等离子体热解煤制乙炔的影响因素.docx

1、第35卷第6期太原理工大学学报Vol.35No.62004年11月JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYNov.2004文章编号：1007-9432（2004>06-0641-03等离子体热解煤制乙焕的影响因素崔丽萍、曹青I,鲍卫仁2（1.太原理丁.大学化学工程与技术学院.山西太原030024；2.太原理T.大学教育部和山西省煤科学与技术重点实验室.山西太原030024）摘要：进行了等离子体状态下煤的热解研究.考察了煤挥发分、煤比能耗、供粉速率、淬冷等因素时等高子体热解煤制取乙块的影响。实验姑果表明：挥发分产率在25%40%的烟煤有比较高的乙块收率；

2、随着煤比能耗的增加煤的转化率和乙块收率呈增加越势；随着供粉速度的提高,煤的转化率和乙决收率星下降的趋势；适当的淬冷位宣和淬冷速率时乙块的生成有利。关键词：煤；等离子体；热解；乙焕中图分类号:TQ530.2文献标识码：A收稿日期：2004-06-30基金项目司家自然科学珏金重点资助项目U9935OIO）；国家暮,&基础研究发展规划项HCG1999022106）作者简介：裙两薄（1964>.女.山西武乡县人.在读硕士.讲何.主要从状化学丁程研究.乙快是页要的有机化工原料可用来生产聚氯乙烯、醋酸乙烯、丙烯睛等一系列化工产品，其工业生产采用的方法为电石法和甲烷部分氧化法。电石法是由煤生产

3、乙狭的传统方法.但存在着工艺流程长、能耗高、尤其是环境污染严重等不可避免的缺点，发达国家已全部关闭了此法的生产装置。qi烷部分氧化法又必须有配套的合成氨或甲醇装置.造成工艺流程复杂.投资规模过大。从原子经济的角度考虑，煤中的氢碳比与乙焕（C2HQ接近.因此以煤为原料直接制取乙狭，使煤中的C,H原子能够得到最合理的利用。等离子体热解煤制取乙狭是利用等离子体具有能量高度集中、高热烙、高化学活性的特点，将等离子体技术与煤转化相结合。它克服了传统工艺的许多缺点.具有流程短、洁净转化的优点，是煤直接转化的一条有效途径。本文通过等离子体热解煤的实捻研究.重点考察了煤挥发分、煤比炫、供粉速率、淬冷等因素对等

4、离子体热解煤制取乙扶的影响。1实验部分1.1煤质分析实脸选用了i2种不同变质程度的煤。煤质分析数据见表1.1.2实验装置及实验条件实验装置主要包括等离子体发生器、热解反应器、急冷器、取样装置以及水、电、系统等。等离子体发生器为H2/Ar直流电弧等离子体发生器.热解反应器为渐扩式下行反应器.外壁有水冷夹套，内壁衬有石墨套。急冷器位于反应器下方.以便及时冷却裂解产生的气体，防止乙焕的进一步分解。表1煤的工业分析和元素分析煤样业分析（，质Lt分数）兀索分析（质量分散MdA.v&.CHN（）大同2.517.6029.9075.524.630.7916.40东山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阳城2.959.496.9491.473.191.120.00义马9.0318.5842.2070.626.281.2819.70霜林河20.6023.8649.5267.005.191.5325.20先锋19.198.5151.6064.705.271.3627.18辛赵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凿阳1.6312.5625.6688.755.30'1.484.51煤粉经过供粉器用筑气携带进入反应器,在反应器与等离子体射流相互作用并发生闪速热解,热解生成的气、固产物通过喷淋式急冷器进行淬冷然后进入分离器进行气固分离。热裂解气体的主要成分有乙焕、一机化碳、甲烷和少最的乙烯、丙稀、微技的二氧化碳。电孤等离子体射流由等离子体发生器产生等离子体发生器的功率范围为3565kW；工作电流为150-200A；工作电压为250320V；煤粒度为200目'供粉速率为0.56.0g/s.热解气相产物使用上海计算机技术研究所产GC-900-SD气相色谱仪分析裂解气和产

7、品气的组成。色谱采用双柱分离，它包括双载气通路、双狙气通路和空气通路。2结果及讨论2.1煤中挥发分对乙狭收率的影响有关等离子体裂解煤制乙块的机理过程目前的研究尚未得到一致的结论，但是大多数研究认为官，煤裂解制乙炊大致可分为两步：煤首先裂解析出挥发分，温度大致在1000P左右，加热速度10fK/s；在等离子体射流中的氢原子或高能离子的作用F，挥发份进一步发生裂解反应生成以乙块为主的小分子物质，其时间<0.4ms.由此可见，煤化程度或挥发分产率直接影响着乙块收率的大小.图1为12种煤通过实验得到的挥发分产率对乙炊收率的影响。可以看出，当挥发分产率小于40%的煤在转化过程中随着挥发分产率的增加

