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(xué)學(xué)報(bào)Vol.35No.62004年11月JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYNov.2004文章編號(hào)：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(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院.山西太原030024；2.太原理T.大學(xué)教育部和山西省煤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.山西太原030024）摘要：進(jìn)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(shí)等高子體熱解煤制取乙塊的影響。實(shí)驗(yàn)姑果表明：揮發(fā)分產(chǎn)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(zhuǎn)化率和乙塊收率呈增加越勢(shì)；隨著供粉速度的提高,煤的轉(zhuǎn)化率和乙決收率星下降的趨勢(shì)；適當(dāng)?shù)拇憷湮恍痛憷渌俾蕰r(shí)乙塊的生成有利。關(guān)鍵詞：煤；等離子體；熱解；乙煥中圖分類號(hào):TQ530.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A收稿日期：2004-06-30基金項(xiàng)目司家自然科學(xué)玨金重點(diǎn)資助項(xiàng)目U9935OIO）；國(guó)家暮,&基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)HCG1999022106）作者簡(jiǎn)介：裙兩?。?964>.女.山西武鄉(xiāng)縣人.在讀碩士.講何.主要從狀化學(xué)丁程研究.乙快是頁(yè)要的有機(jī)化工原料可用來(lái)生產(chǎn)聚氯乙烯、醋酸乙烯、丙烯睛等一系列化工產(chǎn)品，其工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)

3、乙狹的傳統(tǒng)方法.但存在著工藝流程長(zhǎng)、能耗高、尤其是環(huán)境污染嚴(yán)重等不可避免的缺點(diǎn)，發(fā)達(dá)國(guó)家已全部關(guān)閉了此法的生產(chǎn)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(fù)雜.投資規(guī)模過(guò)大。從原子經(jīng)濟(jì)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(xué)活性的特點(diǎn)，將等離子體技術(shù)與煤轉(zhuǎn)化相結(jié)合。它克服了傳統(tǒng)工藝的許多缺點(diǎn).具有流程短、潔凈轉(zhuǎn)化的優(yōu)點(diǎn)，是煤直接轉(zhuǎn)化的一條有效途徑。本文通過(guò)等離子體熱解煤的實(shí)捻研究.重點(diǎn)考察了煤揮發(fā)分、煤比炫、供粉速率、淬冷等因素對(duì)等

4、離子體熱解煤制取乙扶的影響。1實(shí)驗(yàn)部分1.1煤質(zhì)分析實(shí)臉選用了i2種不同變質(zhì)程度的煤。煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.1.2實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)裝置主要包括等離子體發(fā)生器、熱解反應(yīng)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(yīng)器為漸擴(kuò)式下行反應(yīng)器.外壁有水冷夾套，內(nèi)壁襯有石墨套。急冷器位于反應(yīng)器下方.以便及時(shí)冷卻裂解產(chǎn)生的氣體，防止乙煥的進(jìn)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(zhì)Lt分?jǐn)?shù)）兀索分析（質(zhì)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(yáng)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(yáng)1.6312.5625.6688.755.30'1.484.51煤粉經(jīng)過(guò)供粉器用筑氣攜帶進(jìn)入反應(yīng)器,在反應(yīng)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(chǎn)物通過(guò)噴淋式急冷器進(jìn)行淬冷然后進(jìn)入分離器進(jìn)行氣固分離。熱裂解氣體的主要成分有乙煥、一機(jī)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(chǎn)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(chǎn)物使用上海計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所產(chǎn)GC-900-SD氣相色譜儀分析裂解氣和產(chǎn)

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(jié)果及討論2.1煤中揮發(fā)分對(duì)乙狹收率的影響有關(guān)等離子體裂解煤制乙塊的機(jī)理過(guò)程目前的研究尚未得到一致的結(jié)論，但是大多數(shù)研究認(rèn)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(jìn)一步發(fā)生裂解反應(yīng)生成以乙塊為主的小分子物質(zhì)，其時(shí)間<0.4ms.由此可見(jiàn)，煤化程度或揮發(fā)分產(chǎn)率直接影響著乙塊收率的大小.圖1為12種煤通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的揮發(fā)分產(chǎn)率對(duì)乙炊收率的影響?？梢钥闯?，當(dāng)揮發(fā)分產(chǎn)率小于40%的煤在轉(zhuǎn)化過(guò)程中隨著揮發(fā)分產(chǎn)率的增加

