Характеристика процессов в зоне газификации низкосортного топлива

 

В поверхностном слое в области кислородной зоны углерод сгорает в СО и СO2, а водяные пары взаимодействуют с углеродом с образованием СО и Н2. В застойном слое газов, образующемся вокруг кусков топлива, Н2 сгорает почти, полностью, а СО частично. Некоторое количество СО сгорает в межкускочом пространстве. Концентрация СО и СO2 одновременно увеличивается по высоте кислородной зоны, концентрация O2 уменьшается. В конце кислородной зоны концентрация O2 мала, СО — велика и СО быстро нарастает. В восстановительной зоне СO2 и Н20, пройдя застойный слой, восстанавливаются до СО и Н2.

Водяные пары охлаждают кислородную зону вследствие уноса из нее тепла, кроме того, разложение водяного пара в поверхностном слое кусков топлива замедляет их нагрев.

Имеющиеся данные не позволяют уточнить механизм процессов и, очевидно, при атмосферном давлении он отличается от механизма в условиях вакуума. Однако можно заключить, что процессы, приводящие к образованию СО, имеют большую скорость.

Получению СО в некоторой мере предшествует образование СО2 или непосредственно или в результате сгорания первично образующейся СО и, следовательно, можно полагать, что восстановление С02 протекает в условиях газогенераторов с большой

скоростью. Этот факт подтверждают результаты исследований элементарных процессов и опыт работы газогенераторов, В них при любой интенсивности, обеспечивающей развитие достаточно высоких температур в зоне газификации, получается газ высокого качества.

Расположение частиц топлива в газогенераторах обусловливает многочисленные изменения направления и скорости движения газов, вследствие чего поток является турбулентным Исследования показывают, что сопротивление слоя топлива растег пропорционально скорости газов или производительности в степени, близкой к квадрату. Опыты по горению частиц правильной формы и угольного канала показывают, чшв случае турбулентного потока при температурных условиях зоны газификации (температура выше 800—900 °C) реакции горения углерода находятся в диффузионной области и с увеличением скорости газов растет количества выгорающего углерода и содержание СО.

Вследствие неправильной оценки результатов опытов Клемента, Адамса и Хескинса, не учитывавших влияния скорости га зов на восстановление С02, а также соотношения размеров реакционной трубки и кусочков топлива (отношение диаметра трубки к размеру кусков 15: (3—5) мало), получила распространение точка зрения о том, что процесс газификации ограничивается скоростью реакций восстановления.

Следует также учесть, что в ряде опытов температурные пределы, свойства искусственного слоя и условия окисления углерода менее благоприятны, чем в газогенераторах.

Основным фактором, определяющим состав газа в зоне газификации, является температура. При 1000—1100 °C для активных топлив (древесного угля, торфяного и буроугольного кокса) и 1200—1400 °C для менее активных (каменноугольного кокса, антрацита), окисление углерода протекает с большой скоростью, и восстановление СО2 не ограничивает процесса. Нижним пределом температуры, при которой более или менее быстро протекают реакции газификации, является для активных топлив 800—900 °C и для менее активных — 1000—1100 °C.

В качестве примера ухудшения качества газа при увеличении скорости (величины подачи) воздуха обычно приводят данные о составе газов в период чисто воздушного дутья в газогенераторах водяного газа. Кажущееся несоответствие устраняется, если учесть, что в газогенераторе восстановление СО2 может протекать с малой скоростью только в том случае, если температура зоны газификации низка или воздух неравномерно распределяется по сечению, т. е. проходит отдельными каналами, не реагируя с углеродом, а сжигая газ.

Исследования состава газов воздушного дутья в газогенераторах водяного газа показывают, что с увеличением скорости воздушного дутья увеличивается выход СО.

Дутье не подается в топливный слой сосредоточенно или равномерно распределение. Кроме того, слой шлака недостаточно выравнивает распределение дутья в силу неравномерности размера кусков шлака и толщины шлаковой подушки. В результате происходит смешение отдельных участков зоны газификации, в которых протекают окислительные и восстановительные процессы. В кислородной зоне в поверхностных слоях кусков топлива протекают не только окислительные, но и восстановительные реакции. Поэтому температура этих слоев должна быть значительно ниже температуры участка газовой среды, в котором происходит горение СО и Н2 за счет свободного кислорода. Чем меньше активность топлива и больше размер кусков (т. е. меньше поверхность и больше размер межкусковых пустот), тем выше максимальное содержание СO2 и температура газовой среды и поверхности топлива. Если при этом шлакование не ухудшает условий протекания процесса, то качество конечного газа не ухудшается, так как тепло нагрева газа используется для восстановительных реакций.

Снижение температуры и высоты кислородной зоны (зоны окисления) достигается уменьшением размеров кусков топлива, что является важным производственным фактором.

Таким образом, процесс газификации может протекать успешно в большем диапазоне скоростей и различной длительности контакта. Современные газогенераторы работают с высокими показателями качества газа и со значительно большей интенсивностью, по сравнению со старыми газогенераторами, в отношении которых существовало мнение, что их производительность лимитируется скоростью восстановительных реакций.

Газ высокого качества получается при благоприятных свойствах топлива независимо от его вида и интенсивности газификации, т. е. при различной продолжительности контакта углерода с газами.

Восстановление СO2 и Н2O при интенсификации работы газогенератора может оказаться недостаточным, если в зону газификации поступает большое количество влаги. Последнее происходит при газификации крупного, влажного топлива и малых размерах зоны подготовки. Слишком большое количество влаги вводится с дутьем в случае легкоплавкости золы, а также при использовании паровых инжекторов.

По достижении достаточно высокой производительности газогенератора отдача тепла кислородной и восстановительной зонами должна составить Почти неизменную часть вводимого тепла. В этом случае при Изменении нагрузки потеря тепла в окружающую среду, составляющая сравнительно малую величину, не оказывает влияния на распределение температур в газогенераторе, следовательно в случае постоянства добавки пара и достаточных размеров зоны подготовки, степень разложения Н2O и СO2 и температурный режим не будут изменяться при изменении нагрузки.