Aplikacyjne i analityczne aspekty rozważań nad kinetyką reakcji Boudouarda-Bella

• Autorzy: Mianowski A. , Tomaszewicz M. , Siudyga T. , Radko T.

Warianty tytułu

EN

Applicational and analytical aspects of considerations on the Boudouard-Bell reaction kinetics

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Budowa pilotowej instalacji ciśnieniowego zgazowania węgla z wykorzystaniem CO₂ jako czynnika zgazowującego finansowana przez NCBiR w ramach projektu pt.: „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii” stała się przyczynkiem do realizacji wielokierunkowych badań wspomagających wykonanie projektu procesowego. Przeprowadzone prace badawcze nad przebiegiem reakcji Bouduarda-Bella wykazują, że mimo pozornie prostego zapisu tej reakcji, bardzo trudno jest przyjąć adekwatny model kinetyczny do jej opisu. Problem dodatkowo się komplikuje w przypadku różnych form pierwiastka C jako substratu reakcji. Zaprezentowano własne modele kinetyczne procesu zgazowania węgla dwutlenkiem węgla uwzględniające zarówno zmienność parametrów fazy gazowej, jak i po stronie fazy stałej. W oparciu o dwuetapowy model kinetyczny tworzenia tlenku węgla wyjaśniono pozornie sprzeczny z regułą przekory wpływ ciśnienia na wydajność procesu. Zaproponowano metodykę umożliwiającą porównywanie parametrów kinetycznych uzyskanych w warunkach dynamicznych i izotermicznych. Metoda nazwana metodą czasu skończonego zakłada, że czas reakcji obejmujący zakres zmienności stopnia przemiany fazy stałej od do w dowolnych warunkach izotermicznych czy dynamicznych, jest wielkością należąca do klasycznego ujmowania wpływu temperatury wg równania Arrheniusa: In [dynamika] vs. 1/T, i wyznacza energię aktywacji od E>0 w obszarze kinetycznym do E→0 w obszarze dyfuzyjnym. Porównując metody testowe badania reakcyjności koksu (metodę genewską i CRI) ustalono, że początek przebiegu zgazowania w wyższych temperaturach jest związany głównie z dyfuzją, zależną od dostępności CO₂ do powierzchni koksu.

EN

Construction of the pilot plant of pressure coal gasification with CO₂ as a gasifying agent financed by NCBiR project: "The development of coal gasification technology for highly effective production of fuels and energy" has become a contribution for realization of the multi-directional studies supporting the execution of the process project. Studies carried out on Boudouard-Bell reaction indicate, that despite the apparently simple recording of this reaction, it is very difficult to adopt an adequate kinetic model for its description. The matter is further complicated in the case of the various forms of carbon as a reactant. Own kinetic models of coal gasification with carbon dioxide were proposed with taking into account a parameter variability in both gaseous and solid phase. Basing on two-step kinetic model it was explained the influence of pressure on the formation of carbon monoxide apparently inconsistent with contrariness rule. It was proposed the method for comparison of the kinetic parameters obtained in dynamic and isothermal conditions, called Finite Time Method (FTM). It assumes that the reaction time including variation of conversion degree of solid phase from to in any isothermal or dynamic conditions, is the quantity belonging to the classical recognizing the effect of temperature by Arrhenius equation: In [dynamics] vs. 1/T, and determines the activation energy E>0 in the kinetic area to E→0 in the diffusion area. By comparing different methods of coke reactivity test (the Geneva method and CRI), it was found that the onset of gasification at higher temperatures is mostly associated with diffusion, depending on the availability of CO₂ on surface of coke.

Słowa kluczowe

PL

zgazowanie; reakcja Boudouarda-Bella; modele kinetyczne; reakcyjność koksu; metoda czasu skończonego

EN

gasification; Boudouard-Bell reaction; kinetic models; coke reactivity; finite time method

• Wydawca: Wydawnictwo Górnicze Sp. z o.o.
• Czasopismo: Karbo
• Rocznik: 2013
• Tom: Nr 1
• Strony: 48--58
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Mianowski A.

• Wydział Chemiczny Politechniki Śląskiej, Gliwice

autor

Tomaszewicz M.

• Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze

autor

Siudyga T.

