Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами

Проведен анализ скоростей параллельных химических реакций углерода с кислородом C + O₂ = CO₂, 2C + O₂ = 2CO и последовательной реакции углерода с диоксидом углерода C + CO2 = 2CO при различных температурах и диаметрах углеродных частиц с учетом стефановского течения, интенсивности массообмена и внут...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2013
Hauptverfasser:	Калинчак, В.В., Зинченко, Ю.А., Черненко, А.С., Волошин, В.С., Куземко, Р.Д.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2013
Schriftenreihe:	Металл и литье Украины
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159592
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами / В.В. Калинчак, Ю.А. Зинченко, А.С. Черненко, В.С. Волошин, Р.Д. Куземко // Металл и литье Украины. — 2013. — № 11. — С. 14-25. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-159592
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1595922019-10-09T01:25:11Z Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами Калинчак, В.В. Зинченко, Ю.А. Черненко, А.С. Волошин, В.С. Куземко, Р.Д. Проведен анализ скоростей параллельных химических реакций углерода с кислородом C + O₂ = CO₂, 2C + O₂ = 2CO и последовательной реакции углерода с диоксидом углерода C + CO2 = 2CO при различных температурах и диаметрах углеродных частиц с учетом стефановского течения, интенсивности массообмена и внутреннего реагирования. Показана роль каждой из реакций и состав газообразных продуктов. В зависимости от диаметра углеродной частицы наблюдается максимум удельной скорости ее выгорания, который смещается в область более высоких температур при повышении интенсивности турбулентного массообмена. Проведено аналіз швидкостей паралельних хімічних реакцій вуглецю з киснем C + O₂ = CO₂ , 2C + O₂ = 2CO і послідовної реакції вуглецю з діоксидом вуглецю C + CO₂ = 2CO при різних температурах і діаметрах вуглецевих частинок з урахуванням стефанівської течії, інтенсивності масообміну та внутрішнього реагування. Показано роль кожної з реакцій та склад газоподібних продуктів. В залежності від діаметру вуглецевої частинки спостерігається максимум питомої швидкості її вигорання, який зміщується в область високих температур при підвищенні інтенсивності турбулентного масообміну. Analysis of the rate of chemical conversion of carbon particles in the air depending on its diameter and temperature and intensity of mass exchange at the parallel chemical reactions of an oxygen with carbon C + O₂ = CO₂ , 2C + O₂ = 2CO and the sequential reaction of carbon dioxide with carbon C + CO₂ = 2CO on the surface and in the pores of the particle was conducted with consideration of the Stefan’s flow. The role of each of these reactions and of the composition of gaseous products at different temperatures and carbon particle diameters were shown. The shift of the maximum of specific rate of burnup of the particle to the higher temperatures at increase of intensity of turbulent mass transfer and its dependence on the diameter of the carbon particle has been studied. 2013 Article Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами / В.В. Калинчак, Ю.А. Зинченко, А.С. Черненко, В.С. Волошин, Р.Д. Куземко // Металл и литье Украины. — 2013. — № 11. — С. 14-25. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159592 662.6:667 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Проведен анализ скоростей параллельных химических реакций углерода с кислородом C + O₂ = CO₂, 2C + O₂ = 2CO и последовательной реакции углерода с диоксидом углерода C + CO2 = 2CO при различных температурах и диаметрах углеродных частиц с учетом стефановского течения, интенсивности массообмена и внутреннего реагирования. Показана роль каждой из реакций и состав газообразных продуктов. В зависимости от диаметра углеродной частицы наблюдается максимум удельной скорости ее выгорания, который смещается в область более высоких температур при повышении интенсивности турбулентного массообмена.
format	Article
author	Калинчак, В.В. Зинченко, Ю.А. Черненко, А.С. Волошин, В.С. Куземко, Р.Д.
spellingShingle	Калинчак, В.В. Зинченко, Ю.А. Черненко, А.С. Волошин, В.С. Куземко, Р.Д. Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами Металл и литье Украины
author_facet	Калинчак, В.В. Зинченко, Ю.А. Черненко, А.С. Волошин, В.С. Куземко, Р.Д.
author_sort	Калинчак, В.В.
title	Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами
title_short	Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами
title_full	Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами
title_fullStr	Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами
title_full_unstemmed	Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами
title_sort	высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2013
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159592
citation_txt	Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами / В.В. Калинчак, Ю.А. Зинченко, А.С. Черненко, В.С. Волошин, Р.Д. Куземко // Металл и литье Украины. — 2013. — № 11. — С. 14-25. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Металл и литье Украины
work_keys_str_mv	AT kalinčakvv vysokotemperaturnyjmassoobmenikinetikahimičeskihreakcijuglerodnyhčasticsgazami AT zinčenkoûa vysokotemperaturnyjmassoobmenikinetikahimičeskihreakcijuglerodnyhčasticsgazami AT černenkoas vysokotemperaturnyjmassoobmenikinetikahimičeskihreakcijuglerodnyhčasticsgazami AT vološinvs vysokotemperaturnyjmassoobmenikinetikahimičeskihreakcijuglerodnyhčasticsgazami AT kuzemkord vysokotemperaturnyjmassoobmenikinetikahimičeskihreakcijuglerodnyhčasticsgazami
first_indexed	2025-07-14T12:07:40Z
last_indexed	2025-07-14T12:07:40Z
_version_	1837624051173949440
