張 勇

（山西西山煤氣化有限責(zé)任公司，山西 古交 030205）

煤炭仍然在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將占據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)主導(dǎo)地位。近年來(lái)，隨著采煤技術(shù)和水平的發(fā)展，煤炭開(kāi)采效率不斷提升。煤炭在實(shí)際應(yīng)用中，除了直接使用外還可通過(guò)焦化改變其性質(zhì)提高其性能應(yīng)用。但是，煤炭在應(yīng)用中均會(huì)不可避免地產(chǎn)生污染性氣體，對(duì)周圍環(huán)境造成污染，而且硫?yàn)槊禾咳紵闹饕廴驹碵1]。為有效控制固定床熱解和氣化過(guò)程中由于硫?qū)е碌奈廴疚?，本文重點(diǎn)開(kāi)展了固定床煤熱解和氣化過(guò)程中硫的遷徙特性研究。

1 超高溫?zé)煔獍l(fā)生工藝研究

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，基于流化床技術(shù)可對(duì)貧煤、煤泥以及煤矸石等劣質(zhì)燃料進(jìn)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(qiáng)的特點(diǎn)。基于流化床可實(shí)現(xiàn)水蒸氣與空氣的混合，在高溫條件下對(duì)煤炭進(jìn)行燃用從而提高煤氣的熱值。該種優(yōu)勢(shì)促使了流化床在工業(yè)中的應(yīng)用?；诹骰驳某邷?zé)煔獍l(fā)生工藝如圖1 所示。

圖1 超高溫?zé)煔獍l(fā)生工藝流程

基于流化床的超高溫?zé)煔獍l(fā)生工藝的詳細(xì)步驟如下：原煤在氣化爐中進(jìn)行氣化處理，生成高溫煤氣；氣化處理后的殘焦通過(guò)煙氣發(fā)生爐提供的大過(guò)量空氣環(huán)境使其充分燃燒，并形成了含氧的高溫?zé)煔?；最后，在上述形成的高溫煤氣和高溫?zé)煔獬浞秩紵?，并將煙氣溫度提高? 200 ℃[2]。上述超高溫?zé)煔獍l(fā)生工藝中所產(chǎn)生的的SO2會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。因此，針對(duì)超高溫?zé)煔獾陌l(fā)生需重點(diǎn)解決硫污染的問(wèn)題。本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式開(kāi)展研究固定床煤熱解和氣化過(guò)程中硫的遷徙特性，為后續(xù)脫硫奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行研究，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要為本次研究選擇合理的設(shè)備和匹配的測(cè)試方法。本節(jié)重點(diǎn)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法的研究。

2.1 研究對(duì)象及裝置

本次實(shí)驗(yàn)所采用的研究對(duì)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(gè)級(jí)別，而且每個(gè)級(jí)別的原煤在實(shí)驗(yàn)前均需將其在55℃的環(huán)境下烘干5 h。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：本次實(shí)驗(yàn)基于固定床為載體，分別對(duì)其煤熱解過(guò)程和氣化過(guò)程硫的遷徙特性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如表1 所示。

表1 硫遷徙特性試驗(yàn)裝置一覽表

2.2 測(cè)試方法

針對(duì)不同狀態(tài)的被測(cè)物執(zhí)行不同的測(cè)試方法。針對(duì)原煤和半焦中的全硫成分執(zhí)行GB/T 214—2007的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定；半焦中的硫酸鹽硫、黃鐵礦硫等成分基于Gladfelter 方法測(cè)定[3]。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中所得焦油中的含硫成分基于元素分析儀進(jìn)行測(cè)定；此外，在試驗(yàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的含硫氣體主要采用紅外氣體分析對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析。

3 煤熱解和氣化過(guò)程中硫的遷徙特性研究

在上述實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本節(jié)對(duì)固定床煤熱解和氣化過(guò)程中硫的遷徙結(jié)果進(jìn)行分析。煤熱解是煤炭燃燒和氣化反應(yīng)所經(jīng)歷的必要過(guò)程，基于固定床的煤的熱解反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 煤的熱解反應(yīng)試驗(yàn)流程

煤炭熱解反應(yīng)分為快速升溫和程序升溫階段，此兩階段的反應(yīng)均在石英管式爐中執(zhí)行。本文重點(diǎn)對(duì)快速升溫階段的熱解反應(yīng)進(jìn)行研究，對(duì)應(yīng)的熱解反應(yīng)的參數(shù)為：選取4 g 的待測(cè)試樣品，在常壓狀態(tài)下將氣體流量設(shè)定為1 000 mL/min，并將熱解反應(yīng)溫度設(shè)定在500 ℃～900 ℃之間，設(shè)定熱解反應(yīng)的時(shí)間為30 min[4]。

本小節(jié)主要針對(duì)快速升溫階段，對(duì)半焦產(chǎn)品的產(chǎn)生率、全硫的變化特性進(jìn)行研究，具體變量為熱解反應(yīng)溫度和被測(cè)樣品。

3.1 半焦產(chǎn)率的變化

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

圖3 熱解反應(yīng)半焦產(chǎn)率的變化

3.2 半焦中全硫的變化

不同被測(cè)樣品在不同熱解反應(yīng)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(yīng)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(cè)樣品在不同熱解反應(yīng)溫度下全硫成分的變化趨勢(shì)不同。對(duì)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(dá)到17.5%；對(duì)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(shì)，且最高點(diǎn)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(shí)半焦中的全硫比例最高可達(dá)30.69%，之后隨著溫度的升高全硫比例減小，并在900 ℃達(dá)到最低為201.3%；對(duì)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(shì)與四川煤樣相似，但是在各個(gè)溫度點(diǎn)的值均高于四川煤樣。

導(dǎo)致上述變化的主要原因?yàn)樗拇簶又械牧蛑饕杂袡C(jī)硫的形式存在，因此隨著熱解溫度的升高對(duì)應(yīng)的有機(jī)硫被分解，而在低溫狀態(tài)下其不易被分解。而對(duì)于山西、林南以及黃陵煤樣，硫主要以無(wú)機(jī)硫的形式存在[5]?？偟膩?lái)講，針對(duì)煤中的硫成分除了可采用高水蒸氣的方式對(duì)其抑制外，還可對(duì)不同煤樣設(shè)定不同的反應(yīng)溫度達(dá)到脫硫的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

煤炭作為我國(guó)的主要能源之一，其在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍然占據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位。但是，煤炭在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的硫化物、二氧化硫等均會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。因此，掌握煤炭燃燒過(guò)程中硫成分的遷徙對(duì)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(kāi)展了固定床煤熱解反應(yīng)中硫的遷徙特性，并總結(jié)如下：

1）不同煤樣對(duì)應(yīng)在不同熱解反應(yīng)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(dǎo)致；

2）不同煤樣對(duì)應(yīng)在不同熱解反應(yīng)下半焦產(chǎn)率的變化趨勢(shì)一致，隨著熱解反應(yīng)溫度的升高對(duì)應(yīng)不同煤樣的半焦產(chǎn)率增加。