8、，乙炊收率也隨之增加。對(duì)于揮發(fā)分產(chǎn)率大于40%的褐煤.揮發(fā)分產(chǎn)率的增加不僅沒(méi)有增加乙炊的收率，而且隨若揮發(fā)分產(chǎn)率的增加，乙塊的收率迅速F降，這說(shuō)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(chǎn)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(zhì)段分敷/%15105次、*鼻琳2圖1擇發(fā)分對(duì)乙烷收率的影響2.2比能耗和供粉速率對(duì)煤轉(zhuǎn)化率和乙快收率的影響煤比能耗(SpecificEnergyConsumption»簡(jiǎn)稱S,)是在操作條件下單位質(zhì)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(yīng)的平均溫度。其址綱為kj/g,實(shí)驗(yàn)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(dá)式如F：S<=NcS.圖2是煤比能耗對(duì)煤轉(zhuǎn)化率的影響曲線圖.圖3為煤比能耗對(duì)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(yīng)的平均溫度，而且還意味著單位質(zhì)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(duì)煤轉(zhuǎn)化率的影響2622%、彖琳2圖3煤比能疑對(duì)乙埃收率的影響不僅為反應(yīng)提供了高的平均反應(yīng)溫度，而且還提供了相對(duì)充足的能量。煤在富氫等離子體中熱解生成的主要?dú)庀喈a(chǎn)物

10、是乙炊，從熱力學(xué)角度分析可知,在碳-氫體系中的反應(yīng)產(chǎn)物完全由反應(yīng)溫度決定。體系溫度在900K時(shí).甲烷是主要產(chǎn)物，且其產(chǎn)率隨溫度升高而降低；當(dāng)體系溫度超過(guò)1500K時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈吸熱反應(yīng).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(shì)的物質(zhì)；當(dāng)體系溫度達(dá)3500K時(shí)，此反應(yīng)是碳氛體系中唯一的主要反應(yīng)。從圖2、圖3可看出，隨煤比能耗的增加，煤的轉(zhuǎn)化率和乙炊收率呈增加趨勢(shì)，這同供粉速率對(duì)煤轉(zhuǎn)化率和乙炊收率的影響關(guān)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(duì)煤轉(zhuǎn)化率的影響隨著供粉速率的增加，煤的

11、轉(zhuǎn)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?yàn)榈入x子體射流提供的能量-定，隨著供粉速率的增加，單位質(zhì)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(zhuǎn)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(shí)便可以直接使煤轉(zhuǎn)化。從圖2、圖3還可看出煤的轉(zhuǎn)化率大于煤中的揮發(fā)分的含址，這說(shuō)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(duì)乙提收率的贓響2.3淬冷對(duì)熱解產(chǎn)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(shuō)明淬冷可以有效地抑制乙塊的分解，同時(shí)還能使自¥、*去足彳«7圖6淬冷對(duì)乙提濃度的彪響由基復(fù)合生成乙狹.提高乙塊收率。從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)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(duì)產(chǎn)品氣進(jìn)行驟冷（使產(chǎn)品氣溫度小于300*0）是保證較高乙換收率的關(guān)鍵。根據(jù)C-H平衡體系的計(jì)算結(jié)果，C?H?和C?H是C-H平衡體系在3500K左右時(shí)的主要的碳?xì)浠衔铮灰驓涞入x子體具有高溫（超過(guò)3500K）高炫的特點(diǎn)，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(shí)促進(jìn)了放熱反應(yīng)GH+H?C2H2+H和C?H+HC?H?的進(jìn)行.可以有效地提高乙炊的收率。參考文獻(xiàn)：1 謝克昌.煤的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性M.北京：科學(xué)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(xué)報(bào).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(guān)有俊.X永康.等房子體煤熱解與氣化工之的研究進(jìn)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