Матеріальний і тепловий баланс реактору при виробництві газифікованого вугілля

Аналіз хіміко-технологічних систем для одержання газифікованого вугілля. Оптимальні умови проведення ХТП в реакторі. Розрахунок матеріального і теплового балансів хімічного реактору. Кількість і склад відходів, що утворюються в ХТС, методи їх утилізації.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

вступ

Дисципліна "Загальна хімічна технологія" відноситься до циклу загально професійних дисциплін. Мета виконання курсової роботи. - набуття практичних навичок формулювання математичного опису та проведення розрахунків матеріальних і теплових балансів хімічних реакторів, які є основною складовою будь-якої хіміко-технологічної системи.

Задачі, які вирішуються під час виконання курсової роботи:

ѕ аналіз існуючих хіміко-технологічних систем (ХТС) для одержання даного хімічного продукту, або проведення хіміко-технологічного процесу (ХТП) з виявленням їх достоїнств та недоліків;

ѕ виявлення оптимальних умов проведення ХТП в реакторі заданого типу та вплив різних технологічних параметрів на ефективність ХТП;

ѕ вибір технологічної схеми, виконання її креслення та опису згідно матеріалам, приведеним в навчальній та науково-технічній літературі;

ѕ формулювання математичного опису ХТП, визначення спрощень, припущень та вихідних даних до розрахунку матеріального і теплового балансів заданого хімічного реактору;

ѕ розрахунок матеріального і теплового балансів заданого хімічного реактору;

ѕ визначення кількості та складу відходів, що утворюються в ХТС та методів їх утилізації або знешкодження;

ѕ пошук технологічних рішень, направлених на вдосконалення ХТС.

газифіковане вугілля матеріальний тепловий баланс

1. Аналітичний огляд методів газифікації

1.1 Класифікація методів одержання водню та азотоводневої суміші газифікацією твердих палив

Газифікація - високотемпературний процес взаємодії вуглецю палива з окислювачами, що проводиться з метою отримання суміші горючих газів (H₂, CO, CH₄). Як окиснювачі або газифікуючи агенти застосовують кисень, водяну пару, двоокис вуглецю або суміш цих речовин.

Методи газифікації класифікують за:

· видом дуття: повітряна, повітряно-киснева, пароповітряна, паро-киснева;

· за тиском: при атмосферному тиску (0,1-0,3 МПа), середньому (до 2-3 МПа), високому (понад 3 МПа);

· за розміром вихідного палива: газифікація грудкового, дрібнодисперсного та пилоподібного вугілля;

· за конструктивними особливостями реакційної зони: у щільному шарі палива, в псевдо зрідженому шарі, в пиловугільному факелі;

· за способами виділення смоли;

· за способами підводу тепла: авто термічна (за рахунок внутрьошніх джерел), алотермічна;

· за теплотою згоряння одержуваного газу (в МДж/м³): низької (до 6-7); середньої (12-18) та високої (30-35) теплоти згоряння;

· за призначенням газів: для енергетичних і технологічних цілей (синтезу, виробництва водню, технічного вуглецю).

· за температурою газифікації: низькотемпературна (до 800^оС), середньо температурна (800--1300^оС), високотемпературна (1300^оС).

1.2 Газифікація вугілля в газогенераторах

У залежності від складу, співвідношення початкових речовин, температури, тривалості взаємодії можна отримати газові суміші різного складу. Процес газифікації в промислових умовах проводять в спеціальних апаратах, що називають газогенераторами, а газову суміш, яку одержують в результаті процесу - генераторним газом

Середній склад генераторного газу

Вид дуття	Склад, % об'ємні
	СО	Н2	СО2	СН4	N2
Пароповітряний	27,8	12,4	3,6	0,2	56,0
Парокисневий	40,0	41,0	16,5	0,9	1,6
Повітря	22,8	8,0	5,1	-	64,1

Загальні принципи роботи газогенераторів можна розглянути на прикладі найпростішого шарового газогенератора, який являє собою вертикальну шахту, у верхній частині якої є завантажувальний люк із затвором. У нижній частині газогенератора встановлено колосникові грати, через які в шахту подають газифікуючий агент. Зверху поступає тверде паливо.

