Другие процессы переработки топлива
Полукоксование.Полукоксованием называют низко- и среднетемпературный пиролиз твердого топлива (каменные и бурые угли, сланцы) при нагревании до конечной температуры 500-600 оС. Полукоксование имеет целью получение транспортабельного искусственного жидкого и газообразного топлива, более ценного, чем исходное, а также получение сырья для химической промышленности. Прямые продукты полукоксования – это полукокс, смола и газ; их выход зависит от вида исходного топлива.
Полукокс – слабо спекшийся кусковый материал или порошок. Полукокс, полученный из бурых углей, содержит 84-89 % углерода и 2-4 % водорода. Выход летучих веществ составляет 13-16 %. Полукокс из бурых углей обладает высокой реакционной способностью и применяется как местное энергетическое топливо, как составляющая шихт для коксования, как исходное сырье для газификации и как источник теплоты для энерготехнологических установок переработки углей.
Смола полукоксования представляет собой сложную смесь, из которой получают моторное топливо, растворители, индивидуальные органические соединения. Методы переработки смолы аналогичны методам переработки нефти; смолу полукоксования подвергают прямой гонке или деструктивной переработке, т.е. различным видам крекинга.
Газификация топлива - это процесс, при котором органическая часть твердого топлива превращается в горючие газы при взаимодействии с воздухом, водяным паром, кислородом и другими газами. Газификация позволяет получать из малоценного топлива так называемые генераторные газы, которые представляют собой беззольное, транспортабельное топливо и сырье для химической промышленности.
|
|
|
Для газификации могут быть использованы любые виды твердого топлива – торф, низкосортные угли, полукокс, отходы лесоразработок и др. При газификации в ректорах-газогенераторах органическая масса топлива превращается в генераторный газ при взаимодействии с окислительным дутьем – воздухом, водяным паром, кислородом; минеральная (зольная) масса исходного топлива превращается в шлаки.
Водород и оксид углерода – основные ценные компоненты генераторных газов.
Газификация твердого топлива – гетерогенный, некаталитический процесс.
Воздушное дутье:
C + O2 = CO2 + 395 кДж/моль
2 C + O2 = 2 CO + 218 кДж/моль
Паровое дутье:
C + H2O = CO + H2 - 136 кДж/моль
C + 2 H2O = CO2 + 2H2 - 89.8 кДж/моль
В генераторе водяного газа происходит также вторичная реакция
CO + H2O ↔ CO2 + H2 + 43 кДж/моль
Равновесие которой определяется температурой. Реакции получения водяного пара эндотермичны, и газификация водяным паром требует непрерывного снабжения теплотой.
Паровоздушное или парокислородное дутье:
|
|
|
2 C + O2 = 2 CO + 218.5 кДж/моль
C + H2O = CO + H2 - 136 кДж/моль
При газификации кроме основных, первичных реакций идут побочные, вторичные. Наиболее существенные побочные реакции:
CO + H2O ↔ CO2 + H2+ 43 кДж/моль
CO2 + C ↔ 2 CO + 218 кДж/моль
2 CO + O2 = 2 CO2 - ΔН
При газификации под давлением образуются заметные количества метана в результате вторичных реакций, протекающих с уменьшением объема:
C + 2 H2 = CH4 + 87.5 кДж/моль
2 CO + 2 H2 = CH4 + CO2 + 247 кДж/моль
Гидрирование топлива, или гидрогенизация – это способ получения искусственного жидкого топлива – заменителя нефти и нефтепродуктов из бурых и каменных углей, сланцев и других видов низкосортного топлива. Метод основан на гидрировании топлива при высокой температуры, высоком давлении водорода и в присутствии катализаторов. В этих условиях происходит разрушение непрочных межмолекулярных и внутримолекулярных связей в органической массе топлива с присоединением водорода и образованием низкомолекулярных углеводородов из высокомолекулярных соединений. Высокие температуры и давление способствуют образованию жидкой фазы, которая вновь подвергается каталитическому гидрированию с расщеплением крупных молекул и присоединением водорода. Гидрированию подвергаются также соединения, содержащие азот, серу и кислород. Продуктом гидрогенизации служит жидкая смесь легких углеводородов (моторное топливо) с минимальным содержанием примесей серы, кислорода и азота, удаляемых в газовую фазу в виде сероводорода, воды и аммиака.
|
|
|
Высокие температуры при гидрировании достигаются нагреванием реагирующих веществ горячими газами через стенку и за счет теплоты экзотермических реакций.
