Fe基添加剂辅助下磷石膏气氛循环控制分解过程研究
发布时间：2022-08-09 10:11
磷石膏是磷矿石和硫酸湿法生产磷酸的工业副产物,产量巨大。未经处理的磷石膏主要采用陆地堆存和倒入海中的方式处置,会导致一系列的诸如土壤、水和大气污染。随着环境保护意识的增强和磷石膏潜在经济价值的凸显,将磷石膏作为一种原材料应用于各种领域成为研究热点。目前针对磷石膏中钙、硫的资源化利用主要是将磷石膏还原分解为CaS,或者直接将磷石膏热分解为CaO,两者分解率都较低,分解温度均偏高。为充分利用磷石膏中的钙、硫资源,提高磷石膏分解率并生产CaO。本论文以磷石膏为研究对象,使用FeCl3溶液浸渍法添加Fe基添加剂,并以褐煤作为还原剂,在N2气氛下低温还原分解制备中间产物CaS,然后将反应气氛切换为空气气氛,将CaS进一步氧化为目标产物CaO。本文首先利用C+O+Ca+S系统平衡分析结合Factsage理论计算,对反应过程中元素的存在形态进行系统热力学研究,对不同反应过程的热力学、相图和Fe基添加剂的辅助作用进行了考察,为Fe基添加剂辅助下磷石膏气氛循环控制分解反应奠定理论基础。其次探讨了不同过程控制因素对磷石膏气氛循环控制分解反应的影响,研究发现:在N...
【文章页数】：181 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 磷石膏的物化特性
1.3 磷石膏资源化技术研究进展
1.3.1 农业化肥和土壤修复
1.3.2 建筑材料
1.3.3 工业原材料
1.4 磷石膏热分解研究前沿分析
1.4.1 磷石膏分解研究国内研究现状
1.4.2 磷石膏分解研究国际研究现状
1.5 磷石膏热分解过程研究
1.5.1 磷石膏一步分解法
1.5.2 磷石膏两步分解法
1.6 研究内容
第二章 磷石膏气氛循环分解实验及评价指标
2.1 实验原料及设备
2.1.1 实验原料
2.1.1.1 磷石膏分析
2.1.1.2 褐煤分析
2.1.2 实验设备
2.2 实验方法
2.2.1 磷石膏气氛循环控制分解实验
2.2.2 流化状态磷石膏气氛循环控制分解实验
2.3 性能检测
2.3.1 热分析
2.3.2 物相分析
2.3.3 扫描电镜及能谱分析
2.3.4 比表面积、孔容及平均孔径测定
2.3.5 烟气分析
2.4 研究理论基础
2.4.1 Factsage软件介绍
2.4.2 有限元理论
2.5 本章小结
第三章 Fe基添加剂辅助下磷石膏分解过程热力学
3.1 C+O+Ca+S系统热力学评估
3.1.1 二元系统
3.1.2 Ca+O+S三元系统
3.2 磷石膏与褐煤氧化还原反应的热力学数据计算
3.2.1 反应的自发性
3.2.2 反应的热效应
3.2.3 相图分析
3.3 Fe基添加剂的选择
3.3.1 Fe基添加剂的Ellingham能图分析
3.3.2 Fe基添加剂下磷石膏分解热力学
3.3.3 Fe基添加剂辅助下磷石膏分解相图
3.4 元素迁移平衡分析
3.5 本章小结
第四章 磷石膏气氛循环控制过程反应特性和反应动力学分析
4.1 不同气氛下褐煤热解特性研究
4.2 磷石膏在N_2气氛中分解特性研究
4.2.1 磷石膏在N_2气氛中脱水特性
4.2.2 磷石膏N_2气氛中还原分解特性研究
4.3 中间产物空气气氛中反应特性研究
4.3.1 氧气浓度对CaS氧化的影响
4.3.2 温度对CaS氧化的影响
4.3.3 反应时间对CaS氧化的影响
4.4 循环次数对磷石膏分解的影响
4.5 气氛循环控制下反应动力学
4.5.1 N_2气氛中磷石膏分解反应动力学
4.5.2 空气气氛中中间产物氧化反应动力学
