碳气化反应的机理及热分析动力学研究.pdf

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

李金莲1,2，汪琦2，李艳茹1
（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。通过
Coats-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-1和
159.26～105.58kJ·mol-1，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
daΔαΔα−Δα
原过程的限制性环节。许多学者采用失重法进行了==i+1i（2）
dtΔtt−t
碳气化反应动力学研究[1，2，3]，结果表明碳气化反i+1i
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。
力学分析。若实测单位质量气化反应热为ΔH(mJ·mg-1)，
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+1
dH×dt
∫tdt
实验在流量为30mL/min的CO2(99.99%)气氛中进ΔH()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℃，
式中：ΔH(t)—T（t）时的热流，mJ·mg-1；
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
实验结果
m−m2.1
a=0（1）不同升温速率的碳气化反应的α、dα/dt和ΔH
m−m
0∞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；m0—起始质量；m—T
22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℃/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α0～0.0190～0.1190～0.128
ΔH（mJ/mg）-753.68-1659.42-1599.63

T0~Ti（℃）723～1110825～1180862～1240
快速反应阶段α0.019~10.119～10.128～1
ΔH（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