聚丙烯类废塑料空气气化特性试验研究
第9卷第4期2003年8月燃 烧 科 学 与 技 术
Journal of Combustion Science and T echnology V ol.9N o.4
Aug.2003
聚丙烯类废塑料空气气化特性试验研究
Ξ
肖 睿,董长青,金保升,章名耀
(东南大学洁净煤发电与燃烧技术教育部重点实验室,南京210096)
摘 要:以单一粒径2mm 的聚丙烯树脂为试验物料,空气作为气化介质,在内径100mm ,高3.5m 流化床反应器内对聚丙烯类塑料的空气气化特性进行了试验研究.试验结果表明,在650～750℃温度区域内气化,其燃气成分主要是气相碳氢化合物CH 4、C 2H m (m =2,4,6)等,C O 和H 2所占比例很少.随气化温度的升高,CH 4、C O 和H 2含量增加,
C 2H m 含量下降.在相同的气化温度下,床层高度增加,CH 4和H 2含量略有增加,C O 含量基本保持不变.焦油和焦炭
的产率较低并随气化温度的提高而降低.空气系数增加,燃烧份额提高,气化炉温度也相应增加.同时还比较分析了生物质和煤与聚丙烯空气气化特性.关键词:聚丙烯;空气气化;流化床
中图分类号:X 705 文献标识码:A 文章编号:100628740(2003)0420348205
Experimental Study on Air G asification of Polypropylene
XI AO Rui ,DONG Chang 2qing ,J I N Bao 2sheng ,ZH ANG Ming 2yao
(K ey Laboratory of Clean C oal P ower G eneration and C ombustion T echnology of Ministry
of Education ,S outheast University ,Nanjing 210096,China )
Abstract :An experimental study on air gasification of polypropylene (PP )with 2mm in particle diameter was carried out in a gasi 2fier with 100mm inner diameter and 3.5m total height.The experimental results indicated that the main fractions of the com 2bustible gas components were C 2H m (m =2,4,6)and CH 4,and the other components (C O and H 2)were produced with lower con 2centrations in the range of 650—750℃.Increasing the gasifier temperature increased the concentrations of CH 4,C O and H 2and decreased the concentration of C 2H m .At higher bed height ,the concentrations of CH 4and H 2increased slightly and C O remained constant.The tar and char yield were low and decreased with the gasification temperature.As the equivalence ratio was increased ,the gasifier temperature increased due to the higher degree of combustion.Air gasification of biomass and coal with polypropylene was compared and analyzed in this w ork.
K eyw ords :polypropylene ;air gasification ;fluidized bed
我国1998年塑料制品产量近1600万吨,比1990
年产量增加了3倍多,成为世界上塑料制品生产第二大国,其中难以回收再生塑料产量达200多万吨,被称
为“白色污染”[1]
.废旧塑料一般的处理方式为填埋和焚烧.塑料不易分解,如果填埋处理,不仅占用大量土地,而且影响土壤的通透性和渗水性,降低土地的使用价值.焚烧处理单一塑料垃圾,会造成炉内局部温度过
高,导致辐射受热面的高温腐蚀,而且产生的烟气中存在诸如二口恶口英、氯化氢等多种有毒的化学物质,需安装专门的尾气净化装置进行处理.化学热处理方法是近年发展起来的塑料回收、利用技术,它包括废塑料裂解制油技术和气化技术.前者通过加热或加入一定的催化剂使塑料分解,以获得聚合单体、柴油、汽油和燃料气、地蜡等价值更高的产品.
Ξ收稿日期:2002211218.
基金项目:国家重点基础研究规划资助项目(G 199902210531);东南大学科学基金资助项目(925005079);东南大学振兴行动计划资助项目.
作者简介:肖 睿(1971—
),男,博士,副教授,ruixiao @https://www.wendangku.net/doc/2310366829.html,.