• Wydział Chemiczny Politechniki Śląskiej, Gliwice

autor

Radko T.

• Wydział Chemiczny Politechniki Śląskiej, Gliwice

Bibliografia

• 1. Mianowski A., Robak Z., Tomaszewicz M., Stelmach S., The Boudouard-Bell reaction analysis under high pressure conditions. J. Therm. Anal. Calorim., 2012, t. 110, s. 93.
• 2. Zawidzki J., O postępach chemii nieorganicznej w r. 1901. Chemik Polski, 1902, nr 21, s. 487.
• 3. Boudouard O., Sur la decomposition de l’oxyde de carbone en presence des oxydes metalliques. C.R. Acad. Sci., 1899, t. 128, s. 1522.
• 4. Clement J.K., On the rate of formation of carbon monoxide in gas producers. University of Illinois Bulletin, Bulletin No. 30, 1909.
• 5. Dahme A., Junker H.J., Die Reaktivität von Koks gegen CO₂ im temperaturbereich 1000...1200°C. Brennst Chem., 1955,t. 36,s. 193.
• 6. The Evaluation of the Nippon Steel Corporation Reactivity and Post-Reaction-Strenght Test for Coke, Carbonization Research Report, t. 91. The British Carbonization Research Association, Chesterfield-Derbyshire 1980.
• 7. ISO 18894:2006, Coke - Determination of coke reactivity index (CRI) and coke strength after reaction (CSR).
• 8. Pinheiro J.P., Gadelle P., Chemical state of a supported iron-cobalt catalyst during CO disproportionation: I. Thermodynamic study. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2001, t. 62, s. 1015.
• 9. Audier M., Guinot J., Coulon M, Bonnetain L., Formation and characterization of catalytic carbons obtained from co disproportionation over an iron nickel catalyst - II: Characterization. Carbon, 1981, t. 19, s. 99.
• 10. Hafner J.H., Bronikowski M.J., Azamian B.R., Nikolaev P., Rinzler A.G., Colbert D.T., Smith K.A., Smalley R.E., Catalytic growth of single-wall carbon nanotubes from metal particles. Chemical Physics Letters, 1998, t. 296, s.195.
• 11. Strugała A., Czaplicka-Kolarz K., Ściążko M., Projekty nowych technologii zgazowania węgla powstające w ramach Programu Strategicznego NCBiR. Polityka Energetyczna, 2011, t. 14, s. 375.
• 12. Benesch R., Jankowski J., Mazanek E., Proces wielkopiecowy. Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1972.
• 13. Jesin A., Gield P.W., Chemia fizyczna procesów pirometalurgicznych. Cz. 1. Reakcje między fazami gazowymi a stałymi. Wyd. Śląsk, Katowice 1966.
• 14. Szarawara J., Termodynamika chemiczna. WNT Warszawa, 1979.
• 15. Mianowski A., Ściążko M, Koszorek A., Chmielniak T., Popowicz J., Baraniec I., Zastosowanie reduktorów ditlenku węgla do wytwarzania gazu syntezowego. Patent polski, PL-388580 (udzielony 21.09.2012).
• 16. Czaplicki A., Technologia ciśnieniowa zgazowania węgla w reaktorze CFB z wykorzystaniem CO₂ jako czynnikiem zgazowującym. Referat wygłoszony 10.09.2012, GIG Katowice.
• 17. Barin I., Thermochemical data of pure substances, VCH Velagsgesellschaft; Weiheim 1989.
• 18. Szarawara J., Ciupka I., O termodynamicznej interpretacji reaktywności paliw. Koks, Smoła, Gaz, 1968, t. 13, s. 337.
• 19. Mianowski A., Uwarunkowania kinetyczne w ocenie reakcyjności koksów i paliw bezdymnych. Karbo, 2002, t. 47, s. 45.
• 20. Mianowski A., Chemometric analysis of kinetics of the solid fuel reactivity. Acta Montana, IRSM AS CR Series B, 2001, t. 120, s. 23.
• 21. Długosz A., Czosnek C., Lepiarz A., Woś J., Wpływ dodatku związku nieorganicznych na reakcyjność karbonizatów w warunkach laboratoryjnych. Karbo, 1994, t. 39, s. 228.
