石墨-焦炭-CO2-H2O氣化的熱分析動力學研究.pdf

1、焦炭內(nèi)碳的形態(tài)介于無定形碳與石墨之間。焦炭作為還原劑、能源和供碳劑，廣泛用于高爐煉鐵、沖天爐熔煉和有色金屬冶煉等生產(chǎn);作為原料用于電石生產(chǎn)、氣化和合成化學等領域。碳氣化反應是焦炭作為還原劑、能源和原料時最主要的反應之一。因此，石墨/焦炭-CO2/H2O氣化反應機理和動力學一直是冶金和化工領域關(guān)注的課題。
　　焦炭是一多孔固體，氣化反應過程至少涉及如下環(huán)節(jié):氣化劑和氣體產(chǎn)物在焦炭內(nèi)擴散、氣化劑在反應界面的吸附、界面化學反應和反應界面

2、的氣體產(chǎn)物脫附等。在這些環(huán)節(jié)中，吸附、界面反應和脫附使試樣發(fā)生質(zhì)量變化，吸附伴隨放熱效應，界面反應伴隨吸熱效應。
　　在目前的碳氣化反應機理和動力學研究中，普遍是根據(jù)試樣的質(zhì)量變化提供的動力學信息進行的，很少涉及反應過程中熱效應提供的動力學信息。本文認為將這兩種動力學信息結(jié)合起來，綜合分析試樣在反應過程中的質(zhì)量變化以及所涉及的熱量變化，能夠更加準確地揭示碳氣化反應機理。
　　本文采用在非等溫加熱條件下連續(xù)測量試樣的質(zhì)量和熱效

3、應隨溫度變化的熱分析同時聯(lián)用技術(shù)（熱重法-微商熱重法-差示掃描量熱法，TG-DTG-DSC），分別進行了石墨和焦炭粉在CO2、H2O和CO2+H2O中的氣化反應動力學實驗，采用反應動力學和熱動力學相結(jié)合的方法進行了碳氣化反應的動力學研究。
　　實驗研究發(fā)現(xiàn):石墨氣化過程可分為前期的慢速放熱氣化階段和此后的快速吸熱氣化階段;焦炭氣化過程中沒有發(fā)現(xiàn)慢速放熱氣化階段，整體表現(xiàn)出吸熱。
　　根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒，利用非等溫動力學分

4、析，結(jié)果示出:(1)石墨慢速氣化階段的放熱是化學吸附放熱和界面反應吸熱綜合作用的結(jié)果，在慢速氣化過程可表示為吸附和化學反應的串聯(lián)，過程速率的限制為化學反應。(2)在快速氣化階段，吸附環(huán)節(jié)可以忽略，此時的反應機理為界面反應。
　　基于吸附、無灰層的界面反應模型建立了石墨氣化反應的非等溫速率式，基于有灰層的界面反應模型建立了焦炭氣化反應的非等溫速率式。運用Freeman-Carroll法求解了石墨/焦炭-CO2/H2O氣化反應的動力學

5、參數(shù)（活化能E，指前因子A和反應級數(shù)n）。解析結(jié)果示出:
　　(1)活化能隨著升溫速率的增加而減小;同一升溫速率條件下的活化能和指前因子之間存在著動力學補償效應。
　　(2)石墨氣化過程中，在慢速階段，CO2氣氛下的吸附活化能和界面反應活化能最大，CO2+H2O氣氛下的吸附活化能和界面反應活化能次之，H2O氣氛下的吸附活化能和界面反應活化能最小;快速階段的界面反應活化能小于慢速階段的界面反應活化能。
　　(3)焦炭氣化