废塑料气化技术是利用气化介质(空气、氧气或水蒸气)将塑料分解,以获得合成气(C O 、H 2、CH 4等),这些气体可作为生产其它化工产品(甲醇、合成氨等)的原料,也可作为燃料用于高效、低污染的燃气2蒸汽联合循环电站来发电和供热,以提升资源回收利用价值.废塑料低温气化可降低塑料外表涂层中重金属的析出,此外,650℃左右的温度适合流化床炉内石灰石脱氯反应的进行,有助于提高钙利用率和减轻高温腐蚀[2].德国、美国、日本等发达国家在加压鲁奇炉、高温温克勒和德士古等目前比较成熟的气化炉型上进行了混合废塑料气化中试规模的研究[3],多集中在1000℃以上的高温区,气化介质为纯氧和蒸汽,产品中主要成分为C O 和H 2.空气鼓风气化方式由于没有空分装置,大大降低了投资和运行费用,已广泛用于生产低热值燃料气的气化工艺中.本文对废塑料主要成分之一的聚丙烯类塑料低温空气气化特性进行了试验研究,研究低温空气气化塑料工艺可行性,并获得重要的操作参数如温度、床层高度和过量空气系数等对燃料气成
分的影响关系.
1 试验部分
1.1 试验装置
废塑料空气气化试验装置如图1所示.该装置可
以在常压和加压下进行,操作压力可达1.0MPa.气化炉本体内径100mm ,高3.5m ,布风板为直孔式,开孔率为2%.密相区反应段(高500mm )采用电加热装置,该装置主要起到在反应过程中的保温作用,以补偿散热损失.塑料通过螺旋加料器(绞龙)加入至密相区,气化介质(空气、蒸汽)经电加热器加热至一定温度通过布风板进入底部密相区.生成气经面式冷却器将可燃气中部分焦油和水蒸气冷却后,进入旋风分离器分离细小飞灰颗粒,然后进行气体取样.各个部位温度、压力、压差和流量测点示于图1.图中:T i (i =1,2, (8)
为温度;Δp 1、
Δp 2和Δp 3为压差
.图1 聚丙烯类塑料空气气化试验装置
1.2 试验过程
试验前通过螺旋加料器向炉内加入石英砂(密度
2500kg/m 3,粒径1～2mm ),达到试验所需的床高要求.通过外置电加热器将空气加热至400℃左右,预热后的空气经布风板进入炉内加热床料,床料经空气和
置于反应段的电加热装置被迅速加热至400℃.由螺旋加料器向炉内加入粒径2mm 的聚丙烯树脂(PP ),聚丙烯树脂加入后即与空气发生燃烧反应,密相反应区温度很快达到650～750℃.调节加料量和空气量使温度稳定,同时使反应从燃烧反应过渡至气化反应.反
?
943?2003年8月 肖 睿等:聚丙烯类废塑料空气气化特性试验研究
应段电加热装置设有温控装置,可自动调节,使其加热
温度与反应温度基本一致.生成气成分由上海分析仪器厂1002气相色谱仪测定.每个工况结束后,气化炉上部管内壁和冷凝器冷却管壁用易挥发的有机溶剂丙酮清洗,除去溶剂中焦炭,丙酮挥发后,可获得焦油,未反应的焦炭主要分布在气化炉的管壁,分离器的灰斗和冷凝器管壁上.通过标定得到加料量与绞龙转速之间的关系,从而获得加料量.空气流量由浮子流量计给出.由整个床层压差变化可监控床内流化状况.
2 结果与讨论
2.1 床料流化特性
试验所用惰性床料为粒径1～2mm 的石英砂,比
表面平均粒径为1.41mm ,真实密度为2510kg/m 3,堆积密度1
360kg/m 3.床层阻力变化与表观流速的关系如图2所示.当流速达到0.4m/s 后,再继续增大气体速度,压差基本保持不变,这个转折点即为起始流化状态.如果炉内表观速度大于0.4m/s ,可视为炉内已处于良好流化状态.在试验过程中,床内没有出现由于颗粒结团和结焦等造成流化恶化的现象,加料过程也十分稳定.
