焙烧
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造成矿物难以浸出的因素很多，但概括而言主要有三方面。 一是矿物自身的难浸性； 二是经济上的难浸性； 三是环保限制上的难浸性。
对矿物原料进行预处理的目的就是要消除或减少上述因素的 影响，使目的组分能经济的、对环境友好的进行化学浸出。
矿物预处理方法主要有焙烧法、化学预处理法和生物预处理法等
焙烧法是有色金属选冶中的传统工艺，其目的是使某些矿物发生分解或转化成 其它易浸出的化合物，以便为下一步的浸出提供良好的动力学条件。化学预处 理是通过加压、加温和添加化学试剂对矿石中的有关矿物进行氧化和处理是目 的矿物暴露，以便下一步浸出操作。生物预处理是借助于微生物的代谢来氧化 某些矿物（如黄铁矿、砷黄铁矿）使包裹在其中的矿物或有价元素暴露出来供 16:29 下一步浸出。
各种煤气的主要成分
煤气种类 煤气成分
CO2 焦炉煤气 混合煤气 高炉煤气 15.36 水煤气 3.0 13.0
CnH2n 2.8 0.4
O2 0.4 0.5
CO 8.8 22.3
H2 58 14.3
CH4 26 5.1
N2 1.1 44.4
QH千卡/标米3 4800 1552
—
—
25.37
2.11
16:29
12
多相反应的动力学：多相反应及其步骤
• 上述焙烧过程之固-气反应的共同特征，整个反应过程包 括几种中间步骤(亦称“环节”)。典型的中间步骤可归纳 如下： • (1)反应气体从气流本体通过围绕着固体反应物表面的气 膜层扩散到固体的外表面，即外扩散； • (2)反应气体进一步通过固体反应产物层的孔隙扩散到固体 产物-固体反应物之间的界面，即内扩散； • (3)反应气体在固-固界面上的化学吸附并与固体反应物发 生化学反应，然后气体产物从反应界面上解吸； • (4)气体产物通过固体产物层的孔隙(内扩散)排到固体产物 层的外表面； • (5)反应气体产物通过固体的气膜层扩散到气流本体中去。
16:29
8
化学动力学的某些基本概念
• 浓度对反应速度的影响——质量作用定律
在一定温度下反应速度与各个反应物浓度的若干次方成正比 aA+bB=gG+hH
dC dC A a b a b KC A C B 或 G KC A C B dt dt
只有当化学反应式能表示反应的真实过程时才能应用质量作用定律。对于大多 数反应方程式并不知道它是否代表反应的真实过程，因而只能用实验来测定反 应物浓度与速度之间的关系。根据实测反应速度与浓度之间的关系可将反应分 为零级、一级、二级、三级和分数级。反应的级数即质量作用定律中各反应物 浓度的指数之和 16:29
多相反应的动力学是比较复杂的，尤其是在总反应的步骤多而各步骤的速度又相差不大时， 每一步骤的速度都对总反应速度有影响。但在通常情况下往往只是某个步骤的速度要比其 16:29 13 它步骤速度小得多而成为总反应速度的控制步骤，它决定了总反应的速度。因此必须首先 查明在一定条件下的控制步骤以便采取措施加速总反应速度。
16:29
7
化学动力学的某些基本概念
• 化学反应速度和速度控制步骤 • 化学反应速度可定义为反应物浓度减小的 速度或反应产物浓度增大的速度。
dC dt
dx dt
通常的化学反应方程式代表了整个反应过程，但是实际上整个化学反应过程 常常是分步进行的。其中进行得最慢的反应步骤决定着整个反应过程的速度， 所以叫做速度控制步骤
1、若反应在动力学区域进行，则常用的措施是提高反应温度、增大反应气体浓度(分 压)、活化反应界面与增大比表面积、提高固体孔隙率以及采用催化剂等； 2、若过程受外扩散限制，那么较有效的措施是提高气流速度，增加气流的紊流程度； 3、如果固体中的内扩散是控制步骤，那么强化过程速度的方法是减小物料粒度以及 16:29 15 增大孔隙率。
还原焙烧
还原焙烧是在低于炉料熔点和还原气氛条件下，使矿石中的金属氧化物转 变为相应低价金属氧化物或金属的过程。
除了汞和银的氧化物在低于400℃温度条件下于空气中加热可分解析出金属外， 绝大多数金属氧化物不能用热分解的方法还原，只能采用添加还原剂的方法将其 还原，其中最常用的是CO、氢气和固体碳. 金属氧化物的还原可用下式表示:
16:29
2
2. Roasting: Basics
• 实质上是在适当气氛中加热矿物原料至低 于矿物组分熔点温度，使目的组分与炉气 发生化学反应转变成适于续后处理作业所 要求的形态 。
