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    高硫煤熱解過程活性氫/氧對(duì)有機(jī)硫變遷行為影響研究述評(píng)

    2022-08-01 05:46:34張文靜程亞楠王美君常麗萍鮑衛(wèi)仁
    燃料化學(xué)學(xué)報(bào) 2022年6期

    張文靜 ,程亞楠 ,孔 嬌,* ,王美君 ,常麗萍,* ,鮑衛(wèi)仁

    (1. 太原理工大學(xué) 省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024;2. 太原理工大學(xué) 煤科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024)

    近年來,隨著煤炭資源的大規(guī)模開采和利用,優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源儲(chǔ)量急劇下降,高硫煤等劣質(zhì)煤資源占比逐年增加,隨之而來的是含硫污染物難以滿足越來越嚴(yán)苛的各種要求,對(duì)煤利用過程中硫分的調(diào)控已成為研究熱點(diǎn)。高硫煤中無機(jī)硫通過重選、浮選、磁選等傳統(tǒng)物理方法易脫除,技術(shù)相對(duì)成熟;有機(jī)硫則賦存形態(tài)多樣,熱轉(zhuǎn)化過程中變遷行為復(fù)雜,較難脫除,尤其是在不影響焦炭質(zhì)量的前提下高硫煉焦煤中有機(jī)硫的脫除更加困難,儲(chǔ)量豐富的高硫煉焦煤價(jià)格和用途嚴(yán)重受限。如果能夠解決高硫煉焦煤中有機(jī)硫的問題,利用高硫煤部分替代優(yōu)質(zhì)煉焦煤進(jìn)行配煤煉焦,則會(huì)極大拓展優(yōu)質(zhì)煉焦用煤資源。

    在熱轉(zhuǎn)化過程中對(duì)有機(jī)硫變遷行為進(jìn)行調(diào)控,改變硫在熱解產(chǎn)物中的分布,是實(shí)現(xiàn)高硫煤配煤煉焦的有效途徑[1]。熱解是煤燃燒、氣化、液化、煉焦等熱轉(zhuǎn)化過程的初始階段和煤加工利用過程中的關(guān)鍵步驟,對(duì)煤炭后續(xù)的熱轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生重要影響。基于此,高硫煤熱解過程中有機(jī)硫的變遷行為引起了研究者的廣泛關(guān)注。

    煤熱解遵循自由基機(jī)理[2-4]:煤中共價(jià)鍵斷裂生成自由基碎片,自由基碎片之間再進(jìn)一步反應(yīng)生成三相產(chǎn)物。煤中有機(jī)硫在熱解過程中會(huì)經(jīng)歷含硫自由基的生成、穩(wěn)定與釋放過程,產(chǎn)生一些揮發(fā)性含硫化合物,如焦油和氣相產(chǎn)物,其中,H2S、COS、SO2是主要的含硫氣相產(chǎn)物。在熱解過程中活性含硫基團(tuán)需要結(jié)合活性氫/氧才能生成H2S、COS、SO2[5],引入活性氫/氧是提高熱解脫硫率的重要方法之一。本述評(píng)從高硫煤中有機(jī)硫的賦存形態(tài)及其變遷行為出發(fā),重點(diǎn)討論熱解過程中引入活性氫/氧對(duì)有機(jī)硫變遷行為的影響,進(jìn)而分析煤熱解脫有機(jī)硫的研究趨勢(shì)。

    1 高硫煤中有機(jī)硫的賦存形態(tài)及其變遷行為

    煤中有機(jī)硫是一系列含硫有機(jī)官能團(tuán)的總稱[6],按結(jié)構(gòu)不同可劃分為脂肪硫、芳香硫和雜環(huán)硫三類[7]。脂肪硫包括硫醚、硫醇、二硫化物等,芳香硫有硫酚、硫醌等形態(tài),雜環(huán)硫主要指噻吩類硫。近年來,一些無損分析技術(shù)被用于煤中有機(jī)硫形態(tài)的測(cè)定與分析,其中,X射線光電子能譜(XPS)和X射線吸收光譜(XAS)應(yīng)用最為廣泛。XPS利用不同價(jià)態(tài)硫元素的 2p電子躍遷結(jié)合能來判定硫的賦存形態(tài),通過S 2p譜圖高斯分峰擬合,分析硫化物、噻吩、亞砜、砜等有機(jī)硫賦存形態(tài)[8]。根據(jù)不同價(jià)態(tài)硫元素吸收邊的位置不同,XAS可區(qū)分出二硫化物、硫化物、噻吩、亞砜、砜等形態(tài)[9]。

