富氧燃烧气氛下煤中黄铁矿演化成灰及矿物耦合机制

Oxy-fuel combustion atmosphere impact on the migration and transformation of mineral components in the combustion process of coal, and directly threaten to the safe operation of a combustion device. Pyrite is identified as the dominant factor that contributes to deposition and slagging on the water wall of pulverized coal-fired furnaces. However, the impact mechanism of pyrite evolution and interaction with Ca-bearing and aluminosilicate minerals during oxy-fuel combustion is not clear yet. In this study, the specificity and uncertainty transformation behavior of pyrite at oxy-fuel combustion atmosphere has been studied. Considering the effect of CO2 and H2O with using TGA-FTIR, high temperature cracking furnace, tube furnace and drop tube furnace experimental facilities, combining the macro-measurement and theory analysis, the composition, morphology and particle size distribution characteristics have been measured. Its variation of migration, chemical kinetic mechanisms in the combustion process have been described. Considering the microstructure of component and fusibility of pyrite and interaction with Ca-bearing and aluminosilicate minerals to reveal the mechanisms of melting reaction kinetic and minerals interaction in the microscopic. To investigate the mechanism of ash deposited under oxy-fuel atmosphere, proposed a new coal ash slagging index. Experimental and computational models developed to forecast Fe-containing mineral matters melting and slag characteristics to oxy-fuel technology for the safe operation and special pollutant emission control guidance.

富氧燃烧气氛下燃烧环境的改变，对煤中矿物组分在燃烧过程中的迁移和转化规律产生重要影响，直接威胁到富氧燃烧装置的污染排放和安全运行，煤中黄铁矿是锅炉积灰结渣的重要来源，富氧燃烧气氛下黄铁矿迁徙演化及矿物耦合作用机理尚不清楚。本研究针对富氧燃烧条件下黄铁矿迁移转化行为的特殊性，考虑CO2和H2O的影响，结合TGA-FTIR、高温裂解炉、管式炉、沉降炉等实验装置，综合采用宏观测量和理论计算方法，在组分、形态和颗粒分布特征及其在富氧燃烧过程中变化规律描述的基础上，考察煤中黄铁矿在富氧燃烧过程中的动力学及迁徙演化机理，发展能描述富氧气氛下铁质矿物成灰的相关理论模型；揭示煤粉燃烧过程中黄铁矿与钙铝硅酸盐矿物耦合作用的转化形态、颗粒熔融等过程的化学反应动力学和微观结构变化机理，探讨富氧气氛下的煤灰沉积机理，提出新型煤灰含铁矿物相关熔融结渣判定方法。以期为富氧燃烧技术的安全运行和污染物排放控制提供指导。

富氧燃烧炉内高浓度三原子气体的存在将导致随着煤的燃烧过程而转化的无机矿物的迁徙转化行为的变化。煤中黄铁矿，作为煤中最具代表性的无机矿物质，其不仅对硫类污染气体排放有着巨大贡献，而且对于锅炉积灰结渣的影响不可忽视，其对于煤在富氧燃烧方式下的安全有效运行有着重要影响。.本项目从单独黄铁矿的转化行为出发，探讨了高分压CO2 中转化的动力学机制、水蒸气加入的转化路径。研究显示，高分压CO2气氛中，温度大于840摄氏度，黄铁矿的热解产物会继续和二氧化碳反应形成铁氧化物、CO及SO2，热解产物的部分内核未氧化的硫化铁和铁氧化物在大于950摄氏度的高温下形成铁硫氧低温共融体；水蒸气的加入，黄铁矿的转化路径偏向于形成H2S气体；水蒸气的加入明显促进了黄铁矿的热解燃烧，同时改变了黄铁矿燃烧的中间过程。综合得到了黄铁矿在含水富氧燃烧气氛中的转化路径。.本项目从有机质的特性出发，探讨煤中有机质对黄铁矿转化的影响机制。高分压CO2典型富氧气氛中，是煤与黄铁矿共同热解气化的复杂过程，随着煤种煤阶的不同而有差异。煤中有机质导致黄铁矿在更低温度下热解；对于煤阶较高的煤，煤中黄铁矿气化在更高温度下进行。影响机制为煤中有机质和黄铁矿在高温下竞争环境中的CO2，煤种煤阶的差异带来竞争及相互协同作用的差异。在炉内高温下黄铁矿连接在煤颗粒上或者在颗粒内部，高分压CO2环境中这种影响不容忽视。.针对黄铁矿与钙硅铝矿物相互耦合作用，研究揭示富氧燃烧气氛中矿物质之间转化行为并不是单个矿物转化行为的简单叠加，尤其对于碳酸盐含量较高的情况下，高温时矿物质之间的相互耦合作用更加明显，易于形成低温共熔物钙铁硅铝酸盐类物质，富氧气氛易于促进黄铁矿及钙硅铝矿物的熔融行为，更易于结渣。对于以内在形式赋存的含铁矿物，富氧气氛导致较多的铁熔融成Fe玻璃相。富氧燃烧中水蒸气的存在，有助于铁氧化物的形成，且形成的灰颗粒粒径总体较大更易被除尘装置去除。