Көмірдің плазмохимиялық газификациясының есептік теориялық зерттеу әдістері.

Кө мірдің газификациясының технологиясының жасалынуына қ ажет толық ақ параттарды экспериментпен қ атар, процестің оптималды параметрлерін жә не оларды іске асыру ү шін қ ондырғ ыладың конструктивті сипаттамаларын анық тайтын есептік-теориялық ә дістер арқ ылы алуғ а болады. Бұ л жағ дайда зерттеудің есептік-теориялық ә дістерін ү ш топқ а бө луге болады: термодинамикалық анализ, жылу жә не масса алмасудың жылулық -физикалық есептері, химиялық реакциялардың кинетикалық есептеулері. Термодинамикалық есептеулер жұ мысшы дененің сипаттамаларын (мақ сатты ө німдердің шығ ымы, меншікті энергия жұ мсалулар, қ осымша ө німдер ү лесі жә не т.б.) шекті тү рде береді. Отынның термохимиялық айналуларындағ ы шын процестердің кө рсеткіштері термодинамикалық тепе-тең дік кү йінен ауытқ итындығ ынан жә не қ арастырылып отырғ ан жү йедегі белгілі мө лшерде жылу алмасу мен масса тасмалдауды ескере отырып, кинетикалық есептеулермен коррекцияланатындық тан бұ л кө п жағ дайларда іске аса бермейді. Технологиялық процестердің [43-49], ә сіресе жаң а технологиялық процестердің жасалуын тү бегейлі қ ате техникалық шешімдерді болдырмау ү шін жә не параметрлердің шекті мә ндерін анық тау ү шін олардың термодинамикалық анализінен бастайды. Термодинамикалық анализді негізгі термодинамиканың заң дарын тү рлі қ атынастарда қ олдану арқ ылы жү ргізеді. Химиялық термодинамикада кең таралғ ан қ атты отын газификациясының ө німдерінің тепе-тең дік қ ұ рамын есептеу ә дісі қ арастырылып отырғ ан процестердің химиялық реакцияларын қ олдану жә не олардың изобара-изотермиялық потенциалын () тауып, соның негізінде реакцияның тепе-тең дік константасын есептеу болап табылады:

(1.1)

Мұ нда: жә не - жү йенің энтальпиясы мен энтропиясының ө згерісі.

Концентрацияның температурағ а тә уелділігін анық тау ү шін, (1.1)-тең деудегі К_р-ны Гульдберг пен Ваагенің ә рекеттесуші массалар заң ындағ ы компоненттердің тепе-тең дік концентрациясы (c_i) арқ ылы ө рнетелетін тепе-тең дік концентрациясына тең естіреді:

(1.2)

Мұ нда п_i – химиялық реакциятең деуіндегі стехиометриялық коэффициенттер.

Осылайша, термодинамикалық жү йенің компоненттерінің тепе-тең дік концентрацияларын есептеу ү шін жү йенің тепе-тең дікке жолын тә уелсіз химиялық реакциялардың жиынтығ ын жазу керек жә не олар ү шін тепе-тең дік концентрацияларын (1.1) и (1.2) тең деулермен анық тау керек. 25 элементке дейінгі элементтерден тұ ратын термодинамикалық жү йелердің (кө мір+тотық тырғ ыш) кү рделі қ ұ рамын ескерсек, бұ л жиынтық ондағ ан реакциялардан тұ руы мү мкін, ал компоненттер саны тепе-тең дік кү йде бірнеше жү зге жетуі мү мкін.

Аталып ө ткен факторлар тең деулердің громоздкие жү йелеріне алып келуі мү мкін. Сондық тан олардың олардың есептеулері тіпті заманауи компьютерлерді қ олданса да қ иындап кетеді. Осығ ан байланысты кө пкомпонентті гетерогенді жү йелердің универсалды есептеу ә дісін қ олданағ ан жө н. Ол тепе-тең дк кү йде болатын оқ шауланғ ан термодинамикалық жү йелердің максималды энтропия принципіне негізделеген. Бұ л принцип жү йе компоненттерінің концентрациясы жә не берілген айнымалылардың (температура, қ ысым, меншікті кө лем жә не энтальпия) қ андай да бір жұ бы жататын термодинамикалық еркіндік дә режесіне салыстырмалы максималды энропиямен сипатталады. Тепе-тең дік кү йге жету оқ шаулағ ан жү йедегі ішкі фазалық жә не химиялық ауысулар есебінен ө теді. Тепе-тең дік параметрлері жү йенің жалпы электробейтараптылығ ы, химиялық элементтер тұ рақ тысы, ішкі энергия, меншікті кө лем, қ ысым жә не жү йе температурасы арасындағ ы байланысты шарттардың шектеулерін ескеретін жү йенің максималды энтропиясын табу жайлы есептерді шешу арқ ылы анық талады.

