью удаления органических сернистых соединений, а при относительно высокой температуре (~280°С) можно применять формовку из оксида цинка и из смеси его с оксидом железа.

Большие количества диоксида углерода, например, из газа конверсии, удаляют, промывая газ горячим раствором карбоната калия при ~100°С. Различные варианты различаются числом рабочих ступеней и содержанием активаторов в промывном растворе. Активатор оказывает не только каталитическое действие на адсорбционные и десорбционные реакции (и позволяет благодаря этому применять меньшую по размеру аппаратуру), но и защитное антикоррозийное действие. Для тонкой очистки от СО2 можно

промывать газ водным раствором аминов или метанирование.

В наши дни химическую очистку всегда осуществляют с циркуляцией и регенерацией промывного раствора. Регенерацию можно проводить в случае очистки от СО2 путем назревания и отгонка с водяным паром.

При отмывке газов от сероводорода также возможна подобная термическая десорбция (например, в алкацидном процессе). В других процессах отмытый сероводород отделяют, окисляя его кислородом в растворе до свободной серы, Выделяя серу фильтрованием (например, в процессах Giam marco - Vetrocoke или Stret-ford). В случае процессов с термической регенерацией требуется (в зависимости от наречения газа и других обстоятельств) дополнительная тонкая очистка газа от остаточного сероводорода.

Алкацидный процесс применяют для селективного удаления сероводорода или для совместной отмывки сероводорода и диоксида углерода. Используют два различных абсорбента: алкацид ДИК (растров калиевой соли диэтил-- или диметилглицина) -для отмывки от сероводорода - или алкацид М (натриевая соль аланина) - для совместного удаления Н2S и СО2. Газ очищают в противоточном абсорбере. Промывной раствор направляют через теплообменник в отпарную колонну, где жидкость нагревается водяным паром, подаваемым противотоком к ней. При этом выделяется так называемый кислотный газ. Очищенную промывную жидкость из отпарной колонны направляют через теплообменник и холодильник снова в абсорбер.

Промывка. Самый старый физический способ - промывка газа водой под давлением для удаления диоксида углерода (и сероводорода). Раньше этот способ широко применяли, но его осуществление связано с большим расходом электрической энергии и загрязнением окружающей среды.

Для очистки под давлением синтез газа, получаемого из угля, фирмами Lurgi - Linde разработан процесс Rectisol, в котором в качестве промывного агента используют метанол при низких температурах (до - 70 °С). В этом процессе - типичном процессе физической промывки - разные задачи следующих друг за другом ступеней промывки и тонкой очистки решаются с помощью единственного агента. Это достигается тем, что промывной агент наиболее целесообразным образом распределяете по многим ступеням промывки и регенерации. Благодаря такому методу сероводород, содержащийся в сыром газе в очень небольшом количестве, можно концентрировать с получением газа, пригодного для переработки в свободную серу или серную кислоту.

Перед использованием синтез газа следует только удалить оставшиеся малые количества оксида и диоксида углерода и метанола, например адсорбцией на молекулярных ситах, если в схеме не предусмотрена затем низкотемпературная промывка газа жидким азотом.

Комбинированная промывка. Типичный представитель этих процессов - процесс Sulfinol фирмы Shell. Реагентом для очистки служит смесь алканоламина (большей частью диизо-пропаноламин) и сульфолана. Первый компонент осуществляет химическую абсорбцию, а второй выполняет роль органического растворителя, который растворяет сероводорода почти в 8 раз больше, чем вода.

Газ, как и при алкацидном процессе, промывают в абсорбционной колонне под давлением раствором реагента в противотоке. При этом захватываются и органические сернистые соединения. В так называемой плоской башне отгоняют большую часть углеводородов, а жидкость направляют в отпарную колонну, здесь промывная жидкость при подаче водяного пара освобождается от кислотных газов. Реагент возвращают через теплообменник и холодильник в абсорбер.

Заключение

тепловой газ метан coalcon

В данной курсовой работе был рассчитан материальный и тепловой баланс в процессе получения синтез - газа. Так же была рассмотрена технологическая схема получения способом Coalcon.

Преимущество этого процесса состоит в том, что при сжигании кокса в регенераторе образуются дымовые газы, которые содержат немного летучей золы и поэтому их можно использовать непосредственно в турбодетандере. В регенераторе можно применять вместо оставшегося кокса исходный уголь.

Размещено Allbest.ru

...