    各種含硫有機(jī)官能團(tuán)的熱穩(wěn)定性不同,使不同賦存形態(tài)有機(jī)硫的熱分解溫度存在一定差異(表1)。較活潑的脂肪族硫化物在溫度低于500 ℃時(shí)就會(huì)分解生成含硫氣體,較穩(wěn)定的噻吩類硫即使在900 ℃的高溫下也很難發(fā)生分解,導(dǎo)致煤熱解過程中有機(jī)硫的變遷行為十分復(fù)雜。因此,了解煤熱解過程中有機(jī)硫的變遷行為對(duì)高硫煤中硫分的脫除有重要的理論指導(dǎo)意義。

    煤是一種基本結(jié)構(gòu)單元以縮合芳環(huán)為核心的高分子聚合物,基本結(jié)構(gòu)單元外圍連接烷基側(cè)鏈和各種官能團(tuán)。煤中有機(jī)硫與煤基質(zhì)緊密結(jié)合,是煤大分子結(jié)構(gòu)的一部分,在熱解過程中會(huì)伴隨揮發(fā)分的釋放而發(fā)生遷移[5,10]。Yan等[11]將六種有機(jī)硫模型化合物擔(dān)載在半焦上進(jìn)行熱解,發(fā)現(xiàn)有機(jī)硫的分解始于Car-S鍵或Cal-S鍵斷裂生成·SH自由基(圖1),·SH自由基進(jìn)一步反應(yīng)生成新的含硫化合物滯留在半焦中或以揮發(fā)分形式遷移到氣相和焦油中。C-S鍵斷裂生成·SH自由基是高硫煤熱解脫硫速率的決定性步驟[12]。高硫煤熱解是一個(gè)相對(duì)“缺氫”的環(huán)境,溫度較低時(shí),煤中不穩(wěn)定有機(jī)硫分解生成H2S、COS、SO2以及CH3SH等小分子氣相產(chǎn)物[13]。隨著熱解溫度的升高,反應(yīng)體系能量增加,較穩(wěn)定有機(jī)硫結(jié)構(gòu)中的C-S鍵發(fā)生斷裂,有機(jī)質(zhì)自身熱解生成的活性氫難以滿足結(jié)合含硫自由基的需求,含硫自由基不能被及時(shí)穩(wěn)定并釋放,可能與煤大分子骨架裂解碎片結(jié)合生成更穩(wěn)定的含硫結(jié)構(gòu)滯留在半焦中,結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的噻吩硫可能在發(fā)生分解前便揮發(fā)到煤焦油中。此外,高硫煤熱解過程中,無機(jī)硫與有機(jī)硫之間、不同形態(tài)有機(jī)硫之間也會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化[14]。

    煤熱解過程中有機(jī)硫變遷行為極其復(fù)雜,受多種因素的影響。根據(jù)自由基機(jī)理,熱解過程中對(duì)含硫自由基生成、穩(wěn)定與釋放過程有影響的因素,均會(huì)對(duì)有機(jī)硫變遷行為產(chǎn)生影響。其中,高硫煤熱解過程中引入活性氫/氧對(duì)有機(jī)硫變遷行為影響方面研究成果豐碩。

