燃煤黄铁矿迁移转化模拟的研究.pdf

中国T程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编学：064136 燃煤黄铁矿迁移转化模拟的研究 赵永椿，张军营·，李扬，高全，郑楚光 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉，430074 摘要：基于已有的动力学数据对单颗粒黄铁矿迁移转化进行了全过程模拟，分析讨论了各种因素对黄 铁矿氧化过程和S释放率的影响，结果表明：随着颗粒尺寸的减小和炉膛温度的升高，黄铁矿颗粒的 分解氧化过程加快，颗粒在炉内停留很短时问内温度即升高到共融点以上，使颗粒呈混熔态，进而导 致灰沉积、结渣。颗粒氧化过程中S的释放主要受扩散控制，】C释放速率与颗粒粒径成反比，与氧气 浓度和炉膛温度成正比。 关键词：黄铁矿，迁移转化，动力学，模拟，煤燃烧 1．引言 全世界36％的电力来自燃煤，我国燃煤电厂约占70％左右。燃煤电厂最大的问题之 一就是熔融矿物质沉积在受热面上导致的结渣，每年因结渣所导致的经济损失达数十亿 元。大量的研究表明煤中矿物质的迁移转化对锅炉结渣有重要影响。其中尤以黄铁矿为 最¨叫1。而且黄铁矿也是煤中无机硫的主要赋存形态，其转化过程对燃煤S的释放也有 就是调节燃烧状况，使黄铁矿转化成无粘性的氧化态Fe。O。和Fe舷，不要形成高粘性的 还原态Fe。一，S和FeO，燃烧调节必须尽量减少对锅炉性能的扰动。因此为减少结渣对锅 炉性能的影响，必须对黄铁矿迁移过程有足够的了解。本文基于已有的化学反应动力学 数据对煤中外在黄铁矿颗粒在炉内高温下的迁移转化过程进行了模拟研究，以期为减少 炉内灰沉积结渣提供理论基础。 2．黄铁矿迁移转化过程 述了黄铁矿的迁移转化过程，建立了纯黄铁矿颗粒燃烧反应率与传热、传质的化学反应 动力学模型但’；但此模型的最大的问题是它假设每个步骤依次进行，即前一步骤反应完 成后下一步骤再开始反应，而在实际煤燃烧过程，模型中提到的几个步骤几乎同时在颗 粒中进行。此外他主要考虑纯黄铁矿颗粒，并未考虑煤中C的燃烧对其转化的影响，也 未考虑磁黄铁矿的破碎。虽然模型不完善，但人们对燃煤黄铁矿迁移转化过程的认识较 为统一。黄铁矿燃烧与煤颗粒燃烧过程类似，即先分解脱S再氧化。黄铁矿热解释放S 形成磁黄铁矿Fen晰S，随着氧气进一步向颗粒内部扩散，颗粒由外剑内氧化形成Fe。0。， ·联系人 278 在低温氧浓度较高时，磁铁矿可进一步氧化形成赤铁矿，整个氧化过程中颗粒产物层分 布见图1。Fe—S-0共存时混合体的融点极低，在很低的温度下就易熔融，熔融态的持续 时间与黄铁矿颗粒的尺寸，氧浓度、温度都有关，所以也可以认为黄铁矿导致的结渣与 这些因素相关。 图1黄铁矿颗粒氧化过程 综合以往的研究我们认为燃煤黄铁矿氧化过程中发生的主要化学反应如下： 凡是一1．14心．877S+0．43(g) +(1) Fe30,+6S02(g) (2) _’3FeS：+802(g)j ’ (3) 是(g)+02(g)一2SO(g) (4) ● 心D4+O．2502(g)一1．5Fe203 (5) 3．模型的建立 假设黄铁矿颗粒为球形，外在黄铁矿颗粒不与煤中其他组分发生反应；忽略黄铁矿 颗粒反应过程中的破碎影响，辐射换热只考虑颗粒与墙面的作用，忽略颗粒间的相互作 Hj。黄铁矿颗粒转化过程中热传导、热辐射以及化学反应和物质消耗引起的颗粒温度的 变化由1F稳态热平衡方程来确定：