6.2 Влияние температуры на процесс горения углерода

При горении углерода вблизи его поверхности образуется слой продуктов сгорания, содержащий СО и СО₂. Через этот слой к углеродной поверхности из окружающей среды будет диффундировать кислород. Последний вступает во вторичные реакции с оксидом углерода (II) находящимся и продуктах сгорания. Таким образом горение углерода сопровождается химико-физическимми процессами, протекающими как на поверхности частицы так и в окружающем ее объеме, что значительно усложняет механизм горения.

Характер и скорость протекания химических процессов между продуктами первичных реакций и диффун­дирующим через них кислородом будут зависеть от тем­пературы процесса. При температуре, ниже температуры воспламенения оксида углерода (II) (<700 °С), кисло­род, диффундирующий к углеродной поверхности, не расходуется на горение СО и концентрация кислорода уменьшается только в результате разбавления продук­тами, отходящими от углеродной поверхности.

Рис. 32. Изменение концентрации реагирующих веществ вблизи углеродной поверхности при температуре до 700 °С (а) и выше 800 °С (б)

В этом случае кислород достигает поверхности частицы и всту­пает в реакцию с углеродом (рис. 32, а). Ввиду того что при низкой температуре скорость химической реакции мала, кислород на поверхности частицы не расходуется полностью, часть его проникает в поры и трещины час­тиц, что увеличивает активную поверхность реагиро­вания.

При температуре 800—850 °С возможно протекание реакции горения оксида углерода. Поэтому в газо­вой среде вблизи углеродной поверхности образуется зона горения СО (рис. 32, б). Окисление СО в этой зоне происходит кислородом, диффундирующим к частице, что вызывает уменьшение его концентрации. В зоне горения оксида углерода по мере удаления от поверх­ности частицы концентрация СО уменьшается, а СО₂ со­ответственно увеличивается. На некотором расстоянии от углеродной поверхности концентрация СО в газовой смеси падает настолько, что выходит за предел воспламенения, и горение СО прекращается. За пределами зоны горения СО расположена зона смешения, в которой концентрация СО₂ и СО понижается вследствие разбавления кислородом, диффундирующим в сторону поверхности углерода.

Дальнейшее повышение температуры в зоне горения интенсифицирует процесс горения СО, в результате концентрация СО₂ в объеме увеличивается, а концентра­ция кислорода на поверхности частицы уменьшается. В области температур 1000—1200 °С и выше двуокиси уг­лерода, адсорбированный поверхностью углерода, восстанавливается с образованием вторичного оксида углерода.

Горение первичного и вторичного оксидов углерода вызывает резкое уменьшение концентрации кислорода, диффундирующего к поверхности, и одновременное уве­личение концентрации двуокси углерода. В резуль­тате концентрация кислорода у поверхности может понизиться до нуля, а концентрация СО₂ на некотором расстоянии от поверхности достигнет максимального зна­чения (рис. 32, б). Тогда СО₂ начинает диффундировать в обе стороны — в сторону воздушного потока и в сто­рону поверхности раскаленной частицы, по достижению которой снова расходуется на реакцию восстановления СО₂ с образованием СО.

Таким образом, у поверхности частицы создается наи­большая концентрация СО и почти полностью отсут­ствует свободный кислород, расходуемый по пути к уг­леродной частице на горение СО. В этом случае окисление раскаленной углеродной поверхности происходит не свободным, а связанным кислородом, содержащимся в СО₂, т. е. происходит изменение характера окисления углеродной поверхности. Такую схему горения, при ко­торой весь кислород расходуется на горение оксида уг­лерода, а окисление углерода происходит только двуоки­сью углерода, называется двойным горящим слоем.