Расчет основных показателей процесса газификации твердого топлива
В данном расчете определяются основные показатели процесса газификации твердого топлива: состав генераторного газа, его теплота сгорания, выход газа на единицу перерабатываемого топлива, расход перерабатываемого топлива.
Для контроля правильности выполненных расчетов и последующего расчета теплового баланса составляют материальный баланс всех элементов, участвующих в процессе газификации. Так как ни одна из протекающих в процессе газификации химических реакций не достигает равновесного состояния ввиду кратковременного контакта реагирующих веществ, невозможно полностью теоретически описать с удовлетворительной точностью зависимость этого процесса от свойств топлива, режима газификации, конструкции газификатора и других факторов. Поэтому в данном расчете применен алгебраический метод Дешалита, основанный на использовании, как теоретических положений, так и на результатах промышленных испытаний газификаторов на том или ином топливе [1, 2].
Исходные данные для расчета
Исходными данными для расчета являются состав и характеристика газифицируемого топлива, состав дутья, параметры процесса.
Марка и состав топлива задаются в задании.
Топливом служит александрийский бурый уголь с составом рабочей массы,%:
Ср = 42.56; Нр = 3.70; Nр = 0.45; Ор = 13.72; Sр = 3.60; Ар = 17.90; Wр = 18.00.
Давление смеси газов, участвующих в процессе газификации, задается в зависимости от двух последних цифр номера зачетной книжки студента n1 и n, где n1 - предпоследняя и n – последняя цифры, по следующей формуле:
P = 2 + 0.1
,
МПа.
Температура процесса газификации задается в зависимости от двух последних цифр номера зачетной книжки студента n1 и n, где n1 - предпоследняя и n – последняя цифры, по следующей формуле:
T = 950 +
50, oC.
2.2 Расчет состава генераторного газа
По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ. В состав углей входят минеральные примеси, которые при сжигании угля образуют золу.
Когда уголь разлагают на составные части, нагревая его без доступа воздуха, то в этом процессе образуются смолы. При расщеплении сложных молекул одновременно к «осколкам» распавшихся молекул присоединяются атомы водорода. Часть молекул, теряющих водород, превращается в тяжелые масла — смолы. Другая часть, которая насыщается этим водородом, образует молекулы бензина и других легких фракций. Таким образом, происходит перераспределение водорода внутри вещества.
Смолы представляют смеси разнообразных веществ, которые по химическому составу богаты углеродом и водородом, бедны кислородом, не включают азота. Каменноугольная смола — чёрная, вязкая жидкость.
Соединяясь в сложные кольца или длинные цепи, молекулы метана могут образовать газообразные, жидкие и твердые углеводороды. При соединении между собой больше четырех молекул метана, образуется жидкое топливо, бензин, керосин.
При газификации на парокислородном дутье под давлением имеют место следующие реакции, определяющие теоретический расчетный состав выходящего газа [1]:
С + СО2 2СО – Q1; (1)
СО + H2O СО2 + H2 + Q2; (2)
С + 2H2 СH4 + Q3, (3)
где Qi – тепловой эффект соответствующей реакции.
Здесь предполагается, что горючая часть топлива, при газификации, состоит только из С. Газ, получаемый в реальных условиях, будет в той или иной степени отличаться от теоретически расчетного, однако содержание основных его компонентов, как показывает практика, близко к расчетным[1, 2].
Составляем уравнения, описывающие процессы, определяющие параметры генераторного газа при газификации на парокислородном дутье под давлением. Для описания этих процессов применяются законы сохранения материи и энергии. Поэтому количество углерода, водорода, кислорода, азота и серы, которое внесено в процесс топливом и газифицирующими реагентами, должно соответствовать количеству углерода, кислорода, азота и серы в продуктах газификации.
На основании результатов практических исследований [1, 2] принимаем, что в состав генераторного газа входят следующие компоненты: СО, СО2, H2, СH4, H2O.
Для определения процентного содержания этих компонентов в газе составляем 5 уравнений:
(4)
Уравнение (4) составлено на основании того, что сумма парциальных давлений компонентов равна общему давлению, под которым находится образовавшийся газ.
