C + O2 = CO2 C + CO2 C + 1/2O2 = CO AHr =

Ćwiczenie 5
Skład gazu ze zgazowania pierwiastka węgla
Schemat modelowej instalacji zgazowania:
Gaz
Strefa zgazowania
Strefa spalania
Czynnik zgazowujący
Tlen, powietrze, para
wodna
I.
Zgazowanie węgla tlenem
a) Stechiometria zgazowania
Od dołu do reaktora dopływa tlen, w pierwszej strefie jest reakcja spalania węgla:
C + O2 = CO2
dostarczająca energii do endotermicznego procesu zgazowania:
C + CO2
Reakcja sumaryczna ma postać:
C + 1/2O2 = CO
b) Efekt cieplny zgazowania
Entalpia tej reakcji:
∆Hr = - 110,6 kJ/mol
c) Wydajność zgazowania
Z 1 kmola węgla pierwiastkowego C otrzymuje się 1 kmol tlenku węgla, wydajność
zgazowania jest:
Vg = 22,4 m3 CO/12 kg C = 1,87 m3 gazu/kg C
o kaloryczności:
1
Qi,CO = 10,1 MJ/kg ≈ 12,6 MJ/m3.
II.
Zgazowanie węgla powietrzem
a) Stechiometria zgazowania
Układ reakcji jest w zasadzie taki sam jak w I:
C + ½(O2 + 3,76N2) = CO + 1,88N2
b) efekt cieplny reakcji jest taki sam jak w I:
∆Hr = - 110,6 kJ/mol
c) Wydajność zgazowania
Z 1 kmola węgla pierwiastkowego C otrzymuje się (1 + 1,88) = 2,88 kmola gazu
(mieszaniny CO i N2), o składzie (udziałach molowych αi):
αCO = 1/(1 + 1,88) = 0,347 = 34,7%
αN2 = 1,88/(1 + 1,88) = 0,653 = 65,3%
Wydajność zgazowania jest, więc następująca:
Vg = 22,4 m3 2,88/12 kg C = 5,376 m3 gazu/kg C
o kaloryczności:
Qi,g = 4,34 MJ/m3.
III.
Zgazowanie węgla parą wodną
a) Stechiometria zgazowania:
C + H2O = CO + H2
b) efekt cieplny reakcji:
∆Hr = 131,0 kJ/mol
czyli reakcja jest silnie endotermiczna, więc do reaktora trzeba dostarczać ciepło.
2
c) Wydajność zgazowania
Z 1 kmola węgla pierwiastkowego C otrzymuje się 2 kmole gazu (mieszaniny 0,5CO i
0,5 H2), o składzie (udziałach molowych αi):
αCO = 1/(1 + 1) = 0,5 = 50%
αN2 = 1/(1 + 1) = 0,5 = 50%
Wydajność zgazowania jest:
Vg = 22,4 m3 2/12 kg C = 3,73 m3 gazu/kg C
o kaloryczności:
Qi,g = 11,7 MJ/m3.
IV.
Zgazowanie węgla mieszaniną pary wodnej i powietrza
a) Stechiometria zgazowania:
C + α(O2 + 3,76N2) + βH2O = CO + 3,76α
α N2 + βH2
gdzie α i β oznaczają liczbę moli.
Z bilansu atomów tlenu można wyeliminować np. β:
2α + β = 1,
stąd
β = 1 – 2α
i równanie stechiometrii przybiera postać:
C + α(O2 + 3,76N2) + (1- 2α
α)H2O = CO + 3,76 N2 + (1- 2α
α)H2
Zmieniając wartość α można zmieniać skład gazu.
Zadanie:
Wyznaczyć wzory na udziały składników gazu (αCO, αN2, αH2)
b) Efekt cieplny zgazowania:
∆Hr = - 110,6 - (1 - 2α
α)(-241,83) kJ/mol
czyli zależnie od liczby moli powietrza α efekt cieplny zgazowania może być dodatni lub
ujemny.
3
Optymalne (teoretycznie) warunki zgazowania to takie, kiedy ∆Hr = 0, czyli cały efekt
cieplny półspalania węgla został wykorzystany do zgazowania węgla parą wodną.
c) Wydajność zgazowania (skład energetycznie optymalny)
Optymalną liczbę moli wyznacza się z warunku ∆Hr = 0, czyli:
110,6 - (1 - 2α
α)(-241,83) kJ/mol = 0
Stąd:
α = 0,27 i β = 0,46
i równanie stechiometryczne przyjmuje postać:
C + 0,27(O2 + 3,76N2) +0,46H2O = CO + 1,0152N2 +0,46H2
Zadanie:
a) obliczyć wydajność gazu optymalnego Vg [m3 gazu/kg C]
b) kaloryczność gazu Qi,g [MJ/m3]
c) obliczyć udziały składników w gazie αi.
4