電石生成過(guò)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(lái)成為了有機(jī)化學(xué)品的主要來(lái)源之一。電石作為一個(gè)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(yù)為“有機(jī)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(chēng)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(shí)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(rèn)識(shí)原料間的擴(kuò)散反應(yīng)機(jī)理，設(shè)計(jì)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(guò)程中低溫?cái)U(kuò)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(guó)內(nèi)外對(duì)電石生成過(guò)程中的擴(kuò)散反應(yīng)過(guò)程研究較少。CaO和焦炭原料在生成電石的擴(kuò)散反應(yīng)過(guò)程中行為非常復(fù)雜，涉及到接觸點(diǎn)間擴(kuò)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(gè)過(guò)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(kuò)散反應(yīng)，不能充分的解釋一些具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在認(rèn)識(shí)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(jí)石墨與CaO的反應(yīng)行為，通過(guò)顯微發(fā)現(xiàn)電石在兩反應(yīng)物邊緣形成，這與反應(yīng)過(guò)程中原料間的擴(kuò)散有關(guān)，因?yàn)閿U(kuò)散是固固傳質(zhì)的唯一途徑。而一直以來(lái)關(guān)于生成電石的原料間如何擴(kuò)散也形成了不同理論，歸結(jié)起來(lái)主要是:（一）Kameyama認(rèn)為的CaO和焦炭雙向擴(kuò)散;（二）Müller認(rèn)為的焦炭向CaO擴(kuò)散;（三）李國(guó)棟認(rèn)為的CaO向焦炭擴(kuò)散。以上研究主要是采用實(shí)驗(yàn)中表觀現(xiàn)象結(jié)合產(chǎn)物XRD分析得出的推理，受點(diǎn)-點(diǎn)接觸、點(diǎn)-面接觸

4、的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)相差很大且二者間屬于固固擴(kuò)散?？驴线_(dá)爾效應(yīng)是描述兩固體間有擴(kuò)散速率差異的擴(kuò)散理論，因此CaO和焦炭的擴(kuò)散與此效應(yīng)的原理有類(lèi)似之處。本論文從原料間如何擴(kuò)散及反應(yīng)的理論出發(fā)，借鑒擴(kuò)散中的惰性標(biāo)記物實(shí)驗(yàn)，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(guò)程，得出以下結(jié)論:
　　 (1)大粒度焦炭和粉末CaO的擴(kuò)散反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到CaO擴(kuò)散至焦炭，并在大粒度焦炭上

5、生成電石，因此電石生成過(guò)程中碳向CaO擴(kuò)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(méi)有觀察到界面的物質(zhì)變化，認(rèn)為此溫度下還不能發(fā)生純C和CaO的擴(kuò)散，即使有，用XRD和SEM+EDX的分析方法無(wú)法檢測(cè)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(huì)與CaO反應(yīng)生成Ca2SiO4，且含量隨保