废轮胎快速热解实验研究

第28卷第1期燃料化学学报Vol 28 No. 1JOURNAL OF FUEL CHEMISTRY AND TECHNOLOGY2000废轮胎快速热解实验研究阴秀丽,赵增立,徐冰嬿,吴创之,陈勇D Y LEung中国科学院广州能源研究所,广东省广州市510070)Department of Mechanical Engineering The University of Hong Kong摘要:介绍了废轮胎快速热解的试验装置和结果。重点考察了反应器温度在500~1000℃0时热分解气体产率和组分的变化规律热分解产物分布以及延长气相停留时间对热分解气体产率和组分的影响。结果表明热分解速率随温度呈线性变化热分解温度升高产气率增加液体和固体产物减少。1000℃时气体产率是500℃的4倍。废轮胎热解气热值较高Q0~37M/Nm3)在700~800℃间达到最大值。700℃以上延长气相停留时间产气率增加。800℃以上延长停留时间气体热值降低关键词:废轮胎;快速热解;产物分布中图分类号:X705文献标识码:A文章编号:0253-2409(200001-0076-04废轮胎世界年产量高达5亿吨,报废率为热解产生的气体由U型管收集用针筒取样送气相554%。1994年我国生产轮胎5000万条废弃量色谱分析。实验结束后取出样品舟称重得到焦炭1250万条报废率为25%"。预计2000年我国汽车产量焦油和水的重量用差减法求得。热解气分析轮胎年产量将达到7500万条废轮胎量将达1900采用岛津GC-208和HP4890气相色谱仪分别分万条]。随着人口增加土地资源日益稀少废轮胎析H2、O2、N、CO、CO2和CH、CH、C2H1等C1~C6的长久堆积不仅破坏环境景观占用土地而且容易的碳氬化合物气体。考虑到本实验为快速热解反引起火灾造成大量浓烟污染空气所产生的熔油、应以考察气体产物的变化规律为主加入焦油的冷溶渣渗入地下造成土壤及地下水的污染。传统的凝回收装置会增加系统阻力所以液体部分采用差填埋法和焚烧法在一些发达国家已被禁止使用。废减法计算。轮胎具有高挥发分与低灰分的特点,热值达到1.2实验原料实验所用的废轮胎是广州再生资37M丿kg左右沘比煤和生物质都高从废轮胎中获取源公司提供的废汽车轮胎橡胶颗粒。实验中选用能源成为人们日益感兴趣的课题。通过热解方法,20~60目颗粒。原料的元素和工业分析值示于表1不仅可以处理废物又没有污染物的排放还可回收中。炭黑、燃料油、可燃气等化学品和能源。近20多年来,发达国家开展了大量废轮胎热解的研究工作51部分已实现工业化。在我国废轮胎的热解10气化技术在基础研究和技术开发方面都几乎是空7白。所以研究适合我国经济水平的废轮胎处理技术有重要的现实意义。本实验的目的是探索快速热解条件下废轮胎热解气产率、组分以及反应器温度和气相停留时间对产气数量和质量的影响1实验部分1.1试验装置与方法试验装置如图1所示。包括反应系统、气体收集系统和计算机采集系统。实图1试验装置流程图验时将经过预处理的原料装在样品舟中置于反应Fig 1 Schematic illustration of experimental apparatus管冷端待加热炉温度达到设定值后将样品舟迅速n中国煤化工ouei;4- furnace;推到反应管中间发生热分解反应。该装置的升温CNMHGvalves ,8 pressure trans-速率平均可达1200℃/min远远超过普通热天平的11 gas collecting systen升温速率。实验时样品数量大,可減少分析的误差收橘西莓糯驛-10-081期阴秀丽等:废轮胎快速热解实验研究表1原料的元素和工业分析Table 1 Ultimate and proximate analysis of feedstockUltimate analysis%oProximate analysis/%Tire rubber76.897.084.790.341.6767.525.225.3373282实验结果与分析热分解产物分布及产品质量受多种因素影响如热解温度、压力、停留时间及颗粒尺寸、形状等。本实验采用常压惰性气氛下热解方法,重点分析热解温度和气相停留时间对气体产率和组分的影响。02.1热分解速率和温度的关系从试验可看出,反800应温度的高低决定了完成热分解所需的时间(从开T℃始产气到产气结束时间),在炉温为500℃和1000℃图2热分解所需时间与温度的关系时,废轮胎所需的热分解时间分别为53.9s和8.5s,所以温度不仅决定产气量,也决定产气速度。由图可知,废轮胎热解气具有较高的热值,但气体产物的2可看出,完全热分解所需时间与温度的关系近似质量百分比较低,1000℃时仅有23%左右,产物中固为线性关系。液产物占较大比重。这和生物质热分解产物分布明22热分解产物分布废轮胎在热解过程中生成显不同。所以,对废轮胎热解单纯以产气为目的,能、液、固三种产物,液体产物包括焦油和水。本研硏量利用率很低,需采用延长气相停留时间、加焦油裂究重点考察气体产物,液体产率由差减法求得。表解催化剂等方法增加气体产量,或者将气液固产物2为500℃到10℃C废轮胎热分解产物分布。由表综合利用。表2废轮胎热分解产物分布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反应温度对气体、焦炭和焦油产率的影响由2.4温度对气体成分和热值的影响废轮胎热解表2可看出,随温度升高,气体产率明显增加,500℃产物气中主要包括H2,CO,CO2,CH1,C2H,C2H和时,废轮胎的产气率为92mlg,100℃时增加到CHl,还有少量的H1S及其它碳氢化合物气体。图365ml/g,增加了4倍。这是因为焦炭在高温下进3为废轮胎主要热解气成分随温度的变化。结果表步发生还原反应而释放出气体,以及焦油中的高分明,随温度升高,H1含量直线上升,CO2、CO呈下降子量碳氢化合物在高温下进一步裂解所致,所以洫趋势,CH在500~900℃内上升,900℃后开始下降,度是增加气体产率的关键因素。随温度升高,焦炭产率逐渐下降,但不明显,而焦油产率降低的趋势则中国煤化巧而增加,之后开始下明显得多。焦油中包括的苯、酚和蔡等多原子碳氢降,f HCNMHG温度升高而上升,之后化合物在高温下易发生分解,且温度越高,分解反应开始下降。和生物质热解相比,热解气组分随温度越剧烈,导致焦油产率降低。