等離子體熱解煤制乙炔的影響因素.docx

1、第35卷第6期太原理工大學學報Vol.35No.62004年11月JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYNov.2004文章編號：1007-9432（2004>06-0641-03等離子體熱解煤制乙煥的影響因素崔麗萍、曹青I,鮑衛(wèi)仁2（1.太原理丁.大學化學工程與技術學院.山西太原030024；2.太原理T.大學教育部和山西省煤科學與技術重點實驗室.山西太原030024）摘要：進行了等離子體狀態(tài)下煤的熱解研究.考察了煤揮發(fā)分、煤比能耗、供粉速率、淬冷等因素時等高子體熱解煤制取乙塊的影響。實驗姑果表明：揮發(fā)分產率在25%40%的煙煤有比較高的乙塊收率；

2、隨著煤比能耗的增加煤的轉化率和乙塊收率呈增加越勢；隨著供粉速度的提高,煤的轉化率和乙決收率星下降的趨勢；適當?shù)拇憷湮恍痛憷渌俾蕰r乙塊的生成有利。關鍵詞：煤；等離子體；熱解；乙煥中圖分類號:TQ530.2文獻標識碼：A收稿日期：2004-06-30基金項目司家自然科學玨金重點資助項目U9935OIO）；國家暮,&基礎研究發(fā)展規(guī)劃項HCG1999022106）作者簡介：裙兩?。?964>.女.山西武鄉(xiāng)縣人.在讀碩士.講何.主要從狀化學丁程研究.乙快是頁要的有機化工原料可用來生產聚氯乙烯、醋酸乙烯、丙烯睛等一系列化工產品，其工業(yè)生產采用的方法為電石法和甲烷部分氧化法。電石法是由煤生產

3、乙狹的傳統(tǒng)方法.但存在著工藝流程長、能耗高、尤其是環(huán)境污染嚴重等不可避免的缺點，發(fā)達國家已全部關閉了此法的生產裝置。qi烷部分氧化法又必須有配套的合成氨或甲醇裝置.造成工藝流程復雜.投資規(guī)模過大。從原子經濟的角度考慮，煤中的氫碳比與乙煥（C2HQ接近.因此以煤為原料直接制取乙狹，使煤中的C,H原子能夠得到最合理的利用。等離子體熱解煤制取乙狹是利用等離子體具有能量高度集中、高熱烙、高化學活性的特點，將等離子體技術與煤轉化相結合。它克服了傳統(tǒng)工藝的許多缺點.具有流程短、潔凈轉化的優(yōu)點，是煤直接轉化的一條有效途徑。本文通過等離子體熱解煤的實捻研究.重點考察了煤揮發(fā)分、煤比炫、供粉速率、淬冷等因素對等

4、離子體熱解煤制取乙扶的影響。1實驗部分1.1煤質分析實臉選用了i2種不同變質程度的煤。煤質分析數(shù)據(jù)見表1.1.2實驗裝置及實驗條件實驗裝置主要包括等離子體發(fā)生器、熱解反應器、急冷器、取樣裝置以及水、電、系統(tǒng)等。等離子體發(fā)生器為H2/Ar直流電弧等離子體發(fā)生器.熱解反應器為漸擴式下行反應器.外壁有水冷夾套，內壁襯有石墨套。急冷器位于反應器下方.以便及時冷卻裂解產生的氣體，防止乙煥的進一步分解。表1煤的工業(yè)分析和元素分析煤樣業(yè)分析（，質Lt分數(shù)）兀索分析（質量分散MdA.v&.CHN（）大同2.517.6029.9075.524.630.7916.40東山1.6014.2015.2090.