Осылайша химиялық реакция тең деуін қ арастыру жә не (1.1), (1.2) тең деулер арқ ылы тепе-тең дік константасын есептеу артық болады. Сондық тан, тепе-тең дік концентрацияларын жә не жү йенің басқ а параметрлерін есептеу ү шін жеке заттардың тек қ ана екі террмодинамикалық функциясын: этальпия () жә не толық энтропияны () қ олдану жеткілікті. Олар келесі универсал комбинацияла кө птеген есептеулер ү шін қ олданылады:

(1.3)

(1.3)-ө рнек Гиббстың изобаро-изотермиялық потенциалының толық туындысы болып табылады. Нерснт тең деуі арқ ылы (термодинамиканың III заң ы) арқ ылы анық талынатын энтропияның максимум тең деуін оқ шауланғ ан жү йедегі масса жә не энергия сақ талу заң дарымен бірге қ олдану газды немесе конденсирленген жү йелердегі компоненттердің тепе-тең дік қ ұ рамын анық тауғ а мү мкіндік береді. Бұ л кө мірдің органикалық жә не минералды бө лігінің термохимиялық айналуларын қ арастырғ анда аса маң ызды рө лге ие болады.

Тепе-тең дік кү йдің тең деуінің есептеу жү йесін оң айлатумен, компоненттердің термодинамикалық қ асиеттерін есептеуге байланысты керек ақ параттарды қ ысқ артумен қ атар [46; 47] авторлар термодинамикалық жү йені қ апһ рапайы жеке заттардың жиынтығ ы ретінде қ арастыруғ а негізделген универсалды есептік алгоритм жасады. Аталғ ан жағ дайлар бұ л ә дісті металлургия секілді, қ ылым мен техникалық трлі саладарында қ олдануғ а мү мкіндік береді. Жылу тұ тыну саласында қ олдану қ ажетті есептеу мө лшерін азайтып, олардың компьютерде орындалу процесін автоматтандырады. Энтропия максимумы негізінде тепе-тең дікті есептеу ә дістері жә не массалар ә рекеттесу заң ына негізделген ә дістер бір-бірімен математикалық жолмен байланысқ ан. Жә не белгілі жағ дайларда энтропияны концентрациямен байланымтыратын тең деуден химиялық тепе-тең дік константалары тең деуіне ауысуғ а болады. Аталып ө ткен артық шылық тар авторларғ а [46; 47] универсалды бағ дарлама (ТERRA) мен алгоритм жасауғ а мү мкіндік берді.

Кө мір газификациясы процесінің термодинамикалық есептеулеріне арналғ ан кө птеген жұ мыстар ә рекеттесуші заттар заң ына жә не химиялық тепе-тең дік константасын анық тауғ а негізделген ә дістермен іске асырылғ ан [46-60].

[52; 55; 61] жұ мыстарда Екібастұ з жә не канско-ачинских кө мірлердің тү рлі тотық тырғ ыштармен (ауа-оттек қ оспасы, бу-ауа қ оспасы жә не кө міртек диоксиді) 1600-2600 К-де газификациялаудың есептеулері кө рсетілген. Тотық тырғ ыштың артық мө лшерін ө згерте отырып, кө мір газификациясының жоғ ары дә режесіне 88-98 % жетуге болатындығ ы кө рсетілеген. Минералды бө ліктің термиялық айналулары процесс температурсының жоғ ары болуына қ арамастан ескерілмеген. Европалық кө мірлердің тү рлі тотық тырғ ыштардың (О₂, Н₂О, СО₂) кқ мбинациясын жә не сутекті қ олданып газификациялау ә дістері [58]жұ мыста кө рсетіген. [56] жұ мыста 1373-2173 К температура аралығ ында практикалық дә лдікті қ анағ аттандыра жү ргізілетін тозаң кө мірлі газификациясының термодинамикалық есептеулерінің жең ілдетілген моделі ұ сынылғ ан. Бұ л модельде газификацияның ө інмдерінің тепе-тең дік қ ұ рамы химиялық тепе-тең діктің константасы секілді есептеліне алады[46].

