Завдання до курсової роботи 4

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

До виконання курсової роботи

з дисципліни “Системи виробництва та розподілу енергоносіїв”

(для студентів спеціальностей 090406 «Промислова теплотехніка» та 090510 «Теплоенергетика» заочної прискореної форми навчання)

Розглянуто

на засіданні кафедри

«Технічна теплофізика»,

протокол № 3 від 25.09.2009

Затверджено

на засіданні навчально-

видавничої ради ДонНТУ

протокол № від

УДК 389.14

Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни “Системи виробництва та розподілу енергоносіїв” /Бірюков О.Б., Кравцов В.В., Дробишевська І.П. - Донецьк: ДонНТУ, 2009. - 17 с.

Методичні вказівки містять необхідну теоретичну і практичну інформацію про технологію газифікації вугілля, яка досліджується в цій роботі; також наведено розгорнуту методику рішення всіх задач, поставлених в курсовій роботі.

Укладачі доц., к.т.н. Бірюков О.Б.

проф., д.т.н. Кравцов В.В.

асист. Дробишевська І.П.

Рецензент доц., к.т.н. Пятишкін Г.Г.

ЗМІСТ

ЗАВДАННЯ ДО КУРСОВОЇ РОБОТИ 4

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ПРОЦЕСИ ГАЗИФІКАЦІЇ 5

2. РОЗРАХУНОК СКЛАДУ ЛЕТКИХ ПРИ ТЕРМІЧНІЙ ОБРОБЦІ ТВЕРДОГО ОРГАНІЧНОГО ПАЛИВА 9

3. ПОБУДОВА МАТЕРІАЛЬНОГО БАЛАНСУ ЗОНИ ГАЗИФІКАЦІЇ 11

4. ПОБУДОВА ЗАГАЛЬНОГО МАТЕРІАЛЬНОГО БАЛАНСУ ГАЗОГЕНЕРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ 12

5. ПОБУДОВА ЗАГАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСУ ГАЗОГЕНЕРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ 13

6 ОЦІНКА ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ

ГАЗОГЕНЕРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ 15

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 15

Додаток А Вихідні дані по складу палива 16

Додаток Б Вихідні дані для побудови теплового балансу 17

ЗАВДАННЯ ДО КУРСОВОЇ РОБОТИ

Об’єктом дослідження в цій роботі є газогенераторна установка призначена для виробництва генераторного газу в результаті газифікації твердого палива, що працює на повітряному дутті.

Номер варіанта кожного студента відповідає його номеру в журналі обліку учбового процесу. Чисельні значення вихідних даних для кожного з варіантів наведено в Додатках А і Б.

В результаті виконання курсової роботи необхідно вирішити наступні задачі

1. Визначити склад летких газів, що виділяються в зоні возгонки летких та їх вихід з одиниці твердого палива, для якого задано чисельне значення вмісту всіх його складових (в %): С^г, Н^г, N^г, O^г, S^г, A^с, W^р.

2. Побудувати матеріальний баланс зони возгонки летких.

3. Визначити витрату повітря для газифікації коксового залишку, що утворюється з 1 кг твердого палива.

4. Визначити вихід генераторного газу, що виділяється в зоні газифікації та його склад.

5. Побудувати матеріальний баланс зони газифікації коксового залишку.

6. Побудувати загальний матеріальний і тепловий баланс газогенераторної установки.

7. Оцінити енергетичну ефективність роботи газогенераторної установки.

1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ПРОЦЕСИ ГАЗИФІКАЦІЇ

Газифікація – термохімічний процес переробки твердого палива шляхом приєднання до нього кисню для перетворення твердого палива в газ, що горить і може бути застосований для наступного спалювання (енергетичний і побутовий газ) чи для технологічних цілей (технологічний газ).

