气固非催化反应中固体产物介尺度结构的形成与生长

Combing the knowledge of surface physics and surface chemistry, this study focuses on the development of a mechanism model which can describe the formation, growth and diffusion of solid product mesoscale in gas solid reactions. The developed model can describe the evolution and stabilization of solid product islands from the mesoscale point of view. The mesoscale model will be integrated into the particle model in order to describe the effect of solid product mesosclae on the reaction and diffusion occurring inside the pore of particle. A hybrid numerical method derived from the discrete model and the continuous formulation will be investigated in order to solve the mechanism model of mesoscale formation and growth. Finally, experiments of gas solid reaction with single crystals and porous particles will be finished to collect the fundamental data to validate the developed models.

结合表面物理以及表面化学知识，建立能够描述气固反应中固体产物介尺度结构成核和生长、晶界迁移等过程的机理模型，从介观尺度描述固体产物尺寸分布随时间的演化规律以及稳定条件；并将该机理模型引入到单颗粒数学模型，确定固体产物介尺度结构对颗粒孔隙内扩散-反应行为的影响；研究固体产物介尺度结构形成与生长动力学模型的离散/连续耦合数值解法以及颗粒模型的数值解法，并利用单晶样品实验和多孔样品实验数据验证模型。

本项目针对气固非催化反应，重点研究其中介尺度结构变化，及其对反应与扩散的影响。研究了有固体产物生成的反应，随着反应的进行，固体反应物被消耗，固体产物会不断形成，固体产物的形成与生长会改变原有孔隙结构。研究了CaCO3煅烧分解和CuO还原，研究发现一部分固体原子在脱离原有固体晶格后，进入气相成为气体分子，原有固体结构内部存在很多空位，空位的运动将会导致孔隙结构的形成。基于介尺度结构思想，根据空位单元的扩散与聚合理论建立起CaCO3煅烧分解和CuO还原及后续烧结过程中从分子尺度过渡到颗粒尺度之间的桥梁-介尺度孔隙结构的演化模型。与传统的经验模型相比，基于介尺度结构的速率方程理论将孔隙的演变过程与气体分子释放、空位的扩散以及空位间相互碰撞聚合同时进行考虑，并建立非线性的速率方程对孔隙的演化的物理过程进行数学描述。模型的计算结果与CaCO3煅烧和烧结的实验数据进行对比，结果表明基于介尺度结构的速率方程理论可以准确地预测孔径的分布及其随时间的演变过程。进而将速率方程理论耦合进单颗粒气固反应模型，编制了数值求解程序实现了介尺度的数值计算。.与瑞典查尔姆斯科技大学、美国北卡罗来纳、美国犹他大学进行了多次深入互访与交流，参加国际能源署温室气体计划（IEAGHG）高温固体循环技术学术会议等。发表SCI文章10篇、培养及正在培养3名博士生、1名硕士生。.本项目的研究结果，对于气固非催化反应理论具有重要的补充和拓展作用，同时对于如何控制气固反应中的介尺度结构也具有重要的参考和应用价值。