Тепловой баланс природный газ

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

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.

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.

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.

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

Q C  7600 ккал/кг.

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

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):

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

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

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

 0 , 142  0 , 102  0 , 0025   0 , 132

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

 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:

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

Расход воздуха на 100 кг топлива составит:

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 нм 3 сухого воздуха содер- жится влаги при 100 %-ном насыщении 13,8 г/нм 3 .

При относительной влажности 50 % влагосодержание 1 нм 3 воздуха соста- вит: 13,8 · 0,5 = 6,9 г/нм 3 .

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

Баланс водорода

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.

Влагосодержание 1 нм 3 газа воздушного дутья:
8 , 10  1000 _{ 13,4 г/нм3}

Баланс кислорода

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 нм 3 кислорода, кг.
3. Поступает кислорода с влагой топлива, и влагой воздуха:

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

a a
q₁  g

 Q B 100  7320  732000 кг

q₂  g_B  C_t  t ,

Расходные статьи

Г Г
q₁   g

 Q В  604  402  242800

q   g  Q В  4  7690  30760

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

q ₃   815 7  0 , 9 6  250 0  0 , 0 2  755 0

q ₄   g _Г  C _t  t  60 4  0 , 3 3  70 0  13950 0

1. Физическое тепло уноса при 700 °С:

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

q ₇   g _Ш  C _t  t  6 , 4 4  0 , 2  25 0  31 0

Таблица 1 – Тепловой баланс процесса газификации антрацита на воздушный газ

Источник