工藝條件對(duì)煤 - 廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解特性的影響-

1、第21卷第4期煤炭轉(zhuǎn)化V o l121N o14 1998年10月COAL CONV ER S I ON O ct11998工藝條件對(duì)煤2廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解特性的影響廖洪強(qiáng)1李保慶2張碧江2摘要將先鋒褐煤與5%聚乙烯(PE混合加入10g固定床反應(yīng)器中通入焦?fàn)t煤氣在不同壓力、升溫速率及終態(tài)溫度下共熱解。結(jié)果表明,在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)(011M Pa3M Pa添加廢塑料可實(shí)現(xiàn)煤2焦?fàn)t氣常壓熱解達(dá)到甚至超過高壓(3M Pa下不加PE時(shí)熱解的焦油收率,同時(shí)增加半焦收率,明顯降低熱解水分。降低升溫速率可明顯增加焦油收率,降低水分。添加廢塑料還可實(shí)現(xiàn)煤2焦?fàn)t氣低溫?zé)峤膺_(dá)到甚至超過高溫?zé)峤鈺r(shí)的焦油收率,

2、同時(shí)提高半焦收率減少熱解水分。通過添加廢塑料,煤2焦?fàn)t氣共熱解工藝可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫和化高效熱解。關(guān)鍵詞煤,廢塑料,共熱解,焦?fàn)t煤氣中圖分類號(hào)TQ53012,TQ52016,X780引言為實(shí)現(xiàn)煤高效、潔凈利用,加氫熱解是倍受人們關(guān)注的方法之一。煤加氫熱解是在低溫段采用熱解法先提取煤中富氫組分而后在高溫段加氫以提高煤中H C實(shí)現(xiàn)煤變油的加工方法。它具有油收率高且半焦硫、氮含量低等優(yōu)點(diǎn),所以被人們譽(yù)為介于氣化與液化之間的第3條煤轉(zhuǎn)化途徑。1但由于該工藝以純氫作反應(yīng)氣成本較高,加之制氫需要?dú)怏w循環(huán)、分離及凈化等復(fù)雜的工藝過程又增加了投資費(fèi)用,所以該工藝至今仍停留在中試水平上。尋找廉價(jià)富氫氣氛代替純氫進(jìn)

3、行加氫熱解以降低成本和投資費(fèi)用成為加氫熱解發(fā)展方向之一。2煤2焦?fàn)t氣共熱解是利用含氫60%的焦?fàn)t氣代替純氫進(jìn)行加氫熱解以降低其成本及投資費(fèi)用的一種新工藝。該工藝仍以煤為原料,以焦?fàn)t氣為反應(yīng)氣,采用傳統(tǒng)加氫熱解工藝與煉焦工業(yè)相結(jié)合的方法可降低傳統(tǒng)加氫熱解工藝成本約三分之二。3B raekm an2D anheux等4考察了煤在模擬焦?fàn)t氣氣氛下熱解行為,進(jìn)一步證明了用焦?fàn)t氣代替純氫進(jìn)行加氫熱解的可行性。最近,對(duì)煤在真實(shí)焦?fàn)t煤氣氣氛下熱解行為的考察發(fā)現(xiàn),與相同總壓的加氫熱解相比,煤2焦?fàn)t氣共熱解焦油收率降低,而水分有所增加。5如何提高煤2焦?fàn)t氣共熱解焦油收率,降低熱解水分含量成為該工藝的一個(gè)新課題。

4、本課題的近期研究表明,在煤2焦?fàn)t氣共熱解中添加少量廢塑料可以達(dá)到增油降水的目的。6本文在前期工作基礎(chǔ)上系統(tǒng)考察了工藝條件對(duì)煤2廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解產(chǎn)品收率的影響,以期通過添加廢塑料實(shí)現(xiàn)煤在焦?fàn)t氣氣氛下溫和、高效熱解,為該工藝進(jìn)一步工業(yè)化提供基礎(chǔ)理論。1實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)選用先鋒褐煤(粒度<100目與5%聚乙烯(PE簡單物理混合后加入10g固定床反應(yīng)器中,通入壓力為011M Pa3M Pa,流量為1L m in日本N EDO資助項(xiàng)目、山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(93014.1博士生;2研究員、博士生導(dǎo)師,中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,030001太原收稿日期:1998204

5、207的焦?fàn)t煤氣,以5 m in 25 m in 的升溫速率加熱到不同的終態(tài)溫度(400650,且在終態(tài)溫度下恒溫10m in .實(shí)驗(yàn)裝置及流程見文獻(xiàn)5.其工作原理簡述如下:樣品在反應(yīng)器中熱解,熱解揮發(fā)分隨氣流帶出,經(jīng)冷凝后收集液體(焦油+水,然后用離心沉降方法分離液體中的焦油和水分并定量,焦油冷藏備進(jìn)一步分析。固體半焦殘留在反應(yīng)器中用差減法定量。熱解氣體因有焦?fàn)t氣參與反應(yīng)且其組分極為相似,故不便定量分析。煤樣及焦?fàn)t煤氣分析結(jié)果見表1和表2.表1先鋒褐煤分析數(shù)據(jù)工業(yè)分析 %,arM A V 元素分析 %,dafC H N S O (差減1815214391668175102120132318表