[62] жұ мыста термодинамикалық анализ арқ ылы иршабородинский кө мірінің газификация жә не пиролиз реакцияларының эндотермиялық эффектісінің орнын толтыру ү шін электроэнергияны қ олдану негізінде техникалық шешімдерді қ арастыру іске асырылды. Газификация ө німдерінде кө мірдің органикалық массасының 28 компоненті анық талында. Отынның кү лділігі есепте қ арастырылмағ ан, бұ л алынғ ан нә тижелердің маң ызын азайтады. Оттек концентрациясының иршабородинский кө мірінің тотығ у ө німдерінің қ ұ рамына ә сері [63] жұ мыста зерттелген. Термодинамикалық есептер 1500-1900 К интервалында, тотық тырғ ыштың α = 0-1 артық мө лшерінде, яғ ни, пиролизден кө мердің толық жануына дейін орындалғ ан.

Авторлар тотық тырғ ыштың артық мө лшері бойынша негізгі 3 нү ктені айтып кетеді:

α = 0 кезінде оттек кө мірге жіберілмейді, қ ыздыру тек сыртқ ы жылу кө здерінің (пиролиз) есебінен іске асырылады.

α = 0, 34 кезінде кө мірдің СО-ғ а дейін тотығ уы жү реді жә не қ оспа жылу берілумен экзотермиялық реакциялар есебінен қ ыздырылады (газификация).

α = 1 кезінде кө мірдің толық CO₂, Н₂О жә не SO₂ –ге дейін жануы жү реді жә не температуралық дең гей экзотермиялық жә не кезекті жылу берілу арқ ылы орнатылады.

Кө птеген зерттеушілер плазмалық газификация мен кө мір пиролизі процестерінің термодинамикалық есептеулеріне назар аударуда [50; 56]. Кө мірдің плазмалық бу-оттекті газификациялауының бірінші есептеулері жасалынып, при Т=1373-1473 К кезінде синтез-газ (CО+H₂) тү зілуі мү мкн екендігі жә не плазмалы газификация ө німдерінде баланстаушы қ оспаның (СО₂ и Н₂О) жоқ екендігі кө рсетілді. Реалды жағ дайларда термодинамикалық тепе-тең дікке қ ол жеткізілмейтіндігі жә не температураны жоғ ары дең гейде ұ стап тұ ру керектігі де айтылып кетті. Есептерде минералдық бө лігі қ арастырылмағ ан.

[65] жұ мыста плазмалы технологияларды қ олдануда басты парамертр болып табылатын температура мен тотық тырғ ыш қ ұ рамының энергия жұ мсауына ә сері бағ аланғ ан. Ирш-Бородинский кө мірінің бу плазмалы газификациясы кезінде (Т=2000 К), қ ұ рамы келесдей: СО - 43, 67 %, Н₂ - 53, 7 %, СН₄ - 0, 25 % меншікті энергия шығ ымы 1, 4 кВт·ч/нм³ жетуі мү мкін.

Фоше [66] кө мірдің плазмалы газификация жолымен (СО₂ + Н₂О ортасында) тотық сыздандырғ ыш газ алу жә не онымен темір кенінің тотық сыздандырылу процестерін есептеді. Процестің жалпы меншікті энергияшығ ымы 4, 44 Вт·ч/кг-ды қ ұ рады. Термодинамикалық зерттеулерде [67] канско-ачинского кө мірінің автотермиялық жә не аллотермиялық энергетикалық кө рсеткіштерінің кең ейтілген ө рнектелуі жү ргізілген. Есептеулерде лазмалы газификациямен алынғ ан тазартылмағ ан қ ұ рғ ақ синтез-газдың жану жылуы 23, 72 МДж/кг, ал ағ ындағ ы автотермиялық газификацияда 9, 21 МДж/кг ғ ана, яғ ни, 2, 5 есеге аз болатындығ ы кө рсетілген. Осылайша, газификация процесінің КПС - 73, 28 %, плазмалық процесте – 92, 56% болады. Бұ л электроэнергияның плазмтронғ а кеткен шығ ынын есепке ала отырып, плазмалы газификацияның ПӘ К 90 % екендігін анық тағ ан [64] мә ндермен сә йкес келеді. Авторлар [67] есепте отынның минералды бө лігін ескермесе де, плазмалы технологиялардың бә секеге қ абілетті бө лігін олар кө птеген пайдалы заттарды минералды бө лігінен алу мү мкіндігімен байланыстырып отыр.

