電石生成過程中的界面行為研究.pdf

1、煤炭是主要的一次能源，19世紀(jì)以來成為了有機化學(xué)品的主要來源之一。電石作為一個中間產(chǎn)品，遇水快速反應(yīng)生成的高純度乙炔是重要的化工產(chǎn)品基礎(chǔ)原料，曾被譽為“有機合成工業(yè)之母”。而目前作為煤化工路線之一的煤制碳化鈣（俗稱電石）路線，工業(yè)上多采用以CaO和焦炭為原料的電弧法。此方法雖已實現(xiàn)了大規(guī)模的生產(chǎn)，但存在著“高溫、高能耗、低產(chǎn)能”的弊端。若要改善現(xiàn)狀，就需要追本溯源從根本上認識原料間的擴散反應(yīng)機理，設(shè)計與之相適應(yīng)的高效反應(yīng)器，從而更好地指

2、導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，因此電石生成過程中低溫擴散區(qū)和高溫反應(yīng)區(qū)的分析顯得尤為重要。然而目前國內(nèi)外對電石生成過程中的擴散反應(yīng)過程研究較少。CaO和焦炭原料在生成電石的擴散反應(yīng)過程中行為非常復(fù)雜，涉及到接觸點間擴散和反應(yīng)、涉及到固固和固液相變，涉及有灰分參與的主副反應(yīng)等多個過程，而且受反應(yīng)高溫和分析設(shè)備的制約，人們不能清晰的梳理原料間究竟如何擴散反應(yīng)，不能充分的解釋一些具體實驗現(xiàn)象，在認識上存在著很大分歧。
　　 El-Naas等人利用等離子

3、體流化床反應(yīng)器研究了粒度為微米級石墨與CaO的反應(yīng)行為，通過顯微發(fā)現(xiàn)電石在兩反應(yīng)物邊緣形成，這與反應(yīng)過程中原料間的擴散有關(guān)，因為擴散是固固傳質(zhì)的唯一途徑。而一直以來關(guān)于生成電石的原料間如何擴散也形成了不同理論，歸結(jié)起來主要是:（一）Kameyama認為的CaO和焦炭雙向擴散;（二）Müller認為的焦炭向CaO擴散;（三）李國棟認為的CaO向焦炭擴散。以上研究主要是采用實驗中表觀現(xiàn)象結(jié)合產(chǎn)物XRD分析得出的推理，受點-點接觸、點-面接觸

4、的實驗局限性，證據(jù)尚不充分。由于生產(chǎn)電石原料的焦炭和CaO熔點相差很大且二者間屬于固固擴散?？驴线_爾效應(yīng)是描述兩固體間有擴散速率差異的擴散理論，因此CaO和焦炭的擴散與此效應(yīng)的原理有類似之處。本論文從原料間如何擴散及反應(yīng)的理論出發(fā)，借鑒擴散中的惰性標(biāo)記物實驗，建立二元平面接觸模型并從界面間物質(zhì)變化和微觀形貌探討原料傳質(zhì)過程，得出以下結(jié)論:
　　 (1)大粒度焦炭和粉末CaO的擴散反應(yīng)實驗中檢測到CaO擴散至焦炭，并在大粒度焦炭上

5、生成電石，因此電石生成過程中碳向CaO擴散的理論不完全正確;
　　 (2)建立的純石墨-CaO二元平面接觸模型升溫至1700℃，CaO隨著溫度的升高體積縮小，燒結(jié)程度加大，但并沒有觀察到界面的物質(zhì)變化，認為此溫度下還不能發(fā)生純C和CaO的擴散，即使有，用XRD和SEM+EDX的分析方法無法檢測到;
　　 (3)炭中灰分的存在能降低電石起始生成溫度，SiO2作用較大，在電石生成前會與CaO反應(yīng)生成Ca2SiO4，且含量隨保