Материальные и тепловые балансы процессов газификации ТГИ. Материальные и тепловые расчеты процессов газификации топлив

• Название: Материальные и тепловые расчеты процессов газификации топлив
• Дата: 27.03.2022
• Размер: 25.25 Kb.
• Имя файла: Материальные и тепловые балансы процессов газификации ТГИ.docx
• Тип: Документы; #419288

МАТЕРИАЛЬНЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССОВ ГАЗИФИКАЦИИ ТОПЛИВ

Рассчитать газогенераторный процесс — это значит определить его основ- ные показатели: состав, теплотворную способность и выход газа, выход и состав смолы и других продуктов газификации, расход воздуха и пара и, кроме того, со- ставить материальный и тепловой балансы.

Вследствие сложности процесса газификации и большого числа факторов, влияющих на него, теоретически невозможно рассчитать этот процесс с доста- точной точностью. Поэтому в практике проектирования обычно применяются расчеты по практическим данным и комбинированные.

Теоретические методы расчета применяются в научных исследованиях, они дают возможность предсказать направление протекаемого процесса и определить идеальные показатели, которые могут быть получены на практике.

Расчеты по практическим данным основываются на результатах, получен- ных при промышленном испытании газогенераторов на том или ином виде топ- лива. В этом случае, используя некоторые данные (состав и количество продук- тов сухой перегонки, состав получаемого газа, содержание горючих в шлаке и т. д.), можно быстро и точно определить все остальные показатели процесса.

Для того чтобы ясно себе представить ход расчета процесса газификации топлива на смешанный газ по практическим данным и уметь применять его в раз- личных случаях, которые могут встретиться на практике, необходимо еще раз в общих чертах вспомнить последовательность процессов, происходящих в газоге- нераторе.

Топливо, загружаемое в газогенератор, подсушивается за счет тепла гене- раторного газа, поступающего из зоны газификации, а затем подвергается сухой перегонке с выделением жидких продуктов (воды разложения, смолы, жирных кислот, метилового спирта и др.) и газообразных продуктов, уносимых потоком газа из газогенератора.

Твердый остаток, часто называемый коксом, поступает в зону газификации, где и подвергается газификации за счет кислорода воздуха и водяного пара.

При газификации таких топлив, как кокс и антрацит, выходящий из газоге- нератора газ представляет по существу газ зоны газификации, так как газы, выде- ляющиеся в зоне сухой перегонки, ввиду крайне малого их количества, не влияют на конечный состав получаемого газа.

При газификации смолистых видов топлив (древесина, торф, бурые и ка- менные угли), выходящий из газогенератора газ представляет смесь газов сухой перегонки и газов зоны газификации.

Применяя метод расчета по практическим данным, условно принимают со- став получаемого газа на основании результатов опытной газификации или про- мышленных показателей газификации данного вида топлива.

Для определения выхода газа и проведения последующих расчетов необхо- димо определить количество элементов топлива, переходящих в газ.

Для этого, прежде всего, берут данные составов и выходов продуктов сухой перегонки топлива и состава шлака, определяют количества элементов, перехо- дящие во все указанные продукты, и затем, вычтя их из исходного топлива, опре- деляют количество элементов, переходящих в газ.

Дальнейший расчет производится в следующей последовательности:

1. 
   определение выхода газа по балансу углерода;
   
2. 
   определение расхода водяного пара по балансу водорода, причем по прак- тическим данным степень разложения водяного пара принимается равной 60-70 %;
   
3. 
   определение расхода воздуха на процесс газификации по балансу кислоро- да.
   

Правильность произведенных расчетов проверяется предварительно путем составления материального баланса. При обнаружении значительной невязки по балансу азота (более 2-3 %) необходимо расчет проделать снова, внеся соответ- ствующие изменения в состав принятого генераторного газа.

Окончательно правильность произведенных расчетов проверяется путем составления теплового баланса процесса газификации.

В некоторых случаях, например, при газификации смолистых топлив на ду- тье, обогащенном кислородом (до различного содержания кислорода в сухом ду- тье), ввиду отсутствия достаточного количества опытных данных, нельзя условно принять состав газа, выходящего из газогенератора.

В этих случаях приходится, на основании имеющихся опытных данных, определять состав и количество газов сухой перегонки, и истинный состав топли- ва, поступающего в зону газификации.

Состав газа, получающегося при газификации остатка (кокса) на обо- гащенном кислородом дутье, может приниматься по данным табл. 40, а выход га- за должен быть рассчитан в соответствии с элементарным составом поступающе- го топлива.

Окончательный состав и выход газа получаются путем суммирования газа газификации и газа сухой перегонки.

Ниже в качестве примера приводится расчет по практическим данным про- цесса газификации торфа на смешанный генераторный газ.

В расчете весовые количества выражены в килограммах, а не в килограмм- молекулах, так как последние в настоящее время совершенно не применяются в практике проектирования и имеют лишь академическое значение.