    2 活性氫對(duì)煤中有機(jī)硫變遷行為的影響

    研究發(fā)現(xiàn),高硫煤熱解過程中能為有機(jī)硫分解生成含硫自由基提供活性氫的方式,主要有富氫氛圍下熱解、煤與生物質(zhì)共熱解等。

    2.1 富氫氛圍對(duì)煤中有機(jī)硫變遷行為的影響

    富氫氛圍有H2、CH4、合成氣和水蒸氣等,熱解過程中分解生成的活性氫含量明顯大于煤基質(zhì)自身熱解生成的活性氫,這些活性氫對(duì)含硫自由基的生成與穩(wěn)定有顯著影響?;钚詺涞囊肽軌蛴行趸褐杏袡C(jī)硫的C-S鍵,使C-S鍵解離能降低[15],促進(jìn)煤中噻吩硫、硫醚等轉(zhuǎn)化為硫醇生成·SH[16],活性氫與·SH結(jié)合生成H2S釋放,減少了其與分子量較大的自由基碎片之間的二次反應(yīng),從而提高熱解脫硫率(式(1)-(4))。活性氫在其他重質(zhì)有機(jī)資源熱解過程中也有相同的作用[17,18]。煤在富氫氛圍下熱解脫硫率明顯提高,且生成的含硫氣體主要為H2S,但對(duì)其他含硫氣體(如COS、SO2)的釋放有抑制作用[19],見表2。

    表2 煤在富氫氛圍下熱解的脫硫效果Table 2 Desulfurization effect of coal pyrolysis under hydrogen-enriched atmosphere

    惰性氛圍下,煤基質(zhì)自身熱解供氫,有機(jī)硫分解生成的·SH自由基先與分子量較大的自由基碎片結(jié)合生成硫醇再進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng),煤中內(nèi)在氫不足阻礙了硫的進(jìn)一步析出,導(dǎo)致脫硫率較低。加氫熱解時(shí),H2的分子體積較小,可以有效進(jìn)入煤孔隙結(jié)構(gòu),為與煤基質(zhì)緊密結(jié)合的有機(jī)硫分解提供活性氫,生成H2S,煤中硫主要向氣相變遷(圖2)。研究表明,加氫熱解能同時(shí)脫除煤中的無機(jī)硫和有機(jī)硫,不僅有利于煤中易分解脂肪硫的脫除,還能促進(jìn)較難分解噻吩硫的脫除,且脫硫效果隨煤質(zhì)而變化[20]。

    圖2 熱解和加氫熱解后硫在產(chǎn)物中的分布[20]Figure 2 Sulfur distribution after pyrolysis and hydropyrolysis[20]

    然而,制氫過程工藝成本高、投資費(fèi)用大,加氫熱解的應(yīng)用性受到限制,尋找其他廉價(jià)的富氫氛圍代替氫氣是高硫煤熱解脫硫工藝重要的研究方向,天然氣[26]、合成氣、焦?fàn)t煤氣[24]等富氫氛圍在熱解過程中對(duì)有機(jī)硫變遷行為的影響受到廣泛關(guān)注。天然氣中的CH4在熱解過程中可被煤中的活性自由基活化,生成·CH3和活性氫,增加了與含硫自由基結(jié)合的活性氫,促進(jìn)有機(jī)硫以H2S的形式向氣相遷移。合成氣、焦?fàn)t煤氣中含有大量H2,可替代純氫氣作為熱解氛圍脫硫,保證脫硫率的同時(shí)明顯降低了高硫煤熱解脫硫成本。

    與其他富氫氛圍類似,煤在水蒸氣氛圍下熱解對(duì)H2S的生成有促進(jìn)作用,SO2的生成受到抑制[25,27]。低溫下加入水蒸氣,高硫煤中硫的轉(zhuǎn)化率大于碳的轉(zhuǎn)化率,水蒸氣可以促進(jìn)煤中硫的脫除且對(duì)半焦產(chǎn)率影響較??;隨著溫度的升高,煤基質(zhì)與水蒸氣發(fā)生氣化反應(yīng)生成大量CO[28](式(5)),使半焦產(chǎn)率大幅下降。因此,使用水蒸氣作為熱解氛圍脫硫,對(duì)熱解終溫的選擇有一定要求。

    2.2 煤與生物質(zhì)共熱解對(duì)煤中有機(jī)硫變遷行為的影響

    與煤相比,生物質(zhì)價(jià)格低廉、來源廣泛,且生物質(zhì)具有揮發(fā)分含量高、H/C比高、硫含量低等優(yōu)點(diǎn),但其能量密度低,不易儲(chǔ)存和運(yùn)輸。高硫煤與生物質(zhì)共熱解是煤在富氫氛圍下熱解的延伸,既可以克服生物質(zhì)直接燃燒熱值低所造成的資源浪費(fèi)問題,又可以有效利用生物質(zhì)中揮發(fā)分高、硫含量低的特點(diǎn),為高硫煤熱解過程中有機(jī)硫的分解提供足夠活性氫,從而實(shí)現(xiàn)高硫煤有效脫硫[29,30]。

