【背景】液态金属气化技术是一种清洁的气化技术。因其原料适应性广，反应系统架构简单，适用于以固体碳为基础的分布式能源供给。反应过程中空气中的氧元素与熔融态的金属床料反应生成金属氧化物，再由碳原料还原氧化物生产含CO的产品气。
在可作为床料的多种金属中，由于锡金属熔点较低，便于给料、排渣装置的布置;目标工作温度区间内黏度和饱和蒸汽压较低，保证了床料的流动性和稳定性，因此锡基合金广泛应用于液态金属气化中。
然而热力学分析表明，氧化锡与碳反应的主要产物为CO2，因此为改善熔融锡基床料的热力学性质，铅、铁等金属常作为合金组分以提升产物中的CO比例。来自清华大学的史翊翔副研究员课题组采用锡金属为熔融金属床料，将锌元素以及碱金属碳酸盐引入液态金属气化过程以改善混合物体系气化反应特性。通过氧化锌与锡金属以及碳原料的混合物模拟气化过程中金属-碳原料-金属氧化物混合物。采用自主设计的固定床程序控温反应装置(TPR,temperature programmed reaction)，测试混合物的反应动力学特性。
TPR系统由质量流量计，反应器，炉温控制系统以及在线气体检测组分的质谱等关键部件组成。系统如下图所示。① 质量流量计：控制载气(氩气)流量，保证反应器内惰性气氛。② 反应器：承载测试所需床料，密闭容器，防止空气中氧气进入床料内部影响尾气组分。③ 炉温控制器(北京福恩森电炉公司，订制)：以K型热电偶检测床料温度，编程控制床料升温速率以及保温时间，并通过电子计算机记录实验中床料温度曲线。④ 质谱(QIC-20,Hiden Analytical Ltd,英国)：在线采集尾气样品，并检测尾气组分中CO和CO2的摩尔分数。
实验中将碳粉、金属以及碳酸盐原料按实验设计机械混合均匀并装入反应器。实验装置密封安装完成后使用氩气吹扫反应器腔室，当质谱显示氩气摩尔分数>99.9%后表示反应器吹扫完毕，开始程序升温。升温过程由室温开始，通过PID温度控制器控制反应器升温速率(10 ℃/min)，反应器温度达到900 ℃时停止升温。反应器随后在900 ℃下保温30 min以保证质谱完整记录反应产物峰。升温过程中采用质量流量控制器控制氩气流量至50 mL/min，并通过质谱实时检测反应器尾气组分，以在线获得床料的反应动力学特性，当气化产物CO所占摩尔分数超过0.2%并持续上升时，认为气化反应开始。
来源：煤炭学报
引用格式：曹天宇，张格培，史翊翔,等.锌-锡液态金属碳气化反应的实验研究[J].煤炭学报,2016,41(10):2490-2494.(转载请标明出处)