Кинетика реакции углерода с водяным паром была исследована [2, 3, 4, 30] при изучении газификации углей водяным паром для производства газа. Лабораторные эксперименты проводили [31—34], насколько это возможно, с чистым углеродом и при низком давлении.

Рис. 105. Дифференциальный реак­тор для изучения кинетики гази­фикации угля:

1—термоэлемент; 2—зона нагревания; 3—отбор проб; 4— компьютер; 5 —реги­страция данных; 6 — масс-спектрометр; 7—холодильник; 8—регулятор темпера­туры.

Было найдено, что при возрастании температуры скорость суммарного про­цесса определялась [35] прежде всего скоростью хи­мической реакции, а, кроме того,     скоростью    переноса

вещества. Были также развиты детальные представления о меха­низме химической реакции, причем принималось [34], что она протекает через многие последовательные стадии.

Исследования проводили с каменным и бурым углем в усло­виях, создающихся при объединении установки газификации и атомного реактора: 600—1000°С и давление водяного пара до 7 МПа. Для получения данных по скорости превращения угля с во­дяным паром, необходимых для расчета газогенератора, использо­вали представленную на рис. 105 лабораторную аппаратуру [8, 36]. Пробу угля (1 г) в стационарном слое обрабатывали водяным па­ром и нагревали выше 1000°С при скорости 10°С/мин. О про­текании реакции судили по непрерывным анализам образующе­гося газа. Его доля не превышала 5% от общего количества га­зов, поэтому результаты можно приближенно оценивать как полу­чаемые в дифференциальном реакторе.

На рис. 106 приведен график зависимости скорости газифика­ции различных углей от температуры. Видно известное различие в реакционной способности бурого и каменного углей. Оно обусло­влено в первую очередь каталитическим воздействием золы угля, а также степенью углефикации. Добавляя каталитически актив­ные вещества, например карбонаты щелочных металлов, можно значительно повысить скорость газификации каменного угля, при­чем в зависимости от вида и количества добавки можно довести скорость газификации каменных углей почти до скорости газификации бурых.

Кинетический анализ изображенных кривых показывает, что при низких температурах первоначально протекают реакции пиро­лиза. Образующийся при этом кокс при более высокой температуре превращается при взаимодействии с водяным паром в водяной газ. Скорость газификации при постоянном парциальном дав­лении водяного пара можно представить как реакцию первого по­рядка по углероду:

Под газификацией понимают в этом  случае  превращение уг­лерода в Н₂ и СО по реакции образования водяного газа, а также    одновременно    проте­кающее в небольшом масштабе превращение в метан (гидрогази­фикация) с участием образующегося водорода.

Рис. 106. Температурная зависимость скорости газификации различных углей водяным паром:

а—бурый уголь (содержание летучих 57% на ОМУ); б—уголь Цолльферайн (33%); в — уголь Гайтлинг (7,8%); г — уголь Гаген (38 2%).