高硫煤热解过程中硫迁移规律及脱硫后焦炭特性研究_安宇凤.pdf

第 38 卷第 1 期煤质技术Vol.38No.12023 年 1 月COAL QUALITY TECHNOLOGYJan 2023移动阅读安宇凤，刘洋，王明登，等 高硫煤热解过程中硫迁移规律及脱硫后焦炭特性研究 J 煤质技术，2023，38(1):1320AN Yufeng，LIU Yang，WANG Mingdeng，et al Study on sulfur migration during pyrolysis and coke characteristicsafter desulphurization of highsulfur coal J Coal Quality Technology，2023，38(1):1320高硫煤热解过程中硫迁移规律及脱硫后焦炭特性研究安宇凤1，刘洋1，王明登2，郑亚杰2，崔意斌1，钟祥云1，白金锋1(1.辽宁科技大学 化工学院，辽宁 鞍山114051;2.中冶焦耐工程技术有限公司，辽宁 大连116085)摘要:高硫炼焦煤是当前焦化行业应用较为广泛的配煤原料之一，掌握高硫煤热解过程中各形态硫的迁移规律可针对性地控制其在热转化过程中的硫排放。对 4 种不同煤化度的高硫煤在热解过程中的硫迁移规律进行研究，并选取 2 种脱硫剂来探究脱硫剂含量与高硫煤脱硫效率的关系，再通过 2 kg 焦炉试验用以考察添加脱硫剂对焦炭热态性能的影响。结果表明，随着热解过程的持续进行，4 种高硫煤中的各形态硫含量均呈现降低趋势，其中 1/3 焦煤 LL 和肥煤 SF 在1 000 时脱硫效率均在 44%以上。浸渍 H3BO3和 MgCl2会提高炼焦煤的脱硫效率，其中 H3BO3对热解过程中炼焦煤脱硫能力的提升尤为明显，肥煤 SF、焦煤 XY 在 H3BO3含量分别为 3%、3.5%时的脱硫效率最高，脱硫效率分别为52.9%、39.6%。在炼焦煤中添加一定比例H3BO3，会改善焦炭的热态性能以及提高焦炭的反应后强度，同时对焦炭的成块性能和气孔结构带来负面影响，但 MgCl2中镁离子对碳溶损反应的催化作用则使肥煤 SF 和焦煤 XY 的焦炭粒焦反应性升高以及反应后强度降低。关键词:高硫炼焦煤;焦炭特性;热解迁移;脱硫效率;热态性能;气孔结构;形态硫含量中图分类号:TQ530.2;X701文献标志码:A文章编号:10077677(2023)0101308收稿日期:20221221责任编辑:傅丛DOI:10.3969/j.issn.10077677.2023.01.002基金项目:中冶集团“181 计划”首批资助项目“焦炉协同处置冶金企业及城市固废中难降解高分子聚合物关键技术与装备的研究”作者简介:安宇凤(2003)，女，河北衡水人，本科生，目前从事煤基础转化方面的研究工作。Email:2846600681 通讯作者:刘洋(1986)，男，辽宁鞍山人，讲师、硕士，目前主要研究方向为炼焦煤清洁高效利用。Email:287994306 Study on sulfur migration during pyrolysis and coke characteristics afterdesulphurization of highsulfur coalAN Yufeng1，LIU Yang1，WANG Mingdeng2，ZHENG Yajie2，CUI Yibin1，ZHONG Xiangyun1，BAI Jinfeng1(1 College of Chemical Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan114051，China;2 ACE Coking efractory Engineering Consulting Corporation Ltd，MCC，Dalian116085，China)Abstract:Highsulfur coking coal is one of the widely used coal blending raw materials in the current coking indus-try，and mastering the migration law of sulfur in various forms during the pyrolysis process of highsulfur coal cancontrol its sulfur emission in the process of heat conversion In this paper，the sulfur migration rules of four differentkinds of coalification and highsulfur coal pyrolysis were studied Two desulfurization agents were selected to explorethe relationship between the desulfurization agent content and the desulfurization efficiency of highsulfur coal，andfinally the effect of adding desulfurization agent on the thermal properties of coke were investigated by the 2 kg cokeoven test The results show that with the continuous pyrolysis process，the sulfur content of all forms in the four highsulfur coals shows a decreasing trend，among which