工艺条件对煤 - 废塑料在焦炉气气氛下共热解特性的影响-

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工艺条件对煤2废塑料在焦炉气气氛下共热解特性的影响廖洪强1李保庆2张碧江2摘要将先锋褐煤与5%聚乙烯(PE混合加入10g固定床反应器中通入焦炉煤气在不同压力、升温速率及终态温度下共热解。结果表明,在实验压力范围内(011M Pa3M Pa添加废塑料可实现煤2焦炉气常压热解达到甚至超过高压(3M Pa下不加PE时热解的焦油收率,同时增加半焦收率,明显降低热解水分。降低升温速率可明显增加焦油收率,降低水分。添加废塑料还可实现煤2焦炉气低温热解达到甚至超过高温热解时的焦油收率,

2、同时提高半焦收率减少热解水分。通过添加废塑料,煤2焦炉气共热解工艺可以进一步实现温和化高效热解。关键词煤,废塑料,共热解,焦炉煤气中图分类号TQ53012,TQ52016,X780引言为实现煤高效、洁净利用,加氢热解是倍受人们关注的方法之一。煤加氢热解是在低温段采用热解法先提取煤中富氢组分而后在高温段加氢以提高煤中H C实现煤变油的加工方法。它具有油收率高且半焦硫、氮含量低等优点,所以被人们誉为介于气化与液化之间的第3条煤转化途径。1但由于该工艺以纯氢作反应气成本较高,加之制氢需要气体循环、分离及净化等复杂的工艺过程又增加了投资费用,所以该工艺至今仍停留在中试水平上。寻找廉价富氢气氛代替纯氢进

3、行加氢热解以降低成本和投资费用成为加氢热解发展方向之一。2煤2焦炉气共热解是利用含氢60%的焦炉气代替纯氢进行加氢热解以降低其成本及投资费用的一种新工艺。该工艺仍以煤为原料,以焦炉气为反应气,采用传统加氢热解工艺与炼焦工业相结合的方法可降低传统加氢热解工艺成本约三分之二。3B raekm an2D anheux等4考察了煤在模拟焦炉气气氛下热解行为,进一步证明了用焦炉气代替纯氢进行加氢热解的可行性。最近,对煤在真实焦炉煤气气氛下热解行为的考察发现,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,而水分有所增加。5如何提高煤2焦炉气共热解焦油收率,降低热解水分含量成为该工艺的一个新课题。

4、本课题的近期研究表明,在煤2焦炉气共热解中添加少量废塑料可以达到增油降水的目的。6本文在前期工作基础上系统考察了工艺条件对煤2废塑料在焦炉气气氛下共热解产品收率的影响,以期通过添加废塑料实现煤在焦炉气气氛下温和、高效热解,为该工艺进一步工业化提供基础理论。1实验部分实验选用先锋褐煤(粒度<100目与5%聚乙烯(PE简单物理混合后加入10g固定床反应器中,通入压力为011M Pa3M Pa,流量为1L m in日本N EDO资助项目、山西省自然科学基金项目(93014.1博士生;2研究员、博士生导师,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:1998204

5、207的焦炉煤气,以5 m in 25 m in 的升温速率加热到不同的终态温度(400650,且在终态温度下恒温10m in .实验装置及流程见文献5.其工作原理简述如下:样品在反应器中热解,热解挥发分随气流带出,经冷凝后收集液体(焦油+水,然后用离心沉降方法分离液体中的焦油和水分并定量,焦油冷藏备进一步分析。固体半焦残留在反应器中用差减法定量。热解气体因有焦炉气参与反应且其组分极为相似,故不便定量分析。煤样及焦炉煤气分析结果见表1和表2.表1先锋褐煤分析数据工业分析 %,arM A V 元素分析 %,dafC H N S O (差减1815214391668175102120132318表

6、2焦炉气组成分析组成含量 %组成含量 %H 26019C 2H 60150N 2718C 2H 41150CO 619C 3H 60107CO 2118H 2S312E 25CH 420172结果与讨论211压力的影响实验以10g 先锋褐煤,0125g 聚乙烯塑料(PE 混合加入固定床反应器中,分别通入011M Pa ,1M Pa 和3M Pa 焦炉煤气以10 m in 程序升温到650.共热解产物收率见表3.表3压力对共热解产物收率的影响PE煤 %压力 M Pa产物收率 %,daf 半焦焦油水分50115111221991051481825121114 5343103013131903461

7、62112251953345172519141710031003扣除PE 本身热解产焦油量。从表3所列结果可以看出,随压力升高共热解总转化率、焦油收率以及热解水分均不同程度增加。压力从011M Pa 升高到3M Pa 时,共热解总转化率升高约8%,焦油增加约815%,水分增加约5%, 见图1.图1压力对先锋褐煤与5%PE 在焦炉气下共热解产物收率的影响与不加塑料时煤2焦炉气共热解结果相比见图2.添加5%PE 后,煤2焦炉气共热解焦油收率(不含PE 热解所产焦油量较不加PE 时的焦油收率高约417%,而且热解水分降低约212%.从表3结果发现,在常压下添加5%PE 后,其共热解焦油收率较3M P