fulltext	1� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’20131� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 УДК 662.6:667 В. В. Калинчак, Ю. А. Зинченко, А. С. Черненко, В. С. Волошин, Р. Д. Куземко* Одесский национальный университет им. И. И. Мечникова, Одесса * ПАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича», Группа Метинвест, Мариуполь ** Приазовский государственный технический университет, Мариуполь Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами Проведен анализ скоростей параллельных химических реакций углерода с кислородом C + O 2 = CO 2 , 2C + O 2 = 2CO и последовательной реакции углерода с диоксидом углерода C + CO 2 = 2CO при различных температурах и диаметрах углеродных частиц с учетом стефановского течения, интенсивности массообмена и внутреннего реагирования. Показана роль каждой из реакций и состав газообразных продуктов. В зави- симости от диаметра углеродной частицы наблюдается максимум удельной скорости ее выгорания, кото- рый смещается в область более высоких температур при повышении интенсивности турбулентного массо- обмена. Ключевые слова: углерод, частица, удельная скорость выгорания, стефановское течение, массообмен, турбулентность В ведение. Эффективность использования пыле- угольного топлива вместо природного газа при производстве чугуна в доменных печах доказа- на мировой практикой�� В 60-70-х годах прошлого столетия широкое использование природного газа не привело к радикальному сокращению кокса при производстве чугуна в доменных печах�� Основным недостатком использования природ- ного газа, который в основном содержит метан в качестве доменного топлива, является малое коли- чество теплоты, выделяющейся при горении метана до моноокиси углерода в горне доменной печи (по сравнению с теплотой горения углерода кокса): CH4 + 0,5O2 = CO + 2H2 + 35,7 МДж/кмоль; C + 0,5O2 = CO + 109,5 МДж/кмоль�� По этой причине использование природного газа, а не пылеугольного топлива, снижает теоретическую температуру горения�� Более 100 доменных печей металлургических комбинатов стран мира переведены на пылеуголь- ное топливо�� В металлургической отрасли Украины эту проблему можно отнести к проблеме № 1 на- ционального масштаба [1-3]�� В ближайшее время потребление угля на ММК им�� Ильича приблизится к 1 млн�� т/год�� При таких масштабах потребления угля в одном цехе металлургического комбината важнейшей научно-технической задачей является правильное использование пылеугольного топлива в доменной плавке и полное его сжигание в преде- лах фурменного очага�� Согласно классическим представлениям обра- зование монооксида и диоксида углерода проис- ходит в результате параллельных химических ре- акций углерода с кислородом (C + O2 = CO2 (I); 2C + O2 = 2CO (II)) и последовательной реакции угле- рода с диоксидом углерода (C + CO2 = 2CO (III)) [4]�� В металлургии при рассмотрении горения час- тиц пылеугольного топлива в фурменном очаге [5-7] обычно выделяют кислородную и углекислотную зо- ны�� Необоснованно предполагают, что: – в кислородной зоне протекает только одна эк- зотермическая реакция окисления C + O2 = CO2 + 395 МДж/кмоль (I); – в углекислотной зоне протекает лишь одна эн- дотермическая восстановительная реакция C + CO2 = 2CO – 176 МДж/кмоль (III)�� При этом в кислородной зоне совсем не рассмот- рена роль параллельной гетерогенной экзотерми- ческой реакции 2C + O2 = 2CO + 219 МДж/кмоль (II)�� Таким образом, выделяемое тепло при сгорании моля углерода остается таким же, однако скорость газификации углерода будет различной в зависимо- сти от схемы реакций, размера частиц, температуры, давления, концентрации газообразных веществ�� Энергия активации реакции (II) немного больше энергии активации (I), что означает увеличение доли угарного газа с ростом температуры�� Образованный угарный газ может реагировать с кислородом в газо- вой фазе по реакции 2C + O2 = 2CO + 571 МДж/кмоль (IV)�� Цель работы – рассмотрение кинетики химиче- ских реакций и массообмена углеродных частиц с окружающим газом при высоких температурах в кислородной зоне фурменного очага; проведение анализа удельной массовой скорости выгорания углеродных частиц, скоростей образования угарного и углекислого газов, а также определение роли ге- терогенных реакций при различных температурах и диаметрах частицы�� Кинетика химических реакций и массообмен углеродной частицы. При определении суммар- ной скорости химического преобразования угле- родной частицы в результате химических реакций C + O2 = CO2 (I); 2C + O2 = 2CO (II) и C + CO2 = 2CO (III) 1� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’20131� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 и плотности химического тепловыделения необхо- димо рассмотреть процессы, которые происходят на поверхности частицы и внутри нее на поверхности пор�� Скорость химической реакции по исходному ком- поненту (i) или продукту реакции (j) определяют уменьшением или увеличением соответственно мас- сы исходного вещества либо продукта реакции, при- ходящегося на единицу внешней поверхности части- цы, за единицу времени: 2 1 = − ∂ πδ ∂ i i m W t ; 2 1 = − ∂ πδ ∂ j j m W t �� Скорость реагирования углеродной частицы по кислороду и углероду вычисляют из выражений 2 2 O O 2 1 = − ∂ πδ ∂ m W t ; C C 2 1 = − ∂ πδ ∂ m W t �� Связь между соответствующими скоростями по другим газообразным компонентам определяют из уравнений химических реакций на основе закона сохранения массы: = µ µ 2 2 C C I O I O ( ) ( )W W ; = µ µ 2 2 C C II O II O 2( ) ( )W W ; = µ µ 2 2 2 2 C O C O I O I O ( ) ( )W W ; 2 2 C O C O II O II O 2( ) ( )= µ µ W W ; 2 2 C C III C O III С O ( ) ( )= µ µ W W ; 2 2 C O C O III C O III C O 2( ) ( )= µ µ W W �� Здесь µC, µO2 , µCO2 , µCO – молярные массы угле- рода, кислорода, углекислого и угарного газов соот- ветственно�� Согласно теории столкновений и закону действу- ющих масс скорости гетерогенных химических ре- акций (I)-(III) пропорциональны концентрации газо- образного вещества, находящегося в недостатке, и увеличиваются