Расчет процесса газификации антрацита на водяной газ по периодическому методу

Основные принципы, использованные при расчете процесса получения смешанного генераторного газа, могут быть применены и для расчета процесса получения водяного газа, однако, ввиду разновременности фазы парового дутья и фазы воздушного дутья, необходимо производить отдельно для каждой фазы рас- чет показателей и составлять материальный и тепловой балансы.

Для определения показателей суммарного процесса обычно исходят из со- поставления тепловых балансов обеих фаз рабочего цикла, учитывая то обстоя- тельство, что тепло, аккумулированное слоем в период фазы воздушного дутья, расходуется на разложение пара во время фазы парового дутья.

Водяной газ, направляемый к потребителю, содержит то или иное количе- ство азота. В зависимости от требований, предъявляемых к водяному газу, и от продолжительности продувок, содержание азота в газе может изменяться.

В приведенном ниже расчете принят идеальный состав водяного газа, т. е. состав газа, получающегося в реакционной зоне газогенератора, без учета загряз- нения его продуктами воздушного дутья при последующем прохождении через аппаратуру.


B
Газификации подвергается антрацит, имеющий следующий состав (% масс.): С^р –84,1; О^р– 1,1; A^Р–5,7; Н^р–1,6; S^p– 1,9; W^Р– 5,0; N^p – 0,6.

Теплотворная способность его: высшая


H
Q^P 7203 ккал/кг.

Q^P 7320

ккал/кг, низшая

Расчет ведем на 100 кг топлива, загружаемого в газогенератор.

По практическим данным принимается, что унос составляет 4 кг абсолютно сухого топлива на 100 кг газифицируемого топлива.

Состав абсолютно сухого топлива (% масс.): С^С= 88,6; Н^С= 1,7; N^С= 0,6;

S^С= 2,0; A^С = 6,0; О^С= 1,2.
Теплотворная способность его:

B
Q^C 7690

ккал/кг;

Q^C 7600 ккал/кг.

H
Переходит элементов в унос на 100 кг газифицируемого топлива (в кг):

С= 0,886 · 4 = 3,54

Н= 0,017 · 4 = 0,07

N= 0,006 · 4 = 0,02

O= 0,012 · 4 = 0,05

S= 0,02 · 4 = 0,08

А= 0,06 · 4 = 0,24

Всего 4,00

Содержание горючих в шлаке принимаем равным 15 %.

Состав сухого шлака по практическим данным принимаем следующим (% масс.): С= 14,68; S= 0,32; А= 85,00.

Выход сухого шлака на 100 кг антрацита (по балансу золы):

_5,70,24_100 _{ 6,44}

100 15

Переходит элементов в шлак на 100 кг газифицируемого топлива (в кг): С = 0,1468 · 6,44 = 0,96

S = 0,0032 · 6,44 = 0,02

А= 0,85 · 6,44 = 5,46

Всего 6,44

Всего переходит элементов в шлак и унос на 100 кг газифицируемого топ- лива (в кг):
С= 3,54+ 0,96 = 4,50

Н= 0,07

N= 0,02

О= 0,05

S= 0,08 + 0,02 = 0,10

А= 0,24 + 5,46= 5,70

Всего 10,44

Переходит элементов в газ на 100 кг топлива (в кг):

С^р= 84,1 – 4,50 = 79,60 О^р= 1,10 – 0,05 = 1,05

Н^р= 1,6 – 0,07 = 1,53 S^p= 1,90 – 0,10 = 1,80

N^p= 0,6 – 0,02= 0,58

Расчет показателей фаз воздушного и парового дутья производится раз- дельно. При этом принимается, что величина уноса одинакова для обеих фаз.

Определение показателей суммарного процесса производится на основе со- поставления тепловых балансов обеих фаз.

Материальный баланс фазы воздушного дутья

Расчет ведем на 100 кг топлива, считая, что последнее полностью расходу- емся на получение воздушного газа.

Состав газов воздушного дутья по практическим данным принимаем сле- дующий (% масс.): СО₂– 14,20; О₂– 0,30; N₂– 72,60; H₂S – 0,15; СН₄– 0,25; Н₂– 2,30; СО– 10,20.

Теплотворная способность газов воздушного дутья

Q_B 402

ккал/нм³, низ-

шая Q_H

 386

ккал/нм³.

В 1 нм³ газов воздушного дутья содержится элементов (в кг):

_{С } 12

22,4

Н ²

^{0,142  0,102  0,0025} ^{ 0,132}

^{0,0025  2  0,023  0,0015} ^{ 0,0026}

22,4

_О 32

22,4

_N 28

22,4

_S 32

22,4

^{0,142  0,102  0,5  0,003} ^{ 0,279}
 0,726  0,908
 0,0015  0,0021

Выход газа определяем по углеродному балансу. Выход газа на 100 кг топлива составит:

79,60 _{ 604}

0,132

нм³

Расход воздуха на процесс газификации определяем по балансу азота. По- ступает азота из воздуха на 100 кг топлива:

^{604  0,908  0,58  548} кг или ⁵⁴⁸  439

1,25

нм³

Расход воздуха на 100 кг топлива составит:

439


0,79

 556

нм³

Влагосодержание газа определяется по балансу водорода.