8、a 不加PE 时高约2%,而热解水分含量降低约8%.由此说明添加塑料后可实现煤2焦炉气常压热解达到甚至超过高压(3M Pa 热解时的焦油收率,同时增加半焦收率,明显降低热解水分。图2不同压力下添加和不添加塑料时煤2焦炉气共热解比较(3扣除PE 本身热解产油量212升温速率的影响实验采用10g 先锋褐煤与015g 聚乙烯(PE 混合加入固定床反应器中,以1L m in 的气体流速通入1M Pa 焦炉煤气,分别以5 m in ,10 m in 和25 m in 的升温速率程序升温到650并恒温10m in .共热解产物分布见第60页表4.95第4期廖洪强等工艺条件对煤2废塑料在焦炉气气氛下共热解特

9、性的影响表4升温速率对共热解产物的影响3升温速率 m in产物收率 %,daf 半焦焦油水分54817311581110481825131114254914221510193压力:1M Pa ;终态温度:650.从表4的结果可以看出,随升温速率升高共热解总转化率变化不明显,焦油收率明显降低,热解水分略有增加。升温速率从5 m in 升高到25 m in 时,半焦收率增加约017%,焦油收率降低约9%,水分增加约3%(见图3.这说明升温速率的改变主要影响焦油的收率,即慢速升温可明显增加焦油收率且在一定程度上降低热解水分的生成。这一实验结果可能是因为降低加热速率使得塑料及煤热解自由基生成速率与反应

10、气氛间的自由基结合速率更加匹配,从而促进了废塑料与煤之间、煤及塑料与反应气氛间协同作用导致焦油显著增加和热解水的减少。通过表3和表4的实验数据分析发现,与压力为3M Pa 和升温速率为10 m in 时共热解结果相比,压力为1M Pa 及升温速率为5 m in 条件下共热解焦油收率增加约1%,且热解水分降低约6%.这说明通过降低升温速率可以实现低压下热解达到甚至超过高压下共热解焦油收率,同时明显降低热解水分 。图3升温速率对先锋褐煤与5%PE 在焦炉气下共热解产物收率的影响压力1M Pa;终态温度650213热解终温的影响实验采用5g 先锋褐煤与0125g 聚乙烯(PE 混合加入固定床反应器中

11、,以1L m in 的气体流速通入011M Pa 焦炉煤气,以10 m in 的升温速率分别升温到400,450,500和650并恒温10m in .共热解产物分布见表5.从表5的结果可以看出,随热解终态温度升高,共热解总转化率、焦油收率及热解水分均有不同程度增加。这主要由于热解温度升高促进了煤及废塑料的热分解反应以及煤、塑料与反应气氛间的共热解反应。表5热解终温对共热解产物的影响3终态温度 产物收率 %,daf 半焦焦油水分450701017111185006117221821355058143019310650511529174173压力:011M Pa ;升温速率:10 m in .从图

12、4可以发现,从500到550共热解焦油收率明显增加,热解水分及半焦收率变化相对减弱;从550到650共热解焦油几乎没有增加,但热解水分增加相对明显且半焦收率也明显降低。这说明欲得到高半焦及焦油收率和低水分含量,可以考虑在较低温度下进行煤2废塑料在焦炉气气氛下共热解,从而实现共热解工艺的进一步温和化 。图4热解终温对先锋褐煤2废塑料在焦炉气气氛下共热解产物的影响压力011M Pa;升温速率10 m in214固定床物料床层高度的影响10g 先锋褐煤与5g 先锋褐煤分别与5%PE 混合加入固定床反应器中,在常压焦炉气气氛下共热解其产物收率见第61页图5.从图5可以看出,物料从10g 减少为5g 时

13、共热解半焦收率几乎没有变化,焦油收率明显增加,约7%,热解水分明显降低,约4%.这说明床层降低减少了热解焦油的二次反应促进焦油收率增加,同时可以预测流化床较固定床更易于焦油的生成。06煤炭转化1998年 图5物料床层高度对先锋褐煤2废塑料在焦炉气气氛下共热解压力011M Pa;升温速率10 m in;终态温度6503结束语煤2废塑料在焦炉气气氛下共热解受工艺条件的影响明显。共热解总转化率、焦油收率及热解水含量均随热解压力和终态温度升高、升温速率降低而有不同程度的增加。添加塑料后可实现煤2焦炉气常压热解达到甚至超过高压(3M Pa热解时的焦油收率,同时增加半焦收率,明显降低热解水分。通过降低升温

14、速率可以实现低压下热解达到甚至超过高压下共热解焦油收率,同时增加半焦收率,明显降低热解水分。欲得到高半焦及焦油收率和低水分含量,可以考虑在较低温度下进行煤2废塑料在焦炉气气氛下共热解,从而实现共热解工艺的进一步温和化。参考文献1Cyp res R,Furfari S,GhodsiM.E rdo l Koh le E rdgas Petrochem ie,1983,36(10:4714722李保庆.煤化工与合成燃料信息,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廖洪强,孙成功,李保庆等.燃料化学学报,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