Американский Научный Журнал ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ГЕЛИОРЕАКТОРЕ

Аннотация В данной статье рассматриваются возможности получения водорода и водородосодержащих газов из угля и отходов биомассы с использованием солнечной энергии. Приведен термодинамический расчет процесса газообразования с присутствиет водяного пара в качестве окислителя при температурах (500-1200°Ϲ) Скачать в формате PDF
4 American Scientific Journal № ( 23 ) / 201 8
ЭНЕРГЕТИКА

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В
ГЕЛИОРЕАКТОРЕ

Фируза Салманова Азиз
Доктор философии по технике, доцент,
Институт Радиационных Проблем, г.Баку
Роза Мустафаева Мухтар
Кандидат тех. наук, доцент,
Институт Радиационных Проблем, г.Баку
Тарана Махмудова Алимамед
Кандидат физ -мат. наук
Институт Радиационных Проблем, г.Баку
Юсупов Игор Мевлудович
Инжинер
Институт Радиационных Проблем, г.Баку
Велизаде Исмайыл Елшен
Инжинер
Институт Радиационных Проблем, г.Баку

THERMODYNAMIC CALCULATIONS OF THE GASIFICATION OF SOLID FUEL IN THE
HELIORATOR

Firuza SalmanovaAziz
Dr. of Philosophy in Technical, assistant profe ssor,
Institute of Radiation Problems, Baku
Roza Mustafayeva Muxtar
Candidate of Technical, assistant professor,
Institute of Radiation Problems, Baku
Tarana Mahmudova Alimemmed
Candidate of Phy -Mat
Institute of Radiation Problems, Baku
Yusupov Igor Meyludovic
Engineer
Institute of Radiation Problems, Baku
Velizade Ismail Elshan
Engineer
Institute of Radiation Problems, Baku

Аннотация
В данной статье рассматриваются возможности получения водорода и водородосодержащих газов из
угля и отходов биомассы с использованием солнечной энергии. Приведен термодинамический расчет про-
цесса газообразования с присутствиет водяного пара в качестве окис лителя при температурах (500 -1200°Ϲ)
Abstract
This article discusses the possibilities of obtaining hydrogen and hydrogen -containing gases from coal and
biomass waste using solar energy. The thermodynamic calculation of the process of gas formation with t he pres-
ence of water vapor as an oxidizing agent at temperatures (500 -1200 °) is given.

Ключевые слова: солнечная энергия, газификация, гелиоустановка, гелиореактор, биомасса.
Keywords: solar energy, gasification, solar power plant, helioreactor, biomass.

В ряде стран широко изучается проблема по-
лучения водорода с помощью солнечной энергии
так, в США доля солнечной энергии в общем энер-
гобалансе постоянно возрастает.
Водород следует рассматривать как энергоак-
кумулирующее вещество, энергоноситель, универ-
сал ьный топливо, поскольку он обладает абсолют-
ной экологической чистотой, может заменить бен-
зин, дизельное топлива и т.п. Водород получают из
углеводородов, угля и воды.
В настоящее время водород является важней-
шим продуктом современного промышленного
произ водства, его значение весьма существенно и
как потенциального топливо будущего.
Следовательно, основным вопросом при ис-
пользовании солнечной энергии для целей газифи-
кации является выбор углесодержащего материал.
В этой связи, авторами проведены экспериме нталь-
ные исследовании по газификации солнечной печи,
чистого углерода (графит), бурых углей и отходов

American Scientific Journal № (23 ) / 201 8 5
производства основных видов лесной (опилки) и
сельскохозяйственных культур – виноградных и
хлопковых стеблей.
Процессы гелиогазификации биомасса (БМ) c
H2O относятся к числу сложных гетерогенных фи-
зико -химических процессов. Если на начальной
этапе гелиогазификации БМ в солнечной печи про-
исходят окислительно - деструктивные реакции
превращения углеводородного сырья, то поступает
момент, когда химические изм енения в системе
определяются реакциями газификации углеродных
частиц с водяным паром.
Особенностью предлагаемого процесса кон-
версии БМ является осуществление эндотермиче-
ской реакции за счет концентрированного тепла
солнечной радиации.
Для выбора услови й организации газифика-
ции твердого топлива в гелиореакторе была прове-
дена термодинамическая оценка процесса взаимо-
действия водяного пара с углеродом сырья в диапа-
зоне температур 700 -1500 К.
При взаимодействии водяного пара с углеро-
дом происходит разложени е водяного пара с обра-
зованием СО и Н 2. Процесс разложения по реакции
С+Н2О⇄ СО +Н2 является обратимым и его
направление зависит от температуры и концентра-
ции реагирующих газов. При получении водорода
пары воды действуют как окислитель на углерод, а
при обра тном процессе водород восстанавливает
окись углерода до углерода. Обе реакции не дохо-
дят до конца и останавливаются при достижении
определенных концентраций Н 2О, Н 2, СО и С.
Направление указанных реакций и полнота их про-
текания определяются константой равн овесия.
Уменьшение температуры препятствует разложе-
нию водяного пара. В табл. 1 приведены равновес-
ные составы газов, получаемые при разложении во-
дяного пара с углеродом. С увеличением темпера-
туры повышаются степень разложения водяного
пара и выход получаем ых газов (Н 2 и СО).
Наряду с реакцией С + Н 2О = СО + Н 2 при по-
ниженных температурах возможно протекание ре-
акции
СО +Н2О⇄ СО 2+Н2
Для подавления этой реакции необходимо
увеличивать температуру процесса, что позволяет
получать горючий газ, состоящий, в основн ом, из
СО и Н 2 и повысить его выход.
Таблица 1.
Степень разложения водяного пара и состав газа, полученного в гелиореакторе
Температура, К Степень разложе-
ния % Н 2О
% объем
СО Н2 Н2О
700 2,4 3,5 2,3 94,2
800 17,0 15,3 14,4 70,3
900 45,0 32,2 30,5 37,3
1000 66,9 39,4 40,6 20,0
1100 71,2 42,4 41,0 16,6
1200 81,9 44,8 45,2 10,0
Рассмотрим динамику высокотемпературного
процесса.
Количественное соотношение между веще-
ствами в равновесной смеси определяется констан-
той равновесия. Величина константы равновесия К р
определяет степень завершенности реакции.
Для гомогенных и газовых гетерогенных реак-
ций применяются уравнения Нернста.