[56; 65] жұ мыстар жоғ ары қ арастырылғ ан жұ мыстардан КАУ жә не ЭУ пиролизі мен плазмалы газификациясы кезіндегі минералды бө ліктің термохимиялық айналымдарын, сонымен қ атар автотермиялық процестегі энергетикалық шлактарды ө ң деуді есепке алу талпынысымен ерекшеленеді. [56] жұ мыста 1000-5000 К температура интервалында қ оң ыр кө мірдің ү ш тү ріне қ атысты тепе-тең діктегі кө мір жү йесінің анализі орындалғ ан. Гетерогенді жү йелердің химиялық термодинамикасының бағ дарламасы бойынша 128 компонент ескерілеген. Газды фазаның қ ұ рамы қ арастырылғ ан кө мірдің элементтік қ ұ рамына қ атты тә уелді емес жә не металл оксидтері мен кремнезем конденсирленген фазада тек 2500 К-ге дейінгі температурада бола алатындығ ы дә лелденген. Осылармен қ атар, конденсирленген кү йде сұ йық металдар (Al Fe), жә не кремний карбиді (SiC) болатындығ ы анық талды. Термодинамикалық есеп нә тижелері аргон плазмасында 2000-4500 К температура диапазонында плазмалық аһ пиролиз бойынша эксперименттермен сә йкес келеді. Авторлар [56] осы негізде химиялық анализ арқ ылы анық талынатын қ атты қ алдық тың қ ұ рамы бойынша процесс температурасының дең гейін анық тау мү мкіндігі жайлы практикалық маң ызы зор екенідігін растады. [68] жұ мыста қ андыағ аш, кузнецк, екібастұ з кө мірлерінің атмосфералық қ ысымда, 400-4000 К температурада кө мірдің органикалық пен қ атар, минералды массасының 120 компоненті ескерілген газификация ө німдерінің тепе-тең дік қ ұ рамын есептеу нә тижелері кө рсетілген. Екібастұ з кө мірінің пиролизінің газ фазасында (мақ сатты ө нім – синтез-газбен қ атар) қ осымша ө німдер (SiO, Al₂O, CN жә не SiC₂) мен металлдар (Al, Fe, Mg и Ca) кездесетіні анық талды. Мұ ндай эффект Т> 2000 К кезінде байқ алады. Екібастұ з кө мірін газификациясы кезінде конденсирленген фазада тө рт фаза болады (силикатты фаза, графит фазасы, карбидтер фазасы жә не металдар фазасы). Жалпы, кремний карбидизациясы (SiC), алюминий (Al₄С₃) карбидизациясы жә не кальций сульфидизациясы (СаS) аталынып ө тіледі.

Жұ мыста [65] қ ұ рамында кө мір жә не кү л компоненттері бар кө мір гидрогенизациясының шлам ө ң деу процесінің анализі келтірілген. Ө ң деу процесін 400-6000 К аралығ ында атмосфералық қ ысымда су буы плазмасында жү ргізеді. Есептеулер екі фазалы жуық тауда жасалынғ ан: газ фазасы – химиялық ә рекеттесуші идеал газ, конденсирленген фаза – конденсирленген жә не химиялық ә рекеттесетін компоненттердің идеал ерітіндісі. Бұ л есептеулердің мақ саты: кө мірлі бө лігінен – сутек, кү лді бө лігінен – молибден ала отырып шламдарды комплекті ө ң деудің оптималды жағ дайын анық тау. Т < 2700 К кезінде тү гел дерлік молибден конденсирленген кү йде болатындығ ы анық талды. Т > 3000 К кезінде шамамен кү л шламының қ ұ рамындағ ы 50 % оттек жұ мсалады деген шартпен барлық молибденгаз фазасына таза кү йде ө теді. Соң ғ ы фактор ө ң деу сызбасының жаң а элементі болып табылады. Есептеулерде 143 компонент есепке алынса да кейбір ферросилиций, ферроалюминий, темір карбиді секілді маң ызды компоненттерге авторлар анализ кезінде назар аудармай кеткен.

Жоғ арыда қ арастырылғ ан кү рделі гетерогенді жү йелердің (кө мір+тотық тырғ ыш) термодинамикасына сә йкес есептік-теориялық жұ мыстардан тү рлі ортадағ ы отындардың тепе-тең дік термохимиялық айналуларының заманауи есептеулері нің ә дістері бар екендігін байқ аймыз. Кү шті персоналды компьютерлерді қ олдану кө пкомпонентті жү йелердің тепе-тең дігін есептеуге болады. Массалар ә рекеттесу заң ы мен масималды энтропияғ а негізделген термодинамикалық анализ ә дістері температура мен қ ысымның кең диапазонында жарамды болады. Бұ л оларды қ атты отындарды газификациялаудың плазмалы процестерін есептеуде жарамды етеді.

Энергияның жоғ ары концентрация мен интенсивті жылу жә не масса алмасуы нә тижесінде қ атты отын кіретін плпзмалы жү йе паралель жү ретін физикалық жә не химиялық процестердің кең диапазонымен сипатталады жә не кем дегенде бес айнымалы параметрлердің ескерілуін талап етеді: геометриялық гидродинамикалық жылуфизикалық масса алмасу жә не кинетикалық [69; 70].

