电石渣/碳酸镁体系的热分解行为与机制研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0140

无机盐工业 ›› 2024, Vol. 56 ›› Issue (10): 118-126.doi: 10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0140

电石渣/碳酸镁体系的热分解行为与机制研究

祁星朝¹^,³(), 王峰¹(), 武洁¹^,²(), 张琦¹^,³, 唐忠锋³

^1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特 010051
^2.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，内蒙古呼和浩特 010020
^3.中国科学院上海应用物理研究所，上海 201204

收稿日期:2024-03-11 出版日期:2024-10-10 发布日期:2024-11-05
通讯作者: 王峰（1981— ），女，教授，主要研究方向为碳捕集技术、熔盐储热；E-mail：wangfeng@imut.edu.cn。
武洁（1986— ），女，高级工程师，主要研究方向为能源与环境保护方向；E-mail：wujiegongda@126.com。
作者简介:祁星朝（1997— ），男，硕士研究生，主要研究方向为碳捕集技术；E-mail：q15147159224@163.com。
基金资助:
内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2023LHMS05001);内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目(JY20240052);内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司项目(ZC-2023-05)

Study on pyrolysis behavior and mechanism of calcium carbide slag/magnesium carbonate system

QI Xingzhao¹^,³(), WANG Feng¹(), WU Jie¹^,²(), ZHANG Qi¹^,³, TANG Zhongfeng³

^1.School of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China
^2.Inner Mongolia Power Research Institute Branch，Inner Mongolia Power（Group） Co. ，Ltd. ，Hohhot 010020，China
^3.Shanghai Institute of Applied Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201204，China

Received:2024-03-11 Published:2024-10-10 Online:2024-11-05

摘要/Abstract

摘要：

采用机械混合法制备电石渣/碳酸镁体系，分别从成分配比、升温速率、气氛3方面对其高温下的热分解行为与机制进行研究。结果表明，不同配比的电石渣/MgCO₃体系热分解分成3个阶段，且趋势相同。随样品中Mg含量的增大，第一阶段分解温度由387 ℃下降到361 ℃，质量损失率由16.0%增加到18.0%。第二阶段分解温度基本不变，质量损失率由13.2%增加到17.1%，第三阶段分解温度和质量损失率基本不变，形成稳定的金属氧化物。随着升温速率的增大，电石渣/MgCO₃体系的热失重曲线逐渐向高温方向移动，其表观活化能随Mg含量的增大而增加。在CO₂气氛下电石渣/MgCO₃体系的质量先上升后下降，MgCO₃分解逸出的CO₂会被同一反应温度区间内的Ca（OH）₂吸收。制备得到的电石渣/碳酸镁体系具有更发达的孔隙结构，吸附剂表面Ca和Mg分散均匀，有效提高了电石渣/MgCO₃体系的抗烧结特性。该研究揭示了电石渣/MgCO₃热分解过程中的反应机理，为制备具有较强CO₂捕获能力和较强循环稳定性的电石渣吸附剂提供理论支持。

关键词: 电石渣, 碳酸镁, 热分解, 高温, 结晶结构

Abstract:

A carbide slag/magnesium carbonate system was synthesized by mechanical mixing method.Thermal decomposition behavior and mechanism under high temperature conditions were studied from three aspects of component ratio，heating rate，and pyrolysis atmosphere.The results indicated that the thermal decomposition of this carbide slag/MgCO₃ system with different ratios could be divided into three stages and displayed similar trends.As the amount of magnesium in the samples increased，the decomposition temperature of the samples in the first stage was dropped from 387 ℃ to 361 ℃，while the weight loss rate was increased from 16.0% to 18.0%.The decomposition temperature of the samples in the second stage maintained steady with the weight loss rate increasing from 13.2% to 17.1%.The changes in the third stage of the decomposition temperature and weight loss rate of the samples were minimal which could attribute to the formation of stable metal oxides.The thermogravimetric curve of the carbide slag/MgCO₃ system gradually shifted towards higher temperatures with the increasing heating rate，and its apparent activation energy was increased with the magnitude of magnesium.The weight of the carbide slag/MgCO₃ system displayed the tendency of firstly increased and then decreased under CO₂atmosphere.CO₂ released from the decomposition of MgCO₃ was absorbed by Ca（OH）₂ within the same reaction temperature range.The prepared carbide slag/magnesium carbonate agent system exhibited a more abundant porous structure with Ca and Mg elements dispersed uniformly on the adsorbent surface，which effectively enhanced the anti⁃sintering properties of the carbide slag/MgCO₃ system.The reaction mechanism during the thermal decomposition process of the carbide slag/MgCO₃ system was revealed that provided theoretical support for the preparation of calcium carbide slag adsorbents with strong CO₂ capture capacity and cycling stability.

