Свойства угля как сырья для подземной газификации.

Газификацией угля называется процесс получения из не­го горючих газов. Подземную газификацию угля производят непо­средственно в недрах Земли на месте ее залегания.

Горючие газы возможно получать не только в результате гази­фикации угля, но и других твердых горючих ископаемых (торф, горючие сланцы). В настоящее время подземную газификацию твердых видов топлива производят только на базе угольных ме­сторождений.

При подземной газификации угля (ПГУ) в процессе принима­ют участие горючая масса угля и влага, содержащаяся в нем. Состав горючей массы и ее содержание в угле характеризуют его теплотворную способность (теплоту сгорания). Теплота сгорания может относиться к 1 кг горючей массы или 1 кг рабочей массы. Различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания угля. Выс­шая теплота сгорания учитывает тепло, выделяющееся при конденсации водяных паров, образующихся в результате сжигания водорода, содержащегося в угле в виде газа и влаги. Низшая теплота сгорания всегда меньше высшей на величину тепло­ты конденсации водяных паров продуктов сгорания. Так как на практике тепло конденсации не используют, то для оценки количе­ства тепла, образующегося при сгорании угля, применяют низшую теплоту сгорания.

При нагревании без доступа воздуха происходит удаление из горючей массы угля летучих веществ (газов и паров). Удаление летучих веществ начинается при Т=130—140 °С (в зависимости от типа угля) и завершается при температуре 1100—1200 °С. При этом в качестве твердого остатка образуется кокс.

В процессе подземной газификации угля существенное влияние оказывают такие его свойства, как спекаемость, термическая стой­кость, температура воспламенения, шлакуемость и др.

Спекаемость характеризуется способностью измельченного угля образовывать сплошную массу при нагреве без доступа воз­духа, термическая стойкость — устойчивостью против из­мельчения при нагреве.

Температура воспламенения соответствует темпера­туре, при которой химическая реакция углерода угля с кислоро­дом начинает протекать за счет собственного тепловыделения. Для бурых углей эта температура равна 180—200 °С, для древес­ного угля 252 °С, для каменного угля 300—350 °С, для полукокса 395 °С, для кокса 460 °С.

Шлакуемость характеризуется отношением массы шлака к массе золы, образующихся при сгорании угля.

Активность процесса газификации угля харак­теризуется отношением максимального содержания окиси углеро­да в полученном газе к содержанию окиси углерода в воздушном дутье (34,7%).

Из геолого-петрографических характеристик угольного пласта на процесс газификации угля оказывают влияние мощность пла­ста, его строение, проницаемость и особенности строения.

Частичная и полная газификация угля

Частичной или неполной газификацией угля на­зывается процесс его нагрева без доступа воздуха, при котором в газ превращаются только летучие составляющие (СО, Н2, СН4 и др.). При этом в тепло газа переходит от 10 до 50% теплоты сгорания угля.

Процесс частичной газификации угля разделяется на три этапа разложения.

1. Низкотемпературное разложение (полукоксование) происхо­дит при 550—600 °С. В качестве твердого остатка при этом обра­зуется полукокс. Выход газов составляет около 60 м3/т, теплота сгорания газов достигает (24—32) . 103 кДж/м3.

2. Среднетемпературное разложение (среднетемпературное кок­сование) происходит при Т=700—800 °С. Твердым остатком при этом является среднетемпературный кокс. Выход газов составляет около 200 м3/т. Теплотворность газов среднетемпературного коксо­вания составляет (20—24) . 103 кДж/м3.

3. Высокотемпературное разложение (коксование) осуществля­ется при Т = 900—1100°С с образованием в качестве твердого остатка кокса. Выход коксового газа составляет 320 м3/т, теплота сгорания его составляет (16—20) . 103 кДж/м3.

При указанных трех этапах разложения угля только неболь­шая часть его теплоты сгорания переходит в газообразные про­дукты летучих веществ, основная же часть теплоты сгорания угля остается в коксовом остатке.

Частичная газификация углей производится в наземных усло­виях в специальных печах, которые называют коксовыми батарея­ми, в которых получают полукокс, среднетемпературный кокс или кокс.

Полной газификацией угля называется такой процесс, при котором горючий газ образуется не только за счет удаления летучих компонентов из угля, но и за счет его коксового остатка.

Полная газификация угля основана на химических реакциях углерода угля с кислородом, при которых образуются двуокись углерода (СО2) и окись углерода (СО).

В качестве источника кислорода может быть кислород воздуш­ного дутья или кислород водяных паров. Возможные химические реакции этих процессов следующие:

Полная газификация угля может производиться в наземных и подземных условиях.

Физико-химические основы полной газификации угля.

Реагирование углерода с кислородом протекает с выделением тепла (экзотермические реакции) по следующим схемам:

С+О2 СО2+4,09 . 104 кДж/(кг . моль), (15.3)

2С+О2 2СО+24,6 . 104 кДж/(кг . моль). (15.4)

Рис. 15.1. Зависимость интенсивно-

сти восстановления двуокиси углеро-

да до окиси углерода от темпера-

туры:

1 — торфяной кокс; 2 — древесный уголь;

3 — кокс; 4 — антрацит

При наличии избытка кислорода окись углерода может при горении прореагировать до двуокиси:

2СО+О2→2СО2+57,2×104 кДж/(кг∙моль) (15.5)

Одновременно с этим при высоких температурах и наличии контакта двуокиси углерода с углем может происходить ее восстановление до окиси углерода по схеме

СО2+С→2СО2-16,25×104 кДж/(кг∙моль) (15.6)

Эта реакция эндотермична (поглощение тепла).

Скорость восстановительной реакции (15.6) зависит от температуры, что можно проследить по графикам на рис.15.1, где по оси ординат отложена величина, характеризующая процент выхода СО2 в зависимости от температуры.

В процессе ПГУ тепло, выделяющееся в результате реакции по схемам (15.3.), (15.4.) и (15.5), способствует повышению температуры угольного пласта и тем самым протеканию эндотермической реакции по схеме (15.6).

При взаимодействии паров воды, содержащиеся в пласте, с углеродом угля протекают экзотермические реакции с образованием горючих компонентов – СО и Н2 по следующим схемам:

Реакции в соответствии с (15.7) и (15.8) протекает при температуре свыше 900-1000 ОС, при чем скорость реакции очень сильно зависит от температуры.

Таким образом, за счет теплоты реакции по схемам (15.3), (15.4) и (15.5) происходит повышение температуры угля, что обеспечивает его сушку, выделение летучих веществ, содержащих горючие компоненты (СО, Н2, СН4, Н2S), а также способствует протеканию реакции по схемам (15.7) и (15.8).