Белгілі математикалық модельдер отын мен тотық тырғ ыштың термохимиялық айналуларын химиялық кинетика мен газодинамиканың дифференциалды жү йесінің қ осарланғ ан тең деуімен сипаттайды. Жоғ арғ ы температуралық екі фазалы ағ ындағ ы масса алмасу жә не химиялық кинетика қ ұ былыстары моделденілетін жұ мыстарды қ арастырумен шектелейік. Модельдеу бойынша алғ ашқ ы жұ мыстардың бірінде қ оң ыр кө мірдің гидропиролизі жағ дайында газ тектес ө німдердің жә не шайырдың шығ ымына жылу жә не масса алмасу процестерінің ә сері зерттелді. Модель бірө лшемді, ал кө мір бө лшектері температурасы жылу тасмалдағ ыш газ температурасымен (сутек) бірдей. Модель ұ шқ ыш заттардың шығ ымының қ ысымғ а тә уелділігін жақ сы сипаттайды. Бірақ ө німдердің шығ ымының температурағ а тә уелділігі эксперимент нә тижесімен сә йкес келмейді. Бұ л процестің химиялық жә не физикалық кинетикасын сипаттаудың нашарлығ ымен байланысты. Бірқ атар жұ мыстарда [70; 74; 75] аталып ө тілген кемшілік функционалды топтарды қ олданып, кө мір пиролизінің моделін жасау жолымен жойылады. Бқ л теория кө мірді бір-бірімен алифатты (С-С), эфирлі (С-О-С) кө піршелік байныстармен байланысқ ан ароматты сақ иналардан тұ ратын кластерлерге біріктірілетін функционалды топтардың ансамблі ретінде қ арастырады. Кө мір бө лшектері жылдам қ ыздыру кезінде функционалды топтарды сақ иналық кластермен байланыстыратын байланыстардың жең іл ұ шқ ыш компоненттер (СО, СО₂, Н₂О, Н₂, СН₄, НСN жә не т.б.) тү зіп ыдырауына алып келеді. Кө мірдің термоыдырауы кезіндегі функционалды топтардың шығ ымы бір-біріне тә уелсіз ө теді, ал шығ ым кинетикасы отын типіне тә уелсіз болады. Жең іл газ компоненттерінің шығ уымен қ атар, молекулалы фрагменттердің бө лінуімен мыдырауы жү реді. Жоғ арыда атылғ ан принциптерді қ олдана отырып, авторлар [75] 873 К-ге дейін қ ыздырғ анда кө мірдің термохимиялық айналуларының моделін ұ сынды. Жә не келесі болжамдар жасалынды:

а) тү рлі кө мірлер функционалды топтардың жалпы жиынтығ ымен сиаптталады жә не бір-бірінен осы топтардың концентрациямен ерекшеленеді.

б) кө мірді қ ыздыру кезінде функционалды топтар радикалды-тізбектік механизм бойынша ә рекеттеседі, кө мірдің термиялық айналулары функционалды топтардың реакциялар жү йесімен сипатталады.

в) модельге кіретін функционалды топтардың элементарлы реакцияларының жылдамдық константасы біртипті газфазалы реакциялар сияқ ты формалды кинетика ә дісімен анық талады.

г) газтектес, сұ йық ө німдердің жә не кокс тү зілу процесін сипаттау ү шін функционалды топтырдың концентрациямен қ атар функционалды топтардың кең істіктік орналасуына тә уелді реакциялық конфигурациялар қ олданылады.

Модель 20-ғ а жуық айнымалыларды қ амтиды. Осы секілді математикалық модельді жасауда «кө мір молекуласы» терминіне жү здеген айнымалылар қ ажет болар еді. Авторлардың [75] сө зсіз жетістігі функционалды топтардың элементарлы реакцияларының бір константалар жиынтығ ын қ олданып, тү рлі кө мірлердің термохимиялым айналымдарының моделін қ ұ раудың жалпы принципін жасаулары болып табылады. Кө мірдің гидропиролиз процесінің толығ ырақ математикалық моделі [70] жұ мыста кө рсетілген. Екі фазалы аң ынның гидродинамикасын жә не химиялық реакциялардың кинетикасын сипаттайтын бірө лшемді модель 53 сызық тық емес қ атты дифференциалдық тең деулерден тұ рады. Олар келесі рұ қ сат берілулер арқ ылы алынғ ан:

1. Жылу тасмалдағ ыш газ стационарлы жә не бірө лшемді.

2. Газ жә не кө мір бө лшектерінің жылдамдық тары ө зара ерекшеленеді.

