磷酸作为一种基础化工原料,应用于多个行业,在国民生活中扮演着重要角色。国内目前生产磷酸的方法主要有湿法和热法,湿法磷酸虽然相对成本低,但磷酸质量较差,杂质含量高,无法直接作为高品质磷酸使用;热法虽然生产磷酸质量较好,但其耗能较大,成本高,经济型较低;窑法作为一种环保节能型的高品质磷酸生产方法,由于回转窑内结圈、磷矿利用率低等问题导致其目前仍不能工业化生产。因此,基于以上问题,从磷矿反应本身入手,通过外加掺杂物的方式,提高磷矿利用率的同时而不造成残渣高温熔融结圈是解决窑法问题的一种新思路。本文首先以自制氟磷灰石、分析纯二氧化硅、脱灰份无烟煤为原料,对纯物质反应的物质变化,动力学参数,以及残渣形态等进行分析,进而提出外加掺杂物,提高炭活性解决窑法磷酸问题的设想。对比分析了掺杂物体系（K₂CO₃、Na₂CO₃、NiSO₄以及K₂CO₃和NiSO₄复合）和无掺杂体系的磷转化率,动力学参数、残渣流动温度等内容,通过残渣的XRD分析探究不同体系的物质变化及添加掺杂物对该反应过程的影响,并结合残渣的SEM图谱对其外观形貌进行分析,探明掺杂物对残渣形态的影响。首先纯物质体系的分析表明磷矿碳热还原反应物质的变化历程为:氟磷灰石首先与二氧化硅发生脱氟反应生成Ca₃（PO₄）₂,然后其再被炭还原产生CaO并结合二氧化硅形成钙硅酸盐,而氟以SiF₄气体的形式排出体系;该反应是一个变级化学反应,其反应级数随温度的升高而降低,反应活化能为273.76kJ·mol^-1;随着温度的增加,体系产生更多的液相,作为媒介促进物质的扩散,加快了反应的进行,因此反应速率加快,转化率增大。在管式炉内考察了酸度值、焦炭过剩系数、掺杂物的掺杂量对磷矿碳热还原反应的影响。分析结果显示:磷转化率随酸度值的增大先增大,而后略微下降,随焦炭过剩系数的增加先增加而趋于稳定。针对不同的掺杂物,在实验范围内,其较优的添加量分别为:K₂CO₃、Na₂CO₃添加量为焦炭添加量的6%、NiSO₄的添加量为焦炭添加量的8%,添加7%的复合掺杂剂,其配比为K₂CO₃/NiSO₄=6/4。在此基础上分别考察了无掺杂体系,掺杂K₂CO₃、Na₂CO₃、NiSO₄以及掺杂复合掺杂剂5个体系的磷转化率随温度的关系,以及计算其反应活化能。四个体系磷转化率均随温度的升高,时间的延长而增大;且在相同的温度和时间下,具有掺杂物体系的磷转化率明显高于无掺杂体系。低温下,碱金属碳酸盐具有较好的效果,而NiSO₄的促进效果整体较优,而复合体系具有碱金属和NiSO₄共同的效果,因此其促进效果最优。对比五种体系的动力学可知:无掺杂体系的活化能为255.65 kJ·mol^-1,而具有掺杂物体系的活化能分别为233.62 kJ·mol^-1、240.11kJ·mol^-1、230.96 kJ·mol^-1、219.24 kJ·mol^-1,由此可见添加掺杂物可以有效降低磷矿碳热还原反应的活化能。对比磷转化率和不同体系的活化能可知,复合体系具有更好的促进效果。对比不同体系残渣的XRD图谱可知,无掺杂体系的物质变化过程与纯物质体系基本一致,而磷矿自身携带SiO₂比添加的硅石具有更强的反应性;对比掺杂物体系和无掺杂体系各温度下的XRD图谱可知,添加掺杂物只是强化了反应的进度,并未有新的物质产生。对比五种体系得残渣流动温度可知,残渣的流动温度随反应温度的升高而降低;分析1300℃下,残渣的SEM图谱可知,具有掺杂物体系的残渣外观形态与无掺杂体系基本一致,说明添加掺杂物并没改变残渣的外观形态,均是固体残渣,符合窑法磷酸固态排渣的要求。