发布时间:2023-10-08 10:04:26
序言:作为思想的载体和知识的探索者,写作是一种独特的艺术,我们为您准备了不同风格的5篇化学反应的方式,期待它们能激发您的灵感。
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2014.11.027
化学反应原理是人类在大量研究化学反应本质的基础上,总结得到的关于化学反应的一般规律,是深刻理解化学反应和规律的基础。我国新课程改革将有关中学阶段的化学反应原理内容,集中编排在《化学反应原理》选修模块中。该模块是为对化学反应原理感兴趣的学生开设的,通过学习,学生可以了解化学反应原理在生产、生活和科学研究中的应用。但由于化学反应原理知识有着复杂性、关联性、多样性和交错性的特点,学生在学习时存在很大的障碍。而许多教学一线的教师,面对《化学反应原理》部分的教学时,也常常出现“教师自认为已经讲的很清楚而学生反复出错”的情况。为此,笔者采用问卷调查、观察等方法,在四月下旬对无锡市青山中学,姜堰中学以及南京市六合中学进行探查,并分析高二和高三两个不同年级学生对化学反应原理模块教学行为的认识,多角度研究了高中化学反应原理的教学方式,为今后根据学生的差异选择恰当的教学方式以促进学生在原理部分的学习提供依据。
一、探查的设计与实施
本研究的问卷调查从教学中常见的教学方式和学生期望的教学方式两个角度切入,分为五个部分:一、调查了学生的基本信息;二、通过表格式的选择,探查了学生对教材中内容的分散、整合的观点,同时也了解了学生对学习内容的增加和删减的建议,总共17题;三、通过选择的形式对学生最推崇的教学行为进行了探查,总共4小题;四、通过表格形式的选择,对学习活动进行了探查,总共12小题;五、通过表格形式的选择,对化学反应原理模块中的各种教学活动进行了探查,总共14小题。本研究所有探查数据均采用SPSS 17.0进行统计处理。
本调查采取随机整群抽样的方法,研究的对象为无锡市、姜堰市以及南京市三所四星级中学的453名学生。之所以选择四星级学校,是因为这类学校选修化学的学生相对较多。本调查针对不同年级学生的认知能力的差别,对上述学校的高二和高三年级学生进行探查。考虑到调查对象应具有一定的化学反应原理模块基础,而高二年级正进行着高中化学反应原理模块的教学,因此在四月下旬进行探查的实施。
二、探查的结果分析
1. 灵活地将学习内容进行分散和整合能促进学生认知发展
教学内容分散和整合的意图,即根据学生的学习需求和认知规律,突破现有教材中的呈现顺序,进行重新组合的过程。问卷中涉及到原电池、电解质、影响化学平衡的因素、平衡常数、金属腐蚀这四个知识点,原有教材中是分散编排的,问其是否可以整合编排。另外涉及到化学平衡移动、pH的计算、勒夏特列原理这三个知识点,原有教材是整合编排的,问其是否可以分散编排。对学生关于学习内容的分散和整合意见的频数进行了统计,统计结果见表2
从数据中可以看出,在高一时已经学习了“原电池”的相关概念,在“化学反应原理”这本书里,又专门讲解“原电池”,88.7%的学生认为这样分散讲解有必要,并认为前面出现的知识是基础,后面出现的知识是前面的深化。11.3%的学生认为整合讲解比较能够促进自己的理解。此外,对于“化学平衡移动”、“pH的计算”和“勒夏特列原理”的讲授顺序,大部分学生赞同对这些内容进行分散讲解。而对于“电解质”、“影响化学平衡因素”、“平衡常数”和“金属腐蚀”的讲授顺序,大部分学生赞同对这些内容进行整合讲解。笔者认为,教学内容需进行灵活地整合和分散,并没有统一的标准,因为教育对象是有差异的。
笔者通过对江苏省特级教师的教学观摩,发现特级教师能够灵活地对化学教学内容进行分散与整合。例如徐宾老师在进行“难溶电解质的溶解平衡”教学时,不但通过实验的方法帮助学生建立了沉淀溶解平衡的概念,而且灵活地将MgCO3Mg(OH)2、Ca(OH)2CaCO3、AgCl溶于氨水、Mg(OH)2溶于NH4Cl溶液、AgClAgIAg2S、锅炉水垢用Na2CO3溶液预处理等内容加以整合,最后引导学生用平衡移动的观念解决沉淀的生成、溶解和转化问题。