16:29
3
焙烧过程的分类
• 根据焙烧在化学选矿过程中的作用和其主要化学 反应性质可分为： • 还原焙烧 • 氧化焙烧 • 氯化焙烧 (Chlorination) • 氯化离析 • 加盐焙烧 • 煅烧
16:29 4
2. Roasting:焙烧过程的理论基础
• 工业上实施焙烧过程，必须要考虑的两个问题。 • 一是在给定条件下焙烧过程的主要化学反应能否 发生，若能发生又能进行到什么限度，外界条件 和物质组成对于焙烧反应有什么影响。 • 另一问题是焙烧反应能以多大的速度进行和各种 条件对于化学反应速度的影响。 • 前者是化学热力学研究的对象，后者属于化学动 力学的范畴。
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金属硫化矿的石灰还原焙烧制取金属
• 新工艺：即在有硫的吸收、净化剂石灰存在下， 用气 体和固体还原剂，直接还原金属硫化矿以制取金属。 • 无石灰的反应：MeS+H2=Me+H2S • MeS+CO=Me+COS • MeS+0.5C=Me+0.5CS2 • 石灰的作用：CaO+H2S=CaS+H2O • CaO+COS=CaS+CO2 • CaO+0.5CS2=CaS+0.5CO2 • 除CdS 和ZnS外，其他的石灰强化还原均可实现； CaS可煅烧再生石灰，同时回收硫。
16:29
18
examples
• 1、氧化铁矿石的磁化焙烧 • 2、结合氧化铜（e.g. CuO.Fe2O3)的还原焙 烧（原生硫化铜. 次生硫化铜. 自由氧化铜. 结合氧化铜 ）
16:29
19
A diagram of a blast furnace for reduction of iron ore.
即PO2（RO）< PO2（MO）
因此凡是对氧的亲和力比被还原的金属对氧 的亲和力大的物质均可作为该金属氧化物的 还原剂
16:29
16
Reduction methods for producing some common metals.
• Note: • In general, the ease of reducing an ore to the free metal increases from left to right of the periodic table.
多相反应的动力学：多相反应及其步骤
• 在多于一相之间发生的反应称为多相反应。 虽然反应体系中可能存在着更多的相，但实 际上只可能有两个相参加反应
其理由在于反应过程的总速度只被其中某些反应步骤的速度所决定(即速度控制 步骤)。如金的氰化反应过程是在固体金、NaCN溶液和氧气三相之间发生的， 但氧由气相转入液相的速度很快，所以可简化成固-液反应。多相反应可分为五 类：固-气（与焙烧过程直接相关的多相反应）、固-液、固-固、液-气、 液-液。
9
化学动力学的某些基本概念
• 温度对反应速度的影响 ：速度常数K与温度的
关系可用著名的阿仑尼乌斯方程(ArrLenius)表示
K＝A e E logK＝logART
E 2.303 RT
logK-1/T成直线关系，从直线的斜率可求反应的活化能E；直 线的截距给出了logA，从而可求出A值
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1
2. Roasting: Basics
• Definition: 焙烧是物料在适宜的气氛和熔点以下加热，使原料中的目的 组分发生物理和化学变化的过程，它的目的在于改变物料的化学组成和物 理性质，以便于下一步处理。Namely, 使原料中的某些难溶目的矿物转变 为易于溶出的化合物；除出有机质或某些含杂质的组分的矿物转变为难于 浸出的形态；改善被浸物料的结构、构造，etc.. • 焙砂: 焙烧后的产品。 • 焙烧：为多相化学反应， 由气体的扩散和吸附-反应两个步骤来控制。 • 影响因素有：气体成分和浓度、气体的运动特性、温度以及物料的物理及 化学性质（如粒度、孔隙度、矿物组成和化学组成等）。 • 焙烧过程一般能耗高、不易控制、劳动条件差、环境污染、投资经费高。
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17
还原焙烧
