工藝條件對煤 - 廢塑料在焦爐氣氣氛下共熱解特性的影響-

1、第21卷第4期煤炭轉化V o l121N o14 1998年10月COAL CONV ER S I ON O ct11998工藝條件對煤2廢塑料在焦爐氣氣氛下共熱解特性的影響廖洪強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固定床反應器中通入焦爐煤氣在不同壓力、升溫速率及終態(tài)溫度下共熱解。結果表明,在實驗壓力范圍內(011M Pa3M Pa添加廢塑料可實現(xiàn)煤2焦爐氣常壓熱解達到甚至超過高壓(3M Pa下不加PE時熱解的焦油收率,同時增加半焦收率,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。添加廢塑料還可實現(xiàn)煤2焦爐氣低溫熱解達到甚至超過高溫熱解時的焦油收率,

2、同時提高半焦收率減少熱解水分。通過添加廢塑料,煤2焦爐氣共熱解工藝可以進一步實現(xiàn)溫和化高效熱解。關鍵詞煤,廢塑料,共熱解,焦爐煤氣中圖分類號TQ53012,TQ52016,X780引言為實現(xiàn)煤高效、潔凈利用,加氫熱解是倍受人們關注的方法之一。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,所以被人們譽為介于氣化與液化之間的第3條煤轉化途徑。1但由于該工藝以純氫作反應氣成本較高,加之制氫需要氣體循環(huán)、分離及凈化等復雜的工藝過程又增加了投資費用,所以該工藝至今仍停留在中試水平上。尋找廉價富氫氣氛代替純氫進

3、行加氫熱解以降低成本和投資費用成為加氫熱解發(fā)展方向之一。2煤2焦爐氣共熱解是利用含氫60%的焦爐氣代替純氫進行加氫熱解以降低其成本及投資費用的一種新工藝。該工藝仍以煤為原料,以焦爐氣為反應氣,采用傳統(tǒng)加氫熱解工藝與煉焦工業(yè)相結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考察了煤在模擬焦爐氣氣氛下熱解行為,進一步證明了用焦爐氣代替純氫進行加氫熱解的可行性。最近,對煤在真實焦爐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焦爐氣共熱解焦油收率降低,而水分有所增加。5如何提高煤2焦爐氣共熱解焦油收率,降低熱解水分含量成為該工藝的一個新課題。

4、本課題的近期研究表明,在煤2焦爐氣共熱解中添加少量廢塑料可以達到增油降水的目的。6本文在前期工作基礎上系統(tǒng)考察了工藝條件對煤2廢塑料在焦爐氣氣氛下共熱解產品收率的影響,以期通過添加廢塑料實現(xiàn)煤在焦爐氣氣氛下溫和、高效熱解,為該工藝進一步工業(yè)化提供基礎理論。1實驗部分實驗選用先鋒褐煤(粒度<100目與5%聚乙烯(PE簡單物理混合后加入10g固定床反應器中,通入壓力為011M Pa3M Pa,流量為1L m in日本N EDO資助項目、山西省自然科學基金項目(93014.1博士生;2研究員、博士生導師,中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室,030001太原收稿日期:1998204

5、207的焦爐煤氣,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 .實驗裝置及流程見文獻5.其工作原理簡述如下:樣品在反應器中熱解,熱解揮發(fā)分隨氣流帶出,經冷凝后收集液體(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,焦油冷藏備進一步分析。固體半焦殘留在反應器中用差減法定量。熱解氣體因有焦爐氣參與反應且其組分極為相似,故不便定量分析。煤樣及焦爐煤氣分析結果見表1和表2.表1先鋒褐煤分析數(shù)據工業(yè)分析 %,arM A V 元素分析 %,dafC H N S O (差減1815214391668175102120132318表

6、2焦爐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結果與討論211壓力的影響實驗以10g 先鋒褐煤,0125g 聚乙烯塑料(PE 混合加入固定床反應器中,分別通入011M Pa ,1M Pa 和3M Pa 焦爐煤氣以10 m in 程序升溫到650.共熱解產物收率見表3.表3壓力對共熱解產物收率的影響PE煤 %壓力 M Pa產物收率 %,daf 半焦焦油水分50115111221991051481825121114 5343103013131903461