4.5.3 N_2气氛中CaS和磷石膏固固反应动力学
4.6 本章小结
第五章 磷石膏气氛循环控制中反应机理分析
5.1 磷石膏N_2气氛条件下分解反应机理
5.1.1 磷石膏与褐煤在N_2气氛中的分解反应机理
5.1.2 CaS和磷石膏N_2气氛中的固固反应
5.1.3 N_2气氛中Fe元素的迁移
5.1.4 固体还原产物的SEM和BET分析
5.2 空气气氛中反应机理及元素迁移
5.2.1 中间产物CaS氧化反应机理及元素迁移
5.2.2 空气气氛中Fe元素的迁移
5.2.3 固体氧化产物的表征分析
5.3 气氛循环控制阶段反应机理及元素迁移
5.4 杂质对反应的影响
5.5 本章小结
第六章 流化状态磷石膏气氛循环控制分解特性研究
6.1 磷石膏流态化分解概述
6.2 操作基本参数计算
6.2.1 临界流化速度的计算
6.2.2 带出速度的计算
6.3 流化状态下磷石膏在气氛循环中分解特性
6.3.1 温度对流化状态磷石膏气氛循环分解的影响
6.3.2 循环次数对流化状态磷石膏气氛循环分解的影响
6.3.3 气固比对流化状态磷石膏气氛循环分解的影响
6.4 固体反应产物表征分析
6.5 本章小结
第七章 流化状态磷石膏气氛循环分解过程数值模拟和能耗分析
7.1 反应理论研究
7.1.1 流化床中的反应
7.1.2 流化床中的反应模拟
7.2 流化床反应模型结构
7.2.1 流化床中的质量传递
7.2.2 流化床中的化学反应及相变
7.2.3 气速影响
7.2.4 热量传递
7.3 Comsol模拟参数设置
7.3.1 初始条件及边界条件
7.3.2 网格划分
7.3.3 求解步骤
7.4 结果与讨论
7.4.1 未反应缩核模型
7.4.2 磷石膏和褐煤脱水阶段
7.4.3 磷石膏和褐煤N_2气氛中分解反应阶段
7.4.4 中间产物空气气氛中氧化反应阶段
7.4.5 气氛循环控制阶段
7.4.6 流化状态磷石膏气氛循环中分解反应能耗计算
7.4.7 实验和模拟对比研究
7.5 本章小结
第八章 研究结论、创新点与建议
8.1 研究结论
8.2 创新点
8.3 建议
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果
攻读博士学位期间获得的奖励
攻读博士学位期间参与的科研项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]磷石膏、钾长石与焦炭热反应试验及机理研究[J]. 李兴平,刘阳,张西兴,胡兆平. 矿产综合利用. 2017(05)
[2]磷石膏中杂质深度脱除技术[J]. 赵红涛,包炜军,孙振华,李松庚,李会泉,林伟刚. 化工进展. 2017(04)
[3]硫化钙磷石膏固固反应的热分析动力学[J]. 杨秀山,邓少刚,黄鹏辉,王辛龙,杨林,张志业,钟本和. 高校化学工程学报. 2016(03)
[4]CO2气氛下褐煤还原磷石膏的TG-FTIR研究[J]. 张云鹏,杨勤勤,刘永卓,郭庆杰. 高校化学工程学报. 2016(03)
[5]硫化钙的氧化行为研究[J]. 巫建锋,杨秀山,杨林,孔行健,张志业,王辛龙. 无机盐工业. 2015(08)
[6]共晶磷对石膏性能的影响及其作用机理[J]. 李美,彭家惠,张欢,张建新,刘先锋. 四川大学学报(工程科学版). 2012(03)
[7]磷石膏振动流态化分解制酸联产水泥新工艺[J]. 刘少文,陈升,郭文涛,贾辉,吴元欣,包传平. 磷肥与复肥. 2012(01)
[8]磷石膏流态化分解的实验[J]. 刘少文,冉祥兰,陈升,郭文涛,吴元欣,包传平. 武汉工程大学学报. 2011(02)