с ростом температуры по закону Ар- рениуса = ρ 2 2O I, 1 1 O ( ) s s sW k Z ; = ρ 2 2O II, 2 1 O ( ) s s sW k Z ; = ρ 2 2С O III, 3 1 C O ( ) s s sW k Z ; (1) 0 2 exp = −    µ  i i i E k k R T ; 0 1 10 2 0 =ρ ρs T P T P , где (WO2 )I, s, (WO2 )II, s, (WCO2 )III, s – скорости химиче- ских реакций по кислороду и углекислому газу в ре- акциях (I)-(III) на поверхности частицы, кг/(м2∙с); ρ1 s – плотность газа на поверхности частицы, кг/м3; k1, k2, k3 – константы скоростей химических реакции (I)-(III), м/с; 0 ik – предэкспоненциальные множители кон- стант скоростей химических реакций (I)-(III), м/с; Ei – энергия активации скоростей химических реак- ций (I)-(III), кДж/кмоль; T2 – температура частицы, К; ZO2, s , ZCO2, s – относительные массовые концентра- ции кислорода и углекислого газа на поверхности частицы; Р – давление газа, Па (Р0 = 0,1 МПа); µR = 8,31 – универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль∙К)�� Для различия температур, физиче- ских свойств газовой смеси и частицы использованы индексы: 1 – газ; 2 – частица�� При взаимодействии углерода коксовых частиц с кислородом в процессе хемосорбции образуются ок- сид и диоксид углерода�� Атомы кислорода, находя- щиеся вблизи углеродной поверхности, адсорбиру- ются на поверхности и удерживаются на ней за счет химических сил (механизм Ленгмюра)�� При этом про- исходит глубокое объединение атомов кислорода и углерода с образованием сложных гипотетических соединений типа СхОу�� Уже при температурах выше 600-800 К сорбционные процессы протекают практи- чески мгновенно, и механизм окисления приобретает ударный характер�� Под ударами молекул кислорода комплекс СхОу распадается с выделением СО и СО2 в определенных соотношениях между количествами обоих окислов, которые зависят от температуры, при которой протекает реакция�� Обработка экспериментальных данных по кине- тике взаимодействия углерода с газами в полулога- рифмических координатах Аррениуса показывает, что линии зависимости логарифма константы скоро- сти реакции от обратной температуры по мере роста температуры сходятся в некоторой точке, которая называется полюсом [8]�� Введение полюса позво- ляет связать между собой энергию активации E и предэкспоненциальный множитель k0: ∗ ∗ =    µ  0 exp i i E k R T k �� Это дает возможность выразить константу скоро- сти реакции, зная только энергию активации, через координаты полюса k* и T: 2exp 1 ∗ ∗ − −    =   µ    i i E T k k R T T �� Одним из вариантов такого полюса может быть полюс, предложенный Шестаковым [7], с координа- тами: k = 100 м/с и T* = 2600 К�� Исследование Вулиса и Померанцева [8] показы- вает, что между значениями энергии активации раз- ных реакций углерода с О2 и СО2 для одного и того же кокса существует определенная связь�� На основа- нии анализа многочисленных данных можно принять следующие соотношения между значениями энергии активации разных реакций + → + → =2 2 2 2 C O 2 C O C O C O 1,1 E E ; + → + → =2 2 2 C C O 2 C O C O C O 2, 2 E E �� Таким образом, зная энергию активации химиче- ской реакции углерода с кислородом, идущей с об- разованием углекислого газа, можно легко получить константы других реакций�� Химическая реакция (IІІ) из-за большой энергии активации и относительно малой концентрации СО2 на поверхности частицы вносит существенный вклад только при довольно высоких температурах�� Ее влия- нием внутри пор пренебрегают�� 1� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’20131� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 Суммарную скорость химического реагирования углеродной частицы по кислороду и углекислому газу можно представить как сумму скоростей реакций на внешней поверхности частицы и пор внутри нее: = + + + 2 2 2 2 2O O I, O O O II, ( ( ( () ) ) )s vW W W W WI, II,v s ; 2 2 2 2 2C O C O C O C O C O ( ( ( () ) ) )= + − −W W W W WI, I, III, III ,s v s v �� Кинетику реакций внутри частицы определяют удельной поверхностью пор и средней концентрацией кис- лорода и углекислого газа по частице δ = ρ 2 2O I, 1 1 O( 6 ) v v s v F W k Z ; δ = ρ 2 2O II , 2 1 O( 6 ) v v s v F W k Z ; (2) 2 2 2 2 C O С O I, 1 1 O O ( 6 ) µ δ = ρ µ v v s v F W k Z ; δ = ρ 2 2С O III, 3 1 C O( 6 ) v v s v F W k Z , (3) где ∑δ =6v i i i F N S S – отношение поверхности всех пор к внешней поверхности частицы; Ni – число пор с поверхностью Si; Fv – удельная поверхность пор, то есть общая поверхность пор в единице объема час- тицы; 〈ZO2 〉v, 〈ZСO2 〉v – средняя концентрация кислорода и углекислого газа по объему частицы�� Зависимость концентрации кислорода внутри частицы от радиальной координаты несложно найти из ре- шения задачи диффузии при наличии химических реакций (I) и (II) внутри частицы 2 2 O2 1 1 2 1 O2 1 0 ( ) = ∂ ∂ ρ − + ρ ∂ ∂  s v s v Z r D k k F Z r r r с граничными условиями: 2 2 O 0 0= =∂ ∂ rr Z r ; 2 2О О ( )= = ssZ r r Z �� Решение можно представить в виде 2 2О О , (S e ( )) S e = s v s s v r sh r r Z Z r sh ; 2 1 2S e ( ) = + =v s v v sk k r F D r h ; = +1 2( )v vh D k k F �� Среднее значение концентрации кислорода в объеме пор рассчитывают из условия полного реагирова- ния кислорода, который проник вглубь частицы, а именно: 2 2 2 2O I, O II, 1 O 1 2 1 O 0( ( 6 ) ) ( )− δ + = ρ ∂ ∂ = + ρ s v v v v s s vr F W W D Z r k k Z , откуда 2 2O O 1 2 6 ( ) = + v sv v k Z Z k k F d ; S e S e 1( ),−=v v s v vk D r cth (4) где kv – эффективная константа внутреннего реагирования кислорода с углеродом; м/с; r, rs – радиальная координата и радиус внешней поверхности частицы, м; Sev – внутренний критерий Семенова, определя- ющий отношение скорости реагирования кислорода внутри пор к его массопереносу; Dv – коэффициент внут- ренней диффузии, м2/с; h – глубина реакционной зоны внутреннего реагирования, м; Fv – удельная поверх- ность пор, м-1�� Аналогичным образом вычисляют среднюю по объему относительную концентрацию углекислого газа из решения задачи диффузии