• 金属氧化物矿石等在还原剂（氢、碳等）作用下 的焙烧。目的在于将物料还原为较低价的氧化物 或金属，以便于分离和富集，如镍矿石还原成金 属后利于浸出；难选氧化铜的还原焙烧；贫赤铁 矿还原为磁铁矿石可以弱磁选富集。 • 凡是对氧的化学亲和力比被还原金属对氧的亲和 力大的物质，均可作为该金属氧化物的还原剂。
化学热力学指出了一个解决化学反应方向问题的方法，同 16:29 时也表明了化学反应等温式的重要性。
6
2. Roasting:焙烧过程的理论基础
• 焙烧过程动力学：在给定的焙烧条件下，若ΔG＜0，只能说明焙烧反
应可能发生，但反应实际进行的速度如何，热力学并不能回答，而是属于化 学动力学的研究范畴 。
• 研究化学动力学的目的是为了控制生产过程，为此必须研 究各种外界条件对于反应进度的影响，查明化学反应的历 程，定量地研究反应的各个步骤及总反应，从而找出提高 反应速度的有效途径。 • 由于影响反应速度的因素很复杂，除温度、压力、浓度等 条件之外，催化、杂质甚至容器的材质与形状也会显著地 改变反应的速度，加之在同一体系中常常有几种反应同时 发生而使过程的分析更为困难。 。
•
•
16:29
Modern blast furnaces are as large as 60 m in height and 14 m in diameter. They are designed for continuous operation and produce up to 10,000 tons of iron per day. Note: the approximate temperatures and the chemical reactions that occur in the various 20 regions of the furnace.
影响焙烧反应速度的主要因素
• (1)焙烧反应中的气相传质过程
• (2)固体反应物粒度与致密度
• (3)温度的影响 • (4)反应气体浓度(分压)的影响
16:29 14
化学动力学
讨论焙烧过程的动力学，其最终目的是通过对具体矿物原料的试验研究查明过程的 控制步骤，从而找出加速反应过程的途径。 首先必须用实验测定在不同反应时间内产物的数量或反应物浓度(分压)变化的数据， 然后根据实验数据确定反应的级数(n)，并将反应级数n代人相应的反应速度的微分方 程式，积分便可求出速度常数K。再通过实验确定若干温度下的K值，即可由阿仑尼乌 期公计算反应的表观活化能E，并可由logK-1/T坐标曲线分析速度常数随温度的变化关 系。根据E值便能判定反应是在什么区域进行，也就是说可以查明反应的控制步骤。
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2. Roasting:焙烧过程的理论基础
• 焙烧过程热力学--研究在给定条件下，化学 反应自动进行的可能性、方向与限度、以 创造条件达到选择性分离有价组分的目的 • 热力学第二定律
aA+bB=dD+hH
ΔG=ΔGº+RTln
d h aD aH a b a A aB
在恒温恒压条件下，反应 由左向右自动进行的条件 是ΔG＜0，即自由焓变量 为负值；当ΔG＝0时，表 示反应达到了平衡状态
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11
多相反应的动力学：多相反应及其步骤
• 依照焙烧过程主要化学反应的不同，可进一步将 焙烧反应分为以下四种类型：
(1)固体+气体（Ⅰ）→气体（Ⅱ）+气体（Ⅲ） (2) 固体（Ⅰ）+气体→固体（Ⅱ） 高温氯化焙烧 金属氧化物和金属硫化物的硫酸化焙烧
(3) 固体（Ⅰ）+气体（Ⅰ）→固体（Ⅱ）+气体（Ⅱ） 金属氧化物的还原焙烧和金属硫化物的氧化焙烧 (4)固体（Ⅰ）→固体（Ⅱ）+气体 加热条件下金属化合物的分解反应
对矿物原料进行预处理的目的就是要消除或减少上述因素的 影响，使目的组分能经济的、对环境友好的进行化学浸出。
矿物预处理方法主要有焙烧法、化学预处理法和生物预处理法等
焙烧法是有色金属选冶中的传统工艺，其目的是使某些矿物发生分解或转化成 其它易浸出的化合物，以便为下一步的浸出提供良好的动力学条件。化学预处 理是通过加压、加温和添加化学试剂对矿石中的有关矿物进行氧化和处理是目 的矿物暴露，以便下一步浸出操作。生物预处理是借助于微生物的代谢来氧化 某些矿物（如黄铁矿、砷黄铁矿）使包裹在其中的矿物或有价元素暴露出来供 16:29 下一步浸出。