[9]磷石膏悬浮态分解条件的优化试验研究[J]. 徐品晶,陈延信,罗永勤,李辉,徐德龙,刘文欢. 非金属矿. 2009(03)
[10]重视磷石膏的综合利用 促进磷肥工业可持续发展[J]. 张永志. 磷肥与复肥. 2009(02)
博士论文
[1]磷石膏分解特性及其流态化分解制硫酸联产石灰的工艺研究[D]. 应国量.武汉理工大学 2011
[2]不同气氛下高温固硫产物硫酸钙和硫化钙相互转化机理研究[D]. 范红宇.浙江大学 2004
本文编号：3672367
【文章页数】：181 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 磷石膏的物化特性
1.3 磷石膏资源化技术研究进展
1.3.1 农业化肥和土壤修复
1.3.2 建筑材料
1.3.3 工业原材料
1.4 磷石膏热分解研究前沿分析
1.4.1 磷石膏分解研究国内研究现状
1.4.2 磷石膏分解研究国际研究现状
1.5 磷石膏热分解过程研究
1.5.1 磷石膏一步分解法
1.5.2 磷石膏两步分解法
1.6 研究内容
第二章 磷石膏气氛循环分解实验及评价指标
2.1 实验原料及设备
2.1.1 实验原料
2.1.1.1 磷石膏分析
2.1.1.2 褐煤分析
2.1.2 实验设备
2.2 实验方法
2.2.1 磷石膏气氛循环控制分解实验
2.2.2 流化状态磷石膏气氛循环控制分解实验
2.3 性能检测
2.3.1 热分析
2.3.2 物相分析
2.3.3 扫描电镜及能谱分析
2.3.4 比表面积、孔容及平均孔径测定
2.3.5 烟气分析
2.4 研究理论基础
2.4.1 Factsage软件介绍
2.4.2 有限元理论
2.5 本章小结
第三章 Fe基添加剂辅助下磷石膏分解过程热力学
3.1 C+O+Ca+S系统热力学评估
3.1.1 二元系统
3.1.2 Ca+O+S三元系统
3.2 磷石膏与褐煤氧化还原反应的热力学数据计算
3.2.1 反应的自发性
3.2.2 反应的热效应
3.2.3 相图分析
3.3 Fe基添加剂的选择
3.3.1 Fe基添加剂的Ellingham能图分析
3.3.2 Fe基添加剂下磷石膏分解热力学
3.3.3 Fe基添加剂辅助下磷石膏分解相图
3.4 元素迁移平衡分析
3.5 本章小结
第四章 磷石膏气氛循环控制过程反应特性和反应动力学分析
4.1 不同气氛下褐煤热解特性研究
4.2 磷石膏在N_2气氛中分解特性研究
4.2.1 磷石膏在N_2气氛中脱水特性
4.2.2 磷石膏N_2气氛中还原分解特性研究
4.3 中间产物空气气氛中反应特性研究
4.3.1 氧气浓度对CaS氧化的影响
4.3.2 温度对CaS氧化的影响
4.3.3 反应时间对CaS氧化的影响
4.4 循环次数对磷石膏分解的影响
4.5 气氛循环控制下反应动力学
4.5.1 N_2气氛中磷石膏分解反应动力学
4.5.2 空气气氛中中间产物氧化反应动力学
4.5.3 N_2气氛中CaS和磷石膏固固反应动力学
4.6 本章小结
第五章 磷石膏气氛循环控制中反应机理分析
5.1 磷石膏N_2气氛条件下分解反应机理
5.1.1 磷石膏与褐煤在N_2气氛中的分解反应机理
5.1.2 CaS和磷石膏N_2气氛中的固固反应
5.1.3 N_2气氛中Fe元素的迁移
5.1.4 固体还原产物的SEM和BET分析
5.2 空气气氛中反应机理及元素迁移
5.2.1 中间产物CaS氧化反应机理及元素迁移
5.2.2 空气气氛中Fe元素的迁移
5.2.3 固体氧化产物的表征分析
5.3 气氛循环控制阶段反应机理及元素迁移
5.4 杂质对反应的影响