8、，乙炊收率也随之增加。对于挥发分产率大于40%的褐煤.挥发分产率的增加不仅没有增加乙炊的收率，而且随若挥发分产率的增加，乙块的收率迅速F降，这说明乙块收率的高低还取决于煤中氧含鼠的高低。挥发分产率在25%40%的烟煤有比较高的乙炊收率，适合作为制取乙炊的原料。102030405060挥发分质段分敷/%15105次、*鼻琳2图1择发分对乙烷收率的影响2.2比能耗和供粉速率对煤转化率和乙快收率的影响煤比能耗(SpecificEnergyConsumption»简称S,)是在操作条件下单位质屋煤粉可以分配得到的能量，它可以反映煤粉在等离子体射流中反应的平均温度。其址纲为kj/g,实验中所采

9、用的等高子体发生器的热效率为60%.比能耗的表达式如F：S<=NcS.图2是煤比能耗对煤转化率的影响曲线图.图3为煤比能耗对乙炊收率的影响曲线图。在相同的功率和工作气体流量条件F，煤比能耗不仅反映了等离子体射流与煤粉反应的平均温度，而且还意味着单位质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）图2煤比能耗对煤转化率的影响2622%、彖琳2图3煤比能疑对乙埃收率的影响不仅为反应提供了高的平均反应温度，而且还提供了相对充足的能量。煤在富氢等离子体中热解生成的主要气相产物

10、是乙炊，从热力学角度分析可知,在碳-氢体系中的反应产物完全由反应温度决定。体系温度在900K时.甲烷是主要产物，且其产率随温度升高而降低；当体系温度超过1500K时，发生强烈吸热反应.乙炊的生成自由能小于甲烷、乙烷等小分子炷类化合物的自由能，乙炊成为在碳狙化合物中占优势的物质；当体系温度达3500K时，此反应是碳氛体系中唯一的主要反应。从图2、图3可看出，随煤比能耗的增加，煤的转化率和乙炊收率呈增加趋势，这同供粉速率对煤转化率和乙炊收率的影响关系(图4、图5)相一致。900246供煤速率/（gs1）0246供煤速率/（gs1）705030ffi4供粉速度对煤转化率的影响随着供粉速率的增加，煤的

11、转化率逐渐F降。这是崔丽萍等：等离子体瓶解煤制乙块的影响因素崔丽萍等：等离子体瓶解煤制乙块的影响因素643因为等离子体射流提供的能量-定，随着供粉速率的增加，单位质量的煤所获得的能量就要降低，即煤的比能耗下降.造成了煤的转化率和乙块收率降低。在电弧等离子体射流中含有大垫的活性粒子如H+,H-,以及大量的电子等，这些高能活性粒子一旦撞击到煤的表面时便可以直接使煤转化。从图2、图3还可看出煤的转化率大于煤中的挥发分的含址，这说明了等离子体热解煤制乙块中的等离子体射流中活性蛆分在起作用。4020»H嫌720»H嫌7100246供煤图5供份速率对乙提收率的赃响2.3淬冷对热解产物乙

12、烷的影响从图6可以看出.淬冷后乙扶的含量都明显高于淬冷前乙块的含量，且不受供煤速率的影响；这说明淬冷可以有效地抑制乙块的分解，同时还能使自¥、*去足彳«7图6淬冷对乙提浓度的彪响由基复合生成乙狭.提高乙块收率。从热力学观点来看、所有不饱和煌中乙块在高温下最容易分解成碳和氢，所以对产品气进行骤冷（使产品气温度小于300*0）是保证较高乙换收率的关键。根据C-H平衡体系的计算结果，C?H?和C?H是C-H平衡体系在3500K左右时的主要的碳氢化合物；因氢等离子体具有高温（超过3500K）高炫的特点，因而煤在等离子体中可直接制得乙块。已证明充分快速急冷（0.77X10*5.8X1

13、0'K/s）能避免乙狭的分解，同时促进了放热反应GH+H?C2H2+H和C?H+HC?H?的进行.可以有效地提高乙炊的收率。参考文献：1 谢克昌.煤的结构与反应性M.北京：科学出版社.2002=456-531.2 谢克月.田亚峻.陈宏刚.煤在Hj/Ar电弧等离子体中的热制IJ.化T.学报.200!.52(6):516-521.3 田职宇.黄伟.蝴卫仁.煤等离子体热第制乙块T.艺的丁程探讨J.现代化T.2002.22<2>：7-10.4 绝卫仁.关有俊.X永康.等房子体煤热解与气化工之的研究进展J.现代化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