А.М. Дубинин, доктор техн. наук, Г.Р. Кагарманов, А.В.Финк, инженеры ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет — УПИ», Екатеринбург
Внастоящее время водород применяется в проходных металлургических печах длясоздания в них безокислительной среды. В будущем он будет использоваться какэкологически чистое топливо, например, в двигателях внутреннего сгорания.Принципиальная схема производства водорода из твердого топлива приведена нарис. 1. Подготовленное твердое топливо (просушенное, размолотое и рассеянное)поступает через шлюзовой питатель 2 в газогенератор 1 с кипящим слоем исамообогревом [1]. Под кипящий слой подается насыщенный пар в соотношении суглеродом топлива 2: 1. В газогенераторе протекает эндотермическая реакция (1)c увеличением объемов продуктов реакции в 2 раза. C + 2H2O = H2O + CO + H2 (1)
Тепловойэффект этой реакции qx1 = 3146 кДж/кг пара. В верхнюю зону кипящего слоявводится воздух, необходимый для сгорания части полученного продукта иобеспечения автотермичности процесса газификации по реакции (2), идущей с уменьшениемобъема продуктов в 1, 15 раза с экзотермическим тепловым эффектом qx2 = 14446кДж/кг исходного водяного пара. H2O + CO + H2 + (O2 + 3, 76N2) = CO2 + 2H2O + 3, 76N2, (2)
Оставшаясячасть продукта из газогенератора 1 по центральной трубе направляется в реактор7, где на дисперсном железохромовом катализаторе протекает экзотермическаяреакция (3) водяного газа [2] без увеличения объема продуктов с экзотермическимтепловым эффектом qx3 = 1140 кДж/кг пара. H2O + CO + H2 = CO2 + 2H2 (3)
Далееиз реактора 7 продукты поступают на разделение либо в абсорбер 8, либо вгазовую центрифугу 10, где углекислый газ отделяется от водорода. Схемапредусматривает полную утилизацию теплоты отходящих газов. Водород компримируютв компрессоре 19 и закачивают в баллоны 11 для дальнейшего использования.
/>
Рисунок1 — Принципиальная технологическая схема производства водорода из углей
1- газогенератор с кипящим слоем и самообогревом; 2 — шлюзовый питатель; 3 — регуляторподдержания равенства давлений в камерах газификации и сгорания; 4 — выноснойэкономайзер кипящего типа парового котла 5; 6 — воздухоподогреватель; 7 — реакторс кипящим слоем катализатора; 8 — абосорбер; 9 — десорбер; 10 — центрифуга; 11- баллоны для водорода; 12 — питательный насос; 13 — воздуходувка; 14 — гидрозатвордля вывода золы; 15 — циклоны для возврата уноса; 16 — холодильник; 17 — нагреватель(холодильник); 18 — теплообменник; 19 — компрессор; 20 — труба; I — подачаугля; II — вывод золы; III — питательная вода; IV — подача воздуха
ВЫВОДЫ
Производствоводорода по рассмотренной технологии происходит в три стадии:
1-я— в газогенераторе с самообогревом на никелевом дисперсном катализаторе сполучением Н2О, СО и Н2 при температуре 650 °С;
2-я— в реакторе на железохромовом дисперсном катализаторе с получением на выходеСО2 и Н2 при температуре 400 °С;
3-я— разделение СО2 и Н2 в абсорбере или газовой центрифуге либо на адсорбенте применяющемся давлении с последующим компремированием и закачиванием Н2 в баллоны.
Оптимальныепараметры газогенератора с самообогревом: доля полезно отводимого продукта х —0, 65, температура кипящего слоя — 650 °С, диаметр частиц угля — 4 мм, рабочая скорость продуктов газификации — 4, 6 м/с при рабочих параметрах на полное сечениегазогенератора.
Вгазогенератор с самообогревом для обеспечения производительности реактора v — 0,1 м/с следует подать 0, 039 кг/с угля с содержанием углерода 70 %, 0, 0825 кг/сводяного пара, 0, 242 кг/с воздуха в зону горения. Выход водорода из реактора(при rH2 = 66, 7 %) — 0, 0667 м3/с. Диаметр газогенератора в зоне ввода пара —0, 39 м, патрубка для отвода полезного продукта — 0, 254 м, в зоне выхода продуктов сгорания — 0, 628 м, высота кипящего слоя — 1м. Диаметр реактора прирабочей скорости продуктов конверсии 0, 268 м/с и диаметре частицжелезнохромового катализатора 0, 5 мм равен 1 м. Площадь поверхности пучка для отвода избыточной мощности и поддержания температуры в кипящем слое 400 °С равна 0, 5 м2, высота абсорбера — 4 м, диаметр — 0, 16 м, расход абсорбента (воды) — 0, 354 л/с, концентрация водорода на выходе из абсорбера — 94 %.
Приразделении Н2 и СО2 в газовых центрифугах при производительности каждой поисходной смеси 1, 34 м3/ч потребуется 269 центрифуг. Концентрация Н2 на выходеиз одной ступени — 88, 5 %. Потребляемая мощность одной газовой центрифуги придиаметре 0, 2 м, высоте 1 м и частоте вращения 1115с-1 равна 0, 16 кВт.
Список литературы
А.М.Дубинин, А.П. Баскаков, А.Г. Алексее / А.с. 1328296 АЛ. Газогененратор длягазификации в кипящем слое. — Открытия. Изобретения, 1987, № 29.
Химическиевещества из угля: Пер. с нем./Под ред. И.В. Калечица. — М.: Химия, 1980.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта masters.donntu.edu.ua/