Key words: carbide slag, magnesium carbonate, thermal decomposition, high temperature, crystalline structure

中图分类号:

TQ132.2

祁星朝, 王峰, 武洁, 张琦, 唐忠锋. 电石渣/碳酸镁体系的热分解行为与机制研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(10): 118-126.

QI Xingzhao, WANG Feng, WU Jie, ZHANG Qi, TANG Zhongfeng. Study on pyrolysis behavior and mechanism of calcium carbide slag/magnesium carbonate system[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2024, 56(10): 118-126.

图/表 11

表1

表2

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表3

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参考文献 23

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w（Na₂O）	w（MgO）	w（Al₂O₃）	w（SiO₂）	w（P₂O₅）	w（SO₃）
0.72	0.30	2.48	5.30	0.07	2.30
w（Cl）	w（CaO）	w（TiO₂）	w（Fe₂O₃）	w（SrO）
0.45	87.65	0.13	0.53	0.07

名称	主要成分	m（电石渣）/ m（MgCO₃）	实验条件
CS	Ca（OH）₂		烘干后CS在N₂气氛下以5、10、15 ℃/min的升温速率由25 ℃升温至950 ℃；在CO₂气氛下以10 ℃/min 的升温速率由25 ℃升温至950 ℃
CM91	Ca（OH）₂/MgCO₃	9∶1	烘干后的电石渣和MgCO₃按照质量比为9∶1机械混合，在N₂气氛下以5、10、15 ℃/min的升温速率由25 ℃升温至950 ℃；在CO₂气氛下以10 ℃/min的升温速率由25 ℃升温至950 ℃
CM82	Ca（OH）₂/MgCO₃	8∶2	烘干后的电石渣和MgCO₃按照质量比为8∶2机械混合，在N₂气氛下以5、10、15 ℃/min的升温速率由25 ℃升温至950 ℃；在CO₂气氛下以10 ℃/min的升温速率由25 ℃升温至950 ℃
CM73	Ca（OH）₂/MgCO₃	7∶3	烘干后的电石渣和MgCO₃按照质量比为7∶3机械混合，在N₂气氛下以5、10、15 ℃/min的升温速率由25 ℃升温至950 ℃；在CO₂气氛下以10 ℃/min的升温速率由25 ℃升温至950 ℃
MC	MgCO₃		烘干后MC在N₂气氛下以5、10、15 ℃/min的升温速率由25 ℃升温至950 ℃；在CO₂气氛下以10 ℃/min 的升温速率由25 ℃升温至950 ℃

样品名称	第一阶段分解温度/℃	第一阶段质量损失率/%	第二阶段分解温度/℃	第二阶段质量损失率/%	分解结束温度/ ℃	第三阶段质量损失率/%
CS	390	15.9	569	11.6	649	0.4
CM91	387	16.0	574	13.2	684	0.9
CM82	381	16.4	576	15.1	680	0.7
CM73	361	18.0	573	17.1	679	0.6

升温速率/ （℃·min^-1）	前一阶段失重			后一阶段失重
升温速率/ （℃·min^-1）	起始温度/℃	峰温/ ℃	质量损失率/%	起始温度/℃	峰温/ ℃	质量损失率/%
5	353	410	14.4	550	622		16.7
10	361	435	10.8	594	667		17.1
15	367	441	9.9	612	668		17.2

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