PA280307

Patiu* i cneryia. Strażowanie paliw stałych

Ig

Okres miądsawojenny 1S18—1939 r. przynosi dalszy postęp techniczny: l) zgszowanie paliw metodę ciągłą przy użyciu mieszaniny pary wodnej i tlenu, *9 igazowanie paliwa metodą fluidalną w generatorze Winklera,

S) bodowa generatorów odciekowych na żużel płynny o bardzo intensywnym działania,

4)    zfaaowanie paliw pod ciśnieniem,

5)    zgazowsnfe paliw podziemne.

Produkty zgasowania paliw znalazły szerokie zastosowanie jako wielce dogodne sztuczne paliwo gazowe oraz jako źródło wodoru i tlenku węgla do syntez chemicznych amoniaku, paliw płynnych itp.

3. Fizykochemiczne podstawy zgazowania paliwa stałego a. Gaz powietrzny i po wietrzno-wodny

Zgazowanie paliwa stałego na gaz powietrzny polega na częściowym, niezupełnym jego spaleniu przy użyciu powietrza. Najważniejszym składnikiem otrzymanego gazu jest tlenek węgla — produkt niezupełnego spalania paliwa stałego. Podstawowymi parametrami tego procesu są odpowiednio wysoka warstwa paliwa i należycie wysoka temperatura. Te właśnie warunki zapewmiają utlenienie węgla do CO i C0₂, a następnie redukcję CO* do CO.

Przemiany te przyjęto wyrażać następującymi równaniami chemicznymi:

C + 0*-f-3,76 N, = CO, -f 3,76 N, -f* 97,0 kcal    [1]

CO, -f- C = 2 CO    — 38,4 kcal    [2]

2 C + O, -f 3,76 N, =* 2 CO + 3,76 N, -f- 58,6 kcal

czyli

CIH11,88 N, — CO + 1,88 N, + 29,3 kcal    [3]

2

W omawianym procesie, w przypadku idealnym, jak wynika z powyższych równań, na 1 gramoatom węgla przypada 1 mol CO i 1,88 mola N₂ w otrzymanym gazie powietrznym. Wynosi to, jak łatwo obliczyć na 1 kg C 5,38 Nm* gazu powietrznego o składzie teoretycznym

CO - 34,7% obj.

|| — 65,3% obj.

Spalanie 1 gramoatomu C w sposób zupełny do C0₂ dostarcza 97 kcal. Spalenie natomiast 1 gramoatomu C do CO daje jak wynika z równania [Z] jedynie 29,3 kcal. Jest to ciepło tworzenia się gazu powietrznego, które zużywa się głównie na ogrzanie produktów zgazowania. Reszta ciepła 67,7 kcal zostaje utajona w gazie powietrznym i jest odzyskiwana dopiero podczas spalania zawartego w nim tlenku węgla wg równania

CO 4- — 11,88 N, I CO, -f 1,88 N, §§ 67,7 kcal    [4]

2

Wartość opalowa idealnego gazu powietrznego obliczona na podstawie powyższego równania wynosi 1046 kcal/Nm³. To sztuczne paliwo gazowe,

licząc na 1 gramoatom zgazowanego węgla wytwarza już nie 97 kcal, lecz 67,7 kcal. Wydajność termiczna gazu powietrznego, czyli stosunek ilości ciepła przypadającego na 1 gramoatom węgla w paliwie gazowym do ilości ciepła uzyskiwanego przez spalenie zupełne tej samej ilości

87,7 kcal

węgla paliwa stałego wynosi _{97 0 k(}^' = 0,698, czyli 69,8°/o.

Różnica 97,0 — 67,7 = 29,3 kcal to właśnie ciepło tworzenia się gazu powietrznego, stanowi ono ciepło realne powstałych gazów i często jest tracone, jeżeli gorący gaz powietrzny nie jest spalany bezpośrednio po wyjściu z generatora w jakimś np. piecu, lecz dopiero w pewnej odległości, gdy gazy ostygną. Straty ciepła z tego powodu mogą wynosić 29,3

——•100 = 30,2°/o. Cenne jednak własności paliwa gazowego, jego wysoki

97*3

współczynnik wykorzystania czynią je pomimo wszystko paliwem opłacalnym.

Przebieg procesu zgazowania i uzyskiwane w praktyce wyniki odbiegają od przedstawionego wyżej obrazu procesu i wyników w przypadku idealnym. Podczas zgazowania paliwa powstaje nie tylko CO, ale i CO*. Ilościowy stosunek CO i C0₂ w gazie powietrznym wynika z warunków równowagi Boudouarda, wyrażonej równaniem [2]

CO, + C 2 CO - 38,4 kcal

Reakcja ta jest reakcją odwracalną, endotermiczną i przebiegającą ze zmniejszeniem objętości. Stosunek CO do CO* w stanie równowagi zależy od temperatury i ciśnienia. W wyższych temperaturach równowaga reakcji jest przesunięta coraz bardziej w prawo, w kierunku tworzenia się CO i ustala się tym szybciej, im wyższa jest temperatura, osiągając stan właściwy dla danej temperatury. W temp. 1200 °C zawartość CO* w gazie w stanie równowagi spada do zera. W zakresie temperatur 1100—1200 °C równowaga reakcji omawianej ustala się z szybkością dostateczną dla celów technicznych, a w temp. 1500 °C całkowity rozkład CO* następuje w ciągu ok. 0,1 sek. Ogólnie biorąc zawartość CO w wytworzonym gazie zależy od następujących czynników:

1)    temperatury w strefie reakcyjnej,

2)    znacznej prędkości przepływu gazów przez warstwę paliwa,

3)    stężenia tlenu,

4)    wysokości warstwy paliwa, decydującej o czasie kontaktu gazu i rozżarzonym paliwem.

W praktyce zgazowuje się nie węgiel pierwiastkowy, lecz paliwa stałe naturalne — węgiel kamienny, brunatny, torf oraz paliwa sztuczne — koks, półkoks, brykiety. Takie paliwa zawierają oprócz C pewne ilości H, O, S, substancje mineralne — popiół oraz wilgoć. Zgazowuje się je powietrzem nie suchym, lecz zawsze o pewnej zawartości wilgoci. Te nieodłączne składniki paliwa naturalnego i powietrza wpływają na przebieg procesu zgazowania oraz na skład otrzymywanego gazu. Para wodna, chociaż nie wprowadzona z powietrzem, powstaje z wilgoci paliwa oraz z zawartego w paliwie wodoru i tlenu i reaguje z rozżarzonym węglem w myśl równań następujących:

15]

m

C + H,0 CO -f- H, - 28,3 kcal C + 2 H,0 0 CO, 4? 2 H,b - 18,2 kcal