不同气氛下煤_废塑料共热解特性的对比研究

1、第21卷第4期煤炭转化V o l121N o14 1998年10月COAL CONV ER S I ON O ct11998不同气氛下煤2废塑料共热解特性的对比研究廖洪强1李保庆2刘力3张碧江2摘要实验在10g固定床反应器中考察了兖州高硫煤与5%聚乙烯(PE混合分别在焦炉煤气(CO G,H2和N2气氛下共热解产物收率及硫、氮分布。结果表明,与原煤热解结果相比,添加5%PE后兖州烟煤在焦炉气气氛下共热解中净煤热解焦油(扣除PE自身热解产油量增加517%,水分降低118%,增加的焦油量与降低的水分分别占原煤热解焦油及水分产量的2312%和1713%;在H2气氛下热解焦油收率略有降低,半焦和水分与原

2、煤热解相当;在N2气氛下热解焦油收率增加215%,水分降低113%.添加废塑料后此三种气氛下热解所得单位半焦及焦油中的硫、氮相对含量均有不同程度的降低,但其脱硫脱氮效果并不明显。煤2废塑料在热解中具有协同作用,影响热解产物收率及相对含量。关键词煤2废塑料,共热解,反应气氛中图分类号TQ53012,TQ52016,X780引言煤加氢热解是介于气化和液化之间的第3条煤转化途径。1该工艺在获得大量富含苯、甲苯、二甲苯(B TX、酚、甲酚、二甲酚(PCX、萘等优质焦油及富含甲烷的高热值煤气的同时,还可得到低硫、低氮的洁净半焦24,可望实现煤高效洁净利用。但传统加氢热解需要制氢、气体循环与净化等复杂的工

3、艺过程增加成本及投资费用,阻碍该工艺进一步工业化。寻找廉价的氢源顶替纯氢进行加氢热解是该工艺发展方向之一。5煤2焦炉气共热解是在传统加氢热解和煤2甲烷快速热解基础上发展起来旨在用廉价焦炉煤气代替纯氢进行加氢热解以降低其成本和投资费用的一种新工艺。研究表明6,该工艺与炼焦工业相结合可降低传统加氢热解约三分之二总投资费用。这非常适合我国富产焦炭和富藏热解用煤的国情。有关煤2焦炉气共热解可行性和优越性的研究,国内外近期均有报道。79近期研究结果表明10:与相同总压的加氢热解相比,煤2焦炉气共热解焦油收率降低,水分含量增加。如何提高煤2焦炉气共热解焦油收率降低水分含量又成为该领域的新课题。本文在有关煤

4、与废塑料共处理研究1114的基础上,首次将废塑料用于煤2焦炉气共热解中,希望达到在处理废弃物的同时,实现该工艺的增油降水。实验采用兖州烟煤与废塑料聚乙烯(PE混合加入10g固定床反应器中分别在焦炉煤气、氢气和氮气气氛下共热解,确定其热解产物半焦、焦油及水分的收率。半焦和焦油进行元素分析以考察硫、氮分布。1实验部分热解实验选用山东兖州高硫煤与添加5%的PE混合加入10g固定床反应器中分别在焦炉气、氢气和氮气气氛下共热解。原煤粒度小于100目,热解压力为3M Pa,升温速率为10 m in,终态温度日本N EDO资助项目、山西省自然科学基金资助项目(93014.1博士生;2研究员、博士生导师;3实

5、验师,中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室,030001太原收稿日期:1998203230为650,气体流速1L m in ,煤样分析及焦炉气组成见表1和表2,实验装置及流程详见文献10.脱硫率按下式计算:Y S =(W 0S 0-W 1S 1100% W 0S 0其中:Y S 表示脱硫率;W 0和S 0分别表示原煤重量及原煤含硫百分数;W 1和S 1分别代表热解半焦重量及其含硫百分数(均为ar 基。脱氮率按下式计算:Y N =(W 0N 0-W 1N 1100% W 0N 0其中:Y N 表示脱氮率;W 0和N 0分别表示原煤重量及原煤含氮百分数;W 1和N 1分别代表热解半焦重

6、量及其含氮百分数(均为ar 基。表1煤性质分析煤样工业分析 %,arM A V 元素分析 %,dafC H N SO 3兖州煤11531741147913510112210211143差减所得结果。表2反应气组成分析组成焦炉煤气 %组成焦炉煤气 %H 260189C 2H 41147CH 420167C 2H 60146CO 6185C 3H 60107N 27179H 2S312E 25CO 211802结果与讨论211焦炉气气氛下共热解5g 兖州高硫煤添加0125g PE 后,在压力为3M Pa ,升温速率为10 m in ,终态温度为650的实验条件下与焦炉气共热解。净煤热解产物收率(扣