В основі газифікації лежить або неповне горіння палива (при недоліку кисню), або повне горіння з наступним реагуванням вуглецю з вуглекислотою чи водяною парою з метою одержання газів, що горять. Найпростіший спосіб газифікації представлений на рисунку 1. Шматки палива надходять зверху через завантажувальний пристрій; знизу через зазори в чавунних колосникових ґратах подаються повітря і водяна пара. У нижній частині шару II, що розташована над зоною золи і шлаку I, відбувається неповне горіння палива при недоліку кисню. Тому що в цій зоні витрачається майже весь О₂, її називають кисневою. Зона золи і шлаку I, що примикає безпосередньо до колосникових ґрат, відіграє роль засипки, що вирівнює розподіл дуття і захищає колосники від перегріву. Продукти неповного горіння вуглецю, що містять у більшій кількості СО₂ і в меншій СО надходять до зони відновлення III. Тут вуглекислота і водяна пара вступають у реакцію з вуглецем коксу, розпеченого за рахунок тепла, що виділилося в кисневій зоні. У результаті реакцій СО₂ і Н₂О з вуглецем палива утворяться СО і Н₂, до яких домішується азот повітря і нерозкладена частина СО₂. Суміш газів, що утворилася, йде вгору через шар палива і нагріває його своїм теплом. Нагріте без доступу кисню при температурі 500-600°С, паливо перетерплює складні видозміни своєї внутрішньої структури, що називаються сухою перегонкою чи напівкоксуванням. При цьому відбувається виділення летких газів, які приєднуються до потоку газів, що йде з зони відновлення. За рахунок тепла, що залишилося, у верхній частині шару паливо підсушується і до газів приєднуються водяні пари в зоні сушіння V. Генераторний газ, що утворився, відводиться через газовідводний патрубок. Непальні залишки у виді шлаку віддаляються з колосникових ґрат у ванну з водяним затвором.

Розподіл простору газогенератора на зони є чисто умовним, тому що процеси в ньому йдуть паралельно і можуть накладатися один на одного.

У залежності від складу дуття генераторні гази поділяють на 4 групи:

1. Повітряний.

2. Водяний.

3. Змішаний.

4. Парокисневий.

Повітряний газ. При газифікації сухим повітрям отримують повітряний газ. При цьому в газогенераторі йдуть наступні реакції:

С+О₂=СО₂+409 МДж/кмоль

2С+О₂=2СО+241 МДж/кмоль

2СО+О₂=2СО₂+576 МДж/кмоль

СО₂+С=2СО-162 МДж/кмоль.

Перші дві реакції йдуть в основному в зоні горіння і йдуть до кінця. Дві останні відбуваються в зоні газифікації і є оборотними.

Рівняння процесу одержання ідеального генераторного газу можна представити в наступному виді:

2С+О₂+3.76N₂ = 2СО+3.76N₂.

Тоді вихід газу з одного кілограма вуглецю відповідно до рівняння газифікації складе:

де V_CO, V_N2-об’єми окису вуглецю й азоту в генераторному газі, м³;

М_С = 12 – молярна маса вуглецю кг/кмоль.

Склад повітряного генераторного газу, %:

Теплота згоряння повітряного газу, МДж/м³:

де Q_CO – теплота згоряння окису вуглецю, МДж/м³.

Коефіцієнт корисної дії газифікації при одержанні повітряного генераторного газу, %:

де (Q_н^р)_вуг=34,1 – теплота згоряння вуглецю, МДж/кг.

Водяний газ. При продувці через розпечений шар вуглецю водяної пари одержуємо водяний газ за наступними реакціями:

С+Н₂О= СО+Н₂ – 118 МДж/кмоль

С+2Н₂О= СО₂+2Н₂- 75 МДж/кмоль

Обидві ці реакції є ендотермічними, тому процес газифікації без підведення тепла не йде. Через це в газогенератор подають по черзі повітряне, та парове дуття. Період повітряної продувки називають фазою повітряного чи гарячого дуття. Газ, що отримують при цьому викидають в атмосферу. Період продувки паром називають фазою парового дуття чи періодом газування. Сукупність двох фаз складає робочий цикл газифікації. Склад водяного газу при цьому наступний, %: Н₂ до 50; СН₄ до 6; СО до 40; СО₂ – 6; N₂ –2; Q_н^р – 10-11 МДж/м³. ККД газифікації в реальних умовах не перевищує 60–65% через втрати тепла з продувними газами. Водяной газ самостійного значення як промислове паливо не одержав.