各种煤气的主要成分
煤气种类 煤气成分
CO2 焦炉煤气 混合煤气 高炉煤气 15.36 水煤气 3.0 13.0
CnH2n 2.8 0.4
O2 0.4 0.5
CO 8.8 22.3
H2 58 14.3
CH4 26 5.1
N2 1.1 44.4
QH千卡/标米3 4800 1552
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多相反应的动力学：多相反应及其步骤
• 上述焙烧过程之固-气反应的共同特征，整个反应过程包 括几种中间步骤(亦称“环节”)。典型的中间步骤可归纳 如下： • (1)反应气体从气流本体通过围绕着固体反应物表面的气 膜层扩散到固体的外表面，即外扩散； • (2)反应气体进一步通过固体反应产物层的孔隙扩散到固体 产物-固体反应物之间的界面，即内扩散； • (3)反应气体在固-固界面上的化学吸附并与固体反应物发 生化学反应，然后气体产物从反应界面上解吸； • (4)气体产物通过固体产物层的孔隙(内扩散)排到固体产物 层的外表面； • (5)反应气体产物通过固体的气膜层扩散到气流本体中去。
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化学动力学的某些基本概念
• 浓度对反应速度的影响——质量作用定律
在一定温度下反应速度与各个反应物浓度的若干次方成正比 aA+bB=gG+hH
dC dC A a b a b KC A C B 或 G KC A C B dt dt
只有当化学反应式能表示反应的真实过程时才能应用质量作用定律。对于大多 数反应方程式并不知道它是否代表反应的真实过程，因而只能用实验来测定反 应物浓度与速度之间的关系。根据实测反应速度与浓度之间的关系可将反应分 为零级、一级、二级、三级和分数级。反应的级数即质量作用定律中各反应物 浓度的指数之和 16:29
多相反应的动力学是比较复杂的，尤其是在总反应的步骤多而各步骤的速度又相差不大时， 每一步骤的速度都对总反应速度有影响。但在通常情况下往往只是某个步骤的速度要比其 16:29 13 它步骤速度小得多而成为总反应速度的控制步骤，它决定了总反应的速度。因此必须首先 查明在一定条件下的控制步骤以便采取措施加速总反应速度。
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化学动力学的某些基本概念
• 化学反应速度和速度控制步骤 • 化学反应速度可定义为反应物浓度减小的 速度或反应产物浓度增大的速度。
dC dt
dx dt
通常的化学反应方程式代表了整个反应过程，但是实际上整个化学反应过程 常常是分步进行的。其中进行得最慢的反应步骤决定着整个反应过程的速度， 所以叫做速度控制步骤
1、若反应在动力学区域进行，则常用的措施是提高反应温度、增大反应气体浓度(分 压)、活化反应界面与增大比表面积、提高固体孔隙率以及采用催化剂等； 2、若过程受外扩散限制，那么较有效的措施是提高气流速度，增加气流的紊流程度； 3、如果固体中的内扩散是控制步骤，那么强化过程速度的方法是减小物料粒度以及 16:29 15 增大孔隙率。
还原焙烧
还原焙烧是在低于炉料熔点和还原气氛条件下，使矿石中的金属氧化物转 变为相应低价金属氧化物或金属的过程。
除了汞和银的氧化物在低于400℃温度条件下于空气中加热可分解析出金属外， 绝大多数金属氧化物不能用热分解的方法还原，只能采用添加还原剂的方法将其 还原，其中最常用的是CO、氢气和固体碳. 金属氧化物的还原可用下式表示:
16:29
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2. Roasting: Basics
• 实质上是在适当气氛中加热矿物原料至低 于矿物组分熔点温度，使目的组分与炉气 发生化学反应转变成适于续后处理作业所 要求的形态 。
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焙烧过程的分类
• 根据焙烧在化学选矿过程中的作用和其主要化学 反应性质可分为： • 还原焙烧 • 氧化焙烧 • 氯化焙烧 (Chlorination) • 氯化离析 • 加盐焙烧 • 煅烧