3. Газдар идеал газ кү йінің сақ талу заң ына бағ ынады.

4. Газ бен бө лшектер арасында конвекция мен жылуө ткізгіштік арқ ылы жылу алмасу жү реді.

5. Кө мір бө лшегі изотермиялық болады.

6. Газ – қ атты дене реакциясының жылу эффектісі тек қ атты дененің температурасына ә сер етеді, ал газофазалық реакциялардікі – газ температурасына ә сер етеді.

7. Газ-қ атты реакциялары қ айтымсыз.

8. Кү л инертті компонент болып табылады.

9. Концентрациясы белгілі кү лді қ осқ анда кө мір функционалды топтардың 11 типінен тұ рады.

Ұ шқ ыш заттар бө ліну процесіндегі бұ л заттардың айналулары келесі ө німдердің тү зілуіне алып келеді: СО, СО₂, Н₂, Н₂О, СН₄, С₂Н₆, ауыр кө мірсутектер, шайыр жә не майлар.

Модель гидропиролиз ө німдерінің (СН₄, Н₂О, СО, шайыр) концентрациясының 1000-1200 К температурадағ ы реактор ұ зындығ ы жә не Н₂: кө мір қ атынасы 1, 2-ге жуық болуы бойынша ө згерісін сипаттайды. Реактордан шығ у кезіндегі есептік концентрациялар эксперименттік жолмен анық талынғ ан мә ндермен сә йкес келеді. Тең деулер жү йесін сандық интегралдау Гир ә дісімен [76; 77] іске асырылды.Авторлар [72; 78] қ ұ бырлы реакторда бө лшектерді қ ыздыру жылдамдығ ы жоғ ары(10³ - 10⁵ К·с^-1), бө лшектер ө лшемі < 100 болатын тозаң тектес кө мірдің газификациясы мен жануының математикалық моделін жасады. Модель стационарлы жә не бірө лшемді. Кө мір бө лшектерінің орташа ө лшемі 55 мкм болатын 5 фракциясы ұ сынылды.

Кө мір бө лшегі ұ шқ ыш заттардан, кокс, кү л жә не ылғ алдан тұ рады деп қ абылданғ ан. Бө лшекті қ ыздырғ ан кезде ылғ алдың булануы, ұ шқ ыш заттардың екі сатылы бө лінуі, кокс қ алдығ ының газификациясының гетерогенді реакциялары (2С + О₂= 2СО; С + СО₂ = 2СО; С + Н₂О = СО + Н₂), сонымен қ атар, ө німдерінің қ ұ рамы тепе-тең дік деп есептелінетін газ фазалы тотығ у реакциялары орын алады. Тең деулер жү йесі Адамс-Милтон ә дісімен интегралданады. Есептік жә не тә жірибелік концентрацияларды (СО, СО₂, О₂, Н₂О, N₂)қ ұ бырлы реактор ұ зындығ ы бойынша салыстыру жә не есептеу мен тә жірибеде бө лшек массасын жоғ алтуы жақ сы сә йкес келді (қ ателік 15 %-дан аспағ ан). кө мір бө лшектерінің максималды болу уақ ыты 0, 5 с болғ анда, газификация процесінің лимиттеуші сатысы кө мірді ұ шқ ыш заттарбө лінгенге дейін жә не кокс қ алдығ ының газ фазасымен гетерогенді реакциясы жү ргенге дейін қ ыздыру болып табылады.

[79] жұ мыстар пиролиз, газификация жә не полидисперсті кө мір бө лшектерін 300-2500К температура диапазонында жағ у процестерін модельдеуге арналғ ан. Модель процестің ү ш тобын қ амтиды:

- екі фазалы ағ ын динамикасы (кө мір мен газ бө лшектерінің, реактордағ ы жану ө німдерінің рециркуляциясы);

- отынның термохимиялық айнлу процестері (тез қ ыздыру, жартылай кокстың гетерогенді тотығ уы);

- газ фазасындағ ы процестер (ұ шқ ыш компоненттердің газ ағ ынындағ ы тотығ у реакциялары);

Модельде гетерогенді реакциялар Аррениус тең деуімен, гомогенді реакциялар локалды термодинамикалық тепе-тең дік жағ дайында іске асырылады. Бұ ны авторлар гетерогенді реакциялармен салыстырғ анда жылдамырақ кинетикамен тү сіндіріледі. Есептеулерде 7 газды компоненттер (СО, СО₂, Н₂, Н₂О, СН₄, О₂ и N₂), кө мір тозаң ының (5-150мкм) 10 фракциясын жә не қ ұ бырлы реактор қ абырғ асына қ атысты жылу жоғ алту есепке алынды. Сандық зерттеулер нә тижесінде координатағ а байланысты келесі негізгі параметрлер алынды.

