Веществ в плазме

Твёрдые углеродсодержащие вещества (ТУВ) подвергаются превращениям в плазме в дисперсном состоянии. Химические превращения в двухфазных системах плазмообразующего газа с частицами ТУВ чрезвычайно сложны и включают реакции различных типов: деструкцию твёрдого топлива с выделением летучих продуктов, газофазные реакции выделившихся продуктов, реакции типа газ-твёрдое тело. Эти реакции протекают в реакторах, характеризующихся наличием больших градиентов скоростей и температур. Так, радиальные изменения температуры на расстоянии 1 см могут достигать примерно 10⁴ К, а скоростей – от 500 м/с до 0. Осевые градиенты температур и скоростей примерно на порядок меньше. В таких условиях показатели процесса определяются не только химией, но также явлениями тепло- и массообмена. При этом характерные времена протекания химических, физико-химических и физических процессов являются близкими величинами и поэтому происходит глубокая взаимосвязь и взаимное влияние всех этих процессов.

Один из возможных подходов к выявлению физико-химических закономерностей такого сложного процесса в целом состоит в разделении его на отдельные стадии, выяснении характерных особенностей их протекания и в обобщении закономерности всего процесса на основе выявленных частных закономерностей, своеобразном обратном «синтезе», который можно осуществить построением соответствующих моделей и расчётов с привлечением компьютерных программ.

Например, при плазмохимических превращениях угля, когда холодный порошок угля подаётся в поток инертной или реагирующей плазмы, в реакторе протекают несколько процессов:

1. Нагрев порошка угля до температуры начала разложения с выделением паров воды.

2. Деструкция частиц угля с выделением части продуктов в газовую фазу и образованием обуглероженного твёрдого остатка более высокого дисперсного состояния.

3. Превращение выделившихся в газовую фазу продуктов в условиях низкотемпературной плазмы.

4. Нагрев частиц твёрдого обуглероженного остатка до температуры начала реакции газ-твёрдое тело.

5. Реакции частиц твёрдого обуглероженного остатка с газообразными продуктами и реагирующим плазмообразующим газом.

Стадии 2-я, 3-я и 5-я являются химическими, скорость их протекания изменяется по длине реактора: процессы деструкции угля проходят в начальной зоне реактора, а реакции твёрдого остатка с газообразными компонентами – в конечной зоне. Стадии 2 и 3 начинаются одновременно, однако их скорости определяются различными температурами (для стадии 2 – температурой твёрдых частиц, для стадии 3 – значительно более высокой температурой плазмообразующего газа). Протекают они практически независимо.

Показано, что стадия деструкции угля 2 является общей для всех плазмохимических процессов переработки угля, а закономерности 3 и 5 стадий определяются в основном природой плазмообразующего газа.

Изучение пиролиза угля с выходом летучих 40 мас.% в плазме водорода при очень высоких скоростях нагрева (10⁷ К/с) показало, что скорости пиролиза не зависят от температуры плазмообразующего газа при изменении последней от 1563 до 2183 К. Это объясняется тем, что выделение летучих веществ начинается при достижении частицей определённой температуры, которая по расчётам составляет 1223 К и не изменяется в процессе выделения летучих. Образование газообразных продуктов зависит от температуры: при 1693 К около 20% углерода угля превращается в газообразные продукты, а при 2220 К уже 40%. При низких температурах значительную часть выделившихся продуктов составляют смолы, которые разлагаются на газообразные соединения при повышении температуры.

Эти результаты показывают, что при пиролизе угля в любых температурных условиях образуются одни и те же первичные продукты, которые далее реагируют в газовой фазе.

Первичный процесс деструкции твёрдых топлив (2-я стадия процесса) не зависит от природы плазмообразующего газа, так как во время бурного образования и выделения летучих их потоки, идущие из частиц, так велики, что плазмообразующий газ не может взаимодействовать с поверхностью частиц.

На 3-й стадии процесса летучие продукты, выделившиеся из угля, попадают в поток нагретого до высоких температур плазмообразующего газа и претерпевают превращения, механизм которых зависит от природы плазмообразующего газа. В плазме инертного газа и водорода протекают реакции деструкции сложных углеводородов до простейших с преимущественным образованием ацетилена.

Кинетика и механизм газофазных реакций этого типа изучены достаточно подробно и полученные данные могут быть использованы при описании этой стадии плазмохимических процессов переработки угля.

Следующей химической стадией (5-й, последней) является взаимодействие твёрдого обуглероженного остатка с газовыми компонентами по следующим суммарным реакциям:

С + СО₂ = 2СО (1)

С + Н₂О = СО + Н₂ (2)

С + 2Н₂О = СН₄ + О₂ (3)

С + О₂ = СО₂ (4)

2С + О₂ = 2СО (5)

Соотношение скоростей реакций (4) и (5) при температурах выше 1200 К выше десяти, а при температурах ниже 700 К меньше единицы.

Механизм реакций газ-твёрдое тело сложен. Обычно он включает стадии образования активных центров на поверхности, адсорбции и десорбции реагентов и продуктов с образованием промежуточных соединений. При не очень высоких температурах скорости этих реакций описываются дробно-линейными уравнениями, которые при температурах выше 1600-1800 К переходят в уравнения реакции первого порядка.

При взаимодействии газов с твёрдыми частицами обуглероженного остатка идут не только процессы газификации углерода, но и реакции взаимодействия их с компонентами золы.

Последний тип реакций, протекающий при плазмохимической переработке твёрдых углеродсодержащих веществ – это взаимодействие углерода с компонентами золы. В ходе этих превращений образуются такие ценные соединения, как карбид кремния, кремний, карбид железа, ферросилиций, алюминий и т.д.

Термодинамические расчёты показывают, что при температуре выше 1300 К диоксид кремния переходит в газовую фазу в виде оксида кремния. Максимум выхода карбосилиция наблюдается при 2000 К, затем он переходит в газообразное состояние в виде SiС₂. При температурах выше 3100 К все оксиды минеральной части восстанавливаются до элементов.