Механизм горения углерода

Углерод является важнейшим твердым видом топлива, широко применяемым в котельных, промышленных теплогенерирующих установках и на теплоэлектростанциях. Его горение является гетерогенным процессом и имеет свои особенности. Брутто-процесс очень прост:

С + О₂ + СО₂ (43)

Однако механизм горения более сложен. В зависимости от стадии горения различают два механизма.

На начальной стадии, когда происходит разгорание вещества и температура невысокая (до 1000°С), механизм следующий:

Зарождение цепи.

В реакции зарождения цепи, как уже было в механизме горения водорода и СО, участвует вода:

М* + Н₂О = ОН^. + Н^. (44)

Продолжение цепи. Н^. + О₂ = ОН^. + О: (45)

Эта реакция также нам знакома по механизмам горения водорода и СО.

Далее активные частицы реагируют на поверхности с углеродом. Углерод представляет собой природный полимер (обозначим его С _х), в котором каждый атом С соединен четырьмя химическими связями с другими атомами С. При взаимодействии с активной частицей две из этих химических связей разрушаются и к атому углерода присоединяется атом кислорода. Образуется т.н. углеродно-кислородный комплекс - частично окисленный полимер углерода:

С _х + ОН^. = С _{х- 1}СО + Н^. (46)

Этот комплекс может либо разрушаться при температуре горения, либо реагировать с бирадикалом кислорода:

С _{х- 1}СО = С _{х- 1} + СО↑ (47)

2С _{х- 1}СО + О: = 2С _{х- 1} + СО↑ + СО₂↑ (48)

Углерод может реагировать и с бирадикалом кислорода:

С _х + О: = С _{х- 1}СО (49)

Образование бирадикала кислорода, как и в реакции горения СО, не является реакцией разветвления цепи, так как он в дальнейшем поглощается и не дает новых радикалов.

Одновременно с разобранным механизмом на него накладывается механизм горения СО, который мы изучали выше.

Обрыв цепи аналогичен рассмотренному для реакций горения СО и водорода.

При повышении температуры в процессе горения углерод может окисляться не только кислородом, но и с помощью СО₂:

С _х + СО₂ = С _{х- 1}СО + СО↑ (50)

Чем выше температура, тем более эффективным становится этот способ окисления углерода. При температурах около 1500°С и выше углерод практически полностью окисляется с помощью СО₂. На этой стадии механизм выглядит следующим образом. Углерод окисляется по реакции (50). Все рассмотренные выше процессы продолжения цепи не играют существенной роли. В газовой фазе у поверхности углерода происходит горение СО по изученному выше механизму. Этот процесс полностью использует диффундирующий в пламя кислород, который не доходит до поверхности углерода. Таким образом, кислород непосредственно вообще не участвует в реакции окисления углерода.

Такой механизм носит название двойного горящего слоя, где первый из них – слой горящего а атмосфере СО₂ углерода, а второй – горящего в атмосфере кислорода СО.

Скорость горения углерода в основном определяется площадью поверхности. Для интенсификации процесса в промышленных установках уголь перед использованием измельчается до пылевидного состояния и спрыскивается в сопло в виде аэрозоля. Процесс горения такого угля хорошо регулируется.

В домашних котельных уголь обычно используется в виде достаточно крупных кусков.