- Бө лшектер мен газ жылдамдығ ы мен температурасы;

- Кө мір фракциясының газификациясының дә режесі;

- Жартылай кокс пен жанң ыш газ шығ ымы;

- Газдың химиялық қ ұ рамы мен оның жану жылуы;

Ең кіші бө лшектер (5-20 мкм) газифицирленіп қ ойғ ан жә не жартылай кокс пен ұ шқ ыш компоненттердің оттек концентрациясы жоғ ары зонада интенсифті тотығ уы жү ретін жалындану зонасында локальді температураның бірден кө терілетіні анық талды. Ірі бө лшектер жылу инерциясы нә тижесінде реактордың О₂ концентрациясы аз зонасында пиролизге ұ шырайды. Сондық тан жартылай кокс жә не ұ шқ ыш компоненттер бірінші СО₂ жә не Н₂О –мен теріс жылу эффектісімен ә рекеттеседі. Оның нә тижесі жалындану зонасындағ ы температураның біршама тө мендеуі болып табылады.

Есеп нә тижесі мен тә жірибе мә ндерін салыстыру алынғ ан газдың жану жылуы бойынша айрмашылығ ы (N₂ = 44, 17 %, СО₂ = 31, 45 %, СО =1, 2 %, Н₂ = 0, 26 %, О₂ = 2, 66 %, Н₂О = 20, 2 %) 10-15 %-ды қ ұ райтындығ ын кө рсетті. Кө мір газификациясының дә режесін (Х_с) анық таудағ ы қ ателік 5 %-дан аспады. Бұ л жерден авторлар қ абылданғ ан модельдің бірө лшемділігі ө зін ақ тады деп тү йді.

Тура ағ ысты реакторда [80-83] кө мірдің газификациясының моделі поифракциялық қ ұ рамды кө мір тозаң ының газификациясын температураларың кең интервалы (1500-2000 К) ү шін сипаттайды. Бұ л қ оспаны жағ уды қ амтамасыз ету ү шін жану ө німдерінің рециркуляция эфеектісі есепке алынды. Жү йе жылу жә не масса алмасуды, екі фазалы ортада гетерогенді жә не гомогонді ә рекеттесуді сипаттайтын 2N + 6 (N

Кө мірлі фракциялар ү шін) дифференциалды тең деулерден тұ рады. Тек қ ана гетерогенді реакциялардың кинетикасы ескерілді: С + СО₂ = 2СО и С + Н₂О = СО + Н₂. Газ фазасының қ ұ рамы бө лінген ұ шқ ыш компоненттердің жалпы мө лшерін есепке ала отырып, термодинамикалық тұ рғ ыдан тепе-тең дікке жақ ын деп есептелінді. Қ ыбылданғ ан рұ қ сат берулер арасында қ азіргі бар кө птеген газификация модельдеріне тә н бірнешеуін атап ө туге болады:

1. Кө мір бө лшектері – сфералық немесе гетерогенді ә рекеттесу контурлы бетке қ атысты, ал бө лшектердің ө здері изотермиялық болады.

2. Бө лшектердің сыералық болмауы жә не кеуекішілік ә рекеттесу эксперименталды жолмен анық талынатын эффективті кинетикалық константаларда жанама ескерілуі мү мкін.

3. Реактор бірө лшемді, ұ зындығ ы (4 м) диаметрінен (0, 05 м)ә лдеқ айда ү лкен.

4. Газ бен бө лшектердің салыстырмалы жылдамдығ ы нө лге тең. Бұ л бө лшек размері < 100 мкм болғ анды ә ділетті болады. Осығ ан байланысты газ-бө лшек жылу алмасуы тек жылуө ткішгіштік арқ ылы ғ ана іске асырылады.

5. Пиролиз жә не гетерогенді ә рекеттесу процесі сатылы жү зеге асады.

6. Газ фазасы ә р уақ ытта жақ сылап араласқ ан жә не термодинамикалық тепе-тең дікте болады.

7. Газ фазасы оптикалық тұ рғ ыдан мө лдір болады.

8. Бө лшек-бө лшек арасындағ ы жылу алмасу есепке алынбайды, бө лшек-қ абырғ а жылу алмасуы жә не қ абырғ ағ а жылу жоғ алту қ арастырылады.

9. Бө лшек бетіне СО₂, Н₂О, О₂ диффузиясы есепке алынады. Оның коэффициенттері бірдей жә не температура мен қ ысымғ а ғ ана тә уелді.

10. Гетерогенді реакциялардың жылу эффектісі қ атты фазағ а орнатылғ ан болады.