При подачі в газогенератор кисню в зоні, розташованій безпосередньо біля колосникових грат (зона горіння або окислювальна зона) відбувається горіння твердого палива:

2С + О₂ = 2СО + 218,8, МДж/кмоль

С + О₂ = СО₂ + 394,4, МДж/кмоль .

Діокис вуглецю, що утворюється, відновлюється у відновній зоні новими порціями вуглецю:

СО₂ + С = 2СО - 175,6, МДж/кмоль

Якщо разом з киснем в генератор подають водяну пару, то у відновній зоні протікають реакції:

С + Н₂О = СО + Н₂ - 132,6, МДж/кмоль

С + 2Н₂О = СО₂ + 2Н₂ - 89,5, МДж/кмоль

У цьому випадку газ, що утворюється містить два горючих компоненти: оксид вуглецю і водень, які утворилися за рахунок гетерогенних реакцій.

Крім того, в газовій фазі можуть протікати гомогенні реакції між газоподібними продуктами:

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ + 43,1, МДж/кмоль,

СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О + 203,7, МДж/кмоль.

Метан в умовах процесу схильний до термічного розпаду:

СН₄ = С + 2Н₂ - 71,1, МДж/кмоль.

Поєднання цих і деяких інших реакцій визначає склад газів, що утворюються по висоті газогенератора. З відновної зони гази виходять з температурою 800-900⁰С. Проходячи через вугілля, що розташоване вище, вони нагрівають його, внаслідок чого протікає процес піролізу. Ця зона називається зоною піролізу або зоною напівкоксування. Гази, що виходять з неї, підігрівають і сушать вугілля у верхній зоні - зоні сушки. Дві нижні зони (окислювальна і відновна) складають зону газифікації, а дві верхні - зону підготовки палива.

У цьому процесі змінюється і склад твердої фази, оскільки в зону газифікації поступає кокс або напівкокс, а з неї виводиться зола.

Процес газифікації інтенсифікують шляхом підвищення температури, збільшення тиску газифікації, що дозволяє значно збільшити парціальні тиску реагуючих речовин, а також досягти збільшення швидкості дуття, концентрації кисню в дуття і збільшення реакційної поверхні.

На перших промислових установках як сировину використовували кам'яновугільний кокс, а згодом замість коксу газіфкації стали піддавати антрацит, кам'яне і буре вугілля, торф та інші види твердого палива.

1.3 Підземна газифікація

Підземна газифікація корисних копалин - спосіб розробки родовищ корисних копалин (вугілля, сланців, сірки і інш. копалин, що містять горючі компоненти), оснований на фізико-хімічних перетвореннях корисних копалин у газоподібні і рідкі продукти за допомогою повітря, водяної пари, кисню або їх сумішей при високій температурі. Підземна газифікація - складний комплексний процес, що включає прогрівання покладу, видалення вологи і легко летких компонентів, переведення в рідку фазу легкоплавких компонентів, процеси гетерогенного і гомогенного горіння, фільтрації газів, взаємодії компонентів газової фази, механічного розтріскування і обвалення порід внаслідок температурного впливу, конденсацію летких речовин і інш.

Рис. 1.1. Принципова схема підземної газифікації вугілля

Найважливіша ознака всіх способів підземної газифікації - їх авто термічність, що дозволяє підтримувати процес без підведення тепла ззовні, за рахунок екзотермічних реакцій частини горючих компонентів покладу з киснем дуття. Основним продуктом підземної газифікації вугілля є горючий газ; сланців і бітумів - горючий газ, рідке паливо, смоли, масла, феноли і інш. продукти; сірки - сірчистий ангідрид, рідка і пароподібна сірка.

Підземна газифікація вугілля включає буріння з поверхні вертикальних, похилих і похило-горизонтальних свердловин для подачі повітряного або киснево-повітряного дуття і відводу газу, що утворився, і створення в пласті між свердловинами реакційних каналів, в яких вугілля взаємодіє з потоками дуття і газу. Ці канали виконуються шляхом збійки свердловин. Трубопроводи для подачі дуття і транспортування газу, устано...