一氧化碳还原分解磷石膏的研究

论文摘要

磷石膏是湿法磷酸生产磷酸过程中的副产品,磷石膏的大量产生和排放对环境造成了潜在危害,同时浪费了巨大的人力、物力和财力。面对经济上的损失和环境保护政策的压力,磷石膏的大规模资源化已成为磷化工行业实现持续发展的关键。磷石膏分解制酸是磷石膏最具潜力的资源化途径之一,但是磷石膏分解温度高能耗大,因此本文主要针对这一问题进行了一氧化碳还原分解磷石膏的研究,为磷石膏的资源化技术提供了基础数据和理论参考。采用化工热力学软件HSC Chemistry探讨了一氧化碳还原分解磷石膏的热力学行为。利用Reaction Equation模块计算了一氧化碳还原分解磷石膏过程中可能涉及的20个化学反应的摩尔Gibbs自由能变（△rGm）、摩尔焓变（△rHm）、摩尔熵变（△rSm）,结果表明这些化学反应大部分为吸热型反应,这也是磷石膏还原分解高能耗的主要原因。利用Equilibrium Composition模块模拟了一氧化碳还原分解磷石膏的热力学平衡组分,认为反应过程中发生的反应大部分是两个甚至更多反应的耦合,而不是彼此独立的逐个发生,其中CaS04（s）+4CO（g）=CaS（s）+4C02（g）与CaS04（s）+1/3CaS（s）=4/3CaO（s）+4/3S02（g）以及CaS04（s）+1/3CaS（s）=4/3CaO（s）与CaS（s）+3C02（g）=CaO（s）+S02（g）+3CO（g）的耦合发生是整个反应过程的主线。通过扫描电镜（SEM）观察了磷石膏的微观形貌,结果表明磷石膏为不规则的片状颗粒,颗粒间有较强的团聚现象,团聚颗粒有大量的空隙。通过X射线能谱（EDS）分析了磷石膏的元素组成,结果表明磷石膏的主要元素成分为氧、硫、硅和钙4种,但是不同的微区成分也不尽相同。通过X射线粉末衍射（XRD）表征了磷石膏的物相组成,结果表明磷石膏的主要物相为CaS04·2H20,此外还有少量SiO2。通过激光粒度分析仪测定了磷石膏的颗粒粒度,结果表明磷石膏的颗粒粒度近似成正态分布。利用热分析技术进行了一氧化碳还原分解磷石膏的影响因素,结果表明还原性气氛有利于磷石膏的分解；在一氧化碳气氛中,磷石膏的分解包括两个阶段,第一阶段为磷石膏的脱水阶段,第二阶段为磷石膏的还原分解阶段,5wt.%CaCl2外加剂有利于磷石膏在一氧化碳中的还原分解。研究了一氧化碳气氛中磷石膏还原分解阶段的动力学行为,认为整个过程为化学反应所控制,动力学方程为动力学补偿效应为lnA=0.1115E+0.0211,反应活化能随磷石膏转化百分率的增大而减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图及列表清单
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 磷石膏
• 1.2.1 磷石膏的来源和产生量
• 1.2.2 磷石膏的组成及性质
• 1.2.3 磷石膏的危害
• 1.2.4 磷石膏的资源化
• 1.3 磷石膏的还原分解
• 1.4 研究目的、内容及方法
• 1.4.1 研究目的与意义
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究方法
• 1.5 本章小结
• 第二章 一氧化碳还原分解磷石膏的热力学行为研究
• 2.1 热力学简介
• 2.2 HSC Chemistry化工热力学软件
• 2.3 一氧化碳还原分解磷石膏的化学反应热力学数据计算
• 2.3.1 一氧化碳还原分解磷石膏过程中可能涉及的反应
• 2.3.2 可能涉及的化学反应的热力学数据计算
• 4·nH₂O（n=0～2）分解的反应的探讨'>2.3.3 涉及CaSO₄·nH₂O（n=0～2）分解的反应的探讨
• 2.3.4 涉及CaO与酸性氧化物的反应的探讨
• 2.3.5 涉及单质S的反应的探讨
• 2.4 一氧化碳还原分解磷石膏的化学反应的热力学系统
• 2.4.1 一氧化碳还原分解磷石膏的化学反应热力学体系建立
• 2.4.2 一氧化碳还原分解磷石膏的化学反应的热力学平衡组分
• 2.5 本章小结
• 第三章 实验部分
• 3.1 实验试剂及材料
• 3.2 实验仪器及设备
• 3.3 实验方法及步骤
• 3.3.1 磷石膏的微观形貌及元素成分分析
• 3.3.2 磷石膏的物相表征
• 3.3.3 磷石膏的粒度分析
• 3.3.4 热分析实验
• 3.4 本章小结
• 第四章 一氧化碳还原分解磷石膏的热分析
• 4.1 磷石膏的物化性质
• 4.1.1 磷石膏的微观形貌
• 4.1.2 磷石膏的元素组成
• 4.1.3 磷石膏的物相表征
• 4.1.4 磷石膏的颗粒粒度
• 4.2 不同气氛对磷石膏分解的影响
• 2对磷石膏在一氧化碳气氛中还原分解的影响'>4.3 CaCl₂对磷石膏在一氧化碳气氛中还原分解的影响
• 4.4 升温速率对磷石膏在一氧化碳气氛中还原分解的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 一氧化碳还原分解磷石膏的动力学行为研究
• 5.1 动力学简介
• 5.1.1 动力学方程
• 5.1.2 动力学三因子
• 5.2 动力学计算的数据基础
• 5.3 活化能的计算
• 5.4 最概然反应机理函数的求解
• 5.5 动力学补偿效应的验证
• 5.6 动力学方程及反应机理探讨
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 6.3 创新点
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表的论文
• 附录B 攻读学位期间申请的专利
• 附录C 攻读学位期间负责或参与的科研项目