при наличии химических реакций (I) и (III) внутри частицы 2 2 2 2 2 2 C O C O2 1 1 1 O 3 1 C O O 01 + − = ∂  µ∂ ρ ρ ρ  ∂ ∂ µ  s v v s v s Z r D F k Z F k Z rr r с граничными условиями: 2 2 C O 0 0)( = =∂ ∂ rr Z r ; = = 2 2C O C O ( ) ssZ r r Z �� Решение данной задачи дает возможность определить профиль концентрации углекислого газа внутри частицы: 2 2 2 2 2 2 C O O 3 1 C O C O 2 2 3 O 3 3 3 (S e (S e ) (S e ) (S e S e (S e ) S e S e ) ) ( ) = − − µ   +  µ   ss v s v s s v v v v s v s v s v v Zr sh r r k r F r sh r r sh r r Z Z r sh D r sh sh ; = 2 3 3S e v s v vk r F D ; =3 3v vh D k F �� 1� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’20131� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 Среднее значение концентрации углекислого газа в объеме пор находят как 2 2 2 3 C O C O 0 3 4 4( )= π π∫ sr sv Z Z r r d r r �� В результате получают 2 2 2 2 2 C O3 C O C O , 3 O 3 O 6 6 µ = + δ µ v s v sv v v kZ Z a Z k F F d ; (5) 3 3 3(S e S e 1)= −v v v v s Dk cth r ; 2 31 3 2 2 3 1 2 3 1 4 (S e S e ) ( )   = − − +  vv v v v v v kk d F ka D k k k �� Таким образом, с учетом (1), (2) и (4) суммарная скорость реагирования по кислороду приобретет вид   = + + ρ +  2 2O 1 2 1 O 1 2 ( ) 1 v s s kW k k Z k k �� Суммарную скорость химического реагирования пористой углеродной частицы по углероду находят на основе формул (1)-(5): 2 2 2 2 2 2 C C 3 C C 1 2 1 O 3 1 C O 3 3 1 O O 1 2 C O 3 O ( 2 ) 1 1 .   µ µ µ = + + ρ + + ρ + ρ  µ + µ µ    vv s s s s v s s kkW k k Z k Z k a Z k k k (6) В то же время суммарную скорость химического реагирования углеродной частицы можно определить суммой скоростей химического реагирования на внешней поверхности и внутри пор: 3 2 2 C 2 C , C , 2 1 1 1 6 2 6  ρ πδ ∂ρ∂ ∂δ = − = − ρ − δ = + πδ ∂ ∂ ∂  s vW W W t t t �� (7) Первое слагаемое (6) учитывает реагирование на внешней поверхности углеродной частицы, которое приводит к уменьшению ее диаметра, а второе – внутреннее реагирование на поверхности пор, приводящее к уменьшению плотности частицы�� Уменьшение диаметра частицы обусловлено химическими реакциями (І)-(ІІІ) на ее внешней по- верхности: 2 C , 1 2 ∂δ ρ = ∂ − sW t ; δ = = δ( 0 ) bt ; 2 2 2 2 2 C C C , O I, O II, C O III, O C O ( ) 2( ) ( )µ µ = + + µ µs s s sW W W W ; 2 2 2 2 C C C , 1 2 1 O 3 1 C O O C O ( 2 ) µ µ = + ρ + ρ µ µs s s s sW k k Z k Z �� Скорость химического преобразования углерода на поверхности пор в газообразные компоненты опреде- ляют как 2 2 2 2 2 2 C C C , O I, O II, C O III, O C O ( ) ( ) ( )µ µ = + + µ µv v v vW W W W или используя (2)-(5) 2 2 2 2 2 2 C C C C , 1 2 1 O 3 3 1 O 3 1 C O O 1 2 O C O ( 2 ) ( ) µ µ µ = + ρ + ρ + ρ µ + µ µ v v s s v s s v s s kW k k Z k a Z k Z k k �� Таким образом, уменьшение плотности частицы со временем происходит согласно закону 2 C , 1 6 ∂ρ − δ = ∂ vW t ; ρ = = ρ2 2( 0 ) bt �� Коэффициент внутренней диффузии и удельная поверхность пор выражаются через порозность части- цы [8]: 1 2 02 10 0 +   =     n v PTD m D T P ; 21 ρ = − ρrea l m ; 2 2 0 2 1 /(1 ) (1 ) 1 /  − ρ ρ ρ− = =  − − ρ ρ ρ  rea lv v b b rea l rea l F m m F m m , где D10 – коэффициент диффузии кислорода в воздухе при температуре T0, м2/с; m – порозность частицы; Fv 0 и m0 – начальная удельная поверхность пор и порозность; ρreal – плотность сплошного вещества частицы�� 1� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’20131� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 Для определения поверхностных концентраций (индекс s) через соответствующие значения в газе вдали от частицы (без индекса) необходимо рассмотреть задачу массопереноса в газовой фазе�� Массоперенос в газе у поверхности частицы углерода. С появлением на поверхности углеродной части- цы новых масс газообразных продуктов химических реакций (І)-(ІІІ) возникает стефановское течение – допол- нительный массовый и тепловой потоки, направленные от поверхности частицы�� При химических реакциях на поверхности частицы потоки исходных веществ к поверхности и потоки продуктов реакций от поверхности связаны стехиометрическим соотношением�� Общее давление и сумма относительных концентраций газо- образных веществ остаются постоянными�� Диффузионный поток азота к поверхности частицы уравновеши- вается переносом за счет стефановского течения от поверхности частицы, так как азот не принимает учас- тие в реакциях�� Стефановское течение увеличивает теплоотвод от частицы и уменьшает поток кислорода к поверхности частицы�� Для определения массовой скорости стефановского течения используют законы сохранения массы от- дельного газообразного компонента у поверхности частицы�� Масса, которая подводится или уносится от по- верхности частицы за счет молекулярно-конвективного переноса и стефановским течением равна массе, исчезающей или появляющейся в результате гетерогенных химических реакций: – кислорода 2 2 2 2 2 2 2O 1 O O O O (I) O (II) 1 2 1 O ( ) ( )β ρ − − ρ = + = + + ρs s g s v s sZ Z U Z W W k k k Z ; – углекислого газа 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 C O 1 C O C O 1 C O C O (I) C O (III) C O C O 1 1 O 3 3 1 C O 3 3 1 O O 1 2 O ( ) 1 ( ) ; β ρ − + ρ = − = µ µ  = + ρ − + ρ − ρ µ + µ  s s s v s s v s s v s s Z Z U Z W W kk Z k k Z k a Z k k – угарного газа 2 2 2 2 2 2 C O 1 C O C O 1 C O C O (II) C O (III) C O C O C O 2 1 O 3 3 1 C O 3 3 1 O O 1 2 C O O ( ) 2 2 21 ( ) ; β ρ − + ρ = + =  µ µ µ = + ρ + + ρ + ρ µ + µ µ  s s s v s s v s s v s s Z Z U Z W W kk Z k k Z k a Z k k – азота 2 2 2 21 0 1 ( ) 0β ρ − + ρ =N N s N s N sZ Z U Z �� Далее используют условие постоянства давления на поверхности частицы, которое эквивалентно ZO2 + ZCO2 + ZCO + ZN2 = 1�� Предполагают, что коэффициенты диффузии компонент газовой смеси равны D1 = DO2 = DCO2 = DCO = DN2�� Это приводит к равенству коэффициентов массопереноса β = βO2 = βCO2 = βCO = βN2, где β = D1Nu / δ – коэффициент массопереноса кислорода к поверхности�� В результате можно сделать вы- вод о том, что массовая скорость стефановского течения − скорость переноса твердой частицы в газо- образные компоненты: 2 2 2 2 2 2 C C C 1 C 1 2 1 O 3 3 1 C O 3 3 1 O O 1 2 C O O ( 2 ) 1 ( ) .  