【摘 要】
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随着优质炼焦煤资源的过度开采以及煤层开采深度的加深,高硫炼焦煤占比日益增加,因其自身禀赋特点和适用范围受限,市场价格比优质炼焦煤低廉,因此有效利用高硫炼焦煤进行配煤炼焦不仅可以拓宽炼焦煤种,而且有利于降低生产成本,但由于煤中硫分与焦中硫分具有较强的相关性,配煤中增加高硫炼焦煤配比将导致焦炭中硫分上升,进而影响高炉的生产能力和钢铁的质量。前期研究表明利用高挥发分气煤进行原位供氢可对热解过程中硫分进行
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(U1910201,21878208,21808152); 山西省应用基础研究计划重点自然基金项目(201901D111001(ZD)); 山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划资助项目;
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随着优质炼焦煤资源的过度开采以及煤层开采深度的加深,高硫炼焦煤占比日益增加,因其自身禀赋特点和适用范围受限,市场价格比优质炼焦煤低廉,因此有效利用高硫炼焦煤进行配煤炼焦不仅可以拓宽炼焦煤种,而且有利于降低生产成本,但由于煤中硫分与焦中硫分具有较强的相关性,配煤中增加高硫炼焦煤配比将导致焦炭中硫分上升,进而影响高炉的生产能力和钢铁的质量。前期研究表明利用高挥发分气煤进行原位供氢可对热解过程中硫分进行定向调控,使硫更多的转移到气相中,降低焦中硫含量。但是,挥发分相近的不同气煤对硫分的调控作用差异较大且存在一定的限度。因此,本文选取两种挥发分相近的气煤(HCG和LN)利用重介质分选法获得不同镜质组含量的煤样组分,首先对气煤及其不同分选组分的煤岩组成、热解特性和化学结构等煤质特性进行分析,然后借助固定床热解反应器和质谱分析仪研究了气煤及其分选组分对高硫炼焦煤(LL)热解过程中含硫气体释放行为的影响,结合智能定硫仪和X射线光电子能谱仪(XPS)对热解焦炭中硫含量和赋存形态的分析,最后综合探讨气煤对高硫炼焦煤热解过程中硫分定向调控的影响因素,得到如下主要结论:(1)两种气煤的镜质组主要富集在低密度组分(D1)中,HCG原煤的镜质组含量高于LN原煤,HCG-D1和LN-D1相比于原煤镜质组含量分别提高了10.61%和8.15%。各分选组分的元素组成存在明显差异,硫含量随密度增加呈现先降低后增加的趋势,低密度组分中氢含量较高,而高密度组分中氧含量较为丰富。两种气煤D1组分的脂肪碳占比较大,脂肪结构最为丰富,热解过程中会产生大量的挥发分;随着分选密度的增加,分选组分中烷基脂肪侧链不断减少,大于6环的芳香结构增多,石墨化程度增加。此外,虽然不同分选组分的官能团种类一致,但吸收峰强度具有明显差异,导致热解失重量和失重速率各不相同。(2)气煤及其分选组分单独热解时,两种气煤D1组分的含氢气体释放温区较宽,释放量较大,热解过程中脂肪类结构分解生成的含氢自由基有利于H2S的生成和释放,而氢气主要来源于温度较高时芳环结构的缩聚反应,在高温区释放对H2S的影响较少。因此,富集高挥发分煤中的镜质组,利用其在热解过程中产生的富氢气氛实现对高硫煤热解硫变迁的“原位供氢”是可行的,但需要考虑含硫气体与含氢气体的温度匹配问题。(3)两种气煤的D1组分由于本身具有较好的基氏流动度,改善了共热解过程中胶质体的质量和数量,使LL+HCG-D1和LL+LN-D1的塑性区间最宽,最大基氏流动度和区域面积最大,热解过程中的胶质体热稳定性最好。而塑性温度区间与高硫炼焦煤中的H2S释放温区有所重叠,当塑性区间变宽时,气体释放的阻力最小,有利于生成的含硫气体释放,降低了焦炭中的硫含量。因此,随着配入分选组分密度的增加,配合煤的塑性区间变窄时焦中硫含量逐渐上升。与HCG各分选组分的配入相比,LN各分选组分中较高含量的碱性矿物质使焦样表面的硫化物硫和硫酸盐含量较高。因此,在配煤炼焦过程中,在考虑挥发分对硫分调控作用的基础上,应该再考虑配入的高挥发分煤中碱性矿物质的含量以及气煤对塑性区间的改善作用,才能更好地指导高挥发分煤调控高硫炼焦煤中硫分的热变迁行为。
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