1. Физико-химические основы горения

Процессы горения широко используются в промышленности, в частности в металлургии, для получения тепла и высоких температур. Используемое при этом топливо может быть твердым, жидким или газообразным. Топливом в основном являются горючие вещества органического происхождения: горючие газы (природный, коксовальный, генераторный, доменный), кокс и мазут.

При сжигании топлива образуются продукты сгорания, которые могут окислять вещества, участвующие в металлургическом процессе, восстанавливать оксиды или защищать металл от окисления, науглероживать металл.

1.1. Термодинамика реакций горения газов

При изучении процессов горения необходимо усвоить:

1. термодинамические особенности взаимодействия водорода и монооксида углерода с кислородом при высоких температурах;

2. влияние температуры и давления на полноту протекания указанных процессов;

3. изменение сродства водорода и монооксида углерода к кислороду в зависимости от температуры;

4. определение степени диссоциации продуктов горения газов;

5. термодинамические особенности реакции водяного газа;

6. определение кислородного потенциала как термодинамической характеристики окислительных свойств газовой фазы.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Напишите уравнения реакций горения водорода, монооксида углерода, метана и их константы равновесий.

2. Как влияет температура и давление на равновесие реакции горения водорода?

3. Как соотносится восстановительная способность H₂ и CO при температурах ниже и выше 1093 K?

4. Напишите уравнения реакции водяного газа и константу равновесия этой реакции.

5. Как влияет температура и давление на равновесие реакции водяного газа?

6. Что такое кислородный потенциал? Как можно его использовать для расчета окислительных и восстановительных свойств газовых атмосфер?

7. Что такое конверсия метана? По каким реакциям она протекает?

1.2. Термодинамика реакций горения твердого углерода

Рассматривая вопросы данной темы, следует обратить внимание на то, что в системах углерод – кислород и углерод – водяной пар принимают участие две фазы: твердый углерод и газ. И эта особенность должна учитываться в определении числа степеней свободы по правилу фаз. Кроме того, при записи констант равновесия реакций с участием твердого углерода его активность принимается равной единице, поэтому, например, для реакции

C + CO₂ = 2CO,

константа равновесия может быть записана в виде

.

Кислородный потенциал в присутствии углерода имеет очень низкое значение, поэтому газовая фаза обладает высокой восстановительной способностью.

Важным обстоятельством в системе C – O является невозможность диссоциация CO и CO₂ на углерод и кислород даже при высоких температурах.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое реакция газификации углерода?

2. Каково влияние температуры и давления на равновесие реакции газификации углерода?

3. Комбинацией каких реакций можно получить реакции газификации водяным паром?

4. Как влияют температура и давление на равновесие совместно протекающих реакций газификации углерода с помощью H₂O, CO₂?

5. Напишите уравнения реакций полного и неполного горения углерода.

6. Как влияют температура и давление на равновесие реакций горения углерода?