книги из ГПНТБ / Оренбах М.С. Реакционная поверхность при гетерогенном горении

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ОСНОВ

ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

ACADEMY OF SCIENCES OF THE USSR

SIBERIAN BRANCH

INSTITUTE OF PHYSICO-CHEMICAL FOUNDATIONS OF MINERAL RAW MATERIALS PROCESSING

M. S. ORENBACH

REACTION SURFACE UNDER HETEROGENEOUS COMBUSTION

Edited by corresponding member of the Academy of Sciences of the USSR M . G. S 1 і n к о

P U B L I S H I N G H O U S E cNAUKA» • S I B E R I A N B R A N C H N O V O S I B I R S K • 1973

М. С. ОРЕНБАХ

РЕАКЦИОННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ПРИ ГЕТЕРОГЕННОМ ГОРЕНИИ

Под редакцией чл.-корр. АН СССР М. Г. С л и н ь к о

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О «НАУКА» • С И Б И Р С К О Е О Т Д Е Л Е Н И Е Н О В О С И Б И Р С К • 1973

П Р Е Д И С Л О В И Е

Первые теоретические и экспериментальные исследования горения твердых топлив появились еще в начале XX столе­ тия. Однако, несмотря на большое число работ, пока еще нет полной ясности в существе ряда физических и химических яв­ лений, сопровождающих этот сложный процесс. В частности, требуют своего разрешения вопросы о характере внутридиффузионных процессов при горении твердых топлив, величине их реакционной поверхности и месте ее расположения в объе­

внутрипористого реагирования при тех или иных температур­ ных условиях горения частиц твердого топлива. Такая не­ определенность объясняется, по-видимому, сложностью и раз­ нообразием внутрипористого'строения углей, коксов и углеграфитовых материалов, что не укладывается в простые мо­ дели, предложенные для расчета внутридиффузионных явле­ ний, протекающих при горении.

Кроме того, при проведении экспериментов по горению обычно пользуются ограниченным числом методов для ана­ лиза пористого строения топлива до горения и после разных степеней его выгорания. Наиболее часто применяют методы определения внутренней поверхности по адсорбции газов, его пористости и т. д. Однако эти так называемые интегральные методы еще не позволяют ответить на вопрос о том, насколь­

верхностью и ее частью, принимающей ощутимое участие в реакции горения, следует использовать в исследованиях твер­ дого топлива и его топочных остатков весь арсенал кинетиче-

ских и физико-химических методов и приемов. В число их, оче­ видно, следует включить методы, которые обладали бы опре­ деленной дифференциальностыо, т. е. возможностью оценки роли поверхности пор тех или иных размеров во внутрипористом горении. Поэтому в настоящей работе особенно широко применялся метод ртутной порометрии. Наряду с этим мето­ дом в работе для подсчета реакционной поверхности прово­ дились измерения: полной внутренней поверхности по адсорб­ ции метанола и азота, пористости образцов и ее изменения по радиусу крупных частиц, изменения насыпного объема и ситового состава навески мелких фракций при горении, изме­ нения размера частиц под микроскопом и т. д.

Применение большого числа разнообразных методов и приемов позволяет более детально разобраться в физических явлениях, протекающих при внутрипористом реагировании ряда характерных видов углеродистых материалов.

Основная задача настоящей работы — оценка эффективно­ сти использования внешней поверхности и поверхности пор разных размеров натуральных углей, их коксов и углеграфитовых материалов при разных скоростях окисления топлива, включая и область высоких температур.

Наряду с собственными исследованиями, в работе исполь­ зованы результаты, полученные совместно с А. П. Кузнецо­ вым, В. А. Злобниским и др., которым автор приносит благодарность.

Г Л А В А I

ОСОБЕННОСТИ ВНУТРИПОРИСТОГО ГОРЕНИЯ ТВЕРДЫХТОПЛИВ

§ 1—1. Некоторые положения диффузионно-кинетической теории горения твердого топлива

Горение твердого топлива как гетерогенный процесс пред­ ставляет собой химическое взаимодействие окислителя с ре­ акционной поверхностью, осложненное целым рядом физиче­ ских явлений, протекающих вблизи внешней поверхности ча­ стицы и в ее внутрипористом объеме.

Основные физико-химические закономерности горения твер­ дого топлива обобщены диффузионно-химической теорией го­ рения углерода. Эта теория разработана Зельдовичем, ФранкКаменецким, Хитриным, Чухановым, Блиновым, Тилле, Уокером и др. и широко освещена в литературе [1—12 и др.].

Общие выводы диффузионно-кинетической теории, строго говоря, справедливы для анализа процесса горения модель­ ного топлива, характеризующегося идеальной пористой струк­ турой [6] . Частица такого топлива пронизана цилиндрически­ ми порами одного диаметра,-которые равномерно распределе­ ны в объеме частиц. Все поры выходят на внешнюю поверх­ ность и направлены перпендикулярно к ней. Длина пор может быть принята равной радиусу частицы.

В зависимости от скорости химической реакции различают несколько режимов процесса горения.

При низких температурах скорость химической реакции топлива с окислителем мала и является лимитирующей в об­ щем процессе. В порах топлива должна поддерживаться та же концентрация окислителя, что и в объеме вне частицы. При этом скорость потребления окислителя может быть най­ дена из выражения [13]:

как внутреннюю, так и внешнюю поверхность, см2 /г;

Экспериментально полученные значения энергии актива­ ции Е, как правило, составляют: для реакций окисления уг­ лерода воздухом 40 ккал/г-моль, для восстановления углекис­ лотой 86 ккал/г-моль [8] . Значения реакционных характери­ стик и Е зависят от химического строения топлива, т. е. степени упорядоченности и конденсированное™ структуры его углеродных гексагональных сеток [14-—15].

С ростом температуры окисления скорость химической ре­ акции возрастает значительно сильнее, чем происходит рост диффузии, и процесс окисления твердого топлива начинает ли­ митироваться подводом окислителя внутрь частицы. При этом концентрация окислителя снижается по направлению к центру частицы. Для модельного топлива удобное для ана­ лиза аналитическое выражение скорости потребления окисли­ теля в условиях виутридиффузионного торможения процесса может быть получено из уравнения диффузии в единичной реагирующей поре:

решение которого может быть записано либо по [13]:

либо по [16]:

между химической активностью поверхности пор и диффузией

впоре данного размера.

Сучетом приведенных решений скорость процесса окисле­ ния топлива с идеальной пористой структурой можно выра­