    與煤熱解類似,生物質(zhì)單獨(dú)熱解過程可分為干燥階段、分解和解聚階段以及縮聚階段[31]。由于生物質(zhì)發(fā)生熱裂解的溫區(qū)與煤熱裂解溫區(qū)有較大差異,煤與生物質(zhì)共熱解過程中是否有協(xié)同效應(yīng)存在爭議[32-34]。然而,大量研究表明,煤與生物質(zhì)共熱解過程中,生物質(zhì)揮發(fā)分開始析出溫度較生物質(zhì)單獨(dú)熱解有所升高,且升高幅度隨煤加入量的增加而增加,煤發(fā)生熱分解溫度較煤單獨(dú)熱解向低溫區(qū)偏移,且偏移程度隨生物質(zhì)添加比例的增大而增大(表3)。共熱解過程中,生物質(zhì)熱解溫區(qū)與煤熱解溫區(qū)有所重疊,存在協(xié)同效應(yīng),且升溫速率增大,協(xié)同效應(yīng)愈發(fā)明顯。

    表3 煤與生物質(zhì)共熱解特性參數(shù)Table 3 Co-pyrolysis characteristics of coal,biomass and blends

    高硫煤與生物質(zhì)共熱解過程中的協(xié)同效應(yīng)主要產(chǎn)生于兩方面原因。一是揮發(fā)分中自由基的相互作用,共熱解過程中,溫度較低時(shí)生物質(zhì)就可生成含氫自由基,與煤表面形成的自由基發(fā)生反應(yīng)[36],使體系活化能降低,反應(yīng)活性提高,促進(jìn)煤熱解反應(yīng);二是生物質(zhì)中堿金屬及堿土金屬的催化作用,生物質(zhì)中這些金屬在共熱解過程中向煤顆粒遷移,附著在其表面,形成較多的活性位點(diǎn),促進(jìn)了熱解反應(yīng)的進(jìn)行。

    高硫煤與生物質(zhì)共熱解的脫硫效果如表4所示。煤與生物質(zhì)共熱解過程中,溫度較低時(shí),一方面生物質(zhì)熱解揮發(fā)分中的活性氫可以及時(shí)結(jié)合有機(jī)硫分解生成的含硫自由基,生成含硫氣體;另一方面,生物質(zhì)熱解生成的大量揮發(fā)分可以增強(qiáng)傳質(zhì)作用,對(duì)煤中揮發(fā)分逸出起到一定促進(jìn)作用,加速含硫氣體的釋放。此外,煤與生物質(zhì)共熱解床層疏松、半焦孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育規(guī)則、不易坍塌,為含硫氣體逸出提供了合適路徑。然而,隨著熱解溫度的升高,一方面生物質(zhì)可能會(huì)軟化、流動(dòng),附著在煤顆粒表面堵塞部分孔結(jié)構(gòu),阻礙煤中揮發(fā)分及含硫氣體逸出;另一方面,生物質(zhì)中堿金屬及堿土金屬可能與含硫氣體發(fā)生二次反應(yīng),生成新的含硫化合物滯留在半焦中,使脫硫率降低[30]。因此,利用高硫煤與生物質(zhì)共熱解脫硫,生物質(zhì)中堿金屬及堿土金屬的含量和溫度等因素均會(huì)對(duì)脫硫效果產(chǎn)生影響。

    表4 煤與生物質(zhì)共熱解脫硫效果Table 4 Desulfurization effect of coal andbiomass co-pyrolysis

    3 活性氧對(duì)煤中有機(jī)硫變遷行為的影響

    活性氧在高硫煤熱解過程中對(duì)有機(jī)硫的變遷行為也會(huì)產(chǎn)生重要影響。為高硫煤熱解脫有機(jī)硫過程提供活性氧的方式,主要有富氧氛圍下熱解、煤與含氧有機(jī)物共熱解。