µ µ µ ρ = = + + ρ + + ρ + ρ µ + µ µ  v s s s v s s v s s kU W k k Z k k Z k a Z k k (8) По (6) и (8) видно, что стефановское течение направлено от частицы и определяется суммарной скоро- стью реагирования углерода�� Подстановка скорости стефановского течения в законы сохранения массы газообразных компонентов дает возможность определить концентрации компонентов газа у поверхности частицы: – кислорода O2 2 2 O 1 2 0 ( ) β = β + + + +O s v s Z Z k k k U ; (9) – углекислого газа CO2 2 2 2 2 2 1 3 3 C O 1 2 C O O C O O 0 3 3 0 3 3 1 ( )    + −  µ + β  = + µ β + + + β + + +      v v s s s v s v kk a k k k Z Z Z U k k U k k ; (10) 1� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’20131� 1�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 – угарного газа CO ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 C O 3 3 O C O 1 2 C O 0 C O 3 3 O C O O 0 0 C O C O O 2 2 1 2 ; + + + + ++ + + + + µ µ µ β µ β µ β µ β β    =        + vv s s s v s s s s k k kk Z Z Z k kU U k a Z Z U U s 0 (11) – азота N2 2 2 2N O C O C O 0 (1 ). β = − − − β +s s Z Z Z Z U (12) Здесь Us 0 – скорость стефановского течения, найденная приближенно при подстановке в (8) выражений для концентраций кислорода и углекислого газа без учета стефановского течения: = + + + + + + + + + − + + + + + + + + + + +     µ β      µ β          µ   µ β β     µ µ β β β        2 2 2 2 2 2 2 C 0 1 2 3 3 O O 1 2 1 2 1 3 3 C O 1 2C 3 3 O C O C O O 3 3 1 2 3 3 ( 2 ) 1 1 ( ) . v s v v v v v v v v k U k k k a Z k k k k k k k k a k k k k Z Z k k k k k k k Уравнение (9) можно также записать в виде 2 2 1 O O 1 S e( )−+=sZ Z ; = + + +1 2 S e S e S e S e S es v s f ; = β 1 1S e k ; = β 2 2S e k ; = β S e v s v k ; = β 0 S e s s f U �� Здесь Se – общий критерий Семенова, который показывает роль кинетики реакций на поверхности и внут- ри углеродной частицы стефановского течения относительно массопереноса окислителя в газе�� При Se << 1 реакции протекают в кинетической области, концентрация кислорода на поверхности несу- щественно отличается от еe значения в газе и не зависит от размера частицы�� Концентрация кислорода на поверхности частицы при Se >> 1 (реакции протекают в диффузной области) уменьшается с ростом ее диа- метра согласно зависимости 2 2 2 1 O O O 1 2 0 N u1 S e ( ) = = + + +δs v s D Z Z Z k k k U �� Число Нуссельта определяет интенсивность массообмена частицы с окружающим газом внутри приве- денной пленки�� Он является функцией числа Рейнольдса (по частице): = + 1/3 1/ 2 2N u 2 0, 6 P r R e или = + 2 /3 2N u 2 0,16 R e ; − = δ ν 2 1 2 1 R e m w w �� Здесь w1, w2 – скорости газового потока и частицы, м/с�� При турбулентном движении газа эффективные коэффициенты переноса определяют через молекуляр- ные (индекс m) и турбулентные (индекс t) характеристики: = +ν ν ν1 1 1 m t ; = +1 1 1 m tD D D ; = +λ λ λ1 1 1 m t ; – молекулярные +≈ ≈ ≈ = 2 2 1 O C O C O 1 10 1 0 0( )n m m m mD D D D D T T P P ; =ν1 1 P rm mD ; =λ λ1 10 1 0( )n m T T ; 1 10 0 1 0( ) )(( )=ρ ρ T T P P ; – турбулентные (для чисел Re < 105) [9] − −≈ ⋅ δ3 0 ,16 1 1 0 1 09 10 R e ( ) tD w P P ; =λ ρ1 1 1 1t tD c ; = δ ν1 1 0 1 R e mw �� Здесь w1 – средняя скорость турбулентного потока, м/с; δ0 – диаметр струи турбулентного потока, м; ν1 – коэффициент кинематической вязкости, м2/с; D1 – коэффициент диффузии газообразных веществ в газо- вой смеси, м2/с; λ1 – коэффициент теплопроводности газа�� Режим окисления частицы зависит от роли массопереноса компонентов, поэтому дальнейший анализ 20 21МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’201320 21МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 будет проведен для случаев молекулярного (час- тица неподвижна) и турбулентного массопереноса (w1 = 200 м/с; δ0 = 150 мм) в газе�� Анализ поверхностных концентраций газовых компонент при различных температурах и диа- метрах частицы. Предложено рассмотреть влияние температуры частицы на поверхностные концентра- ции газообразных компонент и скорости реагирова- ния углерода и кислорода, а также образования угар- ного и углекислого газов�� Качественное поведение температурных зави- симостей поверхностных концентраций сходно для различных диаметров�� С увеличением температуры концентрация кислорода монотонно уменьшается и приближается к нулевым значениям�� Расчеты проводили для частицы антрацита АШ при следующих параметрах: E1 = 140,3, МДж/кмоль; Fv o = 2 ∙ 105 м–1; m = 0,1�� Постоянные величины D10 = 3,2 ∙ 10–4 м2/с; ρ10 = 0,277 кг/м3; λ10 = 0,0819 Вт/(м∙К) определяли для T0 = 1273 К; n = 0,75�� Давление газо- вой смеси Р = 0,1 МПа�� При низких температурах преимущественно про- текают основные реакции (I) и (II) (рис�� 1)�� Поэтому с ростом температуры на поверхности частицы рас- тет практически в равных пропорциях концентрация продуктов этих реакций – СО и СО2�� При некоторой температуре, которая зависит от диаметра, стано- вится существенной эндотермическая гетерогенная химическая реакция восстановления углекислого газа�� Концентрация углекислого газа с ростом тем- пературы начинает резко уменьшаться, а концент- рация угарного газа – возрастать�� Наступает преоб- ладание угарного газа в продуктах реакции и даже при высоких температурах фактически полное от- сутствие углекислого газа у поверхности частицы�� Температура, при которой становится существен- ной третья реакция, монотонно уменьшается с рос- том диаметра (табл�� 1)�� На это значение слабо влия- ют начальная концентрация кислорода, углекислого и угарного газов�� Таким образом, уже при температуре выше 2000 К для широкого диапазона размеров неподвижных частиц (в том числе и при движении в ламинарном Таблица 1 Влияние диаметра частицы на температуру, при которой