11. Аэроқ оспаның қ ыздырылуы температурасы сұ йық шлак температурасына жақ ын реактор қ абырғ аларынан жану жә не радиация рециркуляция ө німдеріне конвекциясы арқ ылы іске асырылады.

Есептеулер 0, 4-0, 5 с уақ ыт ү шін газификация дә режесі 97 %-ды, ал бу-оттек газификациясының ПӘ К 72-81 %-ды қ ұ райды. Тексеріс [83] газ қ ұ рамы мен кө міртектің газификация дә режесінің қ исығ ынан эксперименталды мә ндерден орташа квадраттық ауытқ уы 15 %-дан аспайтындығ ын кө рсетті. Авторлар [83] жалпы процестің ең шынайы интенцификация факторы газификациның температуралық дә режесінің артуы болып табылады.

Температура дең гейінің едә уір жоғ арылауын бу плазмасында кө мірдің плазмалы газификациясы кезінде іске асыруғ а болады. Оның моделі [71] жұ мыста келтірілген. Авторлар жоғ арыда аталғ андарғ акелесі рұ қ сат берілулерді қ осты:

1. плазмалы ток бө лшек бетінен алшақ болғ анда локальды термодинамикалық тепе-тең дікте болады.

2. Реактор ұ зындығ ы бойынша қ ысым градиенті .

3. Реакция ө німдері газ фазасының қ ұ рамы мен қ асиетіне ә сер етпейді. Яғ ни, газ фазалы реакциялардың кинетикасы қ арасырылмайды.

[84] жұ мыста турбулентті қ ұ былыстарды ескеретін кө мір тозаң ының газификациясы мен жануының екіө лшемді математикалық моделі қ олданылады. Бұ л ү шін уақ ыт бойынша орташаландырылғ ан тең деулер жазылады, ал диффузия мен тұ тқ ырлық коэфициенті олардың эффективті мә німен алмастырылғ ан. Пульсацияланғ ан қ озғ алыстың кинетикалық энергиясы мен диссипация жылдамдығ ы да есепке алынады. Плазмалы газификация моделі [86] келесі процестерді сипаттайды: температурасы 3000-4000 К тасмалдағ ыш газдың энтальпиясы жоғ ары ағ ынына бө лме температурасындағ ы кө мір бө лшектерін ә келеді. Олар конвекция мен жылу ө ткізгіштік есебінен ұ шқ ыш компоненттер бө лінгенге дейін қ ыздырылады. Бө лінген ұ шқ ыш компоненттер жылу тасмалдағ ыш газбен жә не ө зара ә рекеттеседі. Кө мір бө лшектерінің температурасын ә рі қ арай кө теру кезінде кокс қ алдығ ының газификациясының гетерогенді реакциялары басталады.

Авторлар [75; 85; 87-89]кө мірдің тү рлі метаморфизм дә режесіне қ атысты функционалды топтар теориясын дамытты. Олар бір-бірінен осы топтардың концентрациясы арқ ылы ажыратылады. Ә дебиеттерде функционалды топтардың концентрациясы туралы деректер жоқ болғ андық тан, кө птген кө мірлер ү шін бірінші жақ ындату кезінде біріншілік қ німдер ретінде бө лінген ұ шқ ыш компоненттердің қ ұ рамы мен мө лшері стандартты анализ ә дісімен анық талынатын кө мірді жартылай кокстеу ө німдерімен сә йкес келеді. Мұ ндай қ адам есептеудің кинетикалық сызбасын тұ йық тауғ а жә не модельді жартылай кокстеу ө німдерінің қ ұ рамы белгілі кезө келген кө мірге қ олдануғ а мү мкіндік берді.

Кинетикалық сызбағ а [75; 86] ұ шқ ыш компоненттердің (СО, СО₂, Н₂, Н₂О, СН₄, С₂Н₄) жә не шайырдың бө лінуінің 13 реакциясы, жең іл кө мірсутектердің (СН₄, С₂Н₄, С₂Н₂, С₂Н₆) 19 радикалды-тізбектік айналулары жә не кокс қ алдығ ы фракциясының ауыр кө мірсутектерінің 26 реакциясы кіргізілген. Модель бойынша есептеулерге арналғ ан бастапқ ы мә ндер газ бен кө мір бө лшектерінің бастапқ ы температурасын жә не жылдамдығ ын, олардың ө лшемін, газ: кө мір қ атынасын қ амтиды. Ұ шқ ыш компоненттерді бө лудің кинетикалық параметрлері [74] жұ мыстан, ал кокс қ алдығ ының газификациясы [82] мә ндерден алынғ ан.