    3.1 富氧氛圍對(duì)煤中有機(jī)硫變遷行為的影響

    O2、空氣和CO2等富氧氛圍在熱解過程中能夠分解生成活性氧,這些活性氧在溫度較低時(shí)會(huì)選擇性弱化煤中有機(jī)硫的C-S鍵[40,41],促進(jìn)其斷裂,并與生成的含硫自由基結(jié)合,從而影響有機(jī)硫變遷行為[42]。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬煤在富氧氛圍下脫硫機(jī)理[43,44],認(rèn)為不同形態(tài)有機(jī)硫以活性含硫基團(tuán)為中間體可相互轉(zhuǎn)化,活性氧與含硫基團(tuán)反應(yīng)生成SO2、COS等含硫氣體釋放,減少了體系中有機(jī)硫之間的相互轉(zhuǎn)化反應(yīng),提高熱解脫硫率。隨著熱解溫度的進(jìn)一步升高,煤基體中C-C鍵發(fā)生斷裂,并與活性氧結(jié)合生成CO或CO2釋放,半焦產(chǎn)率降低(式(6))。煤在富氧氛圍下熱解脫硫率較惰性氛圍下高[45],且脫硫率隨氧濃度增加而升高,但氧濃度過高時(shí)活性氧會(huì)與煤基體發(fā)生反應(yīng),使半焦產(chǎn)率大幅降低,具體見表5。與富氫氛圍不同,煤在富氧氛圍下熱解的含硫氣相產(chǎn)物主要是 SO2,而非 H2S[41]。

    表5 煤在富氧氛圍下熱解的脫硫效果Table 5 Desulfurization effect of coal pyrolysis under oxygen-enriched atmosphere

    研究表明,O2對(duì)C-S鍵的選擇性斷裂僅局限于煤中不穩(wěn)定的有機(jī)硫,結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的C-S鍵鍵能較大[47],活性氧在促進(jìn)C-S鍵斷裂時(shí)需要較高能量,此時(shí)C-C鍵也會(huì)發(fā)生斷裂,使半焦產(chǎn)率降低。微氧氛圍對(duì)有機(jī)硫變遷行為的影響與煤質(zhì)有關(guān)[52]。1%O2-N2氛圍能促進(jìn)ZY煤中穩(wěn)定有機(jī)硫的脫除,還能促使更穩(wěn)定有機(jī)硫的C-S鍵斷裂生成次穩(wěn)定的有機(jī)硫;而該氛圍對(duì)LZ煤無明顯脫硫效果,這可能與LZ煤中灰分含量高有關(guān),堿性礦物質(zhì)與含硫氣體發(fā)生二次反應(yīng)生成新的含硫化合物,使脫硫率降低[53,54]。

    高硫煤在微氧氛圍下熱解脫硫率高,但半焦產(chǎn)率低。為了得到產(chǎn)率高、含硫量低的半焦,研究者將CO2代替O2作為熱解氛圍進(jìn)行高硫煤的熱解脫硫。如表5所示,微氧氛圍下熱解脫硫率略高于CO2氛圍,但半焦產(chǎn)率卻明顯低于CO2氛圍,因此,相較于微氧氛圍,CO2更適合作為熱解氛圍脫硫。如圖3所示,CO2氛圍下H2S、COS、SO2的釋放量均較高,釋放溫區(qū)降低[49,55],且熱解終溫較高時(shí)CO2氛圍有利于煤中較穩(wěn)定有機(jī)硫的分解[42,56]。

    圖3 不同氛圍下熱解含硫氣體的生成量[42]Figure 3 Amount of sulfur-containing gases during pyrolysis under different atmosphere [42]

    3.2 煤與含氧有機(jī)物共熱解對(duì)煤中有機(jī)硫變遷行為的影響

    高硫煤在富氧氛圍下熱解,脫硫率提高的同時(shí)半焦產(chǎn)率也會(huì)有所降低。有學(xué)者[57,58]對(duì)富氧氛圍進(jìn)行改進(jìn),提出在惰性氛圍中添加一定量的含氧有機(jī)物(醇、酮、醛等)改善熱解氛圍,為有機(jī)硫分解提供活性氧,以期提高熱解脫硫率的同時(shí)降低活性氧對(duì)半焦產(chǎn)率的影響。

