廢輪胎快速熱解實(shí)驗研究

第28卷第1期燃料化學(xué)學(xué)報Vol 28 No. 1JOURNAL OF FUEL CHEMISTRY AND TECHNOLOGY2000廢輪胎快速熱解實(shí)驗研究陰秀麗,趙增立,徐冰嬿,吳創(chuàng )之,陳勇D Y LEung中國科學(xué)院廣州能源研究所,廣東省廣州市510070)Department of Mechanical Engineering The University of Hong Kong摘要:介紹了廢輪胎快速熱解的試驗裝置和結果。重點(diǎn)考察了反應器溫度在500~1000℃0時(shí)熱分解氣體產(chǎn)率和組分的變化規律熱分解產(chǎn)物分布以及延長(cháng)氣相停留時(shí)間對熱分解氣體產(chǎn)率和組分的影響。結果表明熱分解速率隨溫度呈線(xiàn)性變化熱分解溫度升高產(chǎn)氣率增加液體和固體產(chǎn)物減少。1000℃時(shí)氣體產(chǎn)率是500℃的4倍。廢輪胎熱解氣熱值較高Q0~37M/Nm3)在700~800℃間達到最大值。700℃以上延長(cháng)氣相停留時(shí)間產(chǎn)氣率增加。800℃以上延長(cháng)停留時(shí)間氣體熱值降低關(guān)鍵詞:廢輪胎;快速熱解;產(chǎn)物分布中圖分類(lèi)號:X705文獻標識碼:A文章編號:0253-2409(200001-0076-04廢輪胎世界年產(chǎn)量高達5億噸,報廢率為熱解產(chǎn)生的氣體由U型管收集用針筒取樣送氣相554%。1994年我國生產(chǎn)輪胎5000萬(wàn)條廢棄量色譜分析。實(shí)驗結束后取出樣品舟稱(chēng)重得到焦炭1250萬(wàn)條報廢率為25%"。預計2000年我國汽車(chē)產(chǎn)量焦油和水的重量用差減法求得。熱解氣分析輪胎年產(chǎn)量將達到7500萬(wàn)條廢輪胎量將達1900采用島津GC-208和HP4890氣相色譜儀分別分萬(wàn)條]。隨著(zhù)人口增加土地資源日益稀少廢輪胎析H2、O2、N、CO、CO2和CH、CH、C2H1等C1~C6的長(cháng)久堆積不僅破壞環(huán)境景觀(guān)占用土地而且容易的碳氬化合物氣體?？紤]到本實(shí)驗為快速熱解反引起火災造成大量濃煙污染空氣所產(chǎn)生的熔油、應以考察氣體產(chǎn)物的變化規律為主加入焦油的冷溶渣滲入地下造成土壤及地下水的污染。傳統的凝回收裝置會(huì )增加系統阻力所以液體部分采用差填埋法和焚燒法在一些發(fā)達國家已被禁止使用。廢減法計算。輪胎具有高揮發(fā)分與低灰分的特點(diǎn),熱值達到1.2實(shí)驗原料實(shí)驗所用的廢輪胎是廣州再生資37M丿kg左右沘比煤和生物質(zhì)都高從廢輪胎中獲取源公司提供的廢汽車(chē)輪胎橡膠顆粒。實(shí)驗中選用能源成為人們日益感興趣的課題。通過(guò)熱解方法,20~60目顆粒。原料的元素和工業(yè)分析值示于表1不僅可以處理廢物又沒(méi)有污染物的排放還可回收中。炭黑、燃料油、可燃氣等化學(xué)品和能源。近20多年來(lái),發(fā)達國家開(kāi)展了大量廢輪胎熱解的研究工作51部分已實(shí)現工業(yè)化。在我國廢輪胎的熱解10氣化技術(shù)在基礎研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)方面都幾乎是空7白。所以研究適合我國經(jīng)濟水平的廢輪胎處理技術(shù)有重要的現實(shí)意義。本實(shí)驗的目的是探索快速熱解條件下廢輪胎熱解氣產(chǎn)率、組分以及反應器溫度和氣相停留時(shí)間對產(chǎn)氣數量和質(zhì)量的影響1實(shí)驗部分1.1試驗裝置與方法試驗裝置如圖1所示。包括反應系統、氣體收集系統和計算機采集系統。實(shí)圖1試驗裝置流程圖驗時(shí)將經(jīng)過(guò)預處理的原料裝在樣品舟中置于反應Fig 1 Schematic illustration of experimental apparatus管冷端待加熱爐溫度達到設定值后將樣品舟迅速n中國煤化工ouei;4- furnace;推到反應管中間發(fā)生熱分解反應。該裝置的升溫CNMHGvalves ,8 pressure trans-速率平均可達1200℃/min遠遠超過(guò)普通熱天平的11 gas collecting systen升溫速率。實(shí)驗時(shí)樣品數量大,可減少分析的誤差收橘西莓糯驛-10-081期陰秀麗等:廢輪胎快速熱解實(shí)驗研究表1原料的元素和工業(yè)分析Table 1 Ultimate and proximate analysis of feedstockUltimate analysis%oProximate analysis/%Tire rubber76.897.084.790.341.6767.525.225.3373282實(shí)驗結果與分析熱分解產(chǎn)物分布及產(chǎn)品質(zhì)量受多種因素影響如熱解溫度、壓力、停留時(shí)間及顆粒尺寸、形狀等。