the desulfurization efficiency of LL 1/3 coking coal and SF fer-tilizer coal at 1 000 are above 44%Impregnation of H3BO3and MgCl2can improve the desulfurization efficiency of煤质技术2023 年第 38 卷coking coal，and H3BO3has a particularly significant effect on desulfurization ability of coking coal during pyrolysisWhen H3BO3content is 3%and 3.5%，the SF fertilizer coal and XY coking coal have the highest desulfurization effi-ciency，which is 52.0%and 38.3%，respectively Adding a certain proportion of H3BO3to coking coal will improvethe thermal properties of coke and improve the postreaction strength of coke It also has a negative effect on the lumpforming property and the porespore structure of coke However，the catalytic effect of magnesium ions on the car-bon dissolution damage reaction in MgCl2increases the coke reactivity of SF and XY coke，and the strength decreasesafter the reactionKey words:highsulfur coking coal;coke characteristics;pyrolysis migration;desulfurization efficiency;thermalstate performance;porespore structure;morphological sulfur content0引言在钢铁行业快速发展及国家双碳战略背景下，绿色高效冶炼技术逐渐推行，由此对高炉冶金焦性能提出更高的要求。而我国煤炭资源分布不均，低灰、低硫的优质炼焦煤资源紧张，若需在扩大炼焦煤资源的同时保证焦炭质量，使用储量丰富的高硫煤进行炼焦生产则成为缓解资源短缺的有效途径之一12。然而，煤中硫含量的增加易影响生铁的质量，同时含硫气体的大量排放更会对环境造成一系列的危害3，因而势必要掌握高硫煤热解过程中各形态硫的迁移规律，以期达到对高硫煤热转化过程中硫排放的针对性控制。关于热解过程中的硫形态迁移已受到研究者的高度重视。王美君等48 通过研究高硫煤中的硫变迁和交互作用机制，发现不同变质程度炼焦煤在热解过程中的硫存在形式完全不同，低变质程度煤热解硫主要分布在气相中，而高变质程度煤中硫以噻吩结构存在，高温下难分解且易残留于半焦。余长有等911 研究煤热解硫迁移和分布，发现低变质程度煤中硫更多转移至液体产物中，脱硫效率较高。LIU 等1216 采用微波法辐射以脱除炼焦煤中的硫，且对无机硫和有机硫均表现出较强的脱除能力，但此法会对炼焦煤的黏结性能造成一定影响。JOJANI 等1718 研究发现，在适当条件下使用丁醇钠时有机硫的脱除率可达 49%。综上所述，对于高硫煤热解过程硫转化及硫脱除的相应研究颇多，但对脱硫后焦炭性能的影响鲜有报道。因此，确保添加脱硫剂在提高脱硫效率的同时兼顾焦炭高温热性质至关重要。基于炼焦煤资源及焦炭生产成本的考虑，近年来多数焦化厂普遍以高硫煤作为重要的炼焦煤种，其中山西地区高硫煤在国内各焦化企业用量增加明显19，因此在对高硫煤进行有效利用时深入了解炼焦过程中的硫迁移及硫转化机制已成为迫切问题。笔者通过研究高硫煤热解过程中各形态硫的迁移规律，进而选取适当脱硫剂对硫元素进行定向处理，并在提高脱硫效率下考察不同脱硫剂对焦炭热态性能的影响，用以指导炼焦生产，为高硫煤的合理高效利用提供一定的理论支持。1实验部分1.1实验原料选取的实验用煤是由国内某炼焦厂提供的 4 种单种炼焦煤，分别是编号为 LL 的 1/3 焦煤、编号为 SF 的肥煤、编号为 XY 的焦煤和编号为 LS 的焦煤，以 下 将 实 验 用 煤 样 分 别 简 称 为 LL、SF、XY、LS 或 1/3 焦煤 LL、肥煤 SF、焦煤 XY、焦煤 LS。实验用煤的基础煤质数据分析见表 1。表 1炼焦煤的基础煤质数据Table 1Basic coal quality data of coking coal煤样名称工业分析/%MadAdVdafG形态硫含量/%St，dSs，dSp，dSo，d胶质层厚度/mmY最大反射率/%maxLL1.6510.3232.24861.930.040.261.66181.07SF1.0610.1835.49981.910.030.551.33270.83XY0.669.3622.51812.270.040.202.03161.43LS0.499.8318.38642.210.030.162.02121.7641第 1 期安宇凤等:高硫煤热解过程中硫迁移规律及脱硫后焦炭特性研究1.2固定床炭化反应实验炼焦煤热解产物形态硫迁移实验采用固定床炭化反应装置进行，取煤样 10 g，装于瓷舟中，依次推进固定床炭化装置恒温区，高纯氮气做保护气体，流速 0.5 L/min，升温前对设备吹扫 5 min 以排尽炉内空气。热解温度从 300 升至 1 000，达到热解终温后停止升温，继续