Змішаний газ. При використанні як дуття суміші пари з повітрям виходить пароповітряний газ. При цьому витрата повітря складає 2.2 –2.8 м³/кг вугілля, витрата пари 0.2 –0.5 кг/кг вугілля. Витрата повітря і пари знаходяться в зворотній залежності, при цьому протікають наступні реакції:

2С+О₂+3.76N₂=2СО+3.76N₂+241 МДж/кмоль

С+(Н₂О)_пар=СО+Н₂-118 МДж/кмоль

В ідеальних умовах з метою приведення до нуля сумарного теплового ефекту обох реакцій на 2 кмоль вуглецю в першій реакції варто прийняти 241/118=2.07 кмоль вуглецю в другій реакції. Тоді загальне рівняння процесу буде мати вид:

4.07С+О₂+2.07(Н₂О)_пар+3.76N₂=4.07СО+2.07Н₂+3.76N₂

Вихід змішаного газу з, м³/кг вугілля:

де V_CO, V_H2, V_N2 – об’єми окису вуглецю, водню й азоту в генераторному газі, м³.

Склад змішаного газу, %:

Теплота згоряння ідеального змішаного газу, МДж/м³:

де Q_CO, Q_H2 – теплоти згоряння окису вуглецю і водню, МДж/м³.

ККД газифікації, %:

Склад реального змішаного газу, %:

Н₂ – 15; СН₄ – 25; СО – 25; СО₂ – 15; N₂ – 40-60.

Парокисневий газ. Для збільшення коефіцієнта корисної дії газогенератора іноді як дуття застосовують парокисневу суміш. ККД зростає з 40-60% до 70-80%. Теплота згоряння підвищується до 10 МДж/м³. Склад парокисневого газу, %: Н₂ до 40; вуглеводні до 5; СО – 30-40; СО₂ – 20; N₂ – 4-20.

Проведення процесу газифікації під підвищеним тиском відповідно до принципу Ле-Шателье зміщає рівновагу вбік вмісту в генераторному газі більш важких з'єднань. Крім реакцій утворення окису вуглецю і водню в шахті газогенератора інтенсивно відбувається утворення метану за рівняннями:

С+2Н₂=СН₄+75.4 МДж/кмоль

СО+3Н₂=СН₄+Н₂О+203.9 МДж/кмоль

Крім того підсилюється утворення окису вуглецю по рівнянню:

СО+Н₂О=СО₂+Н₂+43.6 МДж/кмоль

У результаті промивання водою при підвищеному тиску велика частина двоокису вуглецю видаляється і теплота згоряння газу за рахунок збільшення змісту метану підвищується до 16.5 МДж/м³ і вище. Такий газ може успішно транспортуватися на значні відстані за рахунок надлишкового тиску на виході з газогенераторної установки. Однак процес газифікації під тиском супроводжується виділенням значної кількості смол.

2 РОЗРАХУНОК СКЛАДУ ЛЕТКИХ ПРИ ТЕРМІЧНІЙ ОБРОБЦІ ТВЕРДОГО ОРГАНІЧНОГО ПАЛИВА

Першим кроком вирішення задач такого типу є приведення складу органічного палива до робочого стану. Цей розрахунок виконується наступним

чином:

– визначаємо значення коефіцієнта перерахунку з сухого на робочий склад палива ;

– визначаємо вміст золової складової в робочому складі палива, % ;

– визначаємо значення коефіцієнта перерахунку з горючого на робочий склад палива ;

– визначаємо вміст інших компонентів в робочому складі палива, %

В якості летких газів при термічній переробці твердого палива при високих температурах процесу виділяються наступні гази: H₂S, CH₄, N₂, CO₂, H₂O. Їх вихід (м³/кг) можна обчислити за наступними формулами:

де k_s – коефіцієнт, що характеризує розподіл сірки між сполуками. Приймається рівним 0,1-0,5.

Сумарний вихід летких на один кілограм палива складає: .

Доля нелеткого вуглецю, що залишився після виділення летких, визначається за допомогою наступної залежності:

Для перевірки точності розрахунків розглянемо матеріальний баланс зони виділення летких (Таблиця 1).

Таблиця 1 – Матеріальний баланс зони виділення летких

Оскільки маса гарячих газів з зони газифікації, за допомогою яких видаляються леткі, є однією для входу в зону возгонки летких і на виході з неї (в таблиці позначено як V_газ×r_газ), то виключаємо цю складову з розглядання як приходної так і розхідної частини.

