Получение окиси углерода в промышленности газификацией твердого топлива

Для промышленных целей окись углерода получают путём газификации твёрдого топлива, т. е. превращения его в газообразное топливо. Так можно получить окись углерода из любого твёрдого топлива — ископаемых углей, торфа, дров и т. д.

Процесс газификации твердого топлива показан на лабораторном опыте (рис.1). Заполнив тугоплавкую трубку кусочками древесного угля, сильно нагреем её и будем пропускать кислород из газометра. Выходящие из трубки газы пропустим через промывалку с известковой водой и затем подожжём. Известковая вода мутится, газ горит синеватым пламенем. Это указывает на наличие двуокиси и окиси углерода в продуктах реакции.

Образование этих веществ можно объяснить тем, что при соприкосновении кислорода с раскалённым углем последний сначала окисляется в двуокись углерода: С + О₂ = СO₂

Затем, проходя через раскалённый уголь, двуокись углерода частично восстанавливается им до окиси углерода: СО₂ + С = 2СO

В промышленных условиях газификацию твёрдого топлива осуществляют в печах, называемых газогенераторами.

Образующаяся смесь газов называется генераторным газом.

Устройство генератора газа показано на рисунке. Он представляет собой стальной цилиндр высотой около 5 м и диаметром примерно 3,5 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом. Сверху генератор загружается топливом; снизу через колосниковую решётку вентилятором подаётся воздух или водяной пар.

Кислород воздуха реагирует с углеродом топлива, образуя двуокись углерода, которая, поднимаясь вверх через слой раскалённого топлива, восстанавливается углеродом до окиси углерода.

Если в генератор вдувать только воздух, то получается газ, который в своём составе содержит окись углерода и азот воздуха (а также некоторое количество СО₂ и других примесей). Такой генераторный газ называется воздушным газом.

Если же в генератор с раскалённым углем вдувать водяной пар, то в результате реакции образуются окись углерода и водород:

С + Н₂О = СO + Н₂

Эта смесь газов называется водяным газом. Водяной газ обладает более высокой теплотворной способностью, чем воздушный, так как в его состав наряду с окисью углерода входит и второй горючий газ — водород. Водяной газ (синтез газ), один из продуктов газификациии топлив. Водяной газ состоит главным образом из СО (40%) и Н₂ (50%). Водяной газ - это топливо (теплота сгорания 10 500 кДж/м³) и одновременно сырье для синтеза метилового спирта. Водяной газ, однако, нельзя получать продолжительное время, так как реакция образования его эндотермическая, и поэтому топливо в генераторе остывает. Чтобы поддерживать уголь в раскалённом состоянии, вдувание водяного пара в генератор чередуют с вдуванием воздуха, кислород которого, как известно, реагирует с топливом с выделением тепла.

В последнее время для газификации топлива стали широко применять парокислородное дутьё. Одновременное продувание через слой топлива водяного пара и кислорода позволяет вести процесс непрерывно, значительно повышать производительность генератора и получать газ с высоким содержанием водорода и окиси углерода.

Великий русский учёный Д. И. Менделеев впервые высказал идею о том, что газификацию каменного угля можно производить непосредственно под землёй, не поднимая его наружу.

Подземную газификацию осуществило впервые Советское государство. Уже до Великой Отечественной войны в Советском Союзе работали подземные генераторы в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах.

Представление об одном из способов подземной газификации даёт рисунок 3. В угольный пласт прокладывают две скважины, которые внизу соединяют каналом. Уголь поджигают в таком канале у одной из скважин и подают туда дутьё. Продукты горения, двигаясь по каналу, взаимодействуют с раскалённым углем, в результате чего образуется горючий газ как и в обычном генераторе. Газ выходит на поверхность через вторую скважину.

 

 

Генераторный газ широко применяется для обогрева промышленных печей — металлургических, коксовых и в качестве топлива в автомобилях.

 

 

Рис. 3. Схема подземной газификации каменного угля.

Из водорода и окиси углерода водяного газа синтезируют ряд органических продуктов, например жидкое топливо. Синтетическое жидкое топливо - горючее (в основном бензин), получаемое синтезом из окиси углерода и водорода при 150-170⁰С и давлении 0,7 - 20 МПа в присутствии катализатора (никель, железо, кобальт). Первое производство синтетического жидкого топлива организовано в Германии во время 2-й Мировой войны в связи с нехваткой нефти. Широкого распространения синтетическое жидкое топливо не получило из-за его высокой стоимости. Водяной газ используют для производства водорода. Для этого водяной газ в смеси с водяным паром нагревают в присутствии катализатора и в результате получают водород дополнительно к уже имеющемуся в водяном газе: СО + Н₂О = СO₂ + Н₂

Из полученной смеси удаляют двуокись углерода, растворяя её в воде под давлением. Водород применяют для синтеза аммиака и для других целей.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ (5 мин.)

Преподаватель подводит итоги занятия. По результатам работы курсантов (студентов) и проведенного опроса он определяет степень усвоения материала и предварительно оценивает работу каждого из обучающихся.

Курсантам (студентам), сдавшим работы в ходе занятия, по результатам их проверки и предварительных итогов преподаватель объявляет окончательную оценку. Остальным слушателям (курсантам) преподаватель объявляет, что оценки будут доведены после проверки работ, и ставит задачу дежурному собрать разработанные документы и литературу; дает задание курсантам (студентам) на самостоятельную работу

Задание на самоподготовку (обучающиеся переписывают его в тетрадь).

 

V. Литература, рекомендованная преподавателю

Основная

1. Глинка Н.Л. Общая химия. – Учебное пособие для вузов/ Под ред. В.А. Рабинович. – изд.30-е, перераб. – М.:Интеграл-Пресс, 2007. – 728 с.

2. Е.Г. Коробейникова, А.П. Чуприян, В.Р. Малинин, Г.К. Ивахнюк, Н.Ю. Кожевникова. Химия. Курс лекций. Учебное пособие по спец. 280104.65 – Пожарная безопасность. /Под ред. Проф. В.С.Артамонова СПб.: СПб ГПС МЧС России, 2011 г. – 425 с.

3. Малинин В.Р., Климкин В.И., Аникеев С.В., Коробейникова Е.Г., Винокурова Н.Г., Кожевникова Н.Ю., Мельник А.А., Родионов В.А. Теория горения и взрыва. Учебник для вузов МЧС России по специальности 280104.65 – пожарная безопасность. /Под ред. Проф. В.С.Артамонова СПб.: СПб ГПС МЧС России, 2007 г. – 325 с.

Федеральные законы

1. Федеральный закон от 21 декабря 1994 г. № 69-ФЗ «О пожарной безопасности» (ред. от 22.07.2008).

2. Федеральный закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (ред. от 22.07.2008).

Законы

3. Закон Российской Федерации от 27 апреля 1993 г. N 4871-I «Об обеспечении единства измерений» (с изменениями от 10 января 2003 г.).