���= − ∆00
4,75 �+(∆��)����
1,987 �� + 1
4,575 �0 (1)
∫��
�2∫(∆��)4(�)�� +∆�

0

0


и приближенные

���= − ∆00
4,575 �+1,75 ∆��� + ∆�
9,15 +∆� (2)
���= − ∆298
4,575 �+1,75 ∆��� +∆� (3)
Уравнения (2) и (3) содержат условные хими-
ческие постоянные:
�= исп
Ткип 0,14
Для Н 2 i равно 1,6 СО=3,5; для паров Н 2О=3,6
∆��= 3,5∆�+∆��
где Δn – изменение числа молей при реакции
∆Н00−∆Н2980 ��� = ����
По закону Дальтона парциальное давление i
компонента равно:
Р= �
Σ� (4)
Где ni – кол ичество грамм -молей данного ком-
понента,
Σn i – общее число молей в системе,
Р – общее давление, Мпа.
Напишем уравнение химической реакции:
С+Н2О⇄ СО +Н2
Исходная смесь 1 0 0
Равновесная смесь 1-х х х
Общее число молей в системе
Σn i = 1 – Х + Х + Х = 1 + Х
Парциальное давление каждого компонента в
равновесной системе будет:
РН2= Х
1+Х∙Р; РСО = Х
1+Х∙Р; (5)
РН2О= 1−Х
1+Х∙Р
КР= РСО∙РН2 РН2О (6)
Если подставить выражения (5) в уравнение (6)
получим:

6 American Scientific Journal № ( 23 ) / 201 8
Кр= Х2
1+Х2 (7)
Робщ. = 0,1 Мпа
Х= ( Кр
1+Кр)12 (8 )
Из уравнения (8) определяем Х – состав равно-
весной смеси системы в мольных долях.
Расчет содержания данного компонента в рав-
новесной смеси производится по формуле:
�= �∙100
Σ� %
где ni – количес тво V- молей i - компонента,
Σn i – общее число молей в системе,
qi – содержание i – компонента в равновесной
смеси (в объемных процентах).
Результаты расчета величин степени превра-
щения и содержания компонентов газовой смеси в
температурном интервале 500 -1200 К приведены в
табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчетные величины степени превращения и содержания компонентов газовой
смеси при температурах от 500 до 1200 К для реакции С+НО⇄ СО +Н
T,K lgK KP X Объем, %
H2O CO H2
500 -6,654 2,217·10 -7 0 100 0 0
600 -4,318 4,813·10 -5 0,010 98,62 0,69 0,69
700 -2,641 2,88·10 -3 0,048 90,88 4,56 4,56
800 -1,379 4,183·10 -2 0,200 66,62 16,69 16,69
900 -0,395 0,403 0,536 30,22 34,89 34,89
1000 -0,393 2,4689 0,844 8,48 45,76 45,76
1100 1,038 10,9073 0,957 2,20 48,90 48,90
1200 1,575 37,6051 0,987 0,66 49,67 49,68
Таким образом при газификации биомассы
(БМ) в гелиоустановке степень конверсии газы со-
ставляет 65 масс% газообразных продуктах, содер-
жание водорода при этом достигает ~50 объем%.
Основным сырьем для получения водорода
путем тепло или биохимической переработки био-
массы являются отходы леской и деревообрабаты-
вающей промышленности (стружка, опилки и т.)
это два способа получения водорода являе тся до-
вольно перспективными. Стоимость 1 кг водорода,
полученного из древесных отходов на данный мо-
мент составляет 4 -7$, однако эксперты прогнози-
руют что в ближайшие годы показатель стоимости
удается снизить до 1 -1,5$ кг в обеих вариантах пер-
спективные эне ргетические ресурсы, позволяющие
экономить достаточное количество традиционных
видов топлива, неиссякаемая солнечная энергия
(СЭ) и БМ, которая постоянно возобновляется что
является одним из главных её преимуществ перед
другими источниками органического сы рья.
Литература
1. Биомасса как источник энергии, М:Мир,
1985, 375с.
2. П.Ф. Рзаев, Р.М. Мустафаева, Ф.А. Салма-
нова, Т.А. Махмудова, И.Е.Велизаде. Применение
высокопотенциального тепла солнечной радиа-
ции для преобразования биомассы в водород и во-
дородосодержащие газы. UNITED -Journal 2018,
№12, c.c. 31 -34.
3. Ефремов А.А., Оффан К.Б., Киселев В.П.
Исследование состав жидких и газообразных про-
дуктов пиролиза скорлупы кедровых орехов. Хи-
мия растительно го сырья. 2002, №3, с.с.43 -47.
4. Firuza Salmanova , Roza Mustafayeva , Oktay
Salamov , Tarana Mahmudova . The getting of a syn-
thetic fuel from a biomass through the Solar energy.
№18/2018, p. 34 -37.
5. Основные способы получения водорода.
(http ://energokeeper .com /m)