Основные химические реакции горения углерода

Экспериментальные исследования показали, что взаимодействие кислорода с углеродной частицей приводит к образованию как оксида, так и диоксида углерода. Механизм образования первичных окислов следующий: из газового объема кислород адсорбируется на поверхности углерода. На поверхности атомы кислорода вступают в химическое соединение с углеродом, образуя сложные углеродно-кислородные комплексы С_хО_у. Комплексы распадаются с образованием СО₂ и СО. Скорость распада сильно увеличивается с ростом температуры. Кроме первичных реакций существенное влияние на скорость горения оказывают вторичные реакции: взаимодействие углерода с диоксидом углерода и реакция горения оксида углерода. Горение углерода можно формально характеризовать следующими химическими реакциями:

· первичные реакции углерода с кислородом:

С+О₂=СО₂+409,1 МДж/моль, (р1)

2С+О₂=2СО+2×123,3 МДж/моль; (р2)

· вторичная гомогенная реакция горения оксида углерода в пограничном слое:

2СО+О₂=2СО₂+2×285,8 МДж/моль; (р3)

· вторичная гетерогенная реакция взаимодействия диоксида углерода с углеродом

С+СО₂=2СО–162,5 МДж/моль. (р4)

При гетерогенном горении углерода реакция протекает на его поверхности, к которой поступают молекулы кислорода из газового объема. Обычно считают, что изменение констант скоростей реакций от температуры подчиняется закону Аррениуса. Тогда для каждой гетерогенной реакции будет справедливо равенство

, (4.5)

где i – номер реакции.

В настоящее время имеется обширный экспериментальный материал по значениям кинетических констант реакций углерода различных видов топлива с газами. Энергия активации для реакции (р1), для коксов различных топлив имеет следующие значения, кДж/моль:

древесный уголь………………………...75-84

торф……………………………………....85

бурый уголь…………………………...…90-105

каменный уголь………………………….115-135

тощий уголь и антрацит…………………140-146

электродный уголь…………………...….167

На основании экспериментальных данных обнаружена связь между величиной энергии активации Е, Дж/моль, и величиной предэкспоненциального множителя, который может быть рассчитан по выражению [17]

. (4.6)

Исследования показали, что между энергиями активации различных реакций углерода с О₂ и СО₂ для одного и того же кокса имеется определенная связь: Е₂/Е₁ = 1,1; Е₃/Е₁ = 2,2.