Получение окиси углерода в промышленности газификацией твердого топлива

Газообразное топливо

Газовое топливо делится на природное и искусственное и представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество водяных паров, а иногда пыли и смолы. Количество газового топлива выражают в кубических метрах при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0°С), а состав — в процентах по объему. Под составом топлива понимают состав его сухой газообразной части.

Наиболее распространенное газовое топливо — это природный газ, обладающий высокой теплотой сгорания. Основой природных газов является метан, содержание которого в газе 76, 7-98%. Другие газообразные соединения углеводородов входят в состав газа от 0, 1 до 4, 5%.

В состав горючих газов входят: водород Н2, метан СН4, Другие углеводородные соединения СmНn, сероводород Н2S и негорючие газы, двуокись углерода СО2, кислород О2, азот N2 и незначительное количество водяных паров Н2О. Индексы m и п при С и Н характеризуют соединения различных углеводородов, например для метана СН4 т = 1 и n = 4, для этана С2Нб т = 2 и n = б и т. д.

Состав сухого газообразного топлива (в процентах по объему):

СО + Н2 + 2 СmНn + Н2S + СO2 + O2 + N2 = 100%.

Негорючую часть сухого газового топлива — балласт — составляют азот N и двуокись углерода СО2.

Состав влажного газообразного топлива выражают следующим образом:

СО + Н2 + Σ СmНn + Н2S + СО2 + O2 + N2 + Н2О = 100%.

Теплоту сгорания, кДж/м (ккал/м3), 1 м3 чистого сухого газа при нормальных условиях определяют следующим образом:

Qнс = 0, 01 [Qсо СО + Qн2 Н2 + Σ Qсmнn СmНn + Qн2s Н2S],

где Qсо, Qн2, Qсmнn Qн2s. - теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав смеси, кДж/м3 (ккал/м3); СО, Н2, CmНn,, Н2S - компоненты, составляющие газовую смесь, % по объему.

Теплота сгорания 1 м3 сухого природного газа при нормальных условиях для большинства отечественных месторождений составляет 33, 29 - 35, 87 МДж/м3 (7946 - 8560 ккал/м3). Характеристика газообразного топлива приведена в таблице 1.

Пример. Определить низшую теплоту сгорания природного газа (при нормальных условиях) следующего состава:

Н2S = 1%; СН4 = 76, 7%; С2Н6 = 4, 5%; С3Н8 = 1, 7%; С4Н10 = 0, 8%; С5Н12 = 0, 6%.

Подставляя в формулу (26) характеристики газов из таблицы 12, получим:

Qнс = 0, 01• [23 450 •1 + 35 850 •76, 7 + 63 850 • 4, 5 + 91 300 •1, 7 + 118700 • 0, 8 + 146 200 • 0, 6] = 33981 кДж/м3 или

Qнс = 0, 01 • (5585, 1 + 8555 • 76, 7 + 15 226 • 4, 5 + 21 795 • 1, 7 + 28 338 • 0, 8 + 34 890 • 0, 6) = 8109 ккал/м3.

Получение окиси углерода в промышленности газификацией твердого топлива

Для промышленных целей окись углерода получают путём газификации твёрдого топлива, т. е. превращения его в газообразное топливо. Так можно получить окись углерода из любого твёрдого топлива — ископаемых углей, торфа, дров и т. д.

Процесс газификации твердого топлива показан на лабораторном опыте (рис.1). Заполнив тугоплавкую трубку кусочками древесного угля, сильно нагреем её и будем пропускать кислород из газометра. Выходящие из трубки газы пропустим через промывалку с известковой водой и затем подожжём. Известковая вода мутится, газ горит синеватым пламенем. Это указывает на наличие двуокиси и окиси углерода в продуктах реакции.

Образование этих веществ можно объяснить тем, что при соприкосновении кислорода с раскалённым углем последний сначала окисляется в двуокись углерода: С + О2 = СO2

Затем, проходя через раскалённый уголь, двуокись углерода частично восстанавливается им до окиси углерода: СО2 + С = 2СO

Рис. 1. Получение окиси углерода (лабораторный опыт).

В промышленных условиях газификацию твёрдого топлива осуществляют в печах, называемых газогенераторами.

Образующаяся смесь газов называется генераторным газом.

Устройство генератора газа показано на рисунке 95. Он представляет собой стальной цилиндр высотой около 5 м и диаметром примерно 3, 5 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом. Сверху генератор загружается топливом; снизу через колосниковую решётку вентилятором подаётся воздух или водяной пар.

