Газификация твердых топлив может быть  охарактеризована   как совокупность гетерогенных и гомогенных реакций; из них в конеч­ном счете желательны те, которые приводят (в зависимости от цели процесса) к образованию СО, Н₂ и СН₄ в качестве состав­ных частей газа. Газообразные смеси СО + Н₂ с разным соотно­шением компонентов необходимы для многих синтезов. Непосредственное образо­вание метана имеет большое значение для производства газа SNG.

Для некоторых реакций можно не учитывать наличие в топли­ве и газифицирующем агенте небольших количеств неосновных составляющих (азот, сера, инертные газы). Если допустить, что твердое топливо состоит только из углерода, будут справедливы следующие уравнения:

Этими уравнениями с достаточной полнотой описываются гете-рогенные реакции образования желаемых газообразных соедине­ний. Одновременно учитывается, что первичные продукты гази­фикации, например СО₂, могут в дальнейшем взаимодействовать с углеродом, еще находящимся в реакционном объеме. Однако при этом не принимается во внимание, что из твердого топлива также получаются продукты его термического разложения: диок­сид углерода, вода, водород и продукты полукоксования (углево­дороды), которые могут взаимодействовать с раскаленным угле­родом. Совместно с гомогенными превращениями первоначально образовавшихся газов

процессы в газогенераторе описываются уравнениями (1) — (6) с достаточной полнотой. Приведенные уравнения не учитывают об­разования углеводородов С₂ и выше. Однако это ограничение обоснованно, потому что реакции газификации протекают со ско­ростью, достаточной для технических целей, только при таких высоких температурах, когда образование высших углеводородов практически исключается.

Для гомогенных газовых реакций (5) и (6)   справедливы сле­дующие равновесные соотношения:

В качестве примера гетерогенных реакций можно выбрать реак­цию Будуара (2), причем при теоретическом рассмотрении допу­стимо принять, что углерод испаряется и участвует в реакциях в газообразном состоянии. Для этого случая константу равновесия гомогенной реакции (2) можно представить так:

При избытке углерода, а это всегда имеется при газификации угля, парциальное давление паров углеводорода практически зависит только от температуры, так что его можно объединить с тоже за­висимой от температуры константой равновесия (K₂ = К₂^*Р_с), и уравнение (9) примет вид:

Аналогичные соображения справедливы и для других гетероген­ных реакций. В табл. 18 приведены константы равновесия важ­нейших реакций газификации топлив.

Примечание.   К* означает константы равновесия обратных реакций

 Рис. 55. Зависимость состава газа, получаемого при газификации при «2 МПа (а) и состава газифицирующего агента (б) от равновесной температуры.

Гомогенные и гетерогенные реакции протекают при существен­ном изменении энергии системы, поэтому в табл. 19 даны энталь­пия и константы равновесия самых важных реакций, протекаю­щих при горении и газификации топлив.

С помощью термодинамических функций можно рассчитать равновесный состав газов газификации в зависимости от темпера­туры, а также температуру, при которой достигается равновесие, в зависимости от состава газифицирующего агента. Результаты расчетов представлены на рис. 55. Пользуясь этими графиками, можно установить для каждой смеси Н₂О + О₂ (газифицирующий агент) температуру и состав газа, образующегося при газифика­ции в условиях равновесия с углеродом. Аналогичные графики можно рассчитать для любого давления. Однако они имеют толь­ко теоретическое значение, так как ни расчетные составы газов, ни соответствующие им расходные показатели в условиях реаль­ной газификации практически не достигаются, прежде всего пото­му, что метан образуется в значительно меньшем количестве, чем теоретически возможно. Выход метана (м³ на 1 т угля или % в газе) в значительной степени зависит от типа газифицируемого топлива. Термодинамика, естественно, не может дать указаний, через сколько времени и каким путем устанавливается равнове­сие. Это — задачи кинетики.
Конечно, однозначно определить степень превращения веще­ства угля весьма сложно; для этого нужно учитывать очень мно­го параметров. Среди них, например, условия процесса (в основ­ном давление, температура, состав газифицирующего агента, вре­мя контакта между газом и топливом), структура пор твердого топлива, его элементный состав и многое другое. Кроме того, большое значение имеет скорость разложения твердого топлива при термической обработке; важно также учитывать условия подачи топлива и газифицирующего агента в газогенератор — пря­мотоком или противотоком.

Несмотря на интенсивные исследования в этой области, еще не разработаны общепринятые основы для расчета влияния этих параметров, их взаимное влияние может быть оценено только ка­чественно. Три разных процесса влияют на скорость газификации:

1. химическая реакция, которая в интервале 600—900 °С является лимитирующей стадией газификации;
2. диффузия в порах, влияющая на скорость газификации до 1200°С;
3. диффузия в граничном слое.

Производительность газогенератора зависит и от других факторов, прежде всего от технологического оформления процесса в аппарате.