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2. Roasting:焙烧过程的理论基础
• 工业上实施焙烧过程，必须要考虑的两个问题。 • 一是在给定条件下焙烧过程的主要化学反应能否 发生，若能发生又能进行到什么限度，外界条件 和物质组成对于焙烧反应有什么影响。 • 另一问题是焙烧反应能以多大的速度进行和各种 条件对于化学反应速度的影响。 • 前者是化学热力学研究的对象，后者属于化学动 力学的范畴。
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金属硫化矿的石灰还原焙烧制取金属
• 新工艺：即在有硫的吸收、净化剂石灰存在下， 用气 体和固体还原剂，直接还原金属硫化矿以制取金属。 • 无石灰的反应：MeS+H2=Me+H2S • MeS+CO=Me+COS • MeS+0.5C=Me+0.5CS2 • 石灰的作用：CaO+H2S=CaS+H2O • CaO+COS=CaS+CO2 • CaO+0.5CS2=CaS+0.5CO2 • 除CdS 和ZnS外，其他的石灰强化还原均可实现； CaS可煅烧再生石灰，同时回收硫。
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• 1、氧化铁矿石的磁化焙烧 • 2、结合氧化铜（e.g. CuO.Fe2O3)的还原焙 烧（原生硫化铜. 次生硫化铜. 自由氧化铜. 结合氧化铜 ）
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A diagram of a blast furnace for reduction of iron ore.
即PO2（RO）< PO2（MO）
因此凡是对氧的亲和力比被还原的金属对氧 的亲和力大的物质均可作为该金属氧化物的 还原剂
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Reduction methods for producing some common metals.
• Note: • In general, the ease of reducing an ore to the free metal increases from left to right of the periodic table.
多相反应的动力学：多相反应及其步骤
• 在多于一相之间发生的反应称为多相反应。 虽然反应体系中可能存在着更多的相，但实 际上只可能有两个相参加反应
其理由在于反应过程的总速度只被其中某些反应步骤的速度所决定(即速度控制 步骤)。如金的氰化反应过程是在固体金、NaCN溶液和氧气三相之间发生的， 但氧由气相转入液相的速度很快，所以可简化成固-液反应。多相反应可分为五 类：固-气（与焙烧过程直接相关的多相反应）、固-液、固-固、液-气、 液-液。
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化学动力学的某些基本概念
• 温度对反应速度的影响 ：速度常数K与温度的
关系可用著名的阿仑尼乌斯方程(ArrLenius)表示
K＝A e E logK＝logART
E 2.303 RT
logK-1/T成直线关系，从直线的斜率可求反应的活化能E；直 线的截距给出了logA，从而可求出A值
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2. Roasting: Basics
• Definition: 焙烧是物料在适宜的气氛和熔点以下加热，使原料中的目的 组分发生物理和化学变化的过程，它的目的在于改变物料的化学组成和物 理性质，以便于下一步处理。Namely, 使原料中的某些难溶目的矿物转变 为易于溶出的化合物；除出有机质或某些含杂质的组分的矿物转变为难于 浸出的形态；改善被浸物料的结构、构造，etc.. • 焙砂: 焙烧后的产品。 • 焙烧：为多相化学反应， 由气体的扩散和吸附-反应两个步骤来控制。 • 影响因素有：气体成分和浓度、气体的运动特性、温度以及物料的物理及 化学性质（如粒度、孔隙度、矿物组成和化学组成等）。 • 焙烧过程一般能耗高、不易控制、劳动条件差、环境污染、投资经费高。
