В противоположност на типичното направление на пламъка, този пламък е преобърнат, тъй като свободният кислород се намира отвътре, а горещият газ се засмуква отвън.
На фиг. 10 - б) е показано изменението на концентрацията на кисло-рода във факела за газификация на течни горива с отдалечаване от усти-ето. В пламъка, при концентрация на кислорода 2,2 м3 на 1 кг гориво, тем-пературата достига до 3000 0С. Заедно с продуктите от пълното горене СО2 и Н2О се образуват и продукти от дисоциация: СО, Н2, О2, а също и атомен кислород, водород и хидрооксиден радикал. Свободен и атомен кислород има не само на границите на пламъка, но и на разстояние, пре-вишаващо 1,6 пъти дължината на пламъка (концентрация на О2> 1,2 м3/кг), а атомният водород и радикалът –ОН – на разстояние 2,2 (концентрация на О2> 0,9 м3/кг). Дължината на пламъка се определя основно от сечение-то на изходната дюза на форсунката. Налягането в реактора не влияе на дължината на пламъка.
Обяснявайки химизма на процеса на газификация на течни горива и сравняването му с механизма на частично окисление на газообразно го-риво, авторите считат, че процесът протича в два стадия. Първо протича пълно изгаряне на въглеводородите, при което се изразходва всичкия кис-лород. Във втория стадий става конверсия на останалите въглеводороди с пара и въглероден диоксид. Предложен и механизъм на частично окисление на метана във факела с отчитане образуването на ацетилен в качеството му на междинен продукт. Съобразно с този механизъм проце-сът протича на три стадия: на първия става верижна реакция на окисле-ние на метана и се образуват предимно въглеводороди С2 и вода, на вто-рият стадии има окисление на ацитилена и водорода, а на третия – пълно окисление на всички междинни продукти до въглероден оксид и водород.
Л.Н. Алейнова и колектив експериментално определят основните стадии на непълно горене на метана. Авторите считат, че процесът се състои от три стадия. Първият се характеризира с пълно отреагиране на кислорода и натрупване на СО, водород, СО2, вода и малки количества ацетилен; на вторият стадий се натрупва ацетилен и спира натрупването на водни пари и СО2; на третият стадий става конверсия на въглеводоро-ди, разграждане на ацетилена до отделните елементи и газификация на саждите.
Отличителна особеност на газификацията на течни горива е отделя-не на сажди. Газификацията се води при условия, водещи до образуване на сажди, въпреки че при достигане на ТД равновесие, въглеродът в продуктите на реакцията трябва да отсъства. Получаването на сажди зависи от относителния разход на кислород и водна пара, температурата и налягането на процеса, качеството на разпръскане на горивото и смес-ването му с окислителя. Получаването на сажди намаля с увеличаване от-носителния разход на кислород и водна пара. Установено е, че при отно-сителен разход на кислород, равен на 0,6 м3 на 1 кг мазут, се отделя 7% (масови) сажди (изчислено по мазута), при относителен разход 0,8 м3/кг – 0,5% (масови).
Образуването на дисперсен въглерод се обяснява с това, че заедно с процесите на непълно и пълно изгаряне при газификация протичат процеси на разцепване на въглеводородите. В съответствие с основните положения в теорията на П. А. Теснер, образуването на сажди се предшества от образуването на радикал, от който се образува зародиша на саждената частица. От съотношението кислород:гориво зависи не само добива на сажди, но и тяхната относителна повърхност.
Електронно-микроскопски изследвания на сажди, получени от паро-кислородна газификация на мазут, показали, че първичните частици имат сферична форма и диаметър 20 - 50ηm. Има и по-големи частици, които, както предполагат авторите, се образуват от механично съединяване на първичните. От това изследване се прави извод, че саждите в процеса на газификация на течни горива се образуват от паровата фаза, а не от теч-на при коксуване на капки от гориво, както се е предполагало по-рано.
Електронно-микроскопските изследвания показали също, че първич-ните частици изгарят отвън и с повишение на температурата стават силно пористи. Някои частици се окисляват до търкостенни черупки, защото окислението при тях протича първо във вътрешността на частицата.
Изборът на режим на газификация на течните и газообразни въгле-водороди се определя не само от условията на ТД равновесие, отколкото от техническите възможности за водене на процеса. Давлението се под-бира в зависимост от технико-икономическите разчети. Широко разпрост-ранение са получили инсталации за газификация при налягане 2,0 – 4,2 MРa; максималното налягане на процеса може да достигне 10 Mрa.
В зависимост от условията на ТД равновисие, ниска концентрация на метан в газа може да се достигне при температура по-висока от 1000 0С. Но скоростта на реакция при такава температура без катализатор е малка, а при това се наблюдава значително саждообразуване. Затова процесът се провежда при температура по-ниска от 1300 0С. С повишава-не на налягането трябва да се повиши и температурата на процеса, например по следния начин:
Налягане, МРа............................ 3 6 10
Температура, 0............................ 1300 1350 1400
Отношението пара:суровина се приема също от емпиричните данни от 0,3 до 0,5, при което колкото по-тежка е суровината, толкова по-висок е разхода на пара. Подгряването на изходните компоненти позволява малко да се намали разхода на кислород и да се подобрят условията на проце-са.
