高硫煤氣化熔渣析鐵機(jī)理研究

【摘要】：Shell粉煤氣化爐堵渣故障時(shí)產(chǎn)生的大塊渣結(jié)晶度較好,其中一類渣析出晶體狀的隕硫鐵和單質(zhì)鐵。利用超聲逐級(jí)化學(xué)提取法定量分析煤中鐵元素的賦存狀態(tài),然后以高硫煤為研究對(duì)象,并向原煤中添加含鐵物相,利用XRD、SEM-EDX分析熔渣的礦物組成和微觀形貌,考察熔渣中含鐵晶體物質(zhì)的演變過程。利用FactSage軟件,對(duì)高溫熔渣的平衡組成進(jìn)行模擬計(jì)算,建立了熔渣中單質(zhì)鐵的析出模式,揭示了高硫煤氣流床氣化熔渣析鐵機(jī)理,為解決因析鐵而致的氣化爐堵渣問題提供理論依據(jù)。煤中鐵元素以碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、硫化物結(jié)合態(tài)、鋁硅酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)5種形式存在。高硫含量的ZX煤中鐵元素主要是硫化物結(jié)合態(tài)鐵(黃鐵礦及衍生物)和鋁硅酸鹽結(jié)合態(tài)鐵(摻雜在伊利石等礦物中的鐵離子)。硫化物結(jié)合態(tài)鐵在灰化過程中部分轉(zhuǎn)變成赤鐵礦,鋁硅酸鹽結(jié)合態(tài)鐵隨著礦物的瓦解,逐漸被還原,最終部分轉(zhuǎn)變成單質(zhì)鐵。在V(CO):V(N2)=160:40的氣氛中,當(dāng)溫度升至1000℃,ZX煤熔渣中產(chǎn)生單質(zhì)鐵、隕硫鐵,隨著溫度升高,其含量變化總體趨勢(shì)先增大后減小。1450℃的熔渣體系有序性降低,渣中含鐵成分主要是鐵質(zhì)玻璃體和微量的單質(zhì)鐵、隕硫鐵。當(dāng)氣氛中CO濃度≥25%、溫度≥1200℃、煤灰中WFe2O3≥8.82%,高溫熔渣中能夠產(chǎn)生單質(zhì)鐵。氣流床氣化氣氛下熔渣中單質(zhì)鐵的生成可能經(jīng)由以下四條途徑實(shí)現(xiàn)：(1)煤灰中的赤鐵礦直接被還原；(2)鋁硅酸鹽礦物中摻雜的Fe3+隨著礦物骨架的坍塌,逐漸暴露在氣氛中,直接或間接地被還原；(3)煤中黃鐵礦轉(zhuǎn)化成磁黃鐵礦(FeSx),系列FeSx同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換,釋放氣態(tài)硫,生成FeS,溫度達(dá)到1200℃以上,FeS熔化成液態(tài)并分解,產(chǎn)生單質(zhì)鐵；(4)部分共熔體Fe-O-S高溫下釋放出S,又重新生成方鐵礦,被還原。若煤灰中殘存的硫元素較多,易形成含硫的中間體FeS、Fe-O-S,這兩種中間產(chǎn)物的形成,延緩了單質(zhì)鐵的析出。熔渣發(fā)生析鐵現(xiàn)象與鈣長(zhǎng)石的結(jié)晶緊密相關(guān)。鐵離子由于較強(qiáng)的極化作用,富集在熔渣中,誘發(fā)處于熔融狀態(tài)的鈣長(zhǎng)石結(jié)晶析出。隨著鈣長(zhǎng)石晶格的完善,鐵離子脫離晶體結(jié)構(gòu),被還原,產(chǎn)生單質(zhì)鐵。另一方面,在還原性氣氛下,還原產(chǎn)物Fe2+通過類質(zhì)同象進(jìn)入鈣長(zhǎng)石晶體結(jié)構(gòu)中,隨著鈣長(zhǎng)石晶體的熔融,Fe2+再脫離熔體,被還原成單質(zhì)鐵。 【關(guān)鍵詞】：氣流床氣化 高硫煤 含鐵礦物 析鐵 FactSage計(jì)算
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X784
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-20
• 第一章 緒論20-44
• 1.1 高硫煤20-26
• 1.1.1 煤中硫元素的形成與形態(tài)20-22
• 1.1.2 煤中硫元素在利用過程中的遷移22-24
• 1.1.3 高硫煤在利用過程中的環(huán)境影響24-26
• 1.2 煤氣化技術(shù)26-31
• 1.2.1 氣流床氣化技術(shù)26-28
