颗粒气固反应动力学是能源、化工和冶金等领域探索新型工艺的重要基础。针对本征快速气固反应速率的确知问题,本文研制了微型流化床多阶段气固反应分析仪(MFBRA-MR);利用该仪器分析了高温火焰焦的本征快速燃烧动力学;针对热态原位颗粒本征反应速率的确知问题,建立了MFBRA-MR分析多阶段气固反应的原位解耦分析方法,并分析了热态原位焦炭的水蒸气气化动力学和本征快速燃烧动力学。研究形成了MFBRA-MR的设计方案:反应条件的控制方面,利用微型流化床提供高效传热传质的反应环境,通过快速平稳地切换气氛来启动气固反应,以确保本征快速反应条件的准确性,通过快速调节反应温度驱使反应物反应彻底,以保障绝对转化率的获得;反应程度的表征方面,利用逸出气体在线检测来获知反应的微分过程。重点突破了快速平稳切换反应气氛、快速调节反应温度、提高气体浓度检测信号精度、定量评估管道返混及尾气浓度波检测失真的关键技术;研制了若干关键设备,包括含窄环隙预热段的微型流化床石英反应器、微型红外辐射加热炉和气流快速平稳切换装置。最终研制形成了MFBRA-MR。发现了过程质谱仪毛细取样管温度波动影响测量信号稳定性的规律,并通过实验揭示了其机制,发明了采用精密温控器大幅提高过程质谱仪测量信号稳定性的方法;提高了过程质谱仪测量气体浓度快速变化过程的信号精度,为MFBRA-MR分析快速气固反应过程提供了重要保障。提出了本征快速等温气固反应速率测量结果的校验体系。建立了定量表征微型流化床尾气浓度峰检测失真的理论和实验方法。浓度波响应和焦炭燃烧实验的研究表明:MFBRA-MR管道内气流近似活塞流,分析半衰期长于3s的反应,浓度波检测失真可忽略不计。基于校验体系的研究表明MFBRA-MR可准确可靠地表征本征快速等温气固反应过程。利用MFBRA-MR研究了高温火焰焦本征快速燃烧动力学。结果表明MFBRA-MR测量效率高、结果可靠。阿累尼乌斯n级速率模型可较好地描述焦炭燃烧过程。反应级数n随温度升高而增大,随转化率增大而降低,解释了文献中n值分散的问题。获得了速率控制区本征转折温度Tin,晋城无烟煤焦的Tin为900℃;而大同烟煤焦的Tin和氧浓度及转化率有关,位于800–900℃间。利用MFBRA-MR研究了热态原位焦水蒸气气化动力学。结果表明配置在线冷凝除水系统的MFBRA-MR测量慢速反应时,所测气体释放过程可直接表征气化进程。焦炭在800–950℃的温度下气化不完全,温度越低最终碳转化率越低,且水蒸气浓度对最终碳转化率无明显影响。水蒸气浓度高于25%后,碳转化速率不再明显提高。收缩核模型和随机孔模型均能较好地描述碳转化过程。相对转化率和绝对转化率计算的动力学参数差别显著,应采用绝对转化率计算动力学参数以避免“变质效应”。降温再升温显著降低了焦炭活性,其主因是化学结构的变化。活性越高的焦炭对降温再升温处理越敏感。利用MFBRA-MR研究了热态原位焦炭的本征快速燃烧动力学。结果显示仪器的气氛切换性能和快速调温性能可靠,反应条件和测量结果准确。研究表明,神华煤原位焦在微型流化床中燃烧,Tin约为700℃,Ⅰ区活化能约为125k J/mol。研究还表明煤阶越低,焦炭活性对降温再升温处理越敏感。研究高挥发分烟煤、褐煤和生物质等低阶燃料的燃烧或气化反应动力学时,需考虑实验流程中降温再升温对测试结果的影响。仪器的典型应用实例表明MFBRA-MR在组织多阶段等温反应过程、确知本征快速气固反应速率,乃至实现热态原位颗粒本征反应性的可靠表征方面的性能优异,因此在气固反应研究领域具有广阔的应用前景。