微型流化床气固流动对等温微分反应特性作用机制研究

采用双段浅层微型流化床、密相床中细微样品的逆向射流脉冲进样、尾气低延迟在线检测构建了微型流化床气固反应分析仪。为实现在该分析仪中非催化气固反应的扩散抑制低、等温微分的近本征反应特性，对微型流化床中的气固返混采用示踪法进行研究，结合CFD流场模拟结果，总结并拓展流化床中气体返混在微小尺度上的经验公式。通过优化微型流化床的结构尺寸、床料性质、细微颗粒喷射角度、操作流化气速及相互之间关系匹配，实现在微型流化床中气体近似平推流、细微颗粒在微型流化床中近似全混流的气固流动特征，确保微型流化床中的等温微分反应特性。在微型流化床中测试典型非催化气固反应，采用等温方法求算动力学参数，根据该动力学参数与程序升温测试和计算的动力学参数的一致性，以及从热分析动力学与化工动力学参数计算结果的统一性验证微型流化床中的等温微分特性，使其在气固反应分析领域具有普适性。

依据课题申请书的研究计划开展并完成以下三个方面的研究内容。1）通过对微型流化床内气体返混研究发现：微型流化床直径过小容易引起流化过程节涌，且增加气体分布板层数，减少了气体的返混，有利于气体平推流的实现与反应动力学测试的需要；2）通过两段浅层微型流化床细微颗粒与床料混合研究发现：不同的细微颗粒进样角度与位置可得到不同的物料混合效果，通过调整与优化进样器结构，发现脉冲进样载流气喷出方向与反应器底部流化气流逆向相对，容易引起床料在喷口处较大范围的紧密堆积，不利于微量试样与大量床料的均匀混合，即试样喷出方向不宜垂直于床层表面；3）在开展微型流化床等温微分特性验证与典型气固反应动力学研究中发现：通过对煤的热转化过程典型反应动力学进行了拓展研究，如煤半焦的CO2与H2O蒸汽气化反应动力学研究、不同煤种的热解反应动力学研究等得到实验温度范围内和最小化气体扩散条件下，气化过程可分为低温区（750-950 ºC）和高温区（950-1100ºC），前者受气化反应控制，在初始反应段气化反应速率有最大值，其活化能为172 kJ/mol，后者受气化反应和动力学共同控制，在转化率为0.15时有最大值，其活化能为82 kJ/mol ；通过石墨燃烧及CO2与Ca(OH)2的反应，发现气固热动力学的等转化方法与应用化工动力学的动力学求算方法具有一致性，证明了在微型流化床中开展气固反应的普适性。