3.2. Активирование газами

При обработке углеродсодержащих веществ окисляющими газами в соответствующих условия часть углерода выгорает и удаляется с летучими компонентами и внутренняя поверхность увеличивается. В качестве окисляющих агентов используются преимущественно водяной пар, диоксид углерода и кислород или воздух. При использовании кислорода следует соблюдать осторожность, поскольку он реагирует с углеродом в 100 раз быстрее диоксида углерода.

При взаимодействии углерода с водяным паром или диоксидом углерода одновременно протекают следующие реакции:

Поскольку это эндотермические реакции, необходим подвод теплоты. При этом решающее значение имеет хороший теплообмен между реактивирующим газом и частицами угля. Это требование выполняется за счет постоянного движения частиц угля в процессе активирования во вращающихся печах или реакторах с кипящем слоем. При использовании водяного пара для обеспечения эффективной скорости реакции необходима температура около 800°С, а при использовании диоксида углерода - 900°С. Если теплота подводится в основном активирующим газом, его температура должна быть еще выше.

Значительное улучшение теплового баланса достигается при непосредственном сжигании в печи реакционных газов активирования, в частности водорода и оксида углерода:

При этом следует избегать избытка кислорода, поскольку в противном случае последует внешний обгар.

Теоретические представления о механизме реакции активирования развивалось значительно позднее производственного применения этого процесса. Основные положения теории были сформулированы к концу пятидесятых годов.

Предполагалось, что при активировании газами атомы углерода, расположенные по краям графитообразной кристаллической решетки, наиболее легко реагируют с газами. Это предположение подтвердил Хеннинг. Он наблюдал с помощью электронного микроскопа, что расщепленные вдоль плоскостей решетки кристаллы графита реагируют с кислородом по краям значительно быстрее, чем в центре спайности.

Для описания реакции взаимодействия углерода с диоксидом углерода предложены два механизма.

Механизм А:

Механизм В:

Где С(О) – поверхностный оксид.

В соответствии с уравнением (1), так называемой реакцией кислородного обмена, углерод вначале реагирует с образованием поверхностного оксида С(О); уравнение (2) показывает превращение этого поверхностного оксида в монооксид углерода. После этой стадии газификации оксид углерода может опять накапливаться на (реакционноспособной) поверхности углеродсодержащего материала в соответствии с уравнением (3) и оказывать замедляющее действие на реакцию.

3.3. Активирующие печи

Активирование углеродсодержащих материалов окисляющими газами производится с достаточной скоростью только при температурах 600-1000°С. Как уже отмечалось, реакция твердого материала с активирующими газами, которые используются в производстве (обычно это водяной пар и диоксид углерода), является эндотермической. Соответственно необходим постоянный подвод тепла. С другой стороны, последующее сгорание этих газов сопровождается выделением энергии. Таким образом, реакторы, используемые в технике для газового активирования, должны обладать следующими условиями:

1) нагревание реакционного материала до высокой температуры;

2) хороший контакт между углеродсодержащим веществом и активирующими газами;

3) подвод теплоты, необходимой для реакции;

4) возможно меньший расход тепловой энергии реакционного газа.

Данным условиям соответствуют следующие виды печей, применяемых в производстве: вращающиеся, шахтные, многополочные, реакторы с кипящим и движущимся слоем.

Коротко остановимся на некоторых из видов печей.