5、364.461.122.29平朔3.1014.7034.1079.605.371.4712.882.375.5639.9079.535.030.9213.90陽城2.959.496.9491.473.191.120.00義馬9.0318.5842.2070.626.281.2819.70霜林河20.6023.8649.5267.005.191.5325.20先鋒19.198.5151.6064.705.271.3627.18辛趙1.6814.9733.7085.025.421.475.84潞安2.2915.8313.7090.203.821.652.80保德4.435.2938.9275.82

6、5.361.8615.20鑿陽1.6312.5625.6688.755.30'1.484.51煤粉經過供粉器用筑氣攜帶進入反應器,在反應器與等離子體射流相互作用并發(fā)生閃速熱解,熱解生成的氣、固產物通過噴淋式急冷器進行淬冷然后進入分離器進行氣固分離。熱裂解氣體的主要成分有乙煥、一機化碳、甲烷和少最的乙烯、丙稀、微技的二氧化碳。電孤等離子體射流由等離子體發(fā)生器產生等離子體發(fā)生器的功率范圍為3565kW；工作電流為150-200A；工作電壓為250320V；煤粒度為200目'供粉速率為0.56.0g/s.熱解氣相產物使用上海計算機技術研究所產GC-900-SD氣相色譜儀分析裂解氣和產

7、品氣的組成。色譜采用雙柱分離，它包括雙載氣通路、雙狙氣通路和空氣通路。2結果及討論2.1煤中揮發(fā)分對乙狹收率的影響有關等離子體裂解煤制乙塊的機理過程目前的研究尚未得到一致的結論，但是大多數(shù)研究認為官，煤裂解制乙炊大致可分為兩步：煤首先裂解析出揮發(fā)分，溫度大致在1000P左右，加熱速度10fK/s；在等離子體射流中的氫原子或高能離子的作用F，揮發(fā)份進一步發(fā)生裂解反應生成以乙塊為主的小分子物質，其時間<0.4ms.由此可見，煤化程度或揮發(fā)分產率直接影響著乙塊收率的大小.圖1為12種煤通過實驗得到的揮發(fā)分產率對乙炊收率的影響?？梢钥闯?，當揮發(fā)分產率小于40%的煤在轉化過程中隨著揮發(fā)分產率的增加

8、，乙炊收率也隨之增加。對于揮發(fā)分產率大于40%的褐煤.揮發(fā)分產率的增加不僅沒有增加乙炊的收率，而且隨若揮發(fā)分產率的增加，乙塊的收率迅速F降，這說明乙塊收率的高低還取決于煤中氧含鼠的高低。揮發(fā)分產率在25%40%的煙煤有比較高的乙炊收率，適合作為制取乙炊的原料。102030405060揮發(fā)分質段分敷/%15105次、*鼻琳2圖1擇發(fā)分對乙烷收率的影響2.2比能耗和供粉速率對煤轉化率和乙快收率的影響煤比能耗(SpecificEnergyConsumption»簡稱S,)是在操作條件下單位質屋煤粉可以分配得到的能量，它可以反映煤粉在等離子體射流中反應的平均溫度。其址綱為kj/g,實驗中所采

9、用的等高子體發(fā)生器的熱效率為60%.比能耗的表達式如F：S<=NcS.圖2是煤比能耗對煤轉化率的影響曲線圖.圖3為煤比能耗對乙炊收率的影響曲線圖。在相同的功率和工作氣體流量條件F，煤比能耗不僅反映了等離子體射流與煤粉反應的平均溫度，而且還意味著單位質量的煤粉消耗能玷的多少。高的煤比能耗050100比能耗（kJ-g1）050100比能耗（kJ-g1）555975史、*辛姓罩351525比能耗/（kJg"1）圖2煤比能耗對煤轉化率的影響2622%、彖琳2圖3煤比能疑對乙埃收率的影響不僅為反應提供了高的平均反應溫度，而且還提供了相對充足的能量。煤在富氫等離子體中熱解生成的主要氣相產物

