煤热解过程中轻质组分对有机硫变迁的作用机制

It is of great significance to determine sulfur forms in coals and investigate the sulfur transformation during coal pyrolysis. This pioneer study found that the light organic matters in coal are of great influences on the sulfur transformation to gas phase during coal pyrolysis. However, it is lack of systematical and deep study to investigate the influence rules and effect mechanism of the component of light organic matters on the transformation of organic sulfur during coal pyrolysis. Thus, typical high-organic sulfur coals with middle coal-rank will be chosen as experimental samples, varied methods will be applied to analyze and determine the forms of organic sulfur in coals. Light organic matters are gradually stripped by extraction and then pyrolyzed by PY-GC/MS to investigate the products on-line, meanwhile, sulfur-containing organic compounds, high-organic sulfur coals, and its residues will be pyrolyzed to investigate the influence rules of light organic matters on the sulfur transformation. Moreover, sulfur-containing organic compounds will be mixed in the extracts and coal tar from low-sulfur coal and the major component of light organic matters, and then pyrolyzed to explore the effect mechanism of light organic matters on the transformation of organic sulfur during coal pyrolysis and confirm the best pyrolysis temperature of light organic matters promoting the transformation of organic sulfur to gas phase. The research results of this project will supply the theoretical basis for the sulfur removing and high efficiency and clean utilization of high-sulfur coal.

煤中有机硫赋存形态及其在热解过程中变迁行为的研究是高硫煤高效清洁利用的基础。前期研究表明，在煤的热转化过程中，轻质组分可促进有机硫向气相变迁，但尚未展开系统的研究，也缺乏煤中轻质组分的组成对有机硫变迁行为的影响规律及机理探讨。本项目选用我国典型中等变质程度高有机硫煤为研究对象，采用多尺度分析表征手段对煤中的有机硫形态进行表征；利用溶剂分级萃取剥离富集煤中的轻质组分，并采用热解-气质联用仪在线考察其分段热解产物的特征，结合有机硫模型化合物、高硫煤及萃取残渣中有机硫在分段热解过程中的变迁行为，考察轻质组分对煤热解过程中有机硫变迁行为的影响规律；利用低硫煤萃取物/热解焦油/典型轻质组分组成的模型化合物与含硫模型化合物共热解，探讨轻质组分特定组成对有机硫变迁行为的作用机理，并确定轻质组分促进有机硫向气相变迁的最佳热解条件。研究结果可为高有机硫煤的脱硫及其高效清洁转化提供理论依据。

在热转化过程中，煤中相对富氢富氧的轻质组分对有机硫变迁行为的影响规律及作用机制是高硫煤清洁高效利用需要进行探索和解决的关键问题之一，需对该过程的实质进行研究，以实现高有机硫煤的清洁高效利用。本研究选用我国典型中等变质程度高有机硫煤为研究对象，采用溶剂分级萃取法分离富集煤中轻质组分，通过对比高硫煤及其萃取残渣热解半焦中形态硫分布和含硫气体的逸出规律，考察了轻质组分对煤热解过程中有机硫变迁的影响规律。在此基础上，对原煤、萃余煤及萃取物进行不同温度下的热解实验，对比原煤热解气态焦油及萃余煤与萃取物热解气态焦油中噻吩硫生成量的加和，探讨了不同轻质组分的组成对噻吩硫变迁行为的影响，结合轻质组分的组成分布对气态焦油中噻吩硫变迁的作用差异性，提出轻质组分在硫变迁过程中的供氢供氧机制。结果表明，煤中的轻质组分600 °C前几乎不发生化学反应，各组分的产率均较低。随热解温度的升高，轻质组分发生剧烈裂解反应，可大幅裂解成分子量相对较小的化合物，各组分的产率均增加。当温度过高时，轻质组分主要以缩聚反应为主，使热解产物中各组分产率略有下降。轻质组分的萃取会减少煤热解过程中与含硫自由基结合的含氢、含氧活性基团，减少含硫气体的释放，减少半焦中砜类硫的含量。不同类型轻质组分对热解气态焦油中噻吩硫变迁的作用具有差异性，烯烃类和芳香族轻质组分能与结构相对简单的含硫化合物反应生成结构稳定的噻吩硫。含氧类化合物可将噻吩硫氧化成砜类或亚砜类物质，抑制其在气态焦油中的生成。本研究项目的结果将为高有机硫煤脱硫及其高效清洁转化提供科学依据和工业应用基础理论，为该技术的进一步工业应用提供理论支撑。通过本研究项目，发表SCI收录文章3篇，发表核心期刊收录论文3篇，已接收核心期刊论文2篇，培养硕士研究生5名。