Котельные установки

Горение углерода

Химический механизм горения углерода в достаточной мере еще не рас­крыт. Однако в последнее время установлено, что в результате реагирования углерода с кислородом одновременно образуются оба окисла углерода СО и СО2, но в разных соотношениях. При t = 1200 °С образуются оба окисла и в одинаковом количестве. При t= 1600 °С СО образуется вдвое больше, чем С02.

Горение твердого углерода является гетерогенной реакцией, происходя­щей на поверхности.

Прямая реакция горения углерода:

С + О2 —^ СО2 (основная), но протекают и побочные реакции:

С + С02 —» 2СО (экзотермические реакции);

2СО +02 2С02 (экзотерм.);

2С + 02 -> 2СО (экзотерм.).

Кроме того, в присутствии водяных паров на раскаленной поверхности углерода происходит газификация твердого углерода по реакции

С + Н20 —» СО + Н2 (высокотемпературная область);

С +2Н20 —» С02 + 2Н2 (низкотемпературная область).

Так как реакция горения углерода является гетерогенной, то скорость ее протекания зависит от организации подвода кислорода к поверхности углеро­да и скорости химической реакции. Подвод О2 осуществляется за счет турбу­лентной и молекулярной диффузии. Происходящие побочные реакции (обра­зование СО за счет восстановления СО2 и догорания СО в СО2) оказывают влияние на итоговую скорость горения углерода. Наиболее вероятна такая схема: на поверхности углерода образуется СО2, затем С + СО2 —» 2СО; далее в зоне с большим содержанием кислорода 2СО +О2 —» 2СО2.

Интенсификация процесса горения может быть осуществлена улучшени­ем газообмена у поверхности углерода (рис. 5.2).

5.3.5. Диффузная и кинетическая области гетерогенного горения

При низких температурах скорость химического взаимодействия горючего и окислителя мала. Она намного меньше скорости их взаимной диф­фузии, которая поэтому почти не влияет на ход процесса. Считается, что про­цесс горения протекает в кинетической области и его следует рассматривать как чисто химический процесс.

При высоких температурах или ухудшенных условиях массообмена ско­рость реакции намного опережает скорость диффузии, которая в данном слу­чае определяет ход процесса. Можно считать, что процесс горения развивается в диффузной области и его следует рассматривать с чисто физической сторо-

Ны.

Наиболее подробно исследования горения углерода сделаны советскими учеными - школой чл.-корр. АН СССР А. С. Предводителева Дальнейшее раз­витие исследования гетерогенных процессов в натуральном топливе проводил Г. Ф. Кнорре.

В начальный период реакции, когда температура низка, скорость реак­ции незначительна, а концентрация кислорода у поверхности горящей частицы топлива велика. При этом скорость горения лимитируется скоростью протека­ния химической реакции окисления, т. е. кинетикой горения. Горение прохо­дит в кинетической области (рис. 5.3).

Промежуточная Дшррузиопная, область область

По мере расходования кислорода его концентрация у поверхности час­тицы уменьшается. Одновременно с этим возрастает температура, а вместе с ней и скорость химической реакции. Кислорода начинает не хватать. Скорость горения начинает лимитироваться скоростью диффузии кислорода. Так горе­ние переходит в диффузную область. В диффузной области скорость горения не зависит от температуры. Между этими областями находится промежуточ­ная переходная область, где влияние кинетики и диффузии соизмеримы. При увеличении интенсивности газообмена у поверхности горящей частицы кривая сдвигается в область больших скоростей химической реакции.