5.5 本章小结
第六章 流化状态磷石膏气氛循环控制分解特性研究
6.1 磷石膏流态化分解概述
6.2 操作基本参数计算
6.2.1 临界流化速度的计算
6.2.2 带出速度的计算
6.3 流化状态下磷石膏在气氛循环中分解特性
6.3.1 温度对流化状态磷石膏气氛循环分解的影响
6.3.2 循环次数对流化状态磷石膏气氛循环分解的影响
6.3.3 气固比对流化状态磷石膏气氛循环分解的影响
6.4 固体反应产物表征分析
6.5 本章小结
第七章 流化状态磷石膏气氛循环分解过程数值模拟和能耗分析
7.1 反应理论研究
7.1.1 流化床中的反应
7.1.2 流化床中的反应模拟
7.2 流化床反应模型结构
7.2.1 流化床中的质量传递
7.2.2 流化床中的化学反应及相变
7.2.3 气速影响
7.2.4 热量传递
7.3 Comsol模拟参数设置
7.3.1 初始条件及边界条件
7.3.2 网格划分
7.3.3 求解步骤
7.4 结果与讨论
7.4.1 未反应缩核模型
7.4.2 磷石膏和褐煤脱水阶段
7.4.3 磷石膏和褐煤N_2气氛中分解反应阶段
7.4.4 中间产物空气气氛中氧化反应阶段
7.4.5 气氛循环控制阶段
7.4.6 流化状态磷石膏气氛循环中分解反应能耗计算
7.4.7 实验和模拟对比研究
7.5 本章小结
第八章 研究结论、创新点与建议
8.1 研究结论
8.2 创新点
8.3 建议
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果
攻读博士学位期间获得的奖励
攻读博士学位期间参与的科研项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]磷石膏、钾长石与焦炭热反应试验及机理研究[J]. 李兴平,刘阳,张西兴,胡兆平. 矿产综合利用. 2017(05)
[2]磷石膏中杂质深度脱除技术[J]. 赵红涛,包炜军,孙振华,李松庚,李会泉,林伟刚. 化工进展. 2017(04)
[3]硫化钙磷石膏固固反应的热分析动力学[J]. 杨秀山,邓少刚,黄鹏辉,王辛龙,杨林,张志业,钟本和. 高校化学工程学报. 2016(03)
[4]CO2气氛下褐煤还原磷石膏的TG-FTIR研究[J]. 张云鹏,杨勤勤,刘永卓,郭庆杰. 高校化学工程学报. 2016(03)
[5]硫化钙的氧化行为研究[J]. 巫建锋,杨秀山,杨林,孔行健,张志业,王辛龙. 无机盐工业. 2015(08)
[6]共晶磷对石膏性能的影响及其作用机理[J]. 李美,彭家惠,张欢,张建新,刘先锋. 四川大学学报(工程科学版). 2012(03)
[7]磷石膏振动流态化分解制酸联产水泥新工艺[J]. 刘少文,陈升,郭文涛,贾辉,吴元欣,包传平. 磷肥与复肥. 2012(01)
[8]磷石膏流态化分解的实验[J]. 刘少文,冉祥兰,陈升,郭文涛,吴元欣,包传平. 武汉工程大学学报. 2011(02)
[9]磷石膏悬浮态分解条件的优化试验研究[J]. 徐品晶,陈延信,罗永勤,李辉,徐德龙,刘文欢. 非金属矿. 2009(03)
[10]重视磷石膏的综合利用 促进磷肥工业可持续发展[J]. 张永志. 磷肥与复肥. 2009(02)
博士论文
[1]磷石膏分解特性及其流态化分解制硫酸联产石灰的工艺研究[D]. 应国量.武汉理工大学 2011
[2]不同气氛下高温固硫产物硫酸钙和硫化钙相互转化机理研究[D]. 范红宇.浙江大学 2004
本文编号：3672367
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