图2 床层阻力特性
2.2 气化炉内温度分布
图3给出了气化炉内各部位的典型的温度分布曲
线.从图中可以看出,温度沿炉膛高度方向衰减得非常快,由密相区的671℃降至出口处的200℃左右,由于距布风板500mm 以内有电加热保温,温度比较均匀,悬浮段因为没有电加热装置,散热损失较大,导致温度急剧下降.2.3 床温对可燃气成分的影响 气化反应一般处于化学动力学控制区,因此温度对气化反应的速率和生成气成分影响最为明显.表1
图3 气化炉内温度分布
给出了8个试验工况的主要操作参数、生成气组成、焦油和焦炭产率数据.在床高和空气系数(实际空气消耗量与理论空气消耗量比)基本不变的条件下(工况1～5),生成气成分与温度的关系如图4所示.气相产物中的C n H m 主要以C 2产物为主,在661～671℃温度区域,有少量C 3产物,大于671℃则全部为C 2产物.图中表明,提高气化温度,CH 4、C O 和H 2含量有所增加,C 2H m 含量下降.塑料(包括聚丙烯)在气化过程中,没有挥发分析出,只有碳氢键的断裂,由大分子的聚合物变成小分子的化合物,这一过程称为裂解,生成的小分子化合物在高温下与气化介质发生重整反应,生成C O 2、C O 和H 2.因此,提高气化反应温度有助于大分子的碳氢链断裂,分解成小分子的化合物.由此可以推断,在高温下(1000℃以上),可燃气中将以C O 和H 2等小分子量化合物为主,这与文献[3]试验结果一致.提高气化炉温度,产气率增加,而焦油和焦炭产率则相应降低,在相同温度区域内,本实验的焦油产率比流化床热解产生的焦油低得多[4].2.4 床层高度对可燃气成分的影响
对比工况1、2、3与工况6、7、8可以看出,在反应温度基本相同的情况下,增加床层高度,CH 4和H 2含量略有增加,C O 含量基本不变,同时C 2H m 含量有所下降.结果表明,由于床层高度的增加,气体在床内密相区的停留时间延长,有利于气固非均相气化反应的充分进行.此外,聚丙烯类塑料在床内密相区裂解后的产物如C n H m 等在床内高温区的停留时间也相应增加,长链的碳氢继续分解成更简单的碳氢化合物,如CH 4.床高增加,产气率和焦炭产率变化不大,但高床层有利于焦油的分解,焦油产率下降.2.5 空气系数对可燃气成分的影响 空气系数的变化也会影响可燃气成分.工况6、7和8考察了空气系数对可燃气成分的影响(见图5).
?053?燃 烧 科 学 与 技 术 第9卷第4期
表1 试验工况主要试验数据
参 量工 况
12
34
5678加料量/(kg ?h -1) 2.02 2.47 3.22 3.41 3.82 3.82 3.82 3.82空气流量/(m 3?h -1)
567.58.59.58910空气系数0.2170.2130.2050.2190.2180.1840.2070.229静止床高/mm 100100100100100200200200床温/℃661671686691723660669685炉膛出口温度/℃140141151167189229237239入口空气温度/℃
416419420430
432
418416421生成气组成/0 0
工 况
12345678CO 29.309.109.309.109.909.309.8010.30N 263.6063.6062.9062.2062.2063.2063.9063.20CO 4.30 4.50 4.80 5.20 5.60 3.90 4.40 4.80H 2 1.48 1.42 1.61 1.61 1.99 1.85 1.56 1.98CH 4 3.78 3.83 4.19 4.19 5.08 4.07 4.49 4.77C 2H m
17.5016.9017.2017.70
15.20
17.2015.9015.00产 率工 况
12345678产气率/(m 3?kg -1) 2.93 3.01 3.07 3.16 3.16 2.82 2.92 3.27焦油产率/(g ?kg -1)43.6041.2038.6032.3026.4037.8034.1026.90焦炭产率/(g ?kg -1)
13.10
11.80
8.70
6.20
3.10
13.20
12.00
8.00
注:C 2H m =C 2H 2+C 2H 4+C 2H 6
图4 温度对可燃气成分的影响
图5 空气系数对可燃气成分的影响
图中显示,在床层高度和塑料加料量不变的情况下,提
高空气系数,即增加空气量,塑料与空气的燃烧反应增强,C O 2生成量增加.由于燃烧生成热量的增加,床内温度提高,将有利于C 2H m 的继续分解和气化反应的进行,因此,C O 、CH 4含量上升,C 2H m 含量下降,而H 2含量基本不变.产气率随空气系数增加而增加,焦油和焦炭产率则相应降低,这与温度的影响一致,说明空气系数的影响是通过改变反应温度来实现的.2.6 聚丙烯类塑料气化与煤及生物质气化的比较
表2给出了工况1与空气作为气化介质在流化床中气化烟煤和稻壳可燃气成分的比较[5,6].为便于分析,3种不同类型物料的燃料特性和操作参数也列入表中.