2. 适当拓展增加学习内容能促进学生认知发展
布鲁姆曾说过,“学什么是比怎样学更为重要的问题”。笔者通过下列问卷调查题探查了学生关于学习内容拓展的看法。
化学反应原理部分的学习,你认为最需要增加的是( )
A. 实验 B. 应用实例 C.典型例题
D. 教师精彩讲解 E.拓展延伸
统计结果见表3。
从数据可以看出,对于“化学反应原理”的学习,38.6%的学生认为需要增加实验,28.5%的学生认为需要增加应用实例,18.1%的学生认为需要增加典型例题,8.4%的学生认为需要增加拓展延伸,6.4%的学生认为需要增加教师精彩的讲解。在此基础上,笔者进一步对学生关于“沉淀溶解平衡”拓展看法的频数进行了统计,统计结果见表4。
关键词:用处;动力;大显身手;启示;喜爱
化学方程式,也称为化学反应方程式,是用化学式表示化学反应的式子。化学方程式反映的是客观事实。翻阅化学课本,品味化学方程式,梳理化学反应的作用,感觉化学反应方程式用处真不少。
一、做好实验所需化学方式
化学是一门实验科学,需要到实验室进行实验探究。如何根据现有的仪器、药品选择合适的装置?多余的药品一定要丢到废液槽里吗?一旦发生实验事故怎样解决?这些都是我们在实验室常遇到的问题。
制备氧气的原理有:
++,,。
制备氧气时,我们就可以依据物质的状态和反应条件选择不同的装置。只有掌握更多的知识,更多的化学反应方程式,才能结合实际,就地取材,解决问题。
钠与水的反应,只需黄豆粒大小,切下后,剩余的钠块能直接丢到废液槽里吗?显然不能常规处理,我们能做的就是把钠重新放回煤油中。因为钠与废液槽中的水或酸进行反应,甚至发生燃烧爆炸事故。钠一旦燃烧,我们能否用水灭火?绝对不可,否则就会“火上浇油”,不是吗?
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二、用化学方程式解决实际问题
增强我们的学习动力,莫过于学以致用。如何应用我们学过的化学反应方程式解决生活中的实际问题?
若家里正将管道煤气由石油液化气(主要成分是丁烷)改为天然气,你对灶具该如何调整?
;改为天然气后,同体积燃料燃烧消耗空气的体积将减小,所以灶具的调整方法是减小空气的进气量。灶具调整好了,我做饭吧。首先思考一下,怎么使炖出的鱼味道鲜美?向锅里加点酒和醋即可。
生成会使炖出的鱼香味更浓。同样的原理,酒后吃点水果可以醒酒。水果里含有机酸,例如,苹果里含有苹果酸,柑橘里含有柠檬酸,葡萄里含有酒石酸等,而酒里的主要成分是乙醇,有机酸能与乙醇相互作用而形成酯类物质从而达到解酒的目的。家里来了客人,酒足饭饱后,你上点水果,一定能得到他们的夸奖。这真是,不想不知道,很多生活小窍门,确实来自我们学习的化学反应方程式。
生活中,我们有时会遇到一些江湖骗子。他们卖的东西比市场价低好多,说什么厂家直销、厂家大放血、亏本大甩卖。请看下面这一事例。随着人们生活水平的不断提高,穿戴金饰品的人越来越多了,购买时,人们总想买纯一点的,价格又想优惠再优惠。骗子正是抓住人们的这一心理。拿出金光闪闪的愚人金以低价位吸引人们。愚人金是指能闪耀金黄色的黄铁矿()或黄铜矿的矿石,它们常以迷人的姿色愚弄缺乏矿物知识的人而得其诨名。其实要识别其“庐山真面目”并不难。
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真金是不溶于盐酸的。有了化学知识还会上当受骗么?
晚会上,运用化学反应表演一个小魔术,也是挺神奇的。我们用Na2O2表演“滴水生火”。把Na2O2裹在脱脂棉里,向脱脂棉里滴几滴水,脱脂棉就会燃烧起来。说一些夸张的话,配以神神秘秘的表情,相信尖叫声、欢呼声一定会此起彼伏。在同学面前漏一小手的感觉是不是很爽。
在工业上,我们学的化学反应方程式能大显身手么?
