水蒸气存在条件下黄铁矿的分解及氧化机理

【作者】 于敦喜； 陈军； 吕为智； 徐明厚；

【机构】 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室；

【摘要】 氧/燃料燃烧技术被认为是极具前景的燃煤电站CO₂捕集技术之一^[1]。在该技术应用过程中,锅炉受热面的积灰结渣是一个亟待解决的关键科学问题。黄铁矿作为煤中主要的含铁矿物,其分解及氧化过程对受热面的结渣存在重要影响。湿式循环氧/燃料燃烧方式下,循环烟气中含有高浓度的H₂O(如30%vol^[2]),可能会使黄铁矿的转化产生重要改变,继而影响到受热面的结渣行为。目前,相关研究还十分缺乏。本文利用纯黄铁矿在TGA上进行实验,研究了水蒸汽存在条件下黄铁矿的分解及氧化机理。研究结果表明,水蒸汽对黄铁矿的分解有明显的促进作用,随着水蒸汽浓度的提高,促进作用增强,促进机理在于H₂O可能直接参与黄铁矿的分解反应,或通过与分解生成的硫蒸气反应降低颗粒周围的硫分压而促进其分解（反应（1）（2））。随着温度的升高,黄铁矿的自分解速率大大提高,远大于反应（1）,H₂O对分解的促进作用不明显。动力学计算结果表明,H₂O气氛下黄铁矿分解模型和N₂气氛下相似,可分为两个阶段,但表观活化能分别比N₂条件下小16.83 kJ/mol和18.51 kJ/mol。FeS₂+H₂O→FeS_x+SO₂+H₂S（1）H₂O+S→SO₂+H₂S（2）在产物氧化阶段,H₂O先将生成的磁黄铁矿氧化生成磁铁矿,低温时发生反应（3）,生成H₂S和H₂,高温时,发生反应（4）,生成SO₂和H₂。随着反应时间的延长,H₂O继续将生成的磁铁矿氧化生成赤铁矿,可能发生反应（5）。FeS_x+H₂O→Fe₃O₄+H₂+H₂S（3）FeS_x+H₂O→Fe₃O₄+H₂+SO₂（4）Fe₃O₄+H₂O→Fe₂O₃+H₂（5）更多还原