碳气化反应的机理及热分析动力学研究.pdf

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1、2009年第12期化学工程与装备2009年12月ChemicalEngineering&Equipment21碳气化反应的机理及热分析动力学研究1,221李金莲，汪琦，李艳茹（1．鞍钢股份公司技术中心；2．辽宁科技大学，辽宁鞍山114004）摘要：采用热分析(TG、DTG、DSC)技术，进行不同升温速率(10℃/min，,20℃/min，30℃/min)下碳气化反热分析研究。结果表明：在线性升温条件下，碳气化反应分为反应放热的缓慢阶段和吸热的快速阶段。慢速气化阶段呈现放热的原因是CO2在固体碳表面发生吸附作用热大于气化反应热

2、。通过-1Coats-Redffen法求解动力学参数，得出慢速和快速气化阶段的活化能分别为65.68～33.38kJ·mol和-1159.26～105.58kJ·mol，并随升温速率的提高而降低。关键词：碳气化反应；反应热；热分析动力学前言（t）时的质量；m—最终质量；气化反∞碳气化反应是一个非常重要的工业反应，同时碳气化反应又是铁氧化物/碳混合物还原过程中耦应速率：合气-固反应之一，也可能是铁氧化物/碳混合物还daΔαΔαi+1−Δαi原过程的限制性环节。许多学者采用失重法进行了==（2）[1，2，3]dtΔtti+1−t

3、i碳气化反应动力学研究，结果表明碳气化反应由低温缓慢阶段和高温快速阶段两步骤完成，但da式中：—反应失重速率，1/s；Δα—微并没有关于检测反应热相关报道。dt本文采用综合热分析技术同时测量碳气化反小时间内的转化率；Δt—计算机数据保存间隔值，应TG-DTG-DSC曲线，进行反应机理和热分析动s。-1力学分析。若实测单位质量气化反应热为ΔH(mJ·mg)，1实验方法根据DSC曲线的热速率dH(mW或mJ·s-1)，则热重仪为法国Setaram公司生产的Labsys综合dt热分析仪。试样为石墨型纯碳粉（碳质量分数为实测单位质量

4、反应热ΔH的计算式：99.99%），质量为8mg左右，铂金坩锅直径为3mm。t+1dH∫dt×dt实验在流量为30mL/min的CO2(99.99%)气氛中进ΔH()t=t（3）Δm行，通入CO2气体30min后开始升温，升温制度为∞从室温升至110℃恒温10min，然后室温至1350℃，-1式中：ΔH(t)—T（t）时的热流，mJ·mg；升温速率β分别为10℃/min、20℃/min、30℃/min。实验过程中同时测量失重量（TG）、失重速率Δm——实测最大质量损失量，mg；dH—实（DTG）和热流速率（DSC）曲线。热重

5、仪自动记∞dt录得到m—T（t）曲线，利用（1）计算碳气化转测反应热流速率，mW。化率α：2实验结果与分析2.1实验结果m−m0a=（1）不同升温速率的碳气化反应的α、dα/dt和ΔHm−m0∞曲线分别为图1～3，根据反应热流ΔH曲线由明显发热和吸热两个阶段组成及与其特征参数见表1。式中：α—转化率；m—起始质量；m—T022李金莲：碳气化反应的机理及热分析动力学研究通过表1可见：不同升温速率下第一阶段的吸10℃/min缓慢气化反应阶段和快速反应阶段的吸附热值远远大于第二阶段的吸附热值，升温速率为附热值小于升温速率为20℃/

6、min和30℃/min的吸20℃/min和30℃/min缓慢气化反应阶段和快速反附热值。应阶段的吸附热值差别不大。而升温速率为表1碳气化反应热ΔH的特征参数Table1TheparametersofHincarbongasificationreaction升温速率反应阶段β=10（℃/min）β=20（℃/min）β=30（℃/min）T0~Ti（℃）396～723200～825190～862缓慢反应阶段α0～0.0190～0.1190～0.128ΔH（mJ/mg）-753.68-1659.42-1599.63T0~Ti（℃

7、）723～1110825～1180862～1240快速反应阶段α0.019~10.119～10.128～1ΔH（mJ/mg）9646.494106.434727.62注：T0为反应开始温度；Ti为反应结束温度；由图1～3可知：碳气化反应由慢速气化阶段转为快速气化阶段两步进行，慢速气化阶段，气化率为0～11%，气化区间为400℃～790℃左右。并且在这阶段表现放出少量热量，但是放出热量比较稳定。在快速气化阶段，随着升温速率提高，结束温度增加，最大气化速率对应的温度增加，而对应的气化率降低。这个阶段有一个明显强吸热峰，而且峰值随

8、着升温速率提高而提高。升温速率为10℃/min时与20℃/min和30℃/min时比较，主要区别是慢速气化阶段不明显，并且在第一步慢速气化阶段表现放出热量也不明显。2.2结果分析与讨论碳以石墨形式存在时，碳原子形成平行于基平面的六角形层，其内每个碳原子和3个邻近的碳原李金莲：碳气化反应的机