本實(shí)驗采用常壓惰性氣氛下熱解方法,重點(diǎn)分析熱解溫度和氣相停留時(shí)間對氣體產(chǎn)率和組分的影響。02.1熱分解速率和溫度的關(guān)系從試驗可看出,反800應溫度的高低決定了完成熱分解所需的時(shí)間(從開(kāi)T℃始產(chǎn)氣到產(chǎn)氣結束時(shí)間),在爐溫為500℃和1000℃圖2熱分解所需時(shí)間與溫度的關(guān)系時(shí),廢輪胎所需的熱分解時(shí)間分別為53.9s和8.5s,所以溫度不僅決定產(chǎn)氣量,也決定產(chǎn)氣速度。由圖可知,廢輪胎熱解氣具有較高的熱值,但氣體產(chǎn)物的2可看出,完全熱分解所需時(shí)間與溫度的關(guān)系近似質(zhì)量百分比較低,1000℃時(shí)僅有23%左右,產(chǎn)物中固為線(xiàn)性關(guān)系。液產(chǎn)物占較大比重。這和生物質(zhì)熱分解產(chǎn)物分布明22熱分解產(chǎn)物分布廢輪胎在熱解過(guò)程中生成顯不同。所以,對廢輪胎熱解單純以產(chǎn)氣為目的,能、液、固三種產(chǎn)物,液體產(chǎn)物包括焦油和水。本研硏量利用率很低,需采用延長(cháng)氣相停留時(shí)間、加焦油裂究重點(diǎn)考察氣體產(chǎn)物,液體產(chǎn)率由差減法求得。表解催化劑等方法增加氣體產(chǎn)量,或者將氣液固產(chǎn)物2為500℃到10℃C廢輪胎熱分解產(chǎn)物分布。由表綜合利用。表2廢輪胎熱分解產(chǎn)物分布Table 2 Product distribution of waste tire pyrolysisTemperature/℃7001000Gas productivity/ml(g)20633300.2290.233Gas heating value/k J(Nm')19360367843540829642Char productivity/g(g)0.3730.3680.340.3430.5740.5520.4270.4242.3反應溫度對氣體、焦炭和焦油產(chǎn)率的影響由2.4溫度對氣體成分和熱值的影響廢輪胎熱解表2可看出,隨溫度升高,氣體產(chǎn)率明顯增加,500℃產(chǎn)物氣中主要包括H2,CO,CO2,CH1,C2H,C2H和時(shí),廢輪胎的產(chǎn)氣率為92mlg,100℃時(shí)增加到CHl,還有少量的H1S及其它碳氫化合物氣體。圖365ml/g,增加了4倍。這是因為焦炭在高溫下進(jìn)3為廢輪胎主要熱解氣成分隨溫度的變化。結果表步發(fā)生還原反應而釋放出氣體,以及焦油中的高分明,隨溫度升高,H1含量直線(xiàn)上升,CO2、CO呈下降子量碳氫化合物在高溫下進(jìn)一步裂解所致,所以洫趨勢,CH在500~900℃內上升,900℃后開(kāi)始下降,度是增加氣體產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。隨溫度升高,焦炭產(chǎn)率逐漸下降,但不明顯,而焦油產(chǎn)率降低的趨勢則中國煤化巧而增加,之后開(kāi)始下明顯得多。焦油中包括的苯、酚和蔡等多原子碳氫降,f HCNMHG溫度升高而上升,之后化合物在高溫下易發(fā)生分解,且溫度越高,分解反應開(kāi)始下降。和生物質(zhì)熱解相比,熱解氣組分隨溫度越劇烈,導致焦油產(chǎn)率降低。從500℃0到1000,液的變化規律有較多相似之處,不同的是各種氣體的體產(chǎn)率從57.4%降到42.4%,焦碳產(chǎn)率從37.3%降含量相差較大,由于廢輪胎含氧量少,CO)和CO2含到343萬(wàn)方居量較低,H2、CH4、C2H、C2H4及C2以上成分高28卷氣體成分決定了氣體的熱值。由表2看出,在700℃前氣體熱值隨溫度升高而升高,在700℃到X H800℃之間,達到最大值,800℃以后提高溫度,氣體熱值反而減少。廢輪胎熱解氣熱值為20~37MJNm3,遠遠大于生物質(zhì)的熱解氣熱值?！鰿H4●CHC1000圖4800℃時(shí)不同停留時(shí)間主要氣體成分Temperature./℃ig. 4 Gas composition vs. gas phase residence time (at 800C)圖3廢輪胎熱解氣體成分隨溫度的變化加,氣體熱值略有降低,繼續延長(cháng)停留時(shí)間,氣體產(chǎn)ig. 3 Main gas composition vs. temperature率增加幅度不大,氣體熱值進(jìn)一步降低;T=900℃○-HCO;▲-CO2;△-C2H;●-C2H4;①一G3HT2=900℃時(shí),氣體產(chǎn)率只增加8.1%,氣體熱值卻下降14%。延長(cháng)氣相停留時(shí)間對焦碳的影響很小2.5氣相停留時(shí)間對二次反應的影響氣相停留因此我們可近似認為,熱解產(chǎn)物在高溫反應區停留時(shí)間是指熱分解過(guò)程產(chǎn)生的揮發(fā)組分在高溫反應區時(shí)間的增加,是使焦油進(jìn)一步裂解為氣體的過(guò)程。的停留時(shí)間,由于二次反應的存在,停留時(shí)間在一定熱解時(shí),廢輪胎首先釋放揮發(fā)分,其數量和質(zhì)量由溫程度上影響產(chǎn)物分布。