石灰石煅烧是一种广泛应用于各个工业领域的基本热处理过程，包括生石灰的生产、冶金、水泥制造以及烟气脱硫等环境控制技术[1],[2],[3],[4],[5]。该反应涉及碳酸钙（CaCO3）热分解为氧化钙（CaO）和二氧化碳（CO2）[6],[7]。这一过程的效率以及煅烧产品的性质受到多种因素的影响，其中颗粒大小起着尤为关键的作用[8]。通常情况下，较细的颗粒由于比表面积大、扩散路径短以及热传递性能好，其分解速率更快，这一现象在静态床和回转窑等常规条件下已被广泛观察到[9],[10]。
近年来，流化床技术因其优异的气固接触效果、均匀的温度分布以及节能潜力而受到关注，成为石灰石煅烧的一种先进替代方案[11],[12]。与传统反应器相比，流化床提供了更好的质量和热传递条件，使其非常适合高通量、连续化的煅烧操作[13],[14]。然而，细颗粒在流化条件下的行为带来了新的挑战，与常规预期有所不同。特别是粒径小于150微米的颗粒可能会受到范德华力及静电效应的影响，导致团聚和流化效果变差[15],[16]。这反过来又会影响分解速率、热传递效率，最终影响煅烧产品的物理结构。
以往关于流化床中石灰石煅烧的研究主要集中在几百微米到几毫米范围内的粗颗粒上[17],[18],[19]。Asaki等人[17]研究了粒径为150–250微米和600–1000微米的石灰石的流化床煅烧情况，发现150–250微米颗粒的分解主要受表面热传递限制，而600–1000微米颗粒的分解则同时受到界面化学反应和表面热传递的共同控制。Hill等人[20]研究了单个烧结CaCO3球体的分解行为，并提出反应速率受反应界面的热传递及CO2从反应区的移除速率的影响。Khinast等人[21]指出，对于粒径小于100微米的颗粒，分解过程中的主要速率限制因素是化学动力学和颗粒内部的质量传递，而热传递和通过产品层的扩散作用相对次要。这些研究为煅烧动力学、反应建模和反应器设计提供了宝贵的见解。然而，尽管在许多工业应用中（尤其是在基于粉末的材料处理或吸附剂再生过程中）这一粒径范围具有实际意义，但相关研究仍然较少。更重要的是，人们对这一细颗粒范围内颗粒大小如何影响流化质量、分解行为、速率限制步骤以及微观结构发展之间的相互作用了解有限。
颗粒大小对石灰石的流化行为和分解动力学起着关键作用。根据Geldart分类及后续实验研究，当颗粒大小低于约60–80微米时，颗粒间的粘附力会超过重力和阻力，导致团聚和沟流现象，而非均匀的沸腾[22],[23]。除了这种流体动力学考虑外，我们之前关于非等温TGA实验的研究还发现75微米也是石灰石分解的一个关键动力学阈值[24]。具体而言，粒径小于75微米的颗粒表现出由界面控制的快速分解过程，而较粗的颗粒（>75微米）则更多地受到内部热传递和产品层效应的影响。这种在非等温条件下的一致性转变表明，75微米也可能成为等温流化床煅烧过程中机制差异的关键分界点。因此，在本研究中，选择75微米作为参考界限，以研究颗粒大小、反应机制和流化条件下的热传递限制之间的相互作用。
此外，现有文献很少探讨当颗粒大小降至某个临界阈值时可能发生的机制转变。虽然已知较大颗粒通常受热传递限制，而较细颗粒在理想条件下常受反应控制，但流化行为对主导速率限制机制的影响尚未得到系统研究。特别是接近75微米的过渡区域，该尺寸既足以表现出团聚行为，又有可能实现稳定的流化状态，但目前对其认识仍不够充分。了解这一阈值是否标志着分解行为、反应机制和产品结构在流化条件下的变化，对于优化颗粒设计和反应器操作至关重要。
为填补这些空白并建立对流化条件下细颗粒行为的机制理解，本研究系统地研究了两种不同粒径范围的石灰石颗粒（<75微米和75–150微米）的等温流化床煅烧行为。目的是阐明颗粒大小如何控制流化行为、分解机制和微观结构演变之间的耦合效应。实验在850–1100°C的温度范围内进行，通过实时监测CO2浓度来追踪分解动力学。采用动力学建模确定速率限制步骤，并通过扫描电子显微镜、比表面积和孔结构分析来表征孔结构和表面面积的变化。这种结合动力学和微观结构的技术手段有助于全面理解颗粒尺度现象如何控制流化条件下的宏观分解行为。本研究的新颖之处在于它综合探讨了150微米以下颗粒大小变化如何同时影响流化动力学、分解机制和微观结构演变。通过将可观察的实验现象与动力学和形态学证据相结合，本研究为优化细颗粒石灰石的流化床煅烧提供了机制上的见解和实际指导。