氯气是重要的化工原料,同时也是有毒的气体。一旦氯气泄漏,后果不堪设想。今年4月12日17时许,山西省临猗县一废品收购站发生氯气泄漏事件,附近一所小学的数十名小学生随后出现呼吸不适和腹部疼痛症状。如何检验管道是否有氯气泄漏?泄漏后又如何处理?我们用蘸有氨水的布检查氯气管道是否泄露。当有氯气泄露时,氯气和氨气反应生成氯化铵白烟。
当发现管道泄漏时,可在消防车水罐中加入生石灰、苏打粉等碱性物质,向管道、罐体、容器喷射,以减轻危害。也可将泄漏的氯气导入氢氧化钠、碳酸钠等碱性溶液中,使其反应形成无害或低毒废水.氯气还可以发生,这不是海水提溴的原理吗?可见学好化学反应方程式才能更好地服务生产。
三、化学反应方程式的启示
“量变会引起质变”这一辩证哲理,在我们化学领域成立么?足量的铜与一定量的浓硝酸反应。
随着反应的进行,硝酸变稀,会发生,
硝酸有浓变稀这一量变会使产物发生质变。
化学反应工程是被教育部颁发的《目录》确定的宽口径化学工程与工艺专业的四门主干课程之一,也是涉及研究过程工业(即通过化学变化或物理-化学变化制造产品的工业,包括化工、石油、冶金、材料、轻工、医药、生化、食品、建材、军工、环境等) 中生产过程、生产装置、工艺技术规律的诸多专业重要的必修或选修的技术类或技术基础课程[1]。化学反应工程既包含化学现象,又包含物理现象,是一门综合性强、涉及基础知识面广、对数学要求高的专业技术学科,学生在学习时普遍感到理论抽象、计算繁琐,不少学生认为化学反应工程课程是大学中最难学习的课程之一。又加之我校为一所地方性本科院校,学生的基础知识并不扎实,实验和实习条件有限,因此,如何在较短的课时数内使学生能够系统地掌握本课程主要内容,培养学生的工程观念和创新能力,成为我校化学反应工程教学改革的重点。基于此,我们在传统教学方式的基础上,进行教学改革,引入师生互动教学模式,并取得了一些进展。
1 化学反应工程的主要内容和作用
化学反应工程是化工类专业的一门专业主干课程、核心课程,涉及物理化学、化工热力学、化工传递过程、优化与控制等。主要研究工业规模化学反应过程的优化设计与控制。该课程对于培养学生的工程意识、强化工程分析能力具有十分重要的作用[2]。本课程的基本内容包括反应动力学和反应器设计与分析两个方面,重点是介绍气——固相催化反应本征动力学、气——固相催化反应宏观动力学、理想流动反应器、反应器中的混合及对反应的影响、气液反应及反应器和流——固相非催化反应等基本理论。目的是使学生掌握研究工业规模化学反应器中化学反应宏观动力学的基本方法和基本原理,具备进行反应器结构设计、最优操作条件的确定和最佳工况的分析控制、过程的开发研究和模拟放大的基本能力。
2 化学反应工程教学现状与存在的主要问题
传统的化学反应工程教学方式单一,主要是教师在讲台上讲,学生台下听。课堂教学不具有主体性、创造性、全面性、发展性的行为,其不足之处有以下几方面:灌输式过多,参与式过少。教师的启发式与学生的参与体现得不够,学生被动听课,课堂气氛大多比较沉闷。结论型过多,问题型过少。教师教给学生的都是定论,启发学生思考问题、提出问题不够,学生的问题意识和提出问题、研究问题的能力较弱,授课效果不佳。现代教学理论认为,教学是一个双边互动的过程。在这一过程中,教师是主导,学生是主体,任何一方的作用都不能忽视[3-4]。所以我们在化学反应工程的教学中,根据地方院校的特点引入了师生互动教学法。
3 互动式教学法在化学反应工程教学中的运用
互动式教学是指在教师的指导下,利用合适的教学选材,通过教与学双方交流、沟通,激发教学双方的主动性,拓展学生思维,培养学生发现问题、解决问题的能力,以达到提高教学效果的一种教学模式[5]。这种教学模式需要营造多边互动的教学环境,在教学双方平等交流探讨的过程中,达到不同观点碰撞交融,进而激发教学双方的主动性和探索性,从而提高教学效果。互动式教学常用的方式有多种,本教学改革选择问题教学法、案例教学法、上课提问、课后互动多种方法进行教学,由传统的讲授式转向讲授与提问、讨论相结合的教师与学生双向交流的启发式教学。在教改过程中,我们充分发挥互动式教学法的优势,努力寻找互动式教学与化学反应工程教学的最佳结合点,促进了化学反应工程教学的开展。