將3個(gè)不同長(cháng)度的反應管和度和加熱速率決定,這些一次揮發(fā)分進(jìn)一步裂解為3個(gè)可以獨立調節溫度的加熱爐組合,使熱解產(chǎn)生焦油和氣體,油和氣的比例在一定范圍內是溫度和的氣體通過(guò)不同的長(cháng)度和溫度段,考察了氣相停留時(shí)間的函數。時(shí)間及溫度對氣體產(chǎn)率、組成和焦碳產(chǎn)率的影響。實(shí)驗結果表明,700℃以上延長(cháng)氣相停留時(shí)間表3列出三組不同停留時(shí)間和溫度下氣體產(chǎn)產(chǎn)氣率增加,氣相停留段溫度越高,產(chǎn)氣率越率、焦碳產(chǎn)率和氣體熱值的數據。圖4為800℃c時(shí)不在80°℃以上延長(cháng)停留時(shí)間,氣體熱值會(huì )降低。對同停留時(shí)間下主要氣體組分。由表3可看出,T1高溫(900℃)熱解氣延長(cháng)停留時(shí)間,氣體產(chǎn)率的增加700℃,T2分別為700、800、90℃時(shí),氣體產(chǎn)率增加已不明顯,熱值反而下降。所以,必須控制合適的停溫度越高,氣體產(chǎn)率增加越大,但72=900℃時(shí),氣留時(shí)間及溫度,才能得到較高氣體產(chǎn)率和氣體熱值。體熱值降低;T=800℃,72=800℃時(shí),氣體產(chǎn)率增表3不同氣相停留時(shí)間和溫度下的氣體、焦碳產(chǎn)率和熱值Table 3 Gas and char productivity at different gas phase residence time and temperatureemperature at differentGas productivityGas heatingreactionproductivityvalueTLT2Increment/%64318.437741中國煤化工CNMHG3173331080033226.734.22664733萬(wàn)藶矩6611期陰秀麗等:廢輪胎快速熱解實(shí)驗研究3結論但氣體產(chǎn)物的質(zhì)量百分比較低,1000℃C時(shí)僅有23%(1)熱分解速率與溫度的關(guān)系近似為線(xiàn)性關(guān)左右,產(chǎn)物中固液產(chǎn)物占較大比重。系。氣體產(chǎn)率隨反應溫度的升高而增加。焦碳和焦(3)700℃以上延長(cháng)氣相停留時(shí)間,產(chǎn)氣率增油產(chǎn)率隨溫度的升高而下降。1000℃時(shí)氣體產(chǎn)率是加,氣相停留段溫度越高,產(chǎn)氣率越大,但在800℃500℃時(shí)的4倍。以上延長(cháng)停留時(shí)間,氣體熱值會(huì )降低。對高溫(2)廢輪胎熱解產(chǎn)物氣中H2和烴類(lèi)含量高,(900℃)熱解氣延長(cháng)停留時(shí)間,氣體產(chǎn)率的增加已不CO0、CO2含量較低。廢輪胎熱解氣具有較高的熱值,明顯,熱值反而下降參考文獻[]薛大明,全燮,趙雅芝等·廢輪胎熱解資源化硏究[J].環(huán)境工程,1998,16(1:47-48[2]陳鳳珍,錢(qián)家麟.廢輪胎裂解制取液體燃料和化學(xué)品[冂.橡膠工業(yè),198,45(11):687~691[3] Paul T Williams, Serpil Besler, David T Taylor. 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It concludes that the time of complete pyrolysis decreases linearly with increasing temperaturechar decreases slowly and yield of gas increases quickly. The gas yield at 1000'C is almost 3 times higherthan that at 500C. The gases are identified as H2, CO, CO2, CH4, C2 H4, C2 H and C3 H in additionto lower concentrations of H2S and other hydrocarbon gases. The gas heating value is about 20-37MJNm' with the critical point of gas heating value between 700 to 800C. The gas yield increases with increasing gas phase residence time in high temperature zone, while too longer residence time can make thealue decreasedKEY WORDS: waste tyre; pyrolysis; product distribution第一作者∵陰秀麗女,1969年生工學(xué)碩士助理研究員主要從事生物質(zhì)氣化技術(shù)的理論和應用研究。中國煤化工CNMHG萬(wàn)藶矩居