Температурата на подгряване на суровината се колебае в широки граници от 80 до 300 0С. Минималната температура е ограничена от вис-козността на суровината: суровината трябва да бъде подгрята минимум до 20 – 30 0С, като при тази температура визкозитета става достатъчен за по-даване и разпръскване във форсунките. В тях суровината се разпръсква добре при вискозитет 3 – 4 условни градуса. Максимално допустима тем-пература на нагряване на суровината се ограничава от условията на отде-ляне на кокс по стените на подгревателя на суровината. Суровината ряд-ко се подгрява в подгреватели с пряк огън, а с водна пара с ниско наляга-не и температура 110 – 120 0С.
Най-сложно се явява подгряването на кислорода във връзка с ръста на неговата реакционна активност по отношение на металите. Температу-рата на кислорода, подаван в реоктора, се избира в границите от 20 – 300 0С. Безопасното подгряване на кислород до 300 0С може да се обезпечи при използване на прегрята водна пара.
Разходът на кислород зависи също и от загубите на топлина в реак-ционната зона, а последните зависят от производителността и конструк-тивното оформление на газгенератора и е в границите 0,1 – 4% от топли-ната на изгаряне на изходната суровина. В съвремените високопроизводи-телни промишлени газгенератори загубата на топлина в реакционната зона не превишава 0,3 – 0,5%.
В таблица 17 са приведени показатели на процеса паро-кислородна газификация на природен газ, бензинови пари и тежко котелно гориво при налягане около 3 МРа, а в талица 18 – газификация на различни суровини про налягане 6 МРа по данни на фирма Shell. В таблица 19 е даден мате-риален баланс от газификацията на мазут.
Табл. 17 Показатели на процеса паро-кислородна газификация навъглеводороди при налягане 3 МРа
| Показатели | Приро-ден газ | Бен-зин | Тежко котелно гори-во |
| Разход за 1 кг от суровинатакислород (95%-ен)...............водна пара (с температурана насищане 246 0С)...........Температура на подгряване, 0Ссуровина..............................кислород..............................водна пара..........................Добив на газ, м3 за 1 кг суровинаСъстав на газа, %СО2 …………………………..СО ……………………………Н2 …………………………….СН4 …………………………..N2 + Ar ……………………….H2S + COS …………………. | 0,980,052362362463,732,834,561,00,31,4- | 0,830,353003003003,293,941,752,70,31,47.10-3 | 0,750,402362362462,954,346,946,20,31,40,9 |
Табл. 18 Показатели за процеса паро-кислородна газификация наРазлични суровини при налягане 6 МРа
| Показатели | Природен газ | Лек бензин от пър-вична дестилация | Мазут | Крекинг-остатък | Вакуум остатък | Остатък от деас-фалтизация | Мазут | Крекинг-остатък |
| Температура, 0С,на вход в реакторасуровина...............кислород...............пара.......................Разход на кислородза 1 кг суровина (95%)м3/кг.......................пара, кг..................газ (сух), м3...........Състав на газа, %СО2........................СО.........................Н2..........................СН4.......................N2..........................Ar..........................H2S.......................COS.....................Производство на парав котел-утилизатора,кг/кг............................Налягане на насите-ната пара, МРа........Добив на сажди, %(тегл.) | Без циркулация на сажди | С циркула-ция на саж-ди | ||||||
| 3002453130,9830,203,633,8833,8260,130,600,720,85--3,5410,50,02 | 2502453130,8790,403,215,2141,2951,450,600,580,860,01-3,0610,53,0 | 2452453130,7500,452,944,9146,1946,020,600,650,800,800,032,7210,53,0 | 2452453130,7630,452,984,8646,8945,810,600,630,810,380,022,8110,53,0 | 2452453130,7450,502,905,5546,5445,030,600,680,810,760,032,8010,53,0 | 3002453130,7710,552,806,0946,9943,260,600,620,801,570,072,8010,53,0 | 2452453130,7760,453,015,1046,6145,420,600,650,810,780,032,8510,53,0 | 2452453130,7860,473,065,1547,0145,410,600,630,810,370,022,9010,53,0 | |
Табл. 19 Материален баланс на паро-кислородната газификация намазута
| Компоненти | Коли-чество | Тук се включват елементите | ||||
| С | Н | О | N | S | ||
| Приход, кг | ||||||
| Мазут...........................Водна пара.................Кислород..................... | 100,046,0100,9 | 87,3-- | 9,85,1- | 0,840,9100,9 | 0,7-- | 1,4-- |
| Общо...... | 246,9 | 87,3 | 14,9 | 142,6 | 0,7 | 104 |
| Н2.................................СО………………………СО2 …………………….Н2О …………………….Н2S..............................COS.............................N2.................................CH4..............................Сажди.......................... | 12,0178,026,924,11,40,10,70,43,3 | -76,473--0,02-0,33,3 | 12,0--2,70,1--0,1- | -101,619,621,4-0,02--- | ------0,7-- | ----1,30,1--- |
| Общо....... | 246,9 | 87,3 | 14,9 | 142,6 | 0,7 | 1,4 |
3. Методи за отделяне на водорода от водородсъдържащи газове