3.1问题教学法与案例教学
问题教学法是指围绕问题展开教学双方互动。一般为:提出问题—思考讨论问题—寻找答案—归纳总结。比如,在讲授多级cstr串联的计算及优化时采用此教学方法。首先提出两个问题,第一个问题是分析多级cstr串联的必要性,第二个问题是如何求串联体系的转化率。然后引导学生根据平推流和全混流反应器的优缺点和两种理想流动反应器数学模型的建立方法进行思考、讨论;进而利用已学知识点寻找答案,教师最后归纳总结。在讲授反应器中的混合及对反应的影响这章时,充分利用案例教学。案例教学一般程序为案例解说—尝试解决—设置悬念—理论学习—剖析方案。在这一章中利用案例教学,启发学生学会根据所测得的停留时间分布情况,利用非理想流动模型解决实际工业生产中的操作型和设计型问题。
3.2加强课堂提问
关键词: 方程式; 杂质; 聚集状态; 反应物; 生成物; 离子
中图分类号: G427 文献标识码: A 文章编号:1009-8631(2010)06-0153-01
一、复分解反应
溶液中复分解反应发生的条件为生成沉淀,气体,水,沉淀于混合体系中可过滤;气体只要不溶于水或水不反应,自然逸出;而水在溶液中不为杂质。
例:方程式:NO2CO3+CaCl2=CaCO3+2NaCl
则NaCl(Na2CO3) 除杂试剂:CaCl2
注:括号内为杂质
或NaCl(CaCl2) 除杂试剂:Na2CO3
同理:KCl(K2SO4):BaCl2
KCl(BaCl2):K2SO4
以上类推,还可使杂质生成H2O或气体。
NaCl(NaOH):HCl
K2SO4(KOH):H2SO4
NaCl(Na2CO3):HCl
从以上除杂我们不难看出每一个除杂反应,就有一个对应的化学方程式,而且有着以下两个角度的规律。
(1)当被提纯物和杂质阳(阴)离子相同时, 除杂剂用含被提纯物阴(阳)离子且能使杂质阴离子生成沉淀, 气体或水的化合物。
(2)一个复分解反应方程式中的可滤性生成物中的对应反应物杂质,用另一种反应物除去。
2、受热分解的固体的反应
提纯方法也与物质的状态有着密切关系
例:N2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2
(固) (固)
则:Na2CO3(NaHCO3):加热
同理:Fe2O3(Fe(OH)3)
CuO(Cu(OH)2
CaO(CaCO3) 均可用加热方法除杂
籍此:较不活泼金属(除K Ca Na)等的氧化物中所含名其氢氧化物,碳酸盐中酸式盐杂质等均可用加热方法除杂。
从此类推:
Fe+CuSO4=FeSO4+CuCu(Fe):CuSO4 溶液
固溶液 溶液固 FeSO4(CuSO4):Fe粉
2Cu+O2=2CuO2Cu+O2+N2=2CuO+N
固气气固 气
N2(O2):炽热铜网
综上所述,一个化学反应方程式就是一个除杂问题的理论依据,即产物中的反应物杂质,用另一种反应物除杂,使杂质以不同的聚集状态,从原体系中分离出去。
参考文献:
关键词:气化过程 方程式 平衡浓度 反应速度
The main chemical reaction equations in Coal gasification process
Shi Xiaobing
(Shanxi jincheng anthracite coal mining group company 048006)
Abstract The: main chemical reaction equations in coal gasification process are presented in this article, whose mechanisms, equilibrium concentration and reaction speed are all analysesed in detail.Besides, the possibility of improving speed of reactions is also discussed.