6、2焦?fàn)t氣組成分析組成含量 %組成含量 %H 26019C 2H 60150N 2718C 2H 41150CO 619C 3H 60107CO 2118H 2S312E 25CH 420172結(jié)果與討論211壓力的影響實(shí)驗(yàn)以10g 先鋒褐煤,0125g 聚乙烯塑料(PE 混合加入固定床反應(yīng)器中,分別通入011M Pa ,1M Pa 和3M Pa 焦?fàn)t煤氣以10 m in 程序升溫到650.共熱解產(chǎn)物收率見表3.表3壓力對(duì)共熱解產(chǎn)物收率的影響PE煤 %壓力 M Pa產(chǎn)物收率 %,daf 半焦焦油水分50115111221991051481825121114 5343103013131903461

7、62112251953345172519141710031003扣除PE 本身熱解產(chǎn)焦油量。從表3所列結(jié)果可以看出,隨壓力升高共熱解總轉(zhuǎn)化率、焦油收率以及熱解水分均不同程度增加。壓力從011M Pa 升高到3M Pa 時(shí),共熱解總轉(zhuǎn)化率升高約8%,焦油增加約815%,水分增加約5%, 見圖1.圖1壓力對(duì)先鋒褐煤與5%PE 在焦?fàn)t氣下共熱解產(chǎn)物收率的影響與不加塑料時(shí)煤2焦?fàn)t氣共熱解結(jié)果相比見圖2.添加5%PE 后,煤2焦?fàn)t氣共熱解焦油收率(不含PE 熱解所產(chǎn)焦油量較不加PE 時(shí)的焦油收率高約417%,而且熱解水分降低約212%.從表3結(jié)果發(fā)現(xiàn),在常壓下添加5%PE 后,其共熱解焦油收率較3M P

8、a 不加PE 時(shí)高約2%,而熱解水分含量降低約8%.由此說明添加塑料后可實(shí)現(xiàn)煤2焦?fàn)t氣常壓熱解達(dá)到甚至超過高壓(3M Pa 熱解時(shí)的焦油收率,同時(shí)增加半焦收率,明顯降低熱解水分。圖2不同壓力下添加和不添加塑料時(shí)煤2焦?fàn)t氣共熱解比較(3扣除PE 本身熱解產(chǎn)油量212升溫速率的影響實(shí)驗(yàn)采用10g 先鋒褐煤與015g 聚乙烯(PE 混合加入固定床反應(yīng)器中,以1L m in 的氣體流速通入1M Pa 焦?fàn)t煤氣,分別以5 m in ,10 m in 和25 m in 的升溫速率程序升溫到650并恒溫10m in .共熱解產(chǎn)物分布見第60頁表4.95第4期廖洪強(qiáng)等工藝條件對(duì)煤2廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解特

9、性的影響表4升溫速率對(duì)共熱解產(chǎn)物的影響3升溫速率 m in產(chǎn)物收率 %,daf 半焦焦油水分54817311581110481825131114254914221510193壓力:1M Pa ;終態(tài)溫度:650.從表4的結(jié)果可以看出,隨升溫速率升高共熱解總轉(zhuǎn)化率變化不明顯,焦油收率明顯降低,熱解水分略有增加。升溫速率從5 m in 升高到25 m in 時(shí),半焦收率增加約017%,焦油收率降低約9%,水分增加約3%(見圖3.這說明升溫速率的改變主要影響焦油的收率,即慢速升溫可明顯增加焦油收率且在一定程度上降低熱解水分的生成。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是因?yàn)榻档图訜崴俾适沟盟芰霞懊簾峤庾杂苫伤俾逝c反應(yīng)

10、氣氛間的自由基結(jié)合速率更加匹配,從而促進(jìn)了廢塑料與煤之間、煤及塑料與反應(yīng)氣氛間協(xié)同作用導(dǎo)致焦油顯著增加和熱解水的減少。通過表3和表4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),與壓力為3M Pa 和升溫速率為10 m in 時(shí)共熱解結(jié)果相比,壓力為1M Pa 及升溫速率為5 m in 條件下共熱解焦油收率增加約1%,且熱解水分降低約6%.這說明通過降低升溫速率可以實(shí)現(xiàn)低壓下熱解達(dá)到甚至超過高壓下共熱解焦油收率,同時(shí)明顯降低熱解水分 。圖3升溫速率對(duì)先鋒褐煤與5%PE 在焦?fàn)t氣下共熱解產(chǎn)物收率的影響壓力1M Pa;終態(tài)溫度650213熱解終溫的影響實(shí)驗(yàn)采用5g 先鋒褐煤與0125g 聚乙烯(PE 混合加入固定床反應(yīng)器中

