高有机硫炼焦煤对微波响应规律研究

【摘要】炼焦煤是我国稀缺煤种,炼焦时残留在焦中的硫会使钢铁热脆；同时降低高炉生产能力；焦化过程产生的SO2腐蚀设备,污染环境；从而限制了高硫炼焦煤的使用。有效脱除炼焦煤含硫组份对充分利用炼焦煤资源、保护环境具有重大意义。对典型山西高硫炼焦煤开展研究,系统地分析煤样含硫组分赋存状态,各形态硫相对含量,确定有机硫赋存规律,筛选合适的含硫模型化合物；对典型高硫煤样及模型化合物开展介电性质测试,明确其微波响应频率；结合微观量子力学理论,计算含硫键基本性质,研究外加能量场对含硫组分脱除反应过程的影响；选择典型高硫煤种,开展微波脱硫试验,建立微波辐照条件与微波脱硫反应的匹配关系,为微波脱硫工业化试验开展提供技术支持和理论指导。论文具体的研究内容和取得的主要研究结果包括：1.典型高硫煤样含硫组分赋存状态：高硫煤种无机硫含量较低；有机硫赋存类型为硫醇硫醚类、噻吩类、(亚)砜类,以噻吩硫为主；随着密度增大,煤样中硫醇硫醚类含量下降,噻吩类含量呈增加趋势,(亚)砜类含量先降低后增大；通过硝酸酸洗和微波辐照处理,无机硫全部脱除,有机硫部分脱除,有机硫中硫醇硫醚类硫脱除效果最好,亚砜类次之,噻吩类硫脱除效果最差。2.典型高硫煤样介电性质测试结果：在0.2-18GHz频段范围,不同煤样在1.357GHz,2.581GHz、13.728GHz、15.8GHz等多个频率点出现介电响应峰值；高岭石含量增加使得ε’、ε”均增大,方解石对介电性质基本没有影响,石英介于二者之间；ε”随煤样粒度增大而降低；高密度煤样ε’高于低密度级煤样；ε”随煤样含水量增加迅速增大；高硫煤介电实部大于低硫煤。3.模型化合物介电性质测试结果：含硫模型化合物介电常数实部随频率变化趋势基本一致,在0-3GHz内出现吸收峰,3-8GHz范围保持平稳,10-18GHz出现若干明显的吸收峰；模型化合物对微波的最强吸收频段在9-11GHz；同时在0.5-2GHz频段,也有较为明显的损耗；模型化合物介电常数实部大小对比：二苯亚砜>二苯砜>二苯硫醚>二苯并噻吩>正十八硫醇；含硫模型化合物的加入提高了煤样的介电极化能力；含有硫键的模型化合物和不含硫键的模型化合物对微波有明显的响应差异。4.量子化学模拟计算：含硫模型化合物结构优化结果表明C-S键键长较长,脂肪族模型化合物C-S键键长大于芳香族模型化合物,处于环结构中的C-S键长度小于支链中的C-S键；处于噻吩环结构中的C-S键键级和C-C键键级相等,噻吩环中的C-S键键级大于非环中的C-S键键级；预测噻吩中C-S键更难断裂；模型化合物中的S原子处HOMO伸展较大,是给电子的位置,S原子易失去电子发生反应；过渡态搜索结果表明苯硫醇生成S自由基,然后S自由基结合H自由基生成H2S的路径能量势垒最小,相对于反应物的能量为57.652kcal/mol；加入外电场时,反应所需跨越能垒明显变小,且随电场强度增大能垒减小；考虑溶剂化作用时,反应所需能垒变小,随着溶剂介电常数值的增大,反应能量势垒变大。5.典型高硫煤种微波辐照实验：测试煤种粒度为1-3mmm脱硫效果较好；水分含量为10%时的脱硫率最高,频率840MHz和915MHz微波辐照脱硫效果明显高于2450MHz；微波辐照后,硫醇(醚)类硫相对百分含量降低明显,噻吩类硫相对含量增加；HAC和H2O2助剂配比为1：1的时候脱硫率达到最大值,随着氢氧化钠浓度的增加脱硫率不断上升,但上升速率逐渐降低。
【作者】蔡川川；
【导师】张明旭；
【作者基本信息】安徽理工大学，环境工程，2013，博士
【关键词】炼焦煤；有机硫；微波脱硫；介电性质；含硫模型化合物；

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