Keywords :gasification process chemical reaction equations equilibrium concentration reaction speed
一.前言
煤气化技术在生产城市煤气、提高动力工业的发电效率和在化学工业中替代部分天然气和石油产品等方面,受到广泛的重视。中国煤的蕴藏十分丰富,发展煤气化技术对提高城市煤气普及率、发展相应有关工业等方面将起到重要作用。
了解和研究煤气化过程中主要化学反应的机理、速率、平衡组成及影响因素,对于提高煤气中有效组分、气化效率具有重要的理论和实践意义。
二.气化过程主要反应的分析
气化炉中的气化反应是一个十分复杂的体系,由于煤炭的“分子”是碳、氢、氧和其它元素的复杂结构,因而讨论气化反应时先做出如下假定:
(1)仅考虑煤炭中的主要元素碳,用C*表示,称为聚集或者固体的碳,或叫做含碳物质。
(2)气化反应发生时,已经完成了煤的干馏或者热解过程。也就是说,气化过程主要是指煤中的碳与氧、水蒸汽、二氧化碳以及氢的反应,上述反应均为非均相反应,此外煤的气化过程还包括均相反应,即气态反应产物之间相互反应或与气化剂的反应,本文主要介绍前者。
1、碳与氧气的反应
C*+O2CO2 +Q C*+O21/2CO+Q
一般认为:CO和CO2都是主要产物,在普通燃烧温度时,占优势的是CO,CO在气相中进一步氧化为CO2,这一反应是迅速的,并且由于水蒸汽的出现将进一步加速。原因可能是由于水与气的交替反应引起的;而两种产物的比例是随着温度上升而增加,但是在高温时,CO占优势。
该反应中,影响控制阻力的主要因素是温度、颗粒尺寸、气体与颗粒之间的相对速率及压力等。如果是吸附起控制作用,反应是一级反应;如果是解吸附起控制作用,则是零级反应。
一般说来,对于正常条件下的粉碳燃烧来说,或者是内部化学反应动力学控制反应速率,或者是气孔扩散与化学反应动力学联合控制反应速率;而在高温条件下(≥1000K),对低品位炭、高活性煤或大颗粒的情况,容积扩散变为起控制作用的因素。
炭的燃烧反应在所有气化反应中速率是最大的。气化过程(温度一般高于800℃)中,炭的燃烧反应几乎不可逆的向右进行。若提高反应温度或增大煤焦粒度,则反应可趋于外扩散区;若降低反应温度或减小煤焦粒度,则反应可趋于内扩散区,甚至动力区。
史密斯(Smith)等的研究表明,对于粒径大于100μm的炭粒,在1200K下,燃烧反应为外扩散控制,但对于粒径为90μm的炭粒,在750K下,燃烧反应为表面反应控制;当炭粒粒径小至20μm时,其动力区的温度范围可达1600K。
2、碳与二氧化碳的反应
C*+CO2(g)2CO(g)―Q
一般认为该反应的机理是:
(1)CO2与固体表面的活化区发生反应生成了CO分子和吸附的O原子:
CO2+()CO+(O)
(2)表面周围的O原子与另外的碳原子发生反应,接着生成的CO被解吸附而留出真空的活化位置
(O)+C*CO+()
通常,在低温条件以及高CO2浓度条件下,反应级数是零;低温低CO2浓度条件下,或者高温高CO2浓度条件下,将接近于一级反应。
对于通常的高温下,可能是气孔扩散与化学反应的联合作用控制着总体反应速率。
该反应为强吸热反应,当温度上升时,平衡常数急剧增加,显然温度愈高,愈有利于这个反应进行。
1000℃以上明显发生正反应,若温度在600~900℃范围内,将进行逆反应。研究认为,2000℃以下CO2还原反应处于动力区。因此,在一般气化炉操作条件下,CO2还原反应进行的很慢,不可能达到平衡。CO2还原反应的速率主要与操作温度和原料的活性有关,即提高操作温度和选用高活性煤利于CO2的转化。
因为反应为体积增大的反应,所以随着压力的提高,平衡组成中的CO含量将会降低,但如以空气作气化剂,由于空气中大量氮气的稀释作用,CO和CO2的分压之和要减小,这种情况利于CO2的还原,平衡将向正方向移动。