7、62112251953345172519141710031003扣除PE 本身熱解產焦油量。從表3所列結果可以看出,隨壓力升高共熱解總轉化率、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,共熱解總轉化率升高約8%,焦油增加約815%,水分增加約5%, 見圖1.圖1壓力對先鋒褐煤與5%PE 在焦爐氣下共熱解產物收率的影響與不加塑料時煤2焦爐氣共熱解結果相比見圖2.添加5%PE 后,煤2焦爐氣共熱解焦油收率(不含PE 熱解所產焦油量較不加PE 時的焦油收率高約417%,而且熱解水分降低約212%.從表3結果發(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現(xiàn)煤2焦爐氣常壓熱解達到甚至超過高壓(3M Pa 熱解時的焦油收率,同時增加半焦收率,明顯降低熱解水分。圖2不同壓力下添加和不添加塑料時煤2焦爐氣共熱解比較(3扣除PE 本身熱解產油量212升溫速率的影響實驗采用10g 先鋒褐煤與015g 聚乙烯(PE 混合加入固定床反應器中,以1L m in 的氣體流速通入1M Pa 焦爐煤氣,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 .共熱解產物分布見第60頁表4.95第4期廖洪強等工藝條件對煤2廢塑料在焦爐氣氣氛下共熱解特

9、性的影響表4升溫速率對共熱解產物的影響3升溫速率 m in產物收率 %,daf 半焦焦油水分54817311581110481825131114254914221510193壓力:1M Pa ;終態(tài)溫度:650.從表4的結果可以看出,隨升溫速率升高共熱解總轉化率變化不明顯,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,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。這一實驗結果可能是因為降低加熱速率使得塑料及煤熱解自由基生成速率與反應

10、氣氛間的自由基結合速率更加匹配,從而促進了廢塑料與煤之間、煤及塑料與反應氣氛間協(xié)同作用導致焦油顯著增加和熱解水的減少。通過表3和表4的實驗數(shù)據分析發(fā)現(xiàn),與壓力為3M Pa 和升溫速率為10 m in 時共熱解結果相比,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現(xiàn)低壓下熱解達到甚至超過高壓下共熱解焦油收率,同時明顯降低熱解水分 。圖3升溫速率對先鋒褐煤與5%PE 在焦爐氣下共熱解產物收率的影響壓力1M Pa;終態(tài)溫度650213熱解終溫的影響實驗采用5g 先鋒褐煤與0125g 聚乙烯(PE 混合加入固定床反應器中

11、,以1L m in 的氣體流速通入011M Pa 焦爐煤氣,以10 m in 的升溫速率分別升溫到400,450,500和650并恒溫10m in .共熱解產物分布見表5.從表5的結果可以看出,隨熱解終態(tài)溫度升高,共熱解總轉化率、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了煤及廢塑料的熱分解反應以及煤、塑料與反應氣氛間的共熱解反應。表5熱解終溫對共熱解產物的影響3終態(tài)溫度 產物收率 %,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行煤2廢塑料在焦爐氣氣氛下共熱解,從而實現(xiàn)共熱解工藝的進一步溫和化 。圖4熱解終溫對先鋒褐煤2廢塑料在焦爐氣氣氛下共熱解產物的影響壓力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器中,在常壓焦爐氣氣氛下共熱解其產物收率見第61頁圖5.從圖5可以看出,物料從10g 減少為5g 時

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促進焦油收率增加,同時可以預測流化床較固定床更易于焦油的生成。06煤炭轉化1998年 圖5物料床層高度對先鋒褐煤2廢塑料在焦爐氣氣氛下共熱解壓力011M Pa;升溫速率10 m in;終態(tài)溫度6503結束語煤2廢塑料在焦爐氣氣氛下共熱解受工藝條件的影響明顯。共熱解總轉化率、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。添加塑料后可實現(xiàn)煤2焦爐氣常壓熱解達到甚至超過高壓(3M Pa熱解時的焦油收率,同時增加半焦收率,明顯降低熱解水分。通過降低升溫

14、速率可以實現(xiàn)低壓下熱解達到甚至超過高壓下共熱解焦油收率,同時增加半焦收率,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行煤2廢塑料在焦爐氣氣氛下共熱解,從而實現(xiàn)共熱解工藝的進一步溫和化。參考文獻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

15、ysis of Coal.L uxem bourg:Comm issi on of the Eurp Comm unities,19924B raekm an2D anheux C,Cyp res R,Fontana A et al.Fuel,1992,71:2512535廖洪強,孫成功,李保慶等.燃料化學學報,1997,25(2:1041066L iao Hongqiang,L i Baoqing,Zhang B ijiang.Fuel,1998,77:847849EFFECT OF OPERAT ING COND IT I ONS ON COPY ROLY SIS OFCOAL W ITH

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