Диапазон температур и давлений, применяемых при газификации топлива, составляет 380-550 оС и 20-70 Мпа. Катализаторами служат контактные массы на основе вольфрама, молибдена, железа, хрома и других металлов с различными активаторами. Для получения наибольшего выхода жидкого моторного топлива гидрогенизацию ведут двухстадийно. Первую стадию проводят при 380-400 оС, подавая в реактор высокого давления водород и пульпу исходного топлива с катализаторами, распределенными в жидком продукте гидрирования. В результате жидкофазного гидрирования получают широкую фракцию «среднего масла», которую после фенолов снова гидрируют уже в паровой фазе при 400-550 оС и 30-60 Мпа. Конечными продуктами гидрогенизации и последующих операций гидроочистки, гидрокрекинга и каталитического риформинга служат искусственный бензин, котельное и дизельное топливо, а также газ, содержащий легкие предельные углеводороды; газообразные продукты путем конверсии могут быть переработаны на водород, выход которого достаточен, чтобы обеспечить все предыдущие стадии производства.
|
|
|
Рассмотренный процесс двухстадийной гидрогенизации имеет сравнительно низкие экономические показатели в результате высокой затраты энергии (применение высоких давлений), большого расхода водорода, недостаточного использования побочных продуктов и отходов и др. При разработке новых методов получения искусственного моторного топлива из низкосортных углей и их гидрированием ставится задача уменьшения расхода водорода, применения циклической технологической системы с максимальной утилизацией всех компонентов исходного сырья, использованием высокоактивных катализаторов, позволяющих понизить давление и температуру гидрирования и т.п.
Гидрогазификацией называется процесс гидрирования твердого топлива с целью получения газа с высокой теплотой сгорания, который может служить заменителем природного газа. Гидрогазификацию осуществляют в условиях, способствующих максимальному превращению органической части топлива в газообразные легкие углеводороды; такими условиями является высокая температура, в интервале 500-700 оС, давление водорода не более 5 МПа и применение катализаторов, способствующих максимальному образованию метана.
Сухая перегонка топлива происходит при нагревании топлива без доступа воздуха. В результате могут протекать: а) физические процессы, например разделение жидких топлив на фракции по температурам кипения; б) химические процессы – глубокие химические деструктивные превращения компонентов топлива с получением ряда продуктов. Сухой перегонке подвергают твердые и жидкие топлива. Все реакции сухой перегонки могут быть сведены к расщеплению молекул, входящих в состав топлива, полимеризации, конденсации, деалкилированию, ароматизации продуктов расщепления и т.п.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ТЕМЕ 1.2
1-1.Перечислите основные методы химической переработки каменных углей
1-2.Что такое коксуемость углей и выход летучих веществ?
1-3.Приведите общую схему коксохимического производства. Какие требования предъявляются к углям для коксования? Что такое шихтовка углей и для чего она проводится?
1-4.Приведите в виде схемы последовательность операций при разделении прямого коксового газа.
1-5.Какие соединения входя в состав «сырого бензола»?
ЗАДАЧИ К ТЕМЕ 1.2
1-1.Проектная производительность Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК) – 1 млрд. т. бурого угля в год. Планируется построить на базе КАТЭК несколько тепловых электростанций общей мощностью 43 млн. кВт. Полагая КПД тепловой электростанции 22 %, рассчитайте, какая масса топлива будет использована для других целей.
1-2.Балансовые запасы углей одного из месторождений составляют 6937 млн.т. Определите объем оксида серы(IV) (н.у.), который будет загрязнять воздух при полном использовании всех запасов этого угля в качестве энергетического топлива. Массовая доля серы в угле в среднем 0.8 %. Какую массу 100 %-ной серной кислоты можно получить из дымовых газов, если бы 15 % всего оксида удалось уловить?
1-3.Определите, какую массу пыли за год рассеет на прилегающих площадях тепловая электростанция мощностью 0.5 млн. кВт, работающая на буром угле, если ее КПД 15 %. Потери с уносом составляют 1.5 % от массы угля. Сколько железнодорожных вагонов грузоподъемностью 60 т необходимо для перевозки этой пыли?
1-4.Определите, какая масса бромида свинца(II) будет выброшена в атмосферу города за год всеми автомашинами таксомоторного парка, если здесь 150 автомобилей ГАЗ-24 «Волга». В сутки 1 автомобиль проходит в среднем 400 км, расход топлива А-76 15 л на 100 км. По ГОСТ 13 210-72 в топливе этой марки содержание тетраэтилсвинца (ТЭС) 0.41 г/кг. Плотность топлива 0.73 г/см3.
1-5. При получении водорода парокислородной конверсией метана часть сырья сгорает в самом реакторе. Протекающие процессы могут быть выражены уравнениями:
2 СН4 + О2 = 2 СО + 4 Н2 + 66.88 кДж/моль
СН4 + Н2О = СО + 3 Н2 -209 кДж/моль.
Следует подобрать состав трехкомпонентной газовой фазы в молях (хСН4:уО2:zН2О) так, чтобы суммарная удельная теплота реакции была близка к нулю.
1-6.Ежегодно в мире производят 30 млн. т водорода. При этом около 70 % получают из природного газа. Если известно, что за данный период добывали 700 млрд. мЗ природного газа, рассчитайте, какая массовая доля его шла на производство водорода. Реальный выход водорода при паровой конверсии метана 2.3 моль/моль СН4. Необходимо принять во внимание, что объемная доля метана в природном газе равна 90 %.