становится существенной химическая реакция (III) при ее окислении в воздухе δ, мм 0,01 0,10 0,20 0,50 1,00 5,00 10,00 Т, K для неподвижной частицы 2075 1725 1625 1525 1475 1325 1250 Т, K для частицы в тур- булентном потоке 2650 2175 2050 1900 1775 1625 1550 Рис. 1. Изменение концентраций: угарного газа (11) (а); кислорода (9) (б); углекислого газа (10) (в); азота (12) (г) у поверхности угле- родной частицы кокса антрацита АШ от температуры частицы диаметром 1 – 50 мкм; 2 – 200 мкм; (9)-(12) – номера формул по тексту статьи; сплошная – учет реакций (I)-(III); пунктирная – учет реакций (I)-(II) 1000 1500 2000 2500 3000 T, K 15 10 5 ZCO2 S в 2 1 1000 1500 2000 2500 3000 T, K 40 30 20 10 ZCO S а 2 1 1000 1500 2000 2500 3000 T, K 80 75 70 65 ZN2 S г 1 1000 1500 2000 2500 3000 T, K 25 20 15 10 5 ZO2 S б 1 20 21МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’201320 21МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 потоке), применяемых в качестве пылеугольного топлива при подаче в фурменный очаг (δ > 10 мкм), учет эндотермической гетерогенной реакции (III) необходим�� В процессе движения частицы в турбулентном потоке существенно увеличивается массообмен газа с приповерхностными слоями частицы�� Качественное изменение температурных зависимостей концентраций компонентов с увеличением коэффициента диффузии сходно с уменьшением размера�� Максимум на зависи- мости ZCO2 s (T) смещается в область высоких температур�� При температурах ниже 2000 К химические реак- ции протекают в кинетической области, что свидетельствует о малом отличии поверхностных концентраций компонентов от значений в газе вдали от частицы�� С ростом диаметра при заданной температуре частицы поверхностная концентрация кислорода падает, а концентрация углекислого газа возрастает монотонно более быстро, чем возрастает концентрация угар- ного газа�� С повышением температуры за счет эндотермической реакции (III) на зависимости ZCO2 s (δ), как и на зависимости ZCO2 s (T), наблюдается максимум, который с ростом температуры смещается в область меньших диаметров�� Анализ скоростей гетерогенных реакций при различных температурах и диаметрах углеродной час- тицы. Суммарную скорость химического реагирования пористой углеродной частицы определяют по фор- муле (4)�� Согласно имеющейся связи между скоростями по исходным веществам и продуктам реакций (І)-(ІІІ) скорость израсходования углеродного материала в каждой из реакций вычисляют по выражениям 2 2 2 2C I C O O I C O 1 1 2 1 O ( ) ( )( ) ( ) 1 ( [ )]= = + +µ µ µ µ ρv s sW W k k k k Z ; 2 2 2 2C II C O O II C O 2 1 2 1 O ( ) (2 )( ) (2 1 ( ) [ )]= = + +µ µ µ µ ρv s sW W k k k k Z ; 2 2 2 2 2 2C III C C O C O III C C O 3 3 1 C O C O 3 3 1 O ( ) ( ) ( )( ) = = + +µ µ µ µ ρ µ µ ρv s s v s sW k k Z k a ZW �� Суммарная скорость образования угарного газа в реакциях (I) и (III): 2 2 2 2 2 2 C O C O II C O III C O O 2 1 2 1 O C O C O 3 3 1 C O C O O 3 3 1 O ( ) ( ) 2 1 ( 2 ( ) 2 [ )] . = = + + + + + + + µ µ ρ µ µ ρ µ µ ρ v s s v s s v s s W k k k k Z k k Z k a Z W W Суммарная скорость образования углекислого газа в реакции (I) и его поглощения в реакции (III): 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 C O C O I C O III C O O 1 1 2 1 O 3 3 1 C O C O O 3 3 1 O ( ) ( ) 1 ( ( ) [ )] . = − = + + − − − µ µ ρ + ρ µ µ ρ v s s v s s v s s W k k k k Z Z k a Z W W k k Для реакций при различных температурах и диаметрах нужно рассмотреть два предельных случая [10, 11]�� Кинетическая область. При невысоких температурах и диаметрах частицы, для которых числа Семенова малы (Sev < 1; Se << 1; Se3 = (k3 / β) << 1), реализуется кинетическая область протекания химических реакций�� Для Sev < 0,55 константу внутреннего реагирования приближенно можно описать в виде 2 2 2 1 2 1 S e 2S e S e 1 S e 3 ( ) 6 1 S e 6 ( 1) += − ≈ − ≈ = + +   δ    v v v s v v v s v s v v v k D r cth D r D r k k F �� То есть, константа внутреннего реагирования линейно возрастает при увеличении диаметра�� Малость числа Семенова Se означает, что концентрация кислорода практически не зависит от координа- ты частицы 〈ZO2 〉v ≈ ZO2 s ≈ ZO2 и, следовательно, тогда 2 2 2 2C C O 1 2 1 O C C O 3 1 C O( 2 )(1 6 ) (1 6 ) = + + + +µ µ δ ρ µ µ δ ρk v s v sW k k F Z k F Z , = 2 2О ОsZ Z ; 2 2C O C O=sZ Z ; C O C O=sZ Z ; 2 2 2N O C O C O1 = − − −sZ Z Z Z �� При протекании реакций в кинетической области суммарная скорость WC k не зависит от относительной скорости движения частицы, она определяется внутренними реакциями и с ростом температуры увеличива- ется по аррениусовской зависимости, а с ростом диаметра частицы − по линейному закону�� Диффузионная область. При высоких температурах и диаметрах частицы числа Семенова имеют зна- чительную величину (Sev >> 1; Se >> 1; Se3 >> 1), a для Sev > 5 − cthSev ≈ 1�� Итак, константа внутреннего реагирования в этом случае не зависит от диаметра частицы: = = =+ δδ δ + 2 1 2 1 2 ( )2 S e 2 ( )4 v v v v v v v v k k Fk D D k k D FD �� Большое значение числа Семенова Se приводит к резкому понижению концентрации кислорода = β + + + 2 2O 1 2 O( )s v s kZ Zk k k U 22 2�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’201322 2�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 и углекислого газа 2 2 2 2 2 C O C O O 1 3 1 2 3 1 2 O 3 C O ( ) ( ( 1 ) ( ) . = + + − + + + + µ µ × × β β s v v v sk Z k k k k k k k k U Z k Z a В результате суммарную скорость преобразова- ния углерода в диффузионной области можно опи- сать следующим выражением: = +µ µ βρ µ µ βρ 2 2 2 2C C O 1 O C C O 1 C O2dW Z Z �� Таким образом, в диффузионной области ско- рость WCd не зависит от внутреннего реагирования�� Это объясняется тем, что молекулы кислорода, кото- рые диффундируют к внешней поверхности частицы, практически сразу реагируют там с углеродом�� Вглубь частицы кислород фактически не проникает�� С рос- том диаметра скорость убывания углерода уменьша- ется по обратно