3、碳与水蒸汽的反应
C*+H2O=CO+H2―Q
但在过量水蒸汽的参与下,又发生如下反应
CO+H2O=CO2+H2+Q
总的方程式为
C+2H2O=CO2+2H2―Q
在相对反应速率和反应机理上都表明,它和碳与CO2的反应是类似的。研究发现,H2在反应中是一种“抑制剂”,而CO的出现却并未出现反应速率降低的现象。实际上还发现了H2可以增加某些炭的气化速率,而对另外的某些炭将降低它们的气化速率。这可能是H2对碳与水蒸汽反应中的炭的某些杂质起催化活化作用。因此,H2对反应的影响随着温度的增加将显著减弱。大多数情况下,反应是一级反应。
两反应平衡常数随温度变化趋势不同,在高温时一水反应的平衡常数增加快的多,而在低温(<700℃)时双水反应所占比重增加,所以提高温度可以相对的提高CO和H2的含量,而降低CO2和水蒸汽的含量。
当反应温度升高时,正向反应进行的比较完全。1000℃以上则可视为不可逆反应。生成CO的反应速率明显大于生成CO2的反应速率,水蒸汽分解反应比CO2还原反应速率快些,但它们是同一数量级的。在一般煤气化炉内水蒸汽的分解反应是达不到平衡的。
研究认为,对于高活性的煤,在1000~1100℃以上,水蒸汽分解反应进入扩散区。相应于一般煤气化炉的还原层温度,反应可能处于扩散区或过渡区。对于活性低的煤,在1100℃时,水蒸汽分解反应仍处于动力区。反应速率主要受温度影响,炉温稍有下降,则煤气质量和气化强度将迅速降低。
变换反应实际是在炭粒表面进行的均相反应,极少在气相中进行。该反应在400℃以上即可发生,在900℃时与水蒸汽分解反应的速率相当,高于1480℃时,其速率很快。
在一般煤气化炉内,可认为该反应能达到热力学平衡。但是实际达到平衡的程度与温度、蒸汽分解率以及料层深度有一定的关系,还与燃料的反应性、灰分的催化活性等有关。在低的水蒸汽分解率下,该反应可以接近于平衡。在水蒸汽分解率足够高时,又有适量的CO2存在,分压乘积 (Pco2*pH2)/(pCO*pH2O)超过其平衡常数,反应将逆向进行。
4、碳与氢气的反应
C*+2H2 (g)CH4(g)+Q
该反应的产物较为复杂。反应经过三个阶段:第一阶段称为热分解或者煤的挥发,继之有蒸汽相的氢化作用,反应速率通常受固体挥发份的释放速率限制;第二阶段是氢气与炭短时间快速作用,因此氢的活性变得越来越小;而后发展到第三阶段,即低活性氢与剩余炭相互反应的时期。第一、二阶段在很大程度上可以重迭,特别是快速加热到1000K以上的条件更是这样。并且高活化阶段和低活化阶段的转化速率的差别将有几个量级。
甲烷的生成速率是很慢的。在1073K和10KPa压力时,炭和氢的反应速率是CO2还原反应的3×10-3倍。在氢压力为3000~20000KPa、温度为750~1200K时,200~400μm的炭粒完全反应大约要用0.5h。
当压力增高时,反应物的物质的量浓度增大,反应速率提高。甲烷的生成速率还与煤的反应活性有关,反应活性大的,甲烷生成速率高。为了制取合成气,应该采用较低的气化压力和较高的反应温度。
三、结论
1、对于外扩散控制的反应,提高空速可提高反应速率;对于内扩散控制的反应,减小碳颗粒粒度,增大碳粒内部空隙直径可提高反应速率。这也是流化床和气流床气化效率较高的原因所在。
2、因为气化过程的目标反应均为吸热反应,所以较高的反应温度对有效气含率的提高是有利的,这就需要一方面提高反应物(煤、蒸汽、氧气或者空气)的温度,另一方面提高炉内的反应温度。
3、提高反应物的浓度利于反应向正方向进行,而将CO2气作为反应物入炉,也被越来越多的工厂应用。
4、干煤粉加压气化技术是在1400~1600℃的高温和3MPa及以上高压的条件下运行的,而现有的煤气化动力学数据大多是基于1000℃左右的条件得到的,迫切需要进行高温高压煤气化反应动力学的研究。