堆积粉体内部孔隙特性调控与流体输运规律研究

Vanadium and chromium can be extracted efficiently and economically from vanadium slag by briquetting NaOH and slag powder in the NaOH-roasting-leaching process. The reinforce mechanism of vanadium and chromium extraction is not clear so far. The preliminary study results showed that mesoscale porous structure created by agglomeration prominently improved the mass transfer condition of fluid during the gas-liquid-solid three-phase reaction process. The mass transfer pathways of fluid in stacked powder include percolation in the pores and diffusion in the particles which proceed simultaneously. The study of this process will help to understand the effect of agglomeration on strengthening extraction, and also provide a basis for the pore structure design in stacked powder. Fractal theory will be applied to describe the pore structure in this study. In order to understand the regulation effect of powder size distribution and external force on the pore characteristics, the pore characteristics and its fractal characteristics will be analyzed firstly. Then, the fractal theory and numerical simulation methods are used to study the effect of pore characteristics on the mass transfer law of fluid in stacked powder. Consequently, a reasonable pore structure can be created by optimizing the agglomeration process and the extraction of vanadium and chromium can be enhanced. Moreover, the study results can point out the rate-determining step in the reaction process and provide a theoretical basis for process improvement.

NaOH焙烧水浸法处理钒渣时，对NaOH和矿物粉末采取造块处理，可以实现钒铬同时高效经济提取。目前造块处理强化钒铬提取的机制还不清楚，初期研究结果显示，造块处理塑造的介观尺度多孔结构有效地改善了气-液-固三相反应中流动相的传质条件。堆积粉体内流动相传质途径包括孔隙内渗流传质和颗粒内扩散传质，两者同步进行，对这一过程的研究将有助于认识造块处理的强化提取作用，并为堆积粉体内孔隙结构设计提供依据。本课题引入分形理论描述多孔介质，首先分析堆积粉体内的孔隙特性和分形特征，明确粉体大小分布和外部压力对孔隙特性的调控作用，而后采用分形理论结合数值模拟的方法，研究孔隙特性对堆积粉体内流体传质规律影响，从而通过优化造块工艺塑造合理的孔隙结构，实现钒铬提取强化。此外，研究结果可以指出反应过程中的控速环节，为工艺改进提供理论基础。

钠化焙烧过程中，以NaOH代替Na2CO3作为添加剂具有热力学和动力学上的双重优势，然而，熔融NaOH的强腐蚀性对反应器提出了严苛的要求，采用合理的粉末成型工艺不但可以强化气液固三相反应过程，而且有效地避免了NaOH对反应器的腐蚀。研究发现，堆积粉体内具有丰富的孔隙通道，孔隙尺寸呈类正态分布，中位孔径受颗粒粒级影响显著，随颗粒粒级减小而变小，但受成型压力影响较小。堆积粉体内存在中空现象，矿物形貌的无规则性造成中空区域大小和分布的随机性。块样内部孔隙通道可以为气相自然对流提供良好的动力学条件，在气液固（气体-熔融NaOH-矿物）三相反应中，气相传质不是反应的限制性环节，控速环节为NaOH传质。熔融的NaOH可以完全润湿硅酸盐矿物，当反应温度大于325°C时，NaOH在矿物颗粒内部的扩散传质是三相反应的限制性环节。完整的孔隙结构对气液固三相反应的进行至关重要，为了使块样在400-800°C范围内不坍塌，最佳粉末成型工艺为：NaOH配比小于50%，矿物颗粒粒径小于200目，造块法向应力大于3MPa。采用上述NaOH块样焙烧工艺从含钛高炉渣中提取SCR脱硝催化剂，不但使原来的二步焙烧减少到一步焙烧，而且良好的动力学条件有力促进了Mn向钙钛矿中的迁移，得到的催化剂具有极佳的低温脱硝性能（135°C可见光条件下100%脱硝活性）。另一方面，采用NaOH块样焙烧工艺从含钛高炉渣制备了水泥基压电材料，块样焙烧缩短了固固反应扩散距离，并使得钙钛矿中的大部分钛富集于钛酸铅中，复合材料压电系数从6.0 pC/N大幅提升至28.0 pC/N。本研究所提出的NaOH造块焙烧工艺对含钒钢渣钒铬提取和含钛高炉渣资源化利用具有重要价值，新工艺可以显著强化反应过程，提高材料性能，并且对反应设备无特殊要求。