从500℃0到1000,液的变化规律有较多相似之处,不同的是各种气体的体产率从57.4%降到42.4%,焦碳产率从37.3%降含量相差较大,由于废轮胎含氧量少,CO)和CO2含到343万方居量较低,H2、CH4、C2H、C2H4及C2以上成分高28卷气体成分决定了气体的热值。由表2看出,在700℃前气体热值随温度升高而升高,在700℃到X H800℃之间,达到最大值,800℃以后提高温度,气体热值反而减少。废轮胎热解气热值为20~37MJNm3,远远大于生物质的热解气热值。△CH4●CHC1000图4800℃时不同停留时间主要气体成分Temperature./℃ig. 4 Gas composition vs. gas phase residence time (at 800C)图3废轮胎热解气体成分随温度的变化加,气体热值略有降低,继续延长停留时间,气体产ig. 3 Main gas composition vs. temperature率增加幅度不大,气体热值进一步降低;T=900℃○-HCO;▲-CO2;△-C2H;●-C2H4;①一G3HT2=900℃时,气体产率只增加8.1%,气体热值却下降14%。延长气相停留时间对焦碳的影响很小2.5气相停留时间对二次反应的影响气相停留因此我们可近似认为,热解产物在高温反应区停留时间是指热分解过程产生的挥发组分在高温反应区时间的增加,是使焦油进一步裂解为气体的过程。的停留时间,由于二次反应的存在,停留时间在一定热解时,废轮胎首先释放挥发分,其数量和质量由温程度上影响产物分布。将3个不同长度的反应管和度和加热速率决定,这些一次挥发分进一步裂解为3个可以独立调节温度的加热炉组合,使热解产生焦油和气体,油和气的比例在一定范围内是温度和的气体通过不同的长度和温度段,考察了气相停留时间的函数。时间及温度对气体产率、组成和焦碳产率的影响。实验结果表明,700℃以上延长气相停留时间表3列出三组不同停留时间和温度下气体产产气率增加,气相停留段温度越高,产气率越率、焦碳产率和气体热值的数据。图4为800℃c时不在80°℃以上延长停留时间,气体热值会降低。对同停留时间下主要气体组分。由表3可看出,T1高温(900℃)热解气延长停留时间,气体产率的增加700℃,T2分别为700、800、90℃时,气体产率增加已不明显,热值反而下降。所以,必须控制合适的停温度越高,气体产率增加越大,但72=900℃时,气留时间及温度,才能得到较高气体产率和气体热值。体热值降低;T=800℃,72=800℃时,气体产率增表3不同气相停留时间和温度下的气体、焦碳产率和热值Table 3 Gas and char productivity at different gas phase residence time and temperatureemperature at differentGas productivityGas heatingreactionproductivityvalueTLT2Increment/%64318.437741中国煤化工CNMHG3173331080033226.734.22664733万苈矩6611期阴秀丽等:废轮胎快速热解实验研究3结论但气体产物的质量百分比较低,1000℃C时仅有23%(1)热分解速率与温度的关系近似为线性关左右,产物中固液产物占较大比重。系。气体产率随反应温度的升高而增加。焦碳和焦(3)700℃以上延长气相停留时间,产气率增油产率随温度的升高而下降。1000℃时气体产率是加,气相停留段温度越高,产气率越大,但在800℃500℃时的4倍。以上延长停留时间,气体热值会降低。对高温(2)废轮胎热解产物气中H2和烃类含量高,(900℃)热解气延长停留时间,气体产率的增加已不CO0、CO2含量较低。废轮胎热解气具有较高的热值,明显,热值反而下降参考文献[]薛大明,全燮,赵雅芝等·废轮胎热解资源化硏究[J].环境工程,1998,16(1:47-48[2]陈凤珍,钱家麟.废轮胎裂解制取液体燃料和化学品[冂.橡胶工业,198,45(11):687~691[3] Paul T Williams, Serpil Besler, David T Taylor. The pyrolysis of scrap automotive tyres[J], Fuel,1990,69: 1474-1482I Font, Antonio Marcilla. Gas from the pyrolysis of scrap tires in a fluidized bed reactorEnergy Fuels1996,10:134~140[5] Pattabhi Raman K, Walawender W P, Fan L T. Gasification of waste tires in a fluid bed reactor[ J]. Conservation Recycling,19814(2):79-88EXPERIMENTAL STUDY ON PYROLYSIS OF WASTE TYREYIN Xiu-li, ZHAO Zeng-li, XU Bing -yan, WU Chuang-zhi, CHEn YongGuangghou Institute of Energy Comversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou Guangdong 510070, ChinaDYC LeungDepartment of Mechanical Engineering, The University of Hong Kong, ChinaABSTRACT: The paper introduces a set of laboratory apparatus with feature of fast pyrolysis and experimental results in pyrolysis of waste tire. The composition and productivity of derived gases are determinedin relation to pyrolysis temperature from 500-1000C and different gas phase residence time. 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∵阴秀丽女,1969年生工学硕士助理研究员主要从事生物质气化技术的理论和应用研究。中国煤化工CNMHG万苈矩居