ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ ПАРОВОЗДУШНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕРОДА В ФИЛЬТРАЦИОННОМ РЕЖИМЕ

Манелис Г.Б., Салганский Е.А., Фурсов В.П., Глазов С.В., Салганская М.В.

Институт проблем химической физики РАН

Фильтрационное горение (ФГ)-сложное макрокинетическое явление, включающее несколько одновременно протекающих элементарных процессов, взаимодействие которых и определяет характерные черты явления в целом. При осуществлении неизотермической реакции газообразного окислителя с твердым горючим в режиме фильтрационного горения формируется пространственная структура, в которой толщина зоны реакции становится малой по сравнению с общей толщиной прогретого слоя, и решающую роль играет межфазный теплообмен.

Предлагаемая двухтемпературная математическая модель стационарного процесса ФГ учитывает конечность реактора, а также зависимость теплоемкостей фаз от температуры и состава. Она строится на следующих предположениях. Течение газа считается безнапорным, т.е. перепад давления мал и уравнения фильтрации и состояния отщепляются от системы. Теплопотери в окружающую среду считаются пренебрежимо малыми и не учитываются, что справедливо для реакторов больших диаметров. Считаем, что зона реакции бесконечно тонкая и в ней мгновенно устанавливается термодинамическое и тепловое равновесие между фазами и, таким образом, все продукты из зоны реакции выходят при температуре горения.

Система включает следующие уравнения: уравнения сохранения энергии системы, для нормальной, переходной и инверсной волн; уравнение сохранения энтальпии на разрыве (в зоне реакции); уравнения теплообмена между газовой и твердой фазами; соотношение,связывающее доли топлива и инертного материала в исходной смеси; выражения для удельной поверхности частиц и коэффициента теплоотдачи. Система решалась методом Эйлера, со вторым порядком точности по координате. Система замыкается соответствующими граничными условиями.

Представлены результаты расчетов для реакции паровоздушной газификации смеси углерод - инертный материал. Результаты, полученные на основе данной модели, качественно согласуются с результатами, представленными в других работах. Однако, для коротких реакторов температуры получаются значительно ниже. Использование в качестве газифицирующего агента смеси воздуха с парами воды также снижает общий уровень температур и повышает КПД процесса.