пропорциональному закону�� На рис�� 2 представлены температурные зависи- мости скорости преобразования углерода�� Сравне- ние с экспериментальными данными окисления круп- ных сферических (δ = 15 мм) частиц графита ЭГ-14 в воздухе при скорости потока 0,6 м/с (рис�� 3), при которой наблюдалось равномерное их обтекание, позволяет судить об адекватности данной моде- ли [12]�� Качественное поведение слабо зависит от концентраций газообразных компонентов при усло- вии наличия кислорода в газе�� Для реакции углерода с кислородом в диапазоне температур 1500-1900 К наблюдается небольшое уменьшение скорости взаимодействия О2 с углеро- дом (рис�� 2)�� Дальше скорость снова растет с уве- личением температуры, а при Т > 1900 К она слабо зависит от температуры, следовательно, существует четко выраженная диффузионная область в широ- ком температурном интервале�� В кинетической области (рис�� 2, а) преобразова- ние углерода происходит практически с одинаковы- ми скоростями в основных гетерогенных реакциях (I) и (II)�� Причем основная доля углерода преобразует- ся в порах�� В переходной области скорость реакции (I) замедляется (переход в диффузионную область Рис. 2. Температурные зависимости скоростей химических реакций (1 − Wc; 2 – (Wc)І; 3 – (Wc)ІІ; 4 – (Wc)ІІІ) пористой углеродной час- тицы кокса антрацита АШ δ = 100 мкм в воздухе – движение частицы: в ламинарном потоке (w2 = 0,6 м/с) (а); в турбулентном потоке (W2 = 200 м/с) (б) 1000 1500 2000 2500 3000 T, K 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 WC, кг/(м2с) а 2 1 3 4 1000 1500 2000 2500 3000 T, K 10 8 6 4 2 б 3 WC, кг/(м2с) 1 2 4 Рис. 3. Температурные зависимости скоростей химических реакций (1 − Wc; 2 – Wc, s; 3 – Wc, v; 4 – Wc, d) пористой частицы графита ЭГ-14 δ = 15 мм в ламинарном воздушном потоке (w2 = 0,6 м/с): учет (а); не учет (б) эндотермической реакции внутри пор эндотерми- ческой реакции внутри пор; о – эксперимент Головиной [12] 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 WC, кг/(м2с) а 2 1 3 4 б 3 WC, кг/(м2с) 1 2 4 T, K 1000 1500 2000 2500 3000 3500 T, K 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 22 2�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’201322 2�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 отдельно для данной реакции) и начинает довольно медленно уменьшаться с ростом температуры�� При этом возрастает роль эндотермической реакции в га- зификации углерода�� Основным газообразным про- дуктом реакций становится угарный газ�� За счет повышения роли эндотермической ре- акции скорость реагирования углерода внутри пор слабо возрастает при повышении температуры, что дает возможность более точно объяснить экспери- ментальные данные (рис�� 3)�� Уменьшение размера частицы, как и возрастание интенсивности массобмена за счет увеличения ско- рости движения газа (рис�� 2, б), приводит к протека- нию химических реакций в кинетической области в большом диапазоне температур (до 2500 К)�� Но и в этом случае реакция окисления углерода до угарного газа является преобладающей (рис�� 4)�� Дополнительный анализ скоростей по газообраз- Рис. 5. Изменение скоростей химических реакций (1 − Wc; 2 – (Wc)І; 3 – (Wc)ІІ; 4 – (Wc)ІІІ) пористой углеродной частицы кокса антра- цита АШ от ее диаметра в воздухе – движение частицы: в ламинарном потоке (w2 = 0,6 м/с), Т = 1300 К (а); в турбулентном потоке (w2 = 200 м/с), Т = 2200 К (б) 0,015 0,010 0,005 WC, кг/(м2с) а 2 1 3 4 10 100 103 104 d, мкм 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 б 3 WC, кг/(м2с) 1 2 4 10 100 103 104 d, мкм ным компонентам показал, что при подключении тре- тьей реакции (при высоких температурах) скорости исчезновения кислорода в каждой из реакций (I) и (II) становятся соизмеримыми�� Аналогично скорости появления угарного газа в реакциях (II) и (III) также становятся соизмеримыми�� Ранее было отмечено, что в кинетической облас- ти (при низких температурах) скорость преобразова- ния углерода CW возрастает с ростом диаметра за счет реагирования в порах�� В диффузионной области протекания химических реакций (при высоких темпе- ратурах) скорость WC убывает с ростом диаметра�� В промежуточной области для определенного диапазо- на размеров частиц возможно наблюдение максиму- ма на зависимости WC(δ) (рис�� 5, а) [13]�� Увеличение температуры приводит к сдвигу максимума в область малых диаметров и к повышению роли химических реакций на внешней поверхности частицы (табл�� 2)�� Рис. 4. Температурные зависимости удельных массовых скоростей образования углекислого и угарного газов (1 − Wcо2 ; 2 – Wcо) у поверхности пористой углеродной частицы кокса антрацита АШ в воздухе – движение частицы δ = 100 мкм: в ламинарном потоке (w2 = 0,6 м/с) (а); в турбулентном потоке (w2 = 200 м/с) (б) 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 WCO, WCO2 , кг/(м2с) а 2 1 б 1 2 1000 1500 2000 2500 3000 T, K 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 WCO, WCO2 , кг/(м2с) 1000 1500 2000 2500 3000 T, K 2� 2�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’20132� 2�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 ЛИТЕРАТУРА 1�� Расчет и оценка эффективности технологии доменной плавки с применением пылеугольного топлива в условиях ПАО «ММК им�� Ильича» / В�� С�� Бойко, С�� А�� Матвиенков, С�� П�� Ярошевский и др�� // Металл и литье Украины�� – 2012�� – № 2-3�� – С�� 7-11�� 2�� Совершенствование и повышение эффективности доменной технологии на основе применения пылеугольного топлива (ПУТ) / Ю�� В�� Филатов, А�� В�� Емченко, В�� Е�� Попов др�� // Там же�� – 2011�� – № 9-10�� – С�� 11-15�� 3�� Исследование полноты сгорания пылеугольного топлива в доменной печи № 1 ПрАО «Донецксталь» – металлургический завод» / В�� В�� Кочура, С�� П�� Ярошевский, В�� Е�� Попов и др�� // Там же�� – 2011�� – № 9-10��– С�� 16-20�� 4�� Калинчак В. В. Влияние стефановского течения и конвекции на кинетику