铁元素对煤气化过程矿物转化和熔融特性影响的研究进展

铁是普遍存在于煤中的重要元素,其含量和价态等参数是影响煤气化灰渣理化特性(矿物转化和熔融、结晶、黏温和流变性等)的关键因素。气化炉用煤的种类和操作工况(气氛和温度)等变化影响铁的赋存形态,含铁的煤气化灰渣呈不同理化性质,其研究对指导气化炉的顺畅排渣具有重要意义。综述了近年来学者对铁元素在气化灰渣的赋存形态、铁对煤气化灰渣的熔融特性、降温过程结晶性和黏温特性等研究进展。铁主要以FeO、Fe2O3、FeS和FeS2等形式存在于原煤中,在煤气化过程中转化为含铁的硅铝酸盐类物质,且受气体组分(CO/CO2/O2/H2)、化学组成和温度影响显著。因Fe3+具有强极性,难以与其他矿物反应,在氧化性气氛下的灰渣熔融温度较高;而CO、H2等气体具有较强的还原性,灰渣中的Fe2O3被还原为亚铁(Fe2+),其熔融温度降低,但还原为金属Fe时,其具有高熔点特性,灰熔融温度升高。煤气化灰渣中铁元素对熔融液态渣在冷却降温过程的结晶性能产生影响,包括含Fe的晶体种类、结晶温度、析晶条件、晶体形貌和尺寸等。其中,Fe与Ca在硅铝酸盐网状结构中的作用受气氛、温度和化学组成影响显著,主要为Fe/Fe2+/Fe3+三者的转化与钙长石类矿物的相互作用,影响含铁晶体转化和铁单质析出。阐明了煤气化灰渣中铁元素对其黏温特性的影响机制,包括黏度和临界黏度温度,铁的不同价态和含量是黏度变化和熔体结构转变过程的重要参数。最后,总结了铁元素对煤气化灰渣理化性质的作用,展望复杂气氛下(H2/CO/CO2)铁单质、离子态(Fe2+/Fe3+)等对煤气化过程矿物转化、灰渣熔融和结晶等物理和化学综合作用是明晰煤气化灰渣中铁元素作用的关键,需建立合适的含铁煤气化灰渣性质预测体系,为工业气化炉运行提供指导。

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