Взаимодействие твердого углерода с кислородом, СО?, Н20 и их смесями относятся к гетерогенным процессам типа газ-твердое и включают стадии массообмена между ядром газового потока и реакционной зоной, а также стадию химической реакции. На скорость процесса влияет большое число факторов: размер, форма, кристаллическая структура углерода, зола,

температура, давление, состав и скорость газового потока. Существенной для развития процесса является природа реагента, который взаимодействует с углеродом.

При термообработке рудоугольных окатышей в окислительной среде возможно протекание следующих реакций (8.53-8.60):

- восстановление оксидов железа твердым углеродом:

3Fe2Oi + (n+m)C = 2Fe304 + nCO + mC02 (8.53)

Fe304 + (n+m)C = 3FeO + nCO + mC02 (8.54)

FeO + (n+m)C = Fem + nCO + mC02 (8.55)

- горение углерода в поверхностном слое:

С + (к+1/2)02 = кСО + 1/2С02 (8.56)

- окисление железа и его оксидов:

2Fci04 + 0.50? = 3Fe203 (8.57)

3 FeO + 0,50^ = Fe304 (8.58)

FeMer + 0,5O2 = FeO (8.59)

410

-догорание в газовой фазе

В реальных условиях приведенные реакции протекают неодновременно. Последовательность протекания этих реакций, можно представить в несколько этапов. Первый этап - нагрев углеродсодержащих окатышей до температуры начала воспламенения твердого топлива. В этот период протекает реакция окисления магнетита (8.57 - 8.59).

Второй этап (700-800°С) - это воспламенение твердого топлива и начало восстановительной работы углерода в условиях отсутствия кислорода (внутри окатыша) (8.53 - 8.55).

В третьем этапе происходят основные процессы массообмена. Его продолжительность определяется кинетикой окисления углерода и

температурно-газовым режимом термообработки окатышей. При этих условиях определяющим фактором является содержание кислорода в газовой фазе и поверхность контакта с твердым топливом. В условиях интенсивного выделения газов СО и С02 из внутренних слоев окатыша диффузионное проникновение кислорода к центру окатыша значительно тормозится. Таким образом, массообмен между газовой фазой и окатышами обусловлен в

основном протеканием реакции дожигания СО до С02 (8.60). При описании

физико-химических процессов предполагается, что в окатыше реагирование имеет объемный характер, причем доля объема окатыша, участвующая в процессе прямо пропорциональна константе скорости реакции. В то же время в единичной частичке топлива реагирование имеет фронтальный характер, т. е. степень завершения процесса может быть выражена через радиус

прореагировавшей части объема гранулы. В связи с этим принимаем, что углерод окисляется по реакции

с + о 2 = со2

При протекании этой реакции выделяется теплота в количестве <?3 = 29,1 МДж/кг С. Тогда скорость выделения теплоты в единице объема окатышей будет иметь следующее выражение:

(8.62)

Важная особенность рассмотренных реакций состоит в том, чю продуктами окисления углерода являются газы. Химическая реакция на

поверхности газ-углерод включает: адсорбцию газа-окислителя на поверхности угля с образованием углекислородных комплексов, разрушение комплексов с образованием адсорбированных продуктов реакции на поверхности и десорбцию продуктов в газовую фазу. Так как существуют встречные потоки СО и 02, между ними происходит объемное реагирование с образованием ССЬ. Роль этой реакции возрастает с температурой. На поверхности твердого углерода протекает реакция его газификации диоксидом углерода.

В зависимости от температуры и ряда других факторов изменяются соотношения между скоростями химических реакций и диффузионным переносом. В связи с чем процесс может находиться в кинетической, диффузионной или смешанной областях лимитирования.

Кинетический режим процесса реализуется при относительно низких температурах и малых размерах кусков топлива. В этих условиях взаимодействие углерода с кислородом развивается медленно, благодаря чему диффузия обеспечивает проникновение кислорода по порам на всю глубину куска угля.

В реальных условиях обжига окатышей, полученных с добавками твердого топлива, горение углерода твердого топлива происходит при Т = 700- 800°С. а средний размер кусочка твердого топлива составляет менее 50 мкм, что создает условия для реализации кинетического режима процесса горения углерода, и горение частички твердого топлива в кинетическом режиме происходит во всем ее объеме.

В кинетическом режиме скорость диффузии намного превышает скорость химической реакции.

Поскольку для рассматриваемых условий горение частички твердого топлива происходит во всем объеме, то тогда уравнение скорости химической реакции для данного процесса будет иметь вид:

По литературным данным константа скорости химической реакции определяется по эмпирическому уравнению и зависит от температуры следующим образом:

Принимаем, что объем частицы твердого топлива пропорционален массе (через удельную массу) вводя коэффициент Кь который равен (Кі=4л:р), получаем выражение связывающее величину поверхности частицы с его массой:

S=Ki'm2/3 (8.70)

Тогда скорость горения частички углерода для принятых условий будет описываться уравнением:

Vc=kcco2K,-mc2/3(T) (8.71)

Начальными условиями будут:

mc(0) = mc0, (8.72)

где тсо - начальная масса углерода в окатыше, рассчитываемая как

«со = Рг (8.73)

где р, - доля углерода в окатыше; т01[ - начальная масса (сухая) окатыша, равная

п d3

(8.74)