从表中可以得出,聚丙烯类塑料燃料特性和稻壳比较相似,即挥发分含量高.因此,聚丙烯类塑料空气气化产物中成分也与稻壳类似,但其中C O 和C 2H m 含量差别较大,聚丙烯类塑料气化产物中C O 低于稻壳和烟煤,而C 2H m 的含量又高于稻壳和烟煤.造成上述差异的主要原因是气化温度和在高温区停留的时间
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153?2003年8月 肖 睿等:聚丙烯类废塑料空气气化特性试验研究
表2 空气气化聚丙烯类塑料、生物质和煤燃料特性(工业分析)/0 0聚丙烯稻壳烟煤固定碳8613.648.42
挥发分10066.424.10
灰分020.024.72
操作参数聚丙烯稻壳烟煤
床温/℃661663945操作压力/MPa0.10.10.1
炉膛出口温度/℃140665810
入口空气温度/℃416127185气体在炉内停留时间/s 5.4 5.912.9气化介质空气空气空气+蒸汽
生成气成分/0 0聚丙烯稻壳烟煤
N263.6056.5765.80
CO29.3014.4512.00
CO 4.3019.908.00
H2 1.48 4.0012.30
CH4 3.78 2.90 1.90
C2H m17.50 2.140
不同.本实验中,在基本相同的床温下,气化塑料的气体停留时间要低于稻壳的气体停留时间,而且由于悬浮段炉壁的散热,使炉膛出口温度降至仅有140℃,减少了炉膛上方有效反应空间,而稻壳气化炉内温度沿整个炉膛均匀分布,从而间接增加了气化反应时间,使气化反应进行得较为充分.因此,使聚丙烯类塑料未完全反应的产物C2H m含量要高于稻壳,而C O含量低于稻壳.烟煤气化温度和停留时间均高于聚丙烯类塑料,导致C O含量也高于聚丙烯类塑料,但由于烟煤气化活性较低,产物中气相碳氢化合物较少.此外,烟煤气化过程中加入了蒸汽,在高温下蒸汽将与碳和C O2发生非均相和均相水煤气反应,因此烟煤气化产物中H2含量远高于聚丙烯类塑料和稻壳,其反应表达式如下: C+H2OΖC O+H2(1) C O+H2OΖC O2+H2(2) 值得一提的是,聚丙烯类塑料气化产物中C O2含量要低于稻壳和烟煤,这与气化介质的入口温度有关,聚丙烯类塑料气化介质入口温度均高于稻壳和烟煤.气化介质的入口温度提高,介质带入炉内的热量增加,从而减少了炉内空气燃烧所需热量的份额,因此,由燃烧形成的C O2减少.
3 结 论
1)流化床空气气化聚丙烯类塑料,是一种简单可行的回收废旧聚丙烯类塑料的方法,气化产物不仅可用于高效、低污染联合循环电站发电和供热,而且可产生合成气,用于制造高价值的化工产品.
2)在650～750℃的温度区间内,以空气为气化介质,气化聚丙烯类塑料(PP),其可燃气主要成分为一碳和二碳的碳氢化合物(如CH4和C2H m),而C O和H2较少.
3)提高气化反应温度和床层高度,有助于C2H m 继续分解成更简单的化合物,如CH4、C O和H2.增加空气系数,对可燃气成分的影响与温度的影响相同,这表明空气系数对可燃气成分的影响,是通过影响反应温度来实现的.
4)通过与稻壳和烟煤的空气气化的比较,可知反应温度和气体在高温区的停留时间是影响可燃气成分的主要因素,也是造成试验气化产物中C O含量偏低和C2H m含量高的主要原因.
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