Густина простих речовин (газів) визначається як , де M– мольна маса речовини, кг/кмоль, а густина газових сумішей визначається як , де M₁, M₂,... M_n – молекулярні маси компонентів сумішей, кг/кмоль; c₁, c₂,... c_n – об’ємні долі відповідних компонентів в суміші, %. Тобто для визначення густини летких використовуємо наступну залежність:

, (1)

де H₂S^л, CH₄^л, N₂^л, CO₂^л, H₂O^л – відсотковий вміст відповідних компонентів в летких визначається як відношення об’єму відповідного компоненту летких до загального об’єму летких:

Тобто маса приходної частини складає 1 кг. Якщо маса складових V_л×r_л+М_к менше ніж на 0,5% відрізняється від 1 кг, то розрахунок вважаємо виконаним вірно з достатньою точністю.

3 ПОБУДОВА МАТЕРІАЛЬНОГО БАЛАНСУ ЗОНИ ГАЗИФІКАЦІЇ

Розглянемо задачу побудови матеріального балансу зони газифікації коксового залишку вугілля. Інтегральну характеристику цього процесу можна надати за допомогою наступного хімічного рівняння: .

Будемо конструювати матеріальний баланс відносно кокосового залишку вугілля, який було отримано з 1 кг твердого палива. Припускаємо, що коксовий залишок складається лише з вуглецю і золи. Тоді один кілограм коксового залишку містить кг вуглецю і кг золи,

Виходячи з записаного хімічного рівняння для газифікації відповідної кількості коксового залишку необхідно кисню м³, або повітря м³, де k – коефіцієнт збагачення повітря киснем (показує об’ємну частку кисню в повітрі), %. Звичайне повітря містить 21% кисню і 79 % азоту. При збагаченні доля кисню зростає.

В результаті газифікації отримуємо газ, що складається з моноокису вуглецю і азоту, що повністю перейшов у генераторний газ з повітря. В результаті газифікації коксового залишку, що відповідає 1 кг твердого палива отримуємо в зоні газифікації м³ генераторного газу (перший доданок відповідає виходу моноокису вуглецю, другий азоту). Тобто і

При чому доля моноокису вуглецю складає , %, а доля азоту , %.

Вважаючи, що вся зола коксового залишку переходить в шлак, можна показати матеріальний баланс зони газифікації наступним чином (Таблиця 2).

Густину генераторного газу r_газ визначаємо за допомогою залежності типу (1). В результаті підбиття суми приходної і розхідної частин балансу необхідно досвідчитись, що різниця між результатами не перевищує 0,5%, тоді результати розрахунків можна вважати вірними.

Таблиця 2 – Матеріальний баланс зони газифікації

Приходна частина	Маса, кг	Розхідна частина	Маса, кг
Косовий залишок   Повітря	Сnr/100+Ар/100 Vпов×rпов*	Газ Шлак	Vгаз×rгаз
Разом		Разом

4 ПОБУДОВА ЗАГАЛЬНОГО МАТЕРІАЛЬНОГО БАЛАНСУ ГАЗОГЕНЕРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Загальний матеріальний баланс охоплює всі зони газогенераторної установки. Його прихідні і розхідні статті приведено в Таблиці 3.

Таблиця 3 – Загальний матеріальний баланс газогенераторної установки

Приходна частина	Маса, кг	Розхідна частина	Маса, кг
Вугілля   Повітря	Vпов×rпов*	Газ З зони газифікації З зони возгонки летких   Шлак	Vгаз×rгаз   Vл×rл
Разом		Разом

В разі якщо розрахунки виконано вірно, маси всіх компонентів приходної і розхідної частин повинні відрізнятися не більше ніж на 0,5 %.

Загальний об’єм газів, що буде отримано при переробці 1 кг палива визначається як сума об’ємів продуктів зони газифікації і зони виділення летких

При цьому об’єм кожного з компонентів суміші визначається наступним чином:

Відсоткова доля кожного з компонентів суміші визначається як відношення відповідного об’єму компоненту до об’єму суміші V_S виражене в відсотках.

Густина суміші r_S визначається за формулою (1).

В разі якщо розрахунок виконано вірно повинне виконуватися наступне співвідношення: V_газ×r_газ+ V_л×r_л= V_S×r_S. Необхідно досягти такої точності розрахунків, щоб це співвідношення виконувалось з точністю не менше 0,5%.

5 ПОБУДОВА ЗАГАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСУ ГАЗОГЕНЕРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Ідея теплового балансу полягає в тому, що кількість енергії, що надходить до будь-якої системи дорівнює кількості енергії, що використовується і розподіляється в цій системі.