1-7.Торфяной воск получают экстрагированием торфа. Расходный коэффициент сырья 16.7 кг/кг. Какую массу кускового торфа (в т) с влажностью 40 % надо добыть, чтобы получить 500 т воска?
1-8.Метан можно получать из бурого угля с использованием теплоты ядерного реактора. Переработка 660 т такого угля с массовой долей углерода 55.6 % дает 1.1·105 м3 метана. Определите выход метана в процентах от теоретического.
1-9.Один ядерный реактор мощностью 3000 кВт может обеспечить работу семи газогенераторов с массовым расходом 40 т/ч буроугольного полукокса с массовой долей углерода 72 %. При этом получается синтез-газ для производства метанола, объемная доля СО в котором 31,5, а водорода 66,3%. Приняв выход метанола 80 % от теоретического, а степень превращения полукокса в газ 90 %, рассчитайте массу метанола, которую можно получить на установке за сутки.
1-10.Определите объемные доли компонентов воздушного генераторного газа в процентах, если реакция газификации углерода дойдет до конца. При расчете принять состав воздуха таким: О2 – 21 % (по объему), остальное – азот.
1-11.Определите производительность по газу, м3/ч, полумеханизированного газогенератора с вращающейся шахтой диаметром 3,315 м, высотой 0,785 м, если интенсивность процесса по топливу (кокс) 200 кг/м3· ч, а выход воздушного газа 4 м3/кг.
1-12.При газификации кокса в полумеханизированных газогенераторах выход сухого водяного пара составляет 1,5 м3/кг. Объемная теплота сгорания Q= 11 430 кДж/м3 для газа и удельная теплота сгорания 28 050 кДж/кг для кокса. Определите КПД газификации.
1-13.Рассчитайте, какой объем аммиака в год может быть получен при совместной работе коксохимического завода, перерабатывающего в год шихту массой 6 млн. т, и кислородно-конверторного цеха, где в сутки подвергают разделению 1,88·106 м3 воздуха. Принять выход газа от шихты 300 м3/т. Объемная доля водорода в газе равна 55%, объемная доля азота в воздухе 78 %.
1-14.При полукоксовании торфа получается газ, в котором объемные доли компонентов равны: H2 – 16; CH4 – 18; CO2 – 41; азот – 11,5; CO – 13,5%. Выход газа 18 % от массы исходного сырья. Рассчитайте, какую массу торфа следует подвергнуть полукоксованию для заполнения газом газгольдера диаметром 18 м и высотой 6 м (н. у.).
1-15.Энерготехнологический комбинат, где в год перерабатываются сланцы массой 16 млн. т, обеспечивается электроэнергией от собственной ТЭЦ установленной мощностью 240 тыс. кВт. ТЭЦ работает на газе, получающемся при термической переработке сланца. Выход газа 240 м3/т, его теплота сгорания 51 500 кДж/м3. Коэффициент полезного действия ТЭЦ 10%. Определите массовую долю сланца в процентах, расходующегося на производство электрической и тепловой энергии.
1-16.Для определения объема выработанного коксового газа пересчитывают фактически полученный объем газа на газ с объемной теплотой сгорания 16740 кДж/м3. Определите приведенный объем газа для завода, где фактически получается 290 м3/т шихты газа, в котором объемные доли компонентов (в %): СО – 2; С2Н4 – 2,6; СО-7; СН4 – 30,4; Н2 – 53; N2 – 5%.
1-17.Смолоразгонный цех коксохимического производства перерабатывает в 1 ч смолу массой 25 т. Какая масса 20%-ного раствора гидроксида натрия в сутки понадобится для извлечения одноатомных фенолов из нафталиновой и фенольной фракций, если массовая доля фенолов в них 6,6 и 48%, а массовые доли фракций смолы 10 и 3%?
1-18.Феноляты натрия, получаемые при извлечении фенолов из фракций каменноугольной смолы, разлагаются до свободных фенолов продувкой углекислым газом. Рассчитайте минимальный объем оксида углерода (IV) , необходимый для разложения одной железнодорожной цистерны фенолят грузоподъемностью 50 т, если чистота продукта 25 %, массовая доля свободной щелочи 0,6%.
1-19.Пиридин, образующийся при коксовании угля, является сырьем для производства сульфамидных препаратов, в частности сульфидина, формула которого C11Н11N3О2S. Какая масса сухой шихты пойдет для производства препарата массой 1 кг, если массовая доля пиридина в сырых пиридиновых основаниях равна 45%, а массовая доля оснований в шихте 0,02%?
1-20.Через сатуратор для улавливания аммиака проходит в 1 ч коксовый газ объемом 40000 м3. В соответствии с материальным балансом сатуратора по воде с газом за 1 ч должна уноситься вода массой 2471,5 кг. Найдите объемную долю водяных паров в выходящем из сатуратора газе в процентах. (Объем поглощенного NH3 не учитывать.)
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 1309; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!