固定床煤热解过程中硫的迁徙特性研究

张 勇

（山西西山煤气化有限责任公司，山西 古交 030205）

煤炭仍然在未来很长时间内将占据我国能源结构主导地位。近年来，随着采煤技术和水平的发展，煤炭开采效率不断提升。煤炭在实际应用中，除了直接使用外还可通过焦化改变其性质提高其性能应用。但是，煤炭在应用中均会不可避免地产生污染性气体，对周围环境造成污染，而且硫为煤炭燃烧的主要污染源[1]。为有效控制固定床热解和气化过程中由于硫导致的污染物，本文重点开展了固定床煤热解和气化过程中硫的迁徙特性研究。

1 超高温烟气发生工艺研究

在实际工业生产中，基于流化床技术可对贫煤、煤泥以及煤矸石等劣质燃料进行燃烧使用，加之流化床具有传热性高、燃烧性能稳定以及适用性强的特点。基于流化床可实现水蒸气与空气的混合，在高温条件下对煤炭进行燃用从而提高煤气的热值。该种优势促使了流化床在工业中的应用。基于流化床的超高温烟气发生工艺如图1 所示。

图1 超高温烟气发生工艺流程

基于流化床的超高温烟气发生工艺的详细步骤如下：原煤在气化炉中进行气化处理，生成高温煤气；气化处理后的残焦通过烟气发生炉提供的大过量空气环境使其充分燃烧，并形成了含氧的高温烟气；最后，在上述形成的高温煤气和高温烟气充分燃烧，并将烟气温度提高至1 200 ℃[2]。上述超高温烟气发生工艺中所产生的的SO2会对环境造成严重的污染。因此，针对超高温烟气的发生需重点解决硫污染的问题。本文将通过实验的方式开展研究固定床煤热解和气化过程中硫的迁徙特性，为后续脱硫奠定基础。

2 实验设备及测试方法

本文通过实验的方式进行研究，为保证实验结果需要为本次研究选择合理的设备和匹配的测试方法。本节重点开展实验设备和测试方法的研究。

2.1 研究对象及装置

本次实验所采用的研究对象为四川、山西、黄陵以及林南的原煤，所选原煤的粒度分为0.125 mm 以下和0.18 mm～0.25 mm 两个级别，而且每个级别的原煤在实验前均需将其在55℃的环境下烘干5 h。

实验内容：本次实验基于固定床为载体，分别对其煤热解过程和气化过程硫的迁徙特性进行研究，设计的实验装置如表1 所示。

表1 硫迁徙特性试验装置一览表

2.2 测试方法

针对不同状态的被测物执行不同的测试方法。针对原煤和半焦中的全硫成分执行GB/T 214—2007的相关标准测定；原煤总的硫酸盐硫、黄铁矿硫等成分执行GB/T 215—2003 的相关标准测定；半焦中的硫酸盐硫、黄铁矿硫等成分基于Gladfelter 方法测定[3]。

针对实验中所得焦油中的含硫成分基于元素分析仪进行测定；此外，在试验过程中所产生的含硫气体主要采用红外气体分析对其进行实时在线分析。

3 煤热解和气化过程中硫的迁徙特性研究

在上述实验方案设计的基础上，本节对固定床煤热解和气化过程中硫的迁徙结果进行分析。煤热解是煤炭燃烧和气化反应所经历的必要过程，基于固定床的煤的热解反应的实验装置设计如图2 所示。

图2 煤的热解反应试验流程

煤炭热解反应分为快速升温和程序升温阶段，此两阶段的反应均在石英管式炉中执行。本文重点对快速升温阶段的热解反应进行研究，对应的热解反应的参数为：选取4 g 的待测试样品，在常压状态下将气体流量设定为1 000 mL/min，并将热解反应温度设定在500 ℃～900 ℃之间，设定热解反应的时间为30 min[4]。

本小节主要针对快速升温阶段，对半焦产品的产生率、全硫的变化特性进行研究，具体变量为热解反应温度和被测样品。

3.1 半焦产率的变化

如图3 所示，随着热解反应温度的增加，热解反应中半焦的产率呈现下降的趋势；同时，在4 种被测样品中以四川煤样的半焦产率最高；黄陵煤样在热解反应中的半焦产率最低。

图3 热解反应半焦产率的变化

3.2 半焦中全硫的变化

不同被测样品在不同热解反应温度下半焦中的全硫所占比例的变化如图4 所示。

图4 热解反应中半焦全硫成分的变化情况

如图4 所示，从整体上分析不同被测样品在不同热解反应温度下全硫成分的变化趋势不同。对于四川煤样，随着温度的升高半焦中的全硫成分明显增加，且最高可达到17.5%；对于山西煤样，随着温度的升高半焦中的全硫成分呈现先增大后减小的变化趋势，且最高点为在700 ℃的18.18%，在500℃和900 ℃分别为14.54%和16.95%；黄陵煤样在600 ℃时半焦中的全硫比例最高可达30.69%，之后随着温度的升高全硫比例减小，并在900 ℃达到最低为201.3%；对于林南煤样而言，随着温度的升高半焦中的全硫成分逐渐增加，其变化趋势与四川煤样相似，但是在各个温度点的值均高于四川煤样。

导致上述变化的主要原因为四川煤样中的硫主要以有机硫的形式存在，因此随着热解温度的升高对应的有机硫被分解，而在低温状态下其不易被分解。而对于山西、林南以及黄陵煤样，硫主要以无机硫的形式存在[5]。总的来讲，针对煤中的硫成分除了可采用高水蒸气的方式对其抑制外，还可对不同煤样设定不同的反应温度达到脱硫的目的。

4 结语

煤炭作为我国的主要能源之一，其在未来很长时间内仍然占据我国能源结构的主导地位。但是，煤炭在燃烧过程中产生的硫化物、二氧化硫等均会对环境造成严重的污染。因此，掌握煤炭燃烧过程中硫成分的迁徙对于控制硫的排放、减少环境污染具有重要意义。本文主要开展了固定床煤热解反应中硫的迁徙特性，并总结如下：

1）不同煤样对应在不同热解反应下硫成分的迁徙特性各不相同，主要是由于不同煤样中硫存在的形态不同所导致；

2）不同煤样对应在不同热解反应下半焦产率的变化趋势一致，随着热解反应温度的升高对应不同煤样的半焦产率增加。