химический каталог




Введение в водородную энергетику

Автор Э.Э.Шпильрайн, С.П.Малышенко, Г.Г.Кулешов

ческие характеристики процессов проще всего рассмотреть в аллотермическом варианте. Стандартный тепловой эффект реакции (2.3) при условии, что вода

участвует в реакции в виде пара, составляет АН°298 =+90 170 кДж-кмоль-'С и в первом приближении о температуры не зависит. Если эта теплота будет подво диться к системе за счет сжигания углерода в кислороде-по реакции

С+02=С02, _

то с учетом того, что для этой реакции ?#°298= .=—393,7 кДж-моль-1 С, на 1 моль С, участвующий в реакции (2.3),. понадобится сжечь до СОг дополнительно 0,23 моля С.

Следовательно, на получение 2 кмолей Н2 (4 кг водорода) надо будет затратить 1,23 моля С, или 14,76 кг углерода (3,69 кг С на 1 кг Н2). Очевидно, что КПД этого процесса, рассчитанный по низшей теплоте сгорания водорода, должен составлять 100%· Но этим затраты углерода не исчерпываются. В соответствии с реакцией (2.3) водород будет получен в смеси с С02, причем равновесные концентрации Н2 и С02 будут являться функциями температуры. Минимальная работа разделения этой газовой смеси (см. гл. 4) составляет 739,3 кДж-моль-1 Н2. Если считать, что эта работа будет получена преобразованием теплоты, получаемой при сжигании углерода, с КПД 33%, то понадобится затратить 0,01 кмоля С на 1 кмоль Н2, •или 0,06 кг С на 1 кг Н2.

Таким образом, в этом варианте суммарные затраты углерода в лучшем случае должны составлять около 3,75 кг С на 1 кг Н2 и максимальный КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, будет равен 98%.

В связи с высоким уровнем температур протекания реакций газификации аллотермический принцип на практике обеспечить сложно. Поэтому обычно автотермйчность процесса достигается одновременным воздействием на углерод водяного пара и кислорода (так называемая паро-кислородная конверсия). При этом в основном происходят следующие реакции:

С+02=СО2; (2.4) С+2Н20 = С02+2Н2; (2.5) С+Н20=СО+Н2; (2.6) С+С02=2СО. ' (2.7)

Из этих 4 реакций только 3 являются независимыми. Основные термодинамические характеристики, относящиеся к.этим реакциям, приведены в табл, 2,1,

S2

Таблица 2.1. Термодинамические характеристики реакций парокислородной конверсии

Реакция 298' кДж.кмоль"1 ?<3298 кДж-кмоль'1 as0 „, 298 кАж-кмоль-'-К*1

с+о2=со2 · С+2НгО*=С02+2Нг с+н2о*=со+н2 - С+СО,=2СО • —393 701 +90 170 + 131 360 + 172 550 —394 568 +62 860 +91 510 + 120 150 2,89 91,59 133,.66 175,73

* В этой таблице НаО принято в газооЗразном состоянии при /telJ. У МПа, Г=298 К

При заданных давлении ? и температуре ? в газификаторе, в который подаются углерод, кислород и водяной пар, будут в пределе устанавливаться равновесные концентрации всех газообразных реагентов, определяемые константами равновесия соответствующих реакций (табл. 2.2).

На рис. 2.1 в функции температуры при р=0,1 МПа приведены равновесные концентрации всех основных реагентов парокислородной газификации (при условии авто-термичности реакции), а также количества 02 и Н20, не-

Рис. 2.1. Термодинамика автотермической парокислородной газификации* углерода: · , -.

а — равновесные концентрации реагентов при давлении 0,1 МПа; б —состав дутья, обеспечивающего автотермйчность реакции при заданной температуре продуктов реакции

обходимые для газификации 1 -моля углерода. Влияние давления на выход продуктов газификации обычно мало.

Расчеты показывают, что равновесные концентрации 02 и Н20 в продуктах газификации при всех представляющих интерес для практики температурах пренебрежимо малы (это видно из рис. 2.1). Таким образом, продукты парокислородной газификации представляют собой смесь С02,

~ 53

СО и Н2. На этой стадии еще не весь углерод полностью окислен, окись углерода обладает возможностью окислиться до СОг, восстанавливая водород воды в соответствии с известной реакцией сдвига

СО+Н20=С02+Н2. (2.8)

Основные термодинамические характеристики этой реакции в стандартных условиях следующие: .

??°298=—41 190 кДж-кмоль"1; AG°298=—28 650 кДж-кмоль-1; iAls°298=— 10,05 энтропийной единицы.

Равновесие в реакции (2.8) практически не зависит от давления, а зависимость равновесных концентраций от температуры показана на рис. 2.2.

Прежде чем осуществлять реакцию сдвига, от смеси С02, СО и Н2 необходимо отделить G02. На это должна

быть затрачена работа разделения, которая также в конечном итоге должна быть получена за счет окисления некоторого количества углерода. Без учета работы разделения и в этом варианте теоретический КПД процесса, рассчитанный по лизшей теплоте сгорания водорода, должен составлять 100%, т. е. на получение 1 кг Н2 в смеси реагентов выходящих из реактора, и в этом случае должно теоретически затрачиваться 3,69 кг С. Анализ, приведенный выше, не учитывает затрат теплоты на нагрев исходных веществ до температуры реакции Т. Это правомерно в предположении применения регенерации теплоты, т. е. использования теплоты продуктов реакции для подогрева исходных веществ.