    高硫煤與含氧有機(jī)物共熱解過程中,含氧有機(jī)物易發(fā)生分解,生成活性含氧基團(tuán)的同時(shí)也會(huì)生成含氫自由基(式(7)、式(8))。活性含氧基團(tuán)可以選擇性弱化煤中較穩(wěn)定C-S鍵,促進(jìn)其斷裂生成含硫自由基,含氫自由基及時(shí)結(jié)合含硫自由基,生成含硫氣體逸出,促進(jìn)煤中硫向氣相遷移[59]。

    在煤熱解過程中引入乙醇、丙酮等含氧有機(jī)物,會(huì)改變煤中有機(jī)硫的變遷行為[57]。乙醇、丙酮分解生成的含氧自由基與有機(jī)硫反應(yīng),選擇性將芳香基硫化物、二硫化物及較難分解的噻吩硫等氧化成砜類硫,便于脫除,得到硫含量低的半焦。降低升溫速率、增大含氧有機(jī)物添加量,均能使脫硫率升高,且半焦產(chǎn)率降低幅度較?。▓D4)。

    圖4 不同條件下熱解YZ煤的脫硫率及半焦產(chǎn)率[57]Figure 4 Desulfurization and char yield of YZ-coal pyrolysis under different conditions[57]

    然而,也有學(xué)者認(rèn)為,共熱解過程中含氧有機(jī)物熱分解生成小分子物質(zhì),與煤大分子發(fā)生反應(yīng),促進(jìn)煤中揮發(fā)分的析出,含氧有機(jī)物分解生成的碳?xì)渥杂苫梢云鸬椒€(wěn)定分子量較大的煤裂解自由基碎片的作用,減小大分子自由基間的縮聚程度,一定程度上抑制了重質(zhì)焦油和積炭的生成,提高了熱解焦油的產(chǎn)率和品質(zhì)[60]。

    4 煤中活性氫/氧對(duì)煤中有機(jī)硫變遷行為的影響

    除了上述脫硫方法,煤熱解生成的揮發(fā)分對(duì)有機(jī)硫的變遷行為也會(huì)產(chǎn)生影響。配煤煉焦過程中,在保證焦炭質(zhì)量的前提下,為了增加高硫煤的配入量,提出在高硫煤配煤煉焦過程中增加高揮發(fā)分煤的配入量,以期通過揮發(fā)分來調(diào)控有機(jī)硫的變遷行為,最終減少焦炭中硫含量、提升焦炭質(zhì)量。

    煤熱解揮發(fā)分中含有大量活性含氫、含氧基團(tuán),這些活性基團(tuán)在揮發(fā)分逸出過程中會(huì)與初生半焦表面的含硫自由基發(fā)生二次反應(yīng),從而影響有機(jī)硫變遷行為。在高硫煤熱解過程中,含硫氣體的逸出受化學(xué)反應(yīng)和氣體擴(kuò)散共同作用。在600 ℃以下的低溫階段,化學(xué)反應(yīng)占主導(dǎo)地位,揮發(fā)分中含氫、含氧基團(tuán)與初生半焦表面含硫化合物間的相互作用可以促進(jìn)有機(jī)硫分解生成含硫氣體逸出,減少半焦中硫含量;在600 ℃以上的高溫階段,含硫氣體釋放由氣體擴(kuò)散主導(dǎo),含硫氣體易被煤中有機(jī)質(zhì)或礦物質(zhì)捕獲,發(fā)生二次反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的含硫化合物滯留在半焦中,使脫硫率有所降低[61]。

