氧-燃料燃燒條件下黃鐵礦的轉(zhuǎn)化行為研究.pdf

1、氧/燃料燃燒技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)對燃煤CO2的有效捕捉，同時(shí)還能減少NOx、SOx等污染物的排放，因而被認(rèn)為是一種頗具競爭力的燃煤CO2捕捉技術(shù)。相對于傳統(tǒng)空氣燃燒（O2/N2），氧/燃料燃燒氣氛的改變帶來諸多其他方面的變化，這些變化給燃煤電站的設(shè)計(jì)、改造及運(yùn)行提出了新的科學(xué)問題。其中，燃煤鍋爐的結(jié)渣仍是氧/燃料燃燒技術(shù)應(yīng)用過程中不可避免的一個(gè)問題，而黃鐵礦是煤燃燒中最主要的致渣礦物之一。因此，在氧/燃料燃燒條件下，研究黃鐵礦的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理

2、及模型，是預(yù)測煤灰生成及結(jié)渣行為、解決鍋爐結(jié)渣問題的關(guān)鍵，但相關(guān)工作還鮮見報(bào)道。本文基于熱重和沉降爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在氧/燃料燃燒條件下對煤中外在黃鐵礦的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理及模型開展研究。重點(diǎn)揭示CO2或H2O對黃鐵礦分解及氧化階段的作用規(guī)律，以獲得氧/燃料燃燒條件下黃鐵礦的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)模型。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴對黃鐵礦在N2和CO2氣氛下的分解動(dòng)力學(xué)過程及機(jī)理進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在黃鐵礦的分解過程中CO2化學(xué)參與了黃鐵礦的

3、分解反應(yīng)，生成了磁黃鐵礦、CO和SO2。黃鐵礦在CO2氣氛下的分解動(dòng)力學(xué)過程可以被劃分為三個(gè)階段：第I階段，黃鐵礦的的脫硫主要以自分解反應(yīng)為主，CO2并不參與這一階段的反應(yīng)；第II階段，顆粒外表面的高硫磁黃鐵礦與CO2發(fā)生分解反應(yīng)生成低硫磁黃鐵礦、CO和SO2；第III階段，未反應(yīng)的少量的高硫磁黃鐵礦與CO2繼續(xù)發(fā)生分解反應(yīng)。第I階段和第II階段分別可以用收縮核模型和三維擴(kuò)散模型來描述，活化能分別為70KJ/mol和61 KJ/mol，

4、且黃鐵礦在CO2氣氛下的分解反應(yīng)速率要快于N2氣氛。⑵對磁黃鐵礦在CO2氣氛下的氧化動(dòng)力學(xué)過程及機(jī)理進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磁黃鐵礦在CO2氣氛下的轉(zhuǎn)化行為也可以分為三個(gè)階段：快速失重階段（第I階段），緩慢失重階段（第II階段）和慢速增重階段（第III階段）。不同階段CO2的作用機(jī)理有著明顯的區(qū)別。第I階段，磁黃鐵礦主要與CO2發(fā)生分解反應(yīng)生成硫化亞鐵；第II階段的主要產(chǎn)物磁鐵礦、赤鐵礦、CO和SO2，這主要是由于硫化亞鐵與CO2發(fā)生了

5、氧化反應(yīng)；第III階段，磁鐵礦與CO2發(fā)生氧化反應(yīng)生成赤鐵礦和CO。對于磁黃鐵礦的氧化階段（第II階段），磁黃鐵礦在CO2氣氛下氧化動(dòng)力學(xué)過程可以用三維擴(kuò)散模型（n=1/2）來描述，此時(shí)磁黃鐵礦在CO2氣氛下的氧化反應(yīng)活化能為86.6KJ/mol。⑶對磁黃鐵礦在CO2和H2O同時(shí)存在條件下的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁黃鐵礦的氧化行為實(shí)質(zhì)上是硫化亞鐵的氧化，磁黃鐵礦（FeS）在CO2/H2O存在條件下的氧化過程類似于煤焦的氣化

6、，可吸附動(dòng)力學(xué)來進(jìn)行揭示。磁黃鐵礦（FeS）與CO2/H2O之間的氧化反應(yīng)過程均可以用三維擴(kuò)散模型來進(jìn)行描述，而氧化反應(yīng)速率與 CO2/H2O分壓之間的關(guān)系符合 Langmuir-Hinshelwood吸附機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明，H2O對磁黃鐵礦（FeS）的氧化能力要強(qiáng)于CO2，氧化反應(yīng)速率均隨著CO2/H2O分壓的增大而增大。在CO2和H2O同時(shí)存在條件下，磁黃鐵礦（FeS）與CO2/H2O之間的氧化反應(yīng)可以用一個(gè)改進(jìn)的Langmuir-

7、Hinshelwood機(jī)理來進(jìn)行描述。CO2和H2O之間即存在相同的活性位點(diǎn)，也存在相互分離的活性位點(diǎn)，在分離的活性位點(diǎn)上磁黃鐵礦（FeS）與CO2和H2O這兩個(gè)反應(yīng)體系之間是相互獨(dú)立、互不影響的，而在相同的活性位點(diǎn)上這兩個(gè)反應(yīng)體系之間是是相互并列、相互影響的。⑷將脫灰煤與黃鐵礦以9:1的比例混合，模擬煤中外在黃鐵礦并在沉降爐上開展實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，黃鐵礦在O2/CO2和O2/CO2/H2O燃燒條件下的轉(zhuǎn)化過程與傳統(tǒng)空氣燃燒氣氛下