• 22. Grigore M., Sakurovs R., French D., Sahajwalla V, Coke Gasification: The Influence and Behavior of Inherent Catalytic Mineral Matter. Energy & Fuels, 2009, t. 23, s. 2075.
• 23. Sakawa M, Sakurai Y., Hara Y., Influence of coal characteristics on CO₂ gasification. Fuel, 1983, t. 61, s. 717.
• 24. Łukaszczyk Z., Uwarunkowania surowcowe dla zestawiania mieszanek węglowych w oparciu o węgle ortokoksowe Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. Praca doktorska, Wydział Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej w Gliwicach, 2012.
• 25. Mianowski A., Tomaszewicz M., Mechanizm procesu zgazowania ditlenkiem węgla w metodyce oznaczania reakcyjności koksu. Wyd. IChPW, w przygotowaniu do druku, 2013.
• 26. Stelmach S., Mianowski A., Robak Z., Reaktywność węgli kamiennych i brunatnych pod zwiększonym ciśnieniem, [w:] Studium koncepcyjne wybranych technologii, perspektywicznych procesów i produktów konwersji węgla - osiągnięcia i kierunki badawczo-rozwojowe. Tom 1. Zgazowanie węgla. Wydawnictwo IChPW, Zabrze, 2010.
• 27. Koenig P.C., Squires R.G., Laurendeau N.M., Evidence for two-site model of char gasification by carbon dioxide. Carbon, 1985, t. 23, s. 531.
• 28. Koenig PC., Squires R.G., Laurendeau N.M., Char gasification by carbon dioxide: Further evidence for a two-site model. Fuel, 1986, t. 65, s. 412.
• 29. Calo J.M., Perkins M.T., A heterogeneous surface model for the „steady-state” kinetics of the Boudouard reaction. Carbon, 1987, t. 25, s. 395.
• 30. Johnson J.L., Kinetics of coal gasification: a compilation of research. Wiley, New York, 1979.
• 31. Maskill H., The Arrhenius reaction. Journal of Chemical Education, 1990, t. 27, s. 111.
• 32. Słomska I., Kryterium oceny reaktywności koksów wobec dwutlenku węgla. Zeszyty Naukowe Akademii Górniczo-Hutniczej Nr 414, Wydawnictwa AGH, Kraków, 1973.
• 33. Marchon B., Tysoe W.T., Carrazza J., Hainemann H., Somorjani G.A., Reactive and kinetic properties of carbon monoxide and carbon dioxide on a graphite surface. J. Phys. Chem., 1988, t. 92, s. 5744.
• 34. Mondala K, Lorethovab H., Hippoa E., Wiltowski T., LaIvani S.B., Reduction of iron oxide in carbon monoxide atmosphere - reaction controlled kinetics. Fuel Proc. Techn., 2004, t. 86, s. 33.
• 35. Mianowski A., Tomaszewicz M., System of kinetic equations for CO₂-gasification against a background of reaction mechanism. 1st Central and Eastern European Conference on Thermal Analysis and Calorimetry, 7-10 września 2011, Krajowa, Rumunia.
• 36. Órfäo J.J.M., Review and evaluation of the approximations to the temperature integral. AIChE Journal, 2007, t. 53, s. 2905.
• 37. Vyazovkin S., Burnham A.K., Criado J.M., Perez-Maqueda, Popescu C., Sbirrazzuoli N., ICTAC Kinetics Committee recommendations for performing kinetic computations on thermal analysis data. Thermochimica Acta, 2011, t. 520, s. 1.
• 38. Brill T.B., GongwerP.E., Williams G.K., Thermal Decomposition of Energetic Materials. 66. Kinetic Compensation Effects in HMX, RDX and NTO. J. Phys. Chem., 1994, t. 98, s. 12242.
• 39. Kodama T., Funaloh A., Shimizu K., Kitayama Y., Kinetics of metal oxide-catalyzed CO₂ gasification of coal in a fluidized-bed reactor for solar thermochemical process. Energy Fuels, 2001, t. 15, s. 1200.
• 40. Mianowski A., Tomaszewicz M., Siudyga T., Radko T., Estimation of kinetic parameters basing on finite time of reaction/process in isothermal and dynamic conditions. React. Kin. Mech. Cat., 2013, (w redakcji).