Принимается, что воздух поступает при температуре 15 °С и относительная влажность его равна 50 %. При температуре 15 °С в 1 нм³ сухого воздуха содер- жится влаги при 100 %-ном насыщении 13,8 г/нм³.

При относительной влажности 50 % влагосодержание 1 нм³ воздуха соста- вит: 13,8 · 0,5 = 6,9 г/нм³.

Общее количество влаги, поступающей с воздухом, на 100 кг топлива: 556 · 0,0069 = 3,8 кг.

Баланс водорода

Приход:

1. 
   Поступает водорода с топливом:
   

1,53  ^{5  2}  2,08

18

2. 
   Поступает водорода с влагой воздуха:
   

^{3,8  2}  0,42 кг

18

Всего в приходе – 2,50 кг. Расход:

1. 
   Содержится водорода в газе 0,0026 · 604 = 1,60 кг.
   
2. 
   Переходит во влагу газа 0,90 кг. Всего в расходе – 2,50 кг.
   

Содержание влаги в газе на 100 кг топлива:

0,90 18 _{ 8,10 кг}

2

Влагосодержание 1 нм³ газа воздушного дутья:
8,10 1000 _{ 13,4 г/нм3}

604

Баланс кислорода

Приход:

1. 
   Поступает кислорода с топливом 1,05 кг.
   
2. 
   Поступает кислорода с воздухом 556 · 0,21 · 1,429 = 167,0 кг, где 1,429 – вес 1 нм³ кислорода, кг.
   
3. 
   Поступает кислорода с влагой топлива, и влагой воздуха:
   

_5,0  3,8_  ¹⁶  7,8

18

Всего в приходе –175,85 кг.Расход:

1. 
   Содержится кислорода в газе 0,279 · 604 = 168,6 кг.
   
2. 
   Содержится кислорода во влаге газа 8,1 – 0,90 = 7,20 кг. Всего в расходе – 175,80 кг.
   

Тепловой баланс фазы воздушного дутья

Тепловой баланс фазы воздушного дутья составляется на 100 кг за- гружаемого топлива (по высшему пределу).

Приходные статьи

1. 
   Теплотворная способность антрацита:
   

a a
q₁  g

 Q^B100  7320  732000 кг

2. 
   Физическое тепло сухого воздуха при 15°
   

q₂  g_B C_t t^,

где g_B, С_t, t–количество, теплоемкость и температура воздуха;
q₂  556  0,312 15  2600 ^ккал

3. 
   Физическое тепло пара.
   

Полное теплосодержание пара при t=15 °С, t_П= 603,8 ккал/кг.,
q₃  g_П i_П 3,8 603,8  2290 ^ккал

Расходные статьи

1. 
   Теплотворная способность газа:
   

Г Г
q₁^  g

 Q^В 604  402  242800

ккал

2. 
   Теплотворная способность уноса:
   

q^  g Q^В 4  7690  30760

ккал

2 У У

3. 
   Теплотворная способность шлака. При теплотворной способности угле- рода 8157 ккал/кг и серы 2500 ккал/кг тепловые потери со шлаком составляют:
   

q₃^  8157  0,96  2500  0,02  7550

ккал

4. 
   Физическое тепло газа при средней температуре 700 °С:
   

q₄^  g_Г C_t t 604  0,33 700 139500

ккал

5. 
   Физическое тепло влаги газа. Теплосодержание перегретого пара при температуре 700 °С составляет:
   

i_П 594  0,47  700  931 ккал

q₅^  g_П i_П 8,1 931  7550 ^ккал

6. 
   Физическое тепло уноса при 700 °С:
   

q₆^  g_У C_t t 4  0,3 700  850 ^ккал

7. 
   Физическое тепло сухого шлака. По практическим данным средняя тем- пература шлака, выдаваемого из газогенераторов водяного газа, составляет 250 °С.
   

q₇^  g_Ш C_t t 6,44  0,2  250  310

ккал

8. 
   Потери тепла в окружающую среду принимаем равными 8 % от тепло- творной способности топлива:
   

q₈^  7320 8  58600 ^ккал В табл. 1 дана сводка теплового баланса.

Таблица 1 – Тепловой баланс процесса газификации антрацита на воздушный газ

Номер статей	Наименование статей	ккал	%
	Приход
1	Теплотворная способность антрацита	732 000	99,3
2	Физическое тепло сухого воздуха	2600	0,4
3	Физическое тепло пара	2290	0,3
	Всего	736 890	100,00
	Расход
	Теплотворная способность:
1	- газа	242 800	32.0
2	- уноса	30 760	4.2
3	- шлака	7550	1.0
	Физическое тепло:
4	- газа	139 500	18,9
5	- влаги газа	7550	1,0
6	- уноса	850	0,1
7	- сухого шлака	310	0,04
8	Потери тепла в окружающую среду	58 600	7,96
9	Тепло, аккумулированное слоем топлива (по разно- сти)	248 970	33,8
	Всего	736 890	100,0