农林副产物低温焙烧还原低品位软锰矿的通用动力学模型研究

还原剂是解决低品位软锰矿还原技术瓶颈的关键。农林副产物可使还原温度从900℃降至500℃，是一类廉价、高效、可再生的还原剂。虽然农林副产物种类繁多，不可能一一研究；但成分主要是纤维素、半纤维素及木质素。本项目用冶金动力学方法结合微区XRD、TG-GC-MS、NMR等现代测试技术研究农林副产物中多组分还原剂共同作用焙烧还原软锰矿的动力学。阐明焙烧还原过程的反应规律，建立单组分焙烧还原过程的动力学方程，揭示农林副产物低温焙烧还原软锰矿的原因。借鉴化工热力学用混合规则建立混合物状态方程的思路，用动力学参数混合规则定量描述组分相互作用对焙烧还原过程的影响，并结合单组分焙烧还原过程的动力学参数计算多组分共同作用焙烧还原过程的动力学参数，建立包含农林副产物组分还原特性、含量和相互作用影响的通用动力学模型。结果既可指导种类繁多农林副产物焙烧还原软锰矿工艺的设计和优化，也可进一步丰富软锰矿还原动力学理论。

农林副产物是一类廉价、高效、可再生的软锰矿还原剂。本项目用冶金动力学方法结合TG/ FT-IR、Py-GC/MS和XRD研究了农林副产物焙烧还原软锰矿的工艺和机理。. 蔗髓焙烧还原低品位软锰矿的条件为：蔗髓/锰矿质量比0.62:1、还原焙烧温度350℃、还原焙烧时间60 min、浸出搅拌速率200 r/min、浸出温度60℃、浸出时间40 min、H2SO4 浓度3.0 mol/L、液固比6 mL/g. 此条件下锰的浸出率为97%..采用基于统计的优化策略优化了蔗渣焙烧还原低品位软锰矿的工艺。用中心组合设计收集实验数据，用二次模型表示锰浸出率与渣矿比(蔗渣与锰矿质量比)、焙烧温度、焙烧时间的函数关系，用统计分析 (ANOVA) 研究变量及变量的相互作用对浸出过程的影响。结果表明，渣矿比和焙烧温度对浸出过程的影响比焙烧时间的大，渣矿比和焙烧温度的线性项、二次项及其交互作用影响显著，而焙烧时间的影响却较小。利用所得的二次模型可得最佳工艺参数：渣矿比0.9:10 、焙烧温度450 °C、焙烧时间 30 min。优化条件下锰浸出率的预测值为98.1%，实验值为98.2%..TG/ FT-IR、Py-GC/MS和XRD 结果说明纤维素、半纤维素和木质素焙烧还原软锰矿过程主要集中在250~410 oC、220~390 oC和190~410 oC。三组分热解过程形成了醛类，呋喃类，酮类，醇类等多种还原性挥发产物, 这些还原性产物直接将矿中的MnO2 还原为MnO..农林副产物三个主要组分（纤维素、半纤维素和木质素）单独焙烧还原软锰矿过程的动力学行为可用三参数Šesták–Berggren方程和修正的H-P模型描述，相应的表观活化能分别为40.48kJ/mol 、25.70kJ/ mol和 40.10kJ /mol，焙烧还原过程受内扩散（灰层扩散）控制..在分析单一组分焙烧还原软锰矿过程与混合物焙烧还原过程特征的基础上，提出了线性叠加动力学模型α=Σxiαiε(T-T0i)，且Σxi=1，式中ε(T-T0)是单位阶跃函数，用于避免产生无效的转化率数据。该模型反映了农林副产物的主要组分，纤维素、半纤维素、木质素，焙烧还原软锰矿的动力学特性和及其含量对还原软锰矿过程的影响。线性叠加模型可以很好地描述农林副产物主要组分-纤维素、半纤维素和木质素混合物焙烧还原软锰矿过程的动力学行为。