显微组分相互作用对炼焦煤热解硫变迁的影响机理研究

Coke is important for iron and steel industry, the coke quality, especially the sulfur content in coke, directly affect the operation stability of the blast furnace and the quality of molten iron. With the deepening of mining depth, the sulfur content in coking coal increased gradually. The removal of sulfur in coking coal has been the concern of the scholars, but so far, there is no efficient removal method, which main due to the form and occurrence of sulfur in coal is not clear. This project with high sulfur coking coal as the research object, using density gradient centrifugation technology to obtain high purity vitrinite and inertinite, on the basis of system analysis and characterization of maceral, through the analysis of the coal chemistry and theory of coal petrography, combined with the simulation calculation of quantum chemistry, from the level of coal macromolecular, state of aggregation and microscopic multi-level study on sulfur transformation of coal vitrinite and inertinite during pyrolysis, vitrinite and inertinite interaction mechanism in micro - mesoscopic – macro of sulfur transformation. The project will deepen the pyrolysis mechanism of coal and sulfur transformation mechanism, is meaningful to improve the coking process and desulphurization.

焦炭是钢铁行业必需的原料，焦炭品质的高低，尤其是焦炭中硫含量的高低，直接影响高炉的操作稳定性及铁水的质量。随着开采深度的加深，炼焦煤中的硫含量有逐年升高趋势，导致焦炭中硫含量也升高。炼焦煤中硫的脱除一直是学者们关注的问题，但迄今为止，依然没有高效的脱除方法，究其原因，还是对煤中硫的赋存形态及热转化变迁规律没有清晰的认识。本项目以高硫炼焦煤为研究对象，采用等密度梯度离心分离技术获得高纯度镜质组、惰质组，在系统分析和表征显微组分的基础上，通过煤化学和煤岩学理论分析，结合量子化学模拟计算，从煤大分子水平、聚集态和显微煤岩多层次考察镜质组、惰质组热解过程中形态硫的变迁规律，阐明镜质组与惰质组之间在微观-介观-宏观上的相互作用机制对硫逸出的影响。本项目将深化对煤的热解机理和硫逸出机理的本质认识，为炼焦工艺过程优化及脱硫提高供理论基础。

焦炭中硫含量的高低，直接影响高炉的操作稳定性及铁水质量，炼焦煤中硫分逐年升高，炼焦煤中硫的脱除因为对煤中硫的赋存形态及热转化变迁规律没有清晰的认识而依然没有高效的脱硫方法。本项目以高硫炼焦煤为研究对象，采用等密度梯度离心分离技术获得高纯度镜质组、惰质组，在系统分析和表征显微组分的基础上，通过煤化学和煤岩学理论分析，结合量子化学模拟计算，从煤大分子水平、聚集态和显微煤岩多层次考察镜质组、惰质组热解过程中形态硫的变迁规律，阐明镜质组与惰质组之间在微观-介观-宏观上的相互作用机制对硫逸出的影响。研究发现镜质组和惰质组之间存在相互作用，而这种相互作用使得煤中H2S的逸出强度与单独显微组分相比有所降低，这意味着在相同条件下，以气体形式逸出的硫减少。显微组分之间的相互作用不利于稳定有机磺酸盐的分解，从而抑制了高温下SO2的逸出。以量子化学理论和有机反应理论为基础，从微观上揭示了煤中有机硫的热解机理。选择噻吩、苄基硫醇、苯甲基硫醚、二苯甲基二硫和邻甲苯二硫醚为研究对象，进行了量子化学模拟计算，结果表明：二苯甲基二硫和邻甲苯二硫醚中的S―S键强度较弱，在热解过程中易断裂，是热解引发键；在其他的模型化合物中C―S键的强度较弱，是热解引发键。通过计算建立了噻吩硫模型化合物热解模型：首先是噻吩环上的α-H转移到S上，紧接着β-H转移到α-C上，同时伴随着C―S键的断裂，噻吩的环状结构被破坏，生成链状化合物，通过内部氢转移生成H2S逸出。因此，噻吩热解过程中外部供给少量氢，有利于噻吩硫的迁移。控制反应条件，抑制硫自由基和硫氢自由基与H以外的官能团结合，是改善噻吩硫热解迁移效果的有效途径。研究结果为通过配煤调节焦中硫含量及高硫煤中硫的脱除提供了理论支撑。