Константы равновесия для этих реакций рассчитываются по следующим уравнениям:
;
(5)
(6)
(7)
(8)
Уравнение (8) составлено, исходя из того, что отношения содержания водорода к кислороду в полученном газе и в исходной газифицируемой смеси, должны быть равны между собой [2].
Введем следующие обозначения:
=
x;
С учетом введенных обозначений уравнения (5-8) примут следующий вид:
x +y + z + t + u = Робщ.
После преобразований этих уравнений получим следующие два алгебраических уравнения второй степени с двумя неизвестными:
(9)
(10)
Для определения величины D будем исходить из отношения водорода к кислороду в газифицируемой смеси. Принимаем, что водяной пар и кислород подаются под давлением Робщ., и отношение их давлений составляет, согласно [1], - 85:15, тогда:
Так как
или
,
то
,
а
Тогда
0.739.
Значения констант равновесия К для реакций, определяющих состав выходящего газа при газификации на парокислородном дутье под давлением, рассчитываются по формулам Нернста [1,3], позволяющим определить величины К в зависимости от температуры. Результаты расчетов приведены в таблице 1.
При расчете величин К внутри указанных температурных интервалов следует применять линейную интерполяцию, что обеспечивает необходимую точность вычислений.
Подставляя значения А, В, С, D в уравнения, получаем эти уравнения в окончательном для решения виде. Решение полученной системы нелинейных алгебраических уравнений второго порядка выполняется численным методом на ПЭВМ (Вариант расчета приведен в Приложении).
Таблица 1. Численные значения констант равновесия К
-
Температура, t,0C
Константы равновесия
400
8.22 10-6
9.00 102
18.94
500
4.51 10-3
4.45
2.36
600
9.48 10-2
2.54
4.75 10-1
700
1.32
1.52
1.33 10-1
800
7.46
1.05
4.71 10-2
900
3.90 10
7.92 10-1
1.99 10-2
1000
1.50 102
5.96 10-1
9.66 10-3
1100
4.72 102
4.75 10-1
5.20 10-3
1200
1.27 103
3.97 10-1
3.04 10-3
В Приложении приведена программа реализации численного метода решения системы нелинейных алгебраических уравнений второго порядка на алгоритмическом языке GW-BASIC [4]. В программе реализован алгоритм итерационного расчета по методу Ньютона. В Приложении даны рекомендации для пользования программой и приведена распечатка текста (листинг) самой программы.
В результате решения системы уравнений
(9, 10) получаем численные значения величин
x, y,
z, t,
u. По этим
значениям рассчитываем величины
парциальных давлений газов
,
сумма которых должна быть равна величине
Робщ.,
заданной в условии. При этом заданная
величина Робщ.
и полученная в результате расчетов
сумма парциальных давлений различаются
на величину (погрешность), обусловленную
конечной разрядностью проведенных
вычислений. При относительной величине
погрешности определения Робщ.
менее 1 10-4 (1%), этим различием можно
пренебречь. Если это условие не
выполняется, то следует увеличить
точность при решении системы уравнений
(9, 10) выбором (уменьшением) величины
критерия окончания итерационного
расчета в программе, реализующий
численный метод.
Парциальное давление каждого компонента газовой смеси пропорционально доле этого газа в смеси. Поэтому по рассчитанным парциальным давлениям определяем содержание соответствующих газовых компонент:
СО2,% =
H2, % =
СО, % =
СH4,% =
H2O,
% =
Полученный состав соответствует газу на выходе генератора, в котором содержится значительное количество водяного пара. Так как генераторный газ подвергается осушению перед тем, как подается в газовую ступень парогазовой установки (ПГУ), производим расчет состава сухого газа, в котором нет водяного пара, т. е. H2O = 0 %:
СО2 сух., %
=
H2 сух., % =
СО сух., % =
СH4 сух., % =
Расчетный состав газа, полученного при газификации твердого топлива на парокислородном дутье под давлением, приводится в таблице 2.
Таблица 2. Расчетный состав газа, полученного при газификации твердого топлива на парокислородном дутье под давлением.
-
Компонент газа
Парциальное давление, МПа
Состав газа
влажный
сухой
СО2
СО2,%
СО2 сух., %
H2
H2, %
H2 сух., %
СО
СО, %
СО сух., %
СH4
СH4,%
СH4 сух., %
H2O
H2O, %
0,%
Всего
Робщ
100%
100%