10、是乙炊，從熱力學角度分析可知,在碳-氫體系中的反應產物完全由反應溫度決定。體系溫度在900K時.甲烷是主要產物，且其產率隨溫度升高而降低；當體系溫度超過1500K時，發(fā)生強烈吸熱反應.乙炊的生成自由能小于甲烷、乙烷等小分子炷類化合物的自由能，乙炊成為在碳狙化合物中占優(yōu)勢的物質；當體系溫度達3500K時，此反應是碳氛體系中唯一的主要反應。從圖2、圖3可看出，隨煤比能耗的增加，煤的轉化率和乙炊收率呈增加趨勢，這同供粉速率對煤轉化率和乙炊收率的影響關系(圖4、圖5)相一致。900246供煤速率/（gs1）0246供煤速率/（gs1）705030ffi4供粉速度對煤轉化率的影響隨著供粉速率的增加，煤的

11、轉化率逐漸F降。這是崔麗萍等：等離子體瓶解煤制乙塊的影響因素崔麗萍等：等離子體瓶解煤制乙塊的影響因素643因為等離子體射流提供的能量-定，隨著供粉速率的增加，單位質量的煤所獲得的能量就要降低，即煤的比能耗下降.造成了煤的轉化率和乙塊收率降低。在電弧等離子體射流中含有大墊的活性粒子如H+,H-,以及大量的電子等，這些高能活性粒子一旦撞擊到煤的表面時便可以直接使煤轉化。從圖2、圖3還可看出煤的轉化率大于煤中的揮發(fā)分的含址，這說明了等離子體熱解煤制乙塊中的等離子體射流中活性蛆分在起作用。4020»H嫌720»H嫌7100246供煤圖5供份速率對乙提收率的贓響2.3淬冷對熱解產物乙

12、烷的影響從圖6可以看出.淬冷后乙扶的含量都明顯高于淬冷前乙塊的含量，且不受供煤速率的影響；這說明淬冷可以有效地抑制乙塊的分解，同時還能使自¥、*去足彳«7圖6淬冷對乙提濃度的彪響由基復合生成乙狹.提高乙塊收率。從熱力學觀點來看、所有不飽和煌中乙塊在高溫下最容易分解成碳和氫，所以對產品氣進行驟冷（使產品氣溫度小于300*0）是保證較高乙換收率的關鍵。根據(jù)C-H平衡體系的計算結果，C?H?和C?H是C-H平衡體系在3500K左右時的主要的碳氫化合物；因氫等離子體具有高溫（超過3500K）高炫的特點，因而煤在等離子體中可直接制得乙塊。已證明充分快速急冷（0.77X10*5.8X1

13、0'K/s）能避免乙狹的分解，同時促進了放熱反應GH+H?C2H2+H和C?H+HC?H?的進行.可以有效地提高乙炊的收率。參考文獻：1 謝克昌.煤的結構與反應性M.北京：科學出版社.2002=456-531.2 謝克月.田亞峻.陳宏剛.煤在Hj/Ar電弧等離子體中的熱制IJ.化T.學報.200!.52(6):516-521.3 田職宇.黃偉.蝴衛(wèi)仁.煤等離子體熱第制乙塊T.藝的丁程探討J.現(xiàn)代化T.2002.22<2>：7-10.4 絕衛(wèi)仁.關有俊.X永康.等房子體煤熱解與氣化工之的研究進展J.現(xiàn)代化T.2003.23(12),1014.5 BaumannH.Bittne

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15、yleneManufacturedbyCoalPyrolysisunderPlasmaConditionCUILi-ping1fCAOQing1,BAOWei-ren'(1.CollegeofChemicalEngineeringandTechnologyofTUT.Taiyuan030024.China12.KeyLalwraioryofCoalScienceandTechnologyofEcluiationMinistryandShanxiProninefTUT,Taiyuan030024.China)Abstract：Theeffectsondirectmanufactureofacetylenefromcoalwereinvestigated.Theresultsshowedthatthecoalswhichcontained25%40%volatilesubstancehavehigheracetyleneyieldthanthatwithlowervolatilesubstanceandcoalconversionandacetyleneyieldgraduallyincreasedasthespecificenergyconsumptionofcoalwereincreased.Howeve