• 1.2.2 氣化渣組成28-31
• 1.3 煤中含鐵礦物研究進(jìn)展31-40
• 1.3.1 煤中含鐵礦物的存在形式31-33
• 1.3.2 煤中含鐵礦物的轉(zhuǎn)化過程研究33-36
• 1.3.3 煤中礦物轉(zhuǎn)化研究方法36-40
• 1.4 本論文選題依據(jù)和研究?jī)?nèi)容40-44
• 第二章 Shell粉煤氣化熔渣組成44-54
• 2.1 灰化學(xué)組成44-46
• 2.2 礦物組成46-48
• 2.3 表觀形貌及選區(qū)元素組成48-52
• 2.4 小結(jié)52-54
• 第三章 煤中鐵元素賦存狀態(tài)的超聲逐級(jí)化學(xué)提取研究54-68
• 3.1 引言54
• 3.2 煤中鐵元素賦存狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究54-57
• 3.2.1 煤樣54-55
• 3.2.2 試劑與儀器55
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)方法55-57
• 3.3 結(jié)果與討論57-65
• 3.3.1 煤中鐵元素的賦存狀態(tài)57-59
• 3.3.2 超聲逐級(jí)化學(xué)提取實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性59-65
• 3.4 小結(jié)65-68
• 第四章 高硫煤氣化熔渣析鐵過程研究68-106
• 4.1 煤樣68-69
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方法69-73
• 4.3 高溫熔渣析鐵的臨界條件73-82
• 4.3.1 臨界氣氛組成73-79
• 4.3.2 灰中最低鐵含量79-81
• 4.3.3 鈣長(zhǎng)石與析鐵現(xiàn)象的聯(lián)系81-82
• 4.4 高硫煤氣化熔渣中含鐵相的轉(zhuǎn)變過程82-98
• 4.4.1 ZX煤中含鐵礦物的轉(zhuǎn)變過程82-91
• 4.4.2 BS煤中含鐵礦物的轉(zhuǎn)變過程91-98
• 4.5 熔渣析鐵過程中硫的釋放規(guī)律98-104
• 4.5.1 ZX煤灰的TG-FTIR分析結(jié)果98-99
• 4.5.2 BS煤灰的TG-FTIR分析結(jié)果99-101
• 4.5.3 模擬煤灰的TG-FTIR分析結(jié)果101-104
• 4.6 小結(jié)104-106
• 第五章 外加含鐵物相對(duì)析鐵過程的影響106-120
• 5.1 引言106
• 5.2 實(shí)驗(yàn)樣品及方法106-107
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析107-118
• 5.3.1 灰熔融溫度107
• 5.3.2 熔渣礦物組成107-114
• 5.3.3 熔渣微觀形貌114-118
• 5.4 小結(jié)118-120
• 第六章 高硫煤氣化熔渣中單質(zhì)鐵析出機(jī)理探討120-132
• 6.1 熔渣平衡組成的熱力學(xué)計(jì)算120-128
• 6.1.1 FactSage軟件計(jì)算條件120-121
• 6.1.2 熔渣平衡組成的FactSage軟件計(jì)算結(jié)果121-128
• 6.2 熔渣中單質(zhì)鐵的析出模式128-129
• 6.3 熔渣析鐵過程中硫的作用129-130
• 6.4 小結(jié)130-132
• 第七章 結(jié)論132-136
• 7.1 主要結(jié)論132-133
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)133
• 7.3 展望133-136
• 參考文獻(xiàn)136-148
• 致謝148-150
• 作者簡(jiǎn)介及讀研期間主要科研成果150-151

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