7、除塑料自身热解所产焦油量以及单位半焦、焦油中硫、氮含量见表3和表4.从表3所列结果可以看出,与原煤热解相比,添加5%PE 后兖州煤2焦炉气共热解焦油收率增加517%,水分降低314%.增加的焦油量和降低的水分分别占原煤热解焦油及水分总量的2312%和1713%(均为煤收到基重量百分数。同时半焦收率略有增加(为212%,占原煤半焦收率的318%.表4列出了热解所得单位半焦和焦油中硫、氮相对含量。添加塑料后,煤2焦炉气共热解半焦和焦油中的硫、氮含量均有所降低(与原煤热解半焦及焦油相比。煤中硫、氮在热解产物中的分布见图1.与原煤热解相比,添加5%PE 后硫在热解产物中分布相差不明显,而氮在焦油中的分

8、布有较明显的增加。以上分析结果表明,在煤2焦炉气共热解中添加少量废塑料同时具有显著增油降水和微弱脱硫脱氮作用。说明煤与废塑料在焦炉气气氛下共热解中具有协同效应,其具体作用机理还有待于通过分析热解产品的组成来进一步深入探讨。表3兖州煤与5%PE 在焦炉气气氛下共热解中净煤热解产物收率PE煤 %半焦焦油水05714 2416101455916301381610090表4兖州煤2废塑料在焦炉气气氛下共热解所得单位半焦及焦油中硫和氮相对含量PE煤 %半焦中S N 焦油中S N 0112011371170111051118113311221104100图1兖州煤2废塑料在焦炉气气氛下共热解产物中硫和氮的

9、分布36第4期廖洪强等不同气氛下煤2废塑料共热解特性的对比研究212氢气气氛下共热解在3M Pa 氢气气氛下,兖州煤2废塑料PE 共热解中净煤热解产物收率及单位半焦、焦油中硫、氮含量见表5和表6.表5兖州煤与5%PE 在氢气气氛下共热解中净煤热解产物收率PE煤 %半焦焦油水分053162710814553162416912100100表6兖州煤2废塑料在氢气气氛下共热解半焦及焦油中硫和氮相对含量PE煤 %半焦中S N 焦油中S N 0110711281164113451104113311371110100与原煤(不添加塑料热解结果相比, 添加5%PE 后净煤加氢热解焦油收率降低214%,水分增

10、加018%(均为% 煤,ar .半焦中硫含量略为降低,氮含量有所增加。焦油中硫和氮含量均明显降低。硫、氮在热解产物中的分布见图2.与原煤加氢热解相比,添加塑料后半焦中硫基本相当,氮有所增加,焦油中硫、氮分布均降低,这与硫、氮在单位半焦及焦油中含量变化趋势一致。以上实验结果表明,在煤加氢热解中添加废塑料不但没有增油降水效应反而降低焦油收率增加水分含量,同时无明显脱硫作用,使脱氮率有所降低。但焦油中硫、氮含量有较明显的降低。与上述在煤2焦炉气共热解中添加废塑料的增油降水结果相比,说明焦炉煤气中的甲烷、一氧化碳等组分在共热解过程中与废塑料发生某种作用,从而提高焦油收率降低水分含量。其具体作用机理有待

11、于进一步探讨。图2兖州煤2废塑料加氢热解产物中硫和氮的分布213氮气气氛下共热解4g 兖州高硫煤添加012g PE 后在压力为3M Pa ,升温速率为10 m in ,终态温度为650的实验条件下与氮气共热解。净煤热解产物收率见表7.从表7所列结果可以看出,与原煤热解相比,添加5%PE 后兖州煤在氮气气氛下热解焦油收率增加215%,水分降低113%.增加的焦油量和降低的表7兖州煤与5%PE 在氮气气氛下共热解中净煤热解产物收率PE煤 %半焦焦油水分06715191331856415211821510065水分分别占原煤热解焦油及水分总量的13%和3412%(均为煤收到基重量百分数。同时半焦收率