    高硫煤與高揮發(fā)分煤共熱解過程中,高揮發(fā)分煤在溫度較低時(shí)發(fā)生熱分解,生成大量含氫含氧揮發(fā)分,使體系自由基濃度增加,可促使高硫煤進(jìn)一步發(fā)生熱解[62],說明配煤煉焦中利用高揮發(fā)分煤調(diào)控有機(jī)硫變遷行為具有可行性。在高硫配煤中加入高揮發(fā)分低硫煤進(jìn)行共熱解[63],CH4釋放溫區(qū)與H2S釋放溫區(qū)相近,且重疊范圍越大,高揮發(fā)分煤對(duì)硫分的調(diào)控作用越明顯。CH4主要來源于煤中脂肪側(cè)鏈的斷裂,此過程中會(huì)生成大量活性氫,在此溫度區(qū)間,含硫基團(tuán)可與活性氫結(jié)合生成H2S。共熱解焦炭中硫含量隨高揮發(fā)分煤添加量的增大而降低(圖5),且焦炭中硫含量實(shí)驗(yàn)值低于理論值,說明高揮發(fā)分煤的加入不僅會(huì)產(chǎn)生加和效應(yīng),還會(huì)對(duì)不同煤種間的相互作用產(chǎn)生影響。高揮發(fā)分煤熱解揮發(fā)分在有效活化C-S鍵促進(jìn)其斷裂生成含硫自由基的同時(shí),也強(qiáng)化了傳質(zhì)作用,在一定程度上抑制了含硫自由基與新生半焦的反應(yīng),使脫硫率增加。此外,高揮發(fā)分煤熱解揮發(fā)分也會(huì)改變硫變遷行為,使共熱解所得焦炭表面噻吩硫含量明顯減少、硫化物硫含量增加。然而,當(dāng)高揮發(fā)分煤加入量過多時(shí),礦物質(zhì)的固硫作用超過揮發(fā)分對(duì)硫釋放的促進(jìn)作用,導(dǎo)致脫硫率降低、焦炭中硫含量增加[64]。

    圖5 混煤焦中硫含量[63]Figure 5 Content of sulfur form in coal blend cokes [63]BC2: high sulfur blend coal; HVC: high volatile coal

    5 展 望

    基于高硫煤中有機(jī)硫賦存形態(tài)多樣、不能通過傳統(tǒng)燃前物理方法有效脫除,且在熱轉(zhuǎn)化過程中變遷行為復(fù)雜、受多種因素的影響,高硫煤熱解過程中有機(jī)硫變遷行為的定向調(diào)控已成為近年來的研究熱點(diǎn)。

    根據(jù)煤熱解的自由基機(jī)理,要實(shí)現(xiàn)高硫煤中有機(jī)硫的定向調(diào)控,可考慮采取如下措施。第一,強(qiáng)化煤中C-S鍵的選擇性斷裂,促使煤中更多的有機(jī)硫發(fā)生分解;第二,提供足夠的活性氫/氧,并使其與含硫自由基結(jié)合形成含硫氣體;第三,確保有合適的傳質(zhì)通道,使形成的含硫氣體順利擴(kuò)散出去,而不是發(fā)生二次反應(yīng)滯留在焦炭。

    煤在富氫/氧氛圍下熱解或煤與生物質(zhì)、含氧有機(jī)物、高揮發(fā)分煤共熱解,均可以選擇性弱化有機(jī)硫的C-S鍵促使其斷裂,生成的含硫自由基與活性氫/氧及時(shí)結(jié)合生成含硫氣體。熱解過程中有機(jī)硫隨揮發(fā)分的逸出而發(fā)生變遷,含硫氣體逸出過程中,會(huì)隨揮發(fā)分經(jīng)歷與焦質(zhì)層、半焦、焦炭的相互作用,可能與煤中堿性礦物質(zhì)或煤基質(zhì)發(fā)生二次反應(yīng),生成更加穩(wěn)定的含硫結(jié)構(gòu)滯留在固體產(chǎn)物中。因此,在后續(xù)的研究中了解高硫煤熱解過程中揮發(fā)分傳質(zhì)對(duì)有機(jī)硫變遷行為的影響機(jī)制尤為重要。

    以上熱解脫硫方法在降低焦中硫含量的同時(shí),也會(huì)影響到煤焦的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),在保證脫硫率的同時(shí),降低對(duì)焦炭強(qiáng)度、反應(yīng)性等性質(zhì)的影響,對(duì)于高硫煤的清潔高效利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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