固定床煤熱解過程中硫的遷徙特性研究

張 勇

（山西西山煤氣化有限責任公司，山西 古交 030205）

煤炭仍然在未來很長時間內將占據我國能源結構主導地位。近年來，隨著采煤技術和水平的發(fā)展，煤炭開采效率不斷提升。煤炭在實際應用中，除了直接使用外還可通過焦化改變其性質提高其性能應用。但是，煤炭在應用中均會不可避免地產生污染性氣體，對周圍環(huán)境造成污染，而且硫為煤炭燃燒的主要污染源[1]。為有效控制固定床熱解和氣化過程中由于硫導致的污染物，本文重點開展了固定床煤熱解和氣化過程中硫的遷徙特性研究。

1 超高溫煙氣發(fā)生工藝研究

在實際工業(yè)生產中，基于流化床技術可對貧煤、煤泥以及煤矸石等劣質燃料進行燃燒使用，加之流化床具有傳熱性高、燃燒性能穩(wěn)定以及適用性強的特點?；诹骰部蓪崿F(xiàn)水蒸氣與空氣的混合，在高溫條件下對煤炭進行燃用從而提高煤氣的熱值。該種優(yōu)勢促使了流化床在工業(yè)中的應用?；诹骰驳某邷責煔獍l(fā)生工藝如圖1 所示。

圖1 超高溫煙氣發(fā)生工藝流程

基于流化床的超高溫煙氣發(fā)生工藝的詳細步驟如下：原煤在氣化爐中進行氣化處理，生成高溫煤氣；氣化處理后的殘焦通過煙氣發(fā)生爐提供的大過量空氣環(huán)境使其充分燃燒，并形成了含氧的高溫煙氣；最后，在上述形成的高溫煤氣和高溫煙氣充分燃燒，并將煙氣溫度提高至1 200 ℃[2]。上述超高溫煙氣發(fā)生工藝中所產生的的SO2會對環(huán)境造成嚴重的污染。因此，針對超高溫煙氣的發(fā)生需重點解決硫污染的問題。本文將通過實驗的方式開展研究固定床煤熱解和氣化過程中硫的遷徙特性，為后續(xù)脫硫奠定基礎。

2 實驗設備及測試方法

本文通過實驗的方式進行研究，為保證實驗結果需要為本次研究選擇合理的設備和匹配的測試方法。本節(jié)重點開展實驗設備和測試方法的研究。

2.1 研究對象及裝置

本次實驗所采用的研究對象為四川、山西、黃陵以及林南的原煤，所選原煤的粒度分為0.125 mm 以下和0.18 mm～0.25 mm 兩個級別，而且每個級別的原煤在實驗前均需將其在55℃的環(huán)境下烘干5 h。

實驗內容：本次實驗基于固定床為載體，分別對其煤熱解過程和氣化過程硫的遷徙特性進行研究，設計的實驗裝置如表1 所示。

表1 硫遷徙特性試驗裝置一覽表

2.2 測試方法

針對不同狀態(tài)的被測物執(zhí)行不同的測試方法。針對原煤和半焦中的全硫成分執(zhí)行GB/T 214—2007的相關標準測定；原煤總的硫酸鹽硫、黃鐵礦硫等成分執(zhí)行GB/T 215—2003 的相關標準測定；半焦中的硫酸鹽硫、黃鐵礦硫等成分基于Gladfelter 方法測定[3]。

針對實驗中所得焦油中的含硫成分基于元素分析儀進行測定；此外，在試驗過程中所產生的含硫氣體主要采用紅外氣體分析對其進行實時在線分析。

3 煤熱解和氣化過程中硫的遷徙特性研究

在上述實驗方案設計的基礎上，本節(jié)對固定床煤熱解和氣化過程中硫的遷徙結果進行分析。煤熱解是煤炭燃燒和氣化反應所經歷的必要過程，基于固定床的煤的熱解反應的實驗裝置設計如圖2 所示。

圖2 煤的熱解反應試驗流程

煤炭熱解反應分為快速升溫和程序升溫階段，此兩階段的反應均在石英管式爐中執(zhí)行。本文重點對快速升溫階段的熱解反應進行研究，對應的熱解反應的參數為：選取4 g 的待測試樣品，在常壓狀態(tài)下將氣體流量設定為1 000 mL/min，并將熱解反應溫度設定在500 ℃～900 ℃之間，設定熱解反應的時間為30 min[4]。

本小節(jié)主要針對快速升溫階段，對半焦產品的產生率、全硫的變化特性進行研究，具體變量為熱解反應溫度和被測樣品。

3.1 半焦產率的變化

如圖3 所示，隨著熱解反應溫度的增加，熱解反應中半焦的產率呈現(xiàn)下降的趨勢；同時，在4 種被測樣品中以四川煤樣的半焦產率最高；黃陵煤樣在熱解反應中的半焦產率最低。

圖3 熱解反應半焦產率的變化

3.2 半焦中全硫的變化

不同被測樣品在不同熱解反應溫度下半焦中的全硫所占比例的變化如圖4 所示。

圖4 熱解反應中半焦全硫成分的變化情況

如圖4 所示，從整體上分析不同被測樣品在不同熱解反應溫度下全硫成分的變化趨勢不同。對于四川煤樣，隨著溫度的升高半焦中的全硫成分明顯增加，且最高可達到17.5%；對于山西煤樣，隨著溫度的升高半焦中的全硫成分呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且最高點為在700 ℃的18.18%，在500℃和900 ℃分別為14.54%和16.95%；黃陵煤樣在600 ℃時半焦中的全硫比例最高可達30.69%，之后隨著溫度的升高全硫比例減小，并在900 ℃達到最低為201.3%；對于林南煤樣而言，隨著溫度的升高半焦中的全硫成分逐漸增加，其變化趨勢與四川煤樣相似，但是在各個溫度點的值均高于四川煤樣。

導致上述變化的主要原因為四川煤樣中的硫主要以有機硫的形式存在，因此隨著熱解溫度的升高對應的有機硫被分解，而在低溫狀態(tài)下其不易被分解。而對于山西、林南以及黃陵煤樣，硫主要以無機硫的形式存在[5]?？偟膩碇v，針對煤中的硫成分除了可采用高水蒸氣的方式對其抑制外，還可對不同煤樣設定不同的反應溫度達到脫硫的目的。

4 結語

煤炭作為我國的主要能源之一，其在未來很長時間內仍然占據我國能源結構的主導地位。但是，煤炭在燃燒過程中產生的硫化物、二氧化硫等均會對環(huán)境造成嚴重的污染。因此，掌握煤炭燃燒過程中硫成分的遷徙對于控制硫的排放、減少環(huán)境污染具有重要意義。本文主要開展了固定床煤熱解反應中硫的遷徙特性，并總結如下：

1）不同煤樣對應在不同熱解反應下硫成分的遷徙特性各不相同，主要是由于不同煤樣中硫存在的形態(tài)不同所導致；

2）不同煤樣對應在不同熱解反應下半焦產率的變化趨勢一致，隨著熱解反應溫度的升高對應不同煤樣的半焦產率增加。