Представляет интерес еще одна возможная схема получения водорода с помощью угля. Речь идет о последовательном осуществлении процесса окисления углерода до СО

1400 1800 Т,К

Рис. 2.2. Термодинами ческое равновесие реак ции сдвига

с + -ог=со

I 2 -г

(2.9)

и реакции сдвига (2.8) 54

Термодинамические характеристики реакций (2.9) еле-дующие:

?#°298=—110 577 кДж-кмоль-1;

AG°298=—137 209 кДж-кмольЧ

Константа равновесия для этой реакции приведена в табл. 2.3.

В реальных условиях реакция (2.9) происходит в. две стадии: вначале углерод окисляется до С02, а затем Ш2 восстанавливается углеродом до СО по реакции

С+С02=2СО.

Выше при рассмотрении автотермических процессов предполагалось, что окислителем углерода для производства недостающего количества теплоты является чистый кислород. На практике с этой целью в ряде случаев применяют воздух, ибо получение чистого кислорода из воздуха требует значительных затрат. При аллотермическом осуществлении процесса принципиального различия между использованием чистого кислорода или воздуха нет. При автотермическом осуществлении процесса применение воздуха приводит к тому, что в продуктах реакции оказывается азот, удаление которого требует соответствующих затрат •работы или теплоты.

2.2. Схемы установок для получения водорода

Как уже отмечалось, всякая газификация угля может рассматриваться как шаг на пути получения водорода. Поэтому в данном параграфе рассматриваются установки для газификации. При их описании указывается непосредственный выход водорода в газификаторе и отмечаются пути для получения чистого водорода.

История газификации угля насчитывает уже около 200 лет, однако старые спс-собы газификации с целью получения светильного и водяного газа в настоящее время не имеют практического значения. В настоящее время газификация угля используется:

для получения горючего газа для промышленных установок, главным образом различных печей, в последнее время— для парогазовых энергетических установок;

для получения синтез-газа (смеси СО+Нг,' иногда с N2); у

для получения заменителя природного газа, допускающего дальний трубопроводный транспорт. 56 -

В связи с получением водорода наибольший интерес представляют процессы газификации, в которых промежуточным продуктом является синтез-газ.

В соответствии с их назначением процессы строятся так, чтобы состав и параметры газа, получаемого в газификаторе, наилучшим образом отвечали соответствующим требованиям.

Процессы газификации угля классифицируют по различным признакам:

во-первы'х, по состоянию угля, подаваемого в газификатор. Здесь различаются газификаторы с неподвижным слоем угля, газификаторы" с кипящим слоем угля, пыле-угольные газификаторы и, наконец, газификаторы, в которые уголь подается в виде водоугольной суспензии или в виде пасты, представляющей собой смесь угольной пыли с каким-либо минеральным маслом;

во-вторых, по характеру подвода теплоты в газификатор. Здесь наиболее распространены случаи автотермического ведения процесса газификации, но существуют схе-' мы и с аллотермическими процессами, когда недостающая теплота либо вводится в газификатор с тем или иным теплоносителе^ (газообразным или твердым), либо передается газификатору через стенку;

в-третьих, по типу применяемого окислителя. Здесь применяются воздух, кислород, водяной пар и двуокись углерода и различные их комбинации;

в-четвертых, различают газификаторы с жидким и твердым шлакоудалением, что, естественно, зависит от уровня температуры в газификаторе;

наконец, в-пятых, существенно давление в газификаторе. В связи с этим различают газификаторы атмосферного и повышенного давления.

К середине 50-х годов нашего столетия были разработаны и достигли стадии промышленного применения три основных метода газификации угля, рассматриваемые ниже.

¦Еще перед второй мировой войной в Германии был разработан процесс Лурги, который по тому времени был весьма прогрессивным. И сегодня с учетом различных усовершенствований этот процесс является наиболее распространенным в производстве синтез-газа. Процесс Лурги представляет собой процесс газификации угля в неподвижном слое с использованием паровоздушного или царокислород-ного дутья с давлением около 3 МПа,

• 57

Рис. 2.3. Схема газификатора Лургн

Схема газификатора Лурги показана на рис. 2.3. Сортированный уголь с размерами кусков 5—30 мм подается в газификатор через шлюз. Вращающийся питатель распределяет поступающий уголь равномерным слоем по вращающейся решетке. Парокислородное дутье подается под решетку противотоком к реагирующему опускающемуся углю. Но мере движения газифицирующей парокислородной смеси сквозь слой угля происходят следующие процессы. Вначале смесь проходит сквозь слой горячего

шлака, лежащего на решетке, и подогревается. Затем газы поступают"в зону горения кокса, где температура достигает 1300—1500 К. Из этой зоны горячие газы попадают в зону \Зола газификации, где протекают эн-

дотермические реакции, и температура газов начинает снижаться. При температуре 1000— 1123 К (в зависимости от реакционной способности угля) реакции прекращаются

страница 11
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

Скачать книгу "Введение в водородную энергетику" (2.73Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
профессиональное оборудование для кинотеатра 3д цена
ремонт холодильников на дому в юбилейном
Купить дом в Истринском районе в поселке Чистые Пруды-2
светящиеся баннеры заказать

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(12.12.2017)