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还原焙烧
• 金属氧化物矿石等在还原剂（氢、碳等）作用下 的焙烧。目的在于将物料还原为较低价的氧化物 或金属，以便于分离和富集，如镍矿石还原成金 属后利于浸出；难选氧化铜的还原焙烧；贫赤铁 矿还原为磁铁矿石可以弱磁选富集。 • 凡是对氧的化学亲和力比被还原金属对氧的亲和 力大的物质，均可作为该金属氧化物的还原剂。
化学热力学指出了一个解决化学反应方向问题的方法，同 16:29 时也表明了化学反应等温式的重要性。
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2. Roasting:焙烧过程的理论基础
• 焙烧过程动力学：在给定的焙烧条件下，若ΔG＜0，只能说明焙烧反
应可能发生，但反应实际进行的速度如何，热力学并不能回答，而是属于化 学动力学的研究范畴 。
• 研究化学动力学的目的是为了控制生产过程，为此必须研 究各种外界条件对于反应进度的影响，查明化学反应的历 程，定量地研究反应的各个步骤及总反应，从而找出提高 反应速度的有效途径。 • 由于影响反应速度的因素很复杂，除温度、压力、浓度等 条件之外，催化、杂质甚至容器的材质与形状也会显著地 改变反应的速度，加之在同一体系中常常有几种反应同时 发生而使过程的分析更为困难。 。
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Modern blast furnaces are as large as 60 m in height and 14 m in diameter. They are designed for continuous operation and produce up to 10,000 tons of iron per day. Note: the approximate temperatures and the chemical reactions that occur in the various 20 regions of the furnace.
影响焙烧反应速度的主要因素
• (1)焙烧反应中的气相传质过程
• (2)固体反应物粒度与致密度
• (3)温度的影响 • (4)反应气体浓度(分压)的影响
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化学动力学
讨论焙烧过程的动力学，其最终目的是通过对具体矿物原料的试验研究查明过程的 控制步骤，从而找出加速反应过程的途径。 首先必须用实验测定在不同反应时间内产物的数量或反应物浓度(分压)变化的数据， 然后根据实验数据确定反应的级数(n)，并将反应级数n代人相应的反应速度的微分方 程式，积分便可求出速度常数K。再通过实验确定若干温度下的K值，即可由阿仑尼乌 期公计算反应的表观活化能E，并可由logK-1/T坐标曲线分析速度常数随温度的变化关 系。根据E值便能判定反应是在什么区域进行，也就是说可以查明反应的控制步骤。
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2. Roasting:焙烧过程的理论基础
• 焙烧过程热力学--研究在给定条件下，化学 反应自动进行的可能性、方向与限度、以 创造条件达到选择性分离有价组分的目的 • 热力学第二定律
aA+bB=dD+hH
ΔG=ΔGº+RTln
d h aD aH a b a A aB
在恒温恒压条件下，反应 由左向右自动进行的条件 是ΔG＜0，即自由焓变量 为负值；当ΔG＝0时，表 示反应达到了平衡状态
16:29
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多相反应的动力学：多相反应及其步骤
• 依照焙烧过程主要化学反应的不同，可进一步将 焙烧反应分为以下四种类型：
(1)固体+气体（Ⅰ）→气体（Ⅱ）+气体（Ⅲ） (2) 固体（Ⅰ）+气体→固体（Ⅱ） 高温氯化焙烧 金属氧化物和金属硫化物的硫酸化焙烧
(3) 固体（Ⅰ）+气体（Ⅰ）→固体（Ⅱ）+气体（Ⅱ） 金属氧化物的还原焙烧和金属硫化物的氧化焙烧 (4)固体（Ⅰ）→固体（Ⅱ）+气体 加热条件下金属化合物的分解反应