12、降低3%,占原煤半焦收率的414%.说明废塑料与煤在惰性气氛下共热解也具有一定的增油降水作用,但不如在焦炉气气氛下共热解效果明显。214三种气氛下热解产物收率对比原煤和添加5%PE 的煤2废塑料混合物分别在3M Pa 焦炉煤气、氢气和氮气气氛下热解半焦、焦油及水分收率分别见第65页图3.图3(a 表明,兖州烟煤在相同总压的此三种气氛下热解半焦收率为:N 2>CO G >H 2,焦油收率为:H 2>CO G >N 2,水分含量为:CO G >H 2>N 2.添加5%PE 后,净煤热解半焦收率为:N 2>CO G >H 2,焦油收率为:CO G46煤

13、炭转化1998年>H 2>N 2,水分含量为:H 2>CO G >N 2.这说明在煤2焦炉气共热解中添加废塑料具有较为明显的增油降水效应,而在煤加氢热解或在惰性气氛下热解中则具有相反效应或增油降水不明显。在煤2焦炉气共热解中添加5%PE ,可使其净煤热解焦油收率较相同总压下的原煤加氢热解增加近5%,水分含量基本相当 。图3兖州煤与添加5%PE 在不同气氛下热解产物收率3结束语用焦炉煤气代替纯氢进行加氢热解可大大降低其成本和投资费用,从而具有更大的经济可行性。在煤2焦炉气共热解中加入适量废塑料不仅可以明显提高焦油收率,降低水分含量,而且在相同总压下可超过加氢热解焦油收率,

14、并保持水分含量基本相当。这在增加煤2焦炉气共热解工艺经济效益的同时,为废塑料的回收增值利用开辟了一条新的途径。在煤2焦炉气共热解和煤在惰性气氛下热解中添加废塑料均有不同程度的增油降水效应,但在加氢热解中则相反。这一实验现象的作用机理有待于进一步探讨。参考文献1Cyp res R ,Furfari S ,GhodsiM .E rdo l Koh le E rdgas Petrochem ie ,1983,36(10:4714732李保庆.燃料化学学报.1995,23(1:57583Sugaw ara T ,Sugaw ara K ,O hash i H .Fuel ,1989,68(8:1005

15、10074Roberto G,M o inelo R ,Snape C E et al .Energy Fuels,1991,5(4:5825835李保庆.煤化工与合成燃料信息,1992,(2:51526B raekm an 2D anheux C,Cyp res R ,Fontana A et al .Fuel,1992,71:2512527B raekm an 2D anheux C ,Cyp res R ,Fontana A et al .Fuel ,1995,74:17188B raekm an 2D anheux C ,Fontana A ,L abani A et al .Fuel

16、 ,1996,75:127412769李保庆.燃料化学学报,1995,23(2:19219310廖洪强,孙成功,李保庆等.燃料化学学报,1997,25(2:10410611Feng Z ,Zhao J ,Rockw ell J et al .Fuel P rocessing T echno logy ,1996,49:171912L uo M ,Curtis C W .Fuel P rocessing T echno logy ,1996,49:17717913Yam aguch i H ,O kuyam a Y ,M atsubara K .I CCS ,1997,3:1541154514C

17、o llin G ,Bujnow ska B ,Po laczek J .Fuel P rocessing T echno logy ,1997,50:17918056第4期廖洪强等不同气氛下煤2废塑料共热解特性的对比研究66煤炭转化1998年COPY ROLY SIS OF COAL AND W ASTE PLAST I CSUND ER D IFFERENT REACT IV IT Y GASESL i ao Hongq i angL i Baoq i ngL iu L i and Zhang B ij i ang(S ta te K ey L abora tory of Coa l Co

18、nversion,Institu te of Coa l Che m istry,Ch inese A cad e m y of S ciences,030001T a iy uanABSTRACTCop yro lysis of Yanzhou coal and po lyethylene(PEunder coke2oven gas (CO G,hydrogen and n itrogen w ere carried ou t in a10g fixed2bed reacto r under the p ressu re of3M Pa and heating rate of10 m in

19、up to650and the con ten ts of su lfu r and n itrogen in char and o il w ere determ ined.T he resu lts indicated that adding5%PE in cop yro lysis of Yanzhou coalw ith CO G,the o il yield increased517%m o re than that of non2PE,and the w ater decreased abou t 118%(excluding the p roducts of PE.T he yields of increased o il and decreased w ater accoun ted fo r2312%and1713%of coal p yro lysis w ithou t PE,resp ectively.In cop yro lysis of Yanzhou coal w ith5%PE under n itrogen,o il yield increased and w a