论文题目: 冷等离子体氢还原金属氧化物的基础研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 钢铁冶金
作者: 张玉文
导师: 丁伟中
关键词: 冷等离子体,氢还原,金属氧化物,热力学,动力学分析,强化机理
文献来源: 上海大学
发表年度: 2005
论文摘要: 氢代替碳还原金属氧化物的主要优点在于其反应产物H2O不对环境产生任何负面影响,是一种符合人类社会可持续发展战略的绿色冶金过程。但是,要使氢还原真正成为传统碳还原过程强有力的挑战者,除了解决廉价的氢源、氢的安全储运等技术问题之外,还必须寻找出一种低温高效强化还原反应的新方法和新技术。本文研究了施加外场条件下的冷等离子体氢强化氧化物还原的效果和机理,从热力学上比较了等离子体氢和分子氢还原氧化物的差别,揭示了冷等离子体在还原过程中的作用,并分析了冷等离子体氢还原动力学,为将来的应用提供了理论和实践指导依据。 本文在综述了相关的研究进展情况和分析了低温等离子体及其化学特性基础上,选择具有不同还原难易程度的CuO、Fe2O3和TiO2进行了实验,利用直流脉冲电场产生辉光冷等离子体氢对金属氧化物进行还原。 冷等离子体氢还原Fe2O3实验研究发现,在分子氢不能还原的条件下（1500Pa,490℃）,利用冷等离子氢实现了Fe2O3的低温还原。冷等离子体氢还原Fe2O3符合逐级还原规律:Fe2O3→Fe3O4→Fe。随着还原时间的增长,还原过程出现一个加速阶段,这可能是由于试样表面等离子体鞘层的变化导致更多高能量、具有更强还原势的离子氢参加还原过程引起的。进一步的实验结果验证了这一推断。这表明等离子体相中带正电的离子氢和中性的原子氢一样都参加了还原反应,过程中氧化物在反应系统中的电位变化会影响还原的进程,这个结论对工业装置和工艺过程的设计具指导意义。在390℃～530℃范围内,温度变化对还原层厚度影响不大。在680℃的较高温条件下,利用分子氢还原Fe2O3仅得到少量的金属Fe和部分FeO,而利用等离子体氢（气体压力为1850Pa,等离子体的输入电压为500V、放电电流为0.3A,还原时间为15min）还原后的试样表面检测全部为金属铁相,这表明等离子体氢的还原能力比单纯的分子氢大得多。随着放电电压、气压、脉冲占空比的增加,还原层的厚度增大,增大的趋势与等离子体中产生的活性氢粒子浓度的大小密切相关。实验证明,把试样放置在活性氢粒子浓度较大的阴极区才能实现氧化物的有效还原。 容易还原的CuO可以在更低的放电气压和电压下得到还原。在体系压力为450Pa、温度为200℃下,与分子态的氢不同,等离子体氢可以还原CuO为Cu,还原过程按CuO→Cu2O→Cu的规律逐级进行。与Fe2O3还原相似,随着还原时间
论文目录:
摘要
Abstract
序言
第一章 金属氧化物的氢还原
1．1 分子氢还原金属氧化物
1．2 等离子体氢还原金属氧化物
1．2．1 热等离子体氢还原
1．2．2 低温等离子体氢还原
1．3 本文主要研究内容
第二章 低温等离子体及其化学
2．1 等离子体简介
2．1．1 等离子体的概念及性质
2．1．2 等离子体的分类及应用
2．1．3 低温等离子体的产生
2．2 低温等离子体化学
2．2．1 电子的能量
2．2．2 等离子体空间化学反应
2．3 直流辉光等离子体
2．3．1 直流辉光等离子体的特征
2．3．2 直流辉光等离子体中的反应过程
2．3．3 辉光放电形成的等离子体空间状况和特性参数
2．3．4 等离子体鞘层
2．4 小结
第三章 实验装置及研究方法
3．1 实验装置
3．1．1 实验控制电路与工作原理
3．1．2 控制电路灭弧功能的实验分析
3．1．3 辅助加热炉体的恒温段测试
3．2 实验氧化物的选择和试样制备
3．3 实验过程
3．4 试样检测方法
第四章 氧化铁的等离子体氢还原
4．1 还原层厚度及表面形貌变化的观察
4．2 实验条件对还原的影响
4．2．1 温度变化
4．2．2 气体压力
4．2．3 电压(输入功率)变化
4．2．4 脉冲占空比
4．3 试样作为阳极的实验
4．4 较长时间下的还原层厚度
4．5 高温条件下的还原反应
4．6 小结
第五章 易还原的CuO在氢等离子体中的行为
5．1 试样中的物相分析
5．2 SEM和光学显微镜观察
5．3 影响还原速率的因素
5．3．1 还原层厚度随时间的变化
5．3．2 反应温度
5．3．3 较长时间下的还原层厚度
5．4 小结
第六章 低温氢还原氧化钛
6．1 试样的X射线衍射和表观形貌分析
6．2 试样的SEM分析
6．3 不同氢粒子还原效果的比较
6．4 还原程度的分析
6．5 小结
第七章 冷等离子体氢还原金属氧化物能力的理论探讨
7．1 研究现状及观点提出
7．2 非平衡氢等离子体中存在的主要粒子
7．3 不同氢粒子还原能力的分析
7．4 小结
第八章 冷等离子体氢还原氧化物的动力学
8．1 冷等离子体氢还原氧化物反应的组成环节
8．2 冷等离子体氢低温还原氧化物的动力学分析
8．3 不同氢粒子还原金属氧化物的动力学比较
8．4 小结
第九章 冷等离子体氢强化氧化物还原的机理
9．1 热力学耦合
9．2 反应的活化能
9．3 等离子体鞘层的作用
9．4 小结
第十章 结论与展望
10．1 主要结论
10．2 今后的工作及展望
参考文献
附录
附录一 主要符号清单
附录二 全文图表索引
作者攻读学位期间公开发表的论文
致谢
发布时间: 2005-09-16
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