химических реакций и тепломассообмен углеродных частиц с газами // Инженерно-физический журнал�� – 2001�� – Т�� 74, № 2�� – С�� 51-55�� 5�� Плискановский С. Т., Полтавец В. В. Оборудование и эксплуатация доменных печей: учеб�� – Днепропетровск: Пороги, 2004�� – 495 с�� 6�� Металлургия чугуна: учеб�� для вузов�� 3-е изд�� / Под ред�� Ю�� С�� Юсфин�� – М��: ИКЦ «Академкнига», 2004�� – 774 с�� 7�� Чайка А. Л. Аналитическое исследование и совершенствование процессов в фурменной зоне доменной печи: Автореф�� дис… канд�� техн�� наук�� – Днепропетровск, 2003�� – 162 с�� 8�� Основы практической теории горения / Под ред�� В�� В�� Померанцева�� – Л��: Энергоатомиздат�� Ленингр�� отд��, 1986�� – 312 с�� 9�� Щетинков Е. С. Физика горения газов�� – М��: Наука, 1965�� – 740 с�� 10�� Калинчак В. В., Зуй О. Н., Орловская С. Г. Влияние температуры и диаметра пористых углеродных частиц на кине- тику химических реакций и тепломассообмен с воздухом // Теплофизика высоких температур�� – 2005�� – Т�� 43, № 5�� – С�� 780-788�� 11�� Калинчак В. В., Зинченко Ю. А. Анализ поверхностных концентраций газовых компонент при различных темпера- турах и диаметрах углеродной частицы // Междун�� науч��-техн�� конф�� «Университетская наука 2013»: Тез�� докл�� Т�� 1�� – Мариуполь: ГВУЗ «ПГТУ», 2013�� – С�� 26-30�� 12�� Высокотемпературное горение и газификация углерода / Под ред�� Е�� С�� Головиной�� – М��: Энергоатомиздат, 1983�� – 176 с�� 13�� Канторович Б. В. Введение в теорию горения и газификации твердого тела�� – М��: Металлургиздат, 1960�� – 355 с�� Увеличение интенсивности внешнего массопе- реноса (турбулентное обтекание частицы газом) приводит к повышению температуры, при которой наблюдается вышеуказанный максимум для данного диапазона размеров частиц (табл�� 2; рис�� 5, б)�� Адекватность построенной физико-математиче- ской модели, включающей совместную кинетику хи- мических реакций углеродных частиц и массообме- на с окружающим газом, основана на согласовании с экспериментальными данными зависимостей удельной скорости выгорания углеродных частиц от температуры и диаметра частицы [12, 13]�� Выводы В данной работе показано, что с уменьшением размера частицы и увеличением интенсивности мас- сообмена повышается уровень температур, выше которых происходит эндотермическая реакция вос- становления углерода в кислородной зоне фурмен- ного очага, которую необходимо учитывать�� Определяющую роль при характерных темпера- турах высокотемпературного окисления частиц пы- леугольного топлива играет именно реакция окис- ления углерода до угарного газа�� В результате, бла- годаря эндотермической реакции восстановления углерода, основным газообразным компонентом у поверхности частицы становится угарный газ�� Максимум в зависимости удельной скорости вы- горания углеродной частицы от диаметра можно объяснить переходом протекания реакций из кине- тической во внешнюю диффузионную область�� С повышением интенсивности массообмена с газом максимум смещается в область более высоких тем- ператур�� Таблица 2 Влияние температуры частицы T на ее размер δ, соответствующий максимальной удельной скоро- сти выгорания частицы wс в воздухе ламинарный поток (w2 = 0,6 м/с) Турбулентный поток (w2 = 200 м/с) T, К δ, мкм wс · 102, кг/(м2·с) T, К δ, мкм wс, кг/(м2·с) 1000 1560 0,16 1600 520 0,39 1100 600 0,37 1800 260 0,75 1200 270 0,79 2000 145 1,32 1300 130 1,58 2200 85 2,17 1400 65 3,02 2400 55 3,36 2� 2�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’20132� 2�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 11 (246) ’2013 Калінчак В. В., Зінченко Ю. А., Черненко О. С., Волошин В. С., Куземко Р. Д. Високотемпературний масообмін і кінетика хімічних реакцій вуглецевих частинок з газами Проведено аналіз швидкостей паралельних хімічних реакцій вуглецю з киснем C + O 2 = CO 2 , 2C + O 2 = 2CO і послідовної реакції вуглецю з діоксидом вуглецю C + CO 2 = 2CO при різних температурах і діаметрах вуглецевих частинок з урахуванням стефанівської течії, інтенсивності масообміну та внутрішнього реагування. Показано роль кожної з реакцій та склад газоподібних продуктів. В залежності від діаметру вуглецевої частинки спостерігається максимум питомої швидкості її вигорання, який зміщується в область високих температур при підвищенні інтенсив- ності турбулентного масообміну. Анотація вуглець, частинка, питома швидкість вигорання, стефанівська течія, масообмін, турбулентністьКлючові слова carbon, particle, speed of burning, Stefan`s flow, mass-exchange, turbulenceKeywords Kalinchak V. V., Zinchenko Yu. A., Chernenko A. S., Voloshin V. S., Kuzemko R. D. High-temperature mass exchange and kinetics of chemical reactions of carbon particles with gases Analysis of the rate of chemical conversion of carbon particles in the air depending on its diameter and temperature and intensity of mass exchange at the parallel chemical reactions of an oxygen with carbon C + O 2 = CO 2 , 2C + O 2 = 2CO and the sequential reaction of carbon dioxide with carbon C + CO 2 = 2CO on the surface and in the pores of the particle was conducted with consideration of the Stefan’s flow. The role of each of these reactions and of the composition of gaseous products at different temperatures and carbon particle diameters were shown. The shift of the maximum of specific rate of burnup of the particle to the higher temperatures at increase of intensity of turbulent mass transfer and its dependence on the diameter of the carbon particle has been studied. Summary Редакция журнала «Металл и литье Украины» может подготовить заказной номер издания Ориентировочная стоимость заказного номера – 6750 грн�� (объем до 5 уч��-изд�� л��) Ориентировочная стоимость заказного спаренного номера – 13000 грн�� (объем до 10 уч��-изд�� л��)

Высокотемпературный массообмен и кинетика химических реакций углеродных частиц с газами

Institution

Ähnliche Einträge