Кислород воздуха реагирует с углеродом топлива, образуя двуокись углерода, которая, поднимаясь вверх через слой раскалённого топлива, восстанавливается углеродом до окиси углерода.

Если в генератор вдувать только воздух, то получается газ, который в своём составе содержит окись углерода и азот воздуха (а также некоторое количество СО2 и других примесей). Такой генераторный газ называется воздушным газом.

Если же в генератор с раскалённым углем вдувать водяной пар, то в результате реакции образуются окись углерода и водород: С + Н2О = СO + Н2

Эта смесь газов называется водяным газом. Водяной газ обладает более высокой теплотворной способностью, чем воздушный, так как в его состав наряду с окисью углерода входит и второй горючий газ — водород. Водяной газ (синтез газ), один из продуктов газификациии топлив. Водяной газ состоит главным образом из СО (40%) и Н2 (50%). Водяной газ - это топливо (теплота сгорания 10 500 кДж/м2, или 2730 ккал/мг) и одновременно сырье для синтеза метилового спирта. Водяной газ, однако, нельзя получать продолжительное время, так как реакция образования его эндотермическая, и поэтому топливо в генераторе остывает. Чтобы поддерживать уголь в раскалённом состоянии, вдувание водяного пара в генератор чередуют с вдуванием воздуха, кислород которого, как известно, реагирует с топливом с выделением тепла.

В последнее время для газификации топлива стали широко применять парокислородное дутьё. Одновременное продувание через слой топлива водяного пара и кислорода позволяет вести процесс непрерывно, значительно повышать производительность генератора и получать газ с высоким содержанием водорода и окиси углерода.

Современные газогенераторы — это мощные аппараты непрерывного действия.

Чтобы при подаче топлива в генератор горючие и ядовитые газы не проникали в атмосферу, загрузочный барабан делают двойным. В то время как топливо поступает в одно отделение барабана, из другого отделения топливо высыпается в генератор; при вращении барабана эти процессы повторяются, генератор же всё время остаётся изолированным от атмосферы. Равномерное распределение топлива в генераторе осуществляется при помощи конуса, который может устанавливаться на различной высоте. Когда его опускают, уголь ложится ближе к центру генератора, когда конус поднимают, уголь отбрасывается ближе к стенкам генератора.

Удаление золы из генератора механизировано. Колосниковая решётка, имеющая конусовидную форму, медленно вращается электродвигателем. При этом зола смещается к стенкам генератора и особыми приспособлениями сбрасывается в зольный ящик, откуда периодически удаляется.

Великий русский учёный Д. И. Менделеев впервые высказал идею о том, что газификацию каменного угля можно производить непосредственно под землёй, не поднимая его наружу. Царское правительство не оценило этого предложения Менделеева.

Идею подземной газификации горячо поддержал В. И. Ленин. Он назвал её «одной из великих побед техники». Подземную газификацию осуществило впервые Советское государство. Уже до Великой Отечественной войны в Советском Союзе работали подземные генераторы в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах.

Представление об одном из способов подземной газификации даёт рисунок 3. В угольный пласт прокладывают две скважины, которые внизу соединяют каналом. Уголь поджигают в таком канале у одной из скважин и подают туда дутьё. Продукты горения, двигаясь по каналу, взаимодействуют с раскалённым углем, в результате чего образуется горючий газ как и в обычном генераторе. Газ выходит на поверхность через вторую скважину.

Генераторный газ широко применяется для обогрева промышленных печей — металлургических, коксовых и в качестве топлива в автомобилях (рис. 4).

Рис. 3. Схема подземной газификации каменного угля.

Из водорода и окиси углерода водяного газа синтезируют ряд органических продуктов, например жидкое топливо. Синтетическое жидкое топливо - горючее (в основном бензин), получаемое синтезом из окиси углерода и водорода при 150-170 гр Цельсия и давлении 0, 7 - 20 МН/м2, в присутствии катализатора (никель, железо, кобальт). Первое производство синтетическогг жидкого топлива организовано в Германии во время 2й Мировой войны в связи с нехваткой нефти. Широкого распространения синтетическое жидкое топливо не получило из-за его высокой стоимости. Водяной газ используют для производства водорода. Для этого водяной газ в смеси с водяным паром нагревают в присутствии катализатора и в результате получают водород дополнительно к уже имеющемуся в водяном газе: СО + Н2О = СO2 + Н2

Из полученной смеси удаляют двуокись углерода, растворяя её в воде под давлением. Водород применяют для синтеза аммиака и для других целей.

Рис. 4. Газогенераторный автомобиль: 1 — газогенератор, работающий надревесных чурках; 2 — газоочиститель.