11、,以1L m in 的氣體流速通入011M Pa 焦?fàn)t煤氣,以10 m in 的升溫速率分別升溫到400,450,500和650并恒溫10m in .共熱解產(chǎn)物分布見表5.從表5的結(jié)果可以看出,隨熱解終態(tài)溫度升高,共熱解總轉(zhuǎn)化率、焦油收率及熱解水分均有不同程度增加。這主要由于熱解溫度升高促進(jìn)了煤及廢塑料的熱分解反應(yīng)以及煤、塑料與反應(yīng)氣氛間的共熱解反應(yīng)。表5熱解終溫對(duì)共熱解產(chǎn)物的影響3終態(tài)溫度 產(chǎn)物收率 %,daf 半焦焦油水分450701017111185006117221821355058143019310650511529174173壓力:011M Pa ;升溫速率:10 m in .從圖

12、4可以發(fā)現(xiàn),從500到550共熱解焦油收率明顯增加,熱解水分及半焦收率變化相對(duì)減弱;從550到650共熱解焦油幾乎沒有增加,但熱解水分增加相對(duì)明顯且半焦收率也明顯降低。這說明欲得到高半焦及焦油收率和低水分含量,可以考慮在較低溫度下進(jìn)行煤2廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解,從而實(shí)現(xiàn)共熱解工藝的進(jìn)一步溫和化 。圖4熱解終溫對(duì)先鋒褐煤2廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解產(chǎn)物的影響壓力011M Pa;升溫速率10 m in214固定床物料床層高度的影響10g 先鋒褐煤與5g 先鋒褐煤分別與5%PE 混合加入固定床反應(yīng)器中,在常壓焦?fàn)t氣氣氛下共熱解其產(chǎn)物收率見第61頁圖5.從圖5可以看出,物料從10g 減少為5g 時(shí)

13、共熱解半焦收率幾乎沒有變化,焦油收率明顯增加,約7%,熱解水分明顯降低,約4%.這說明床層降低減少了熱解焦油的二次反應(yīng)促進(jìn)焦油收率增加,同時(shí)可以預(yù)測(cè)流化床較固定床更易于焦油的生成。06煤炭轉(zhuǎn)化1998年 圖5物料床層高度對(duì)先鋒褐煤2廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解壓力011M Pa;升溫速率10 m in;終態(tài)溫度6503結(jié)束語煤2廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解受工藝條件的影響明顯。共熱解總轉(zhuǎn)化率、焦油收率及熱解水含量均隨熱解壓力和終態(tài)溫度升高、升溫速率降低而有不同程度的增加。添加塑料后可實(shí)現(xiàn)煤2焦?fàn)t氣常壓熱解達(dá)到甚至超過高壓(3M Pa熱解時(shí)的焦油收率,同時(shí)增加半焦收率,明顯降低熱解水分。通過降低升溫

14、速率可以實(shí)現(xiàn)低壓下熱解達(dá)到甚至超過高壓下共熱解焦油收率,同時(shí)增加半焦收率,明顯降低熱解水分。欲得到高半焦及焦油收率和低水分含量,可以考慮在較低溫度下進(jìn)行煤2廢塑料在焦?fàn)t氣氣氛下共熱解,從而實(shí)現(xiàn)共熱解工藝的進(jìn)一步溫和化。參考文獻(xiàn)1Cyp res R,Furfari S,GhodsiM.E rdo l Koh le E rdgas Petrochem ie,1983,36(10:4714722李保慶.煤化工與合成燃料信息,1992(2:513Cyp res R,M ingelsW,L ardino is J P et al.Feasibility Study of the H ydropyro l

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16、 W ASTE PLAST I CS UND ER COKE-OVEN GASL i ao Hongq i angL i Baoq i ngand Zhang B ij i ang(S ta te K ey L abora tory of Coa l Conversion,Institu te of Coa l Che m istry,Ch inese A cad e m y of S ciences,030001T a iy uanABSTRACTCopyro lysis of coal w ith coke2oven gas CO G by adding w aste p lastics

17、w ere carried ou t in10g fixed2bed reacto r under p ressu res of011M Pa3M Pa and heating rates of5 m in25 m in up to final tem peratu res of400650.T he resu lts indicated that adding 5%po lyethylene(PEin cop yro lysis of X ianfeng coal w ith CO G,the yields of o il and char under 011M Pa are h igher than tho se under3M Pa w ithou t PE and low er fo r w ater.It w as found that the effect of heating rate on increasing o il yield and decreasing w ater fo r m ati on is m o