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轮胎胶粒及低温热解产物特性研究

时间:2018-07-18 来源:太阳城娱乐: 点击:

轮胎胶粒及低温热解产物特性研究
张   斌     李   成    林   红    邓少奎
摘 要:为掌握废轮胎的低温无催化热解特性,本文作者对轮胎胶粒及其热解产物进行了研究,铝甑干馏实验研究表明500℃的干馏热解过程,能够实现轮胎胶粒充分热解,热解产生的油和半焦炭黑占原料比为90.7%;通过500℃干馏热解实验及固体半焦的铝甑干馏和工业分析表明, 500℃温度条件能较好地实现轮胎胶粒充分干馏热解;但干馏加热时间较长,建议考虑强化热解炉换热工艺的措施。从热解油分析结果可知,其中含微量的灰分、沥青质等成分,在工业设计时应考虑避免油气回收时堵管等现象发生。
关键词:低温、无催化、铝甑干馏、热解、工业分析
1 背景分析
热解是废轮胎资源化利用方式中最具潜力的处理方式[1-4],它可实现废轮胎完全资源化回收,生产出高品质的热解油[5-7]和热解炭黑。国内外学者对此开展了大量的相关实验研究及中试实验[1,8],已有研究重点关注废橡胶成分[4,5]、热解油气回收与再利用[78]、热解炭黑再处理及造粒技术等[9]。然而,仍缺少对热解原料及其热解产物特性的综合性分析,结合公司自主研发的实际需要,我们开展了低温热解法废轮胎物料及产物的铝甑及配套干馏的综合性实验,通过基础性实验研究,揭示热解废轮胎与热解产物之间转化特性,为研发先进的废轮胎热解回收装备提供基础技术支撑。
2 实验方案及干馏实验台
首先开展铝甑干馏实验,掌握轮胎胶粒基本成分及资源化转化比例特点,然后通过搭建实验台,实现普通干馏实验研究,取出干馏实验后的热解固体残留物,并采用铝甑实验进行固体残留物分析,测试固体残留物的主要成分等。
由于废轮胎橡胶的导热系数约为0.2W/m-K,具有导热性能差的特点,铝甑干馏实验原料须进行初期加工成胶粒,按照SH/T 0508-92标准进行橡胶胶粒及其半焦产物的铝甑干馏实验,具体实验步骤可参照SH/T 0508-92标准。普通干馏实验所选用的轮胎橡胶实验胎如图1所示。它主要由FSG-100开启式管式炉、用于热解气回收的锥形瓶和气体分析仪以及控制装置组成。
 
 
 
 
   图1    普通干馏实验装置
采用管式炉加热,胶粒干馏终温为500 ℃,为保证热解充分、热解产物充分回收,整个热解实验持续220 min。
热解实验的主要步骤为:
(1)保持炉膛温度500±2℃至实验结束(从实验开始起每隔20分钟记录一次加热套和炉内温度)。
(2)记录最初干馏产生气体的时间及温度。
(3)检测与最初干馏气体有明显差异的气体产生时的时间及温度。
(4)观察一段时间不再有油析出,即视为干馏结束。停止加热,让管式实验炉自然冷却至降温。
(5)待炉温度降到室温后,将炉卸下,计量轮胎胶粒干馏产生的油量。
(6)将干馏后的半焦送到化验室,再进行铝甑干馏实验分析及工业分析。
3 实验结果
橡胶胶粒代表了去除钢丝后的轮胎橡胶原料,胶粒铝甑干馏实验结果如表1所示。实验结果表明以去除钢丝的胶粒为基数的废轮胎橡胶热解产物中,产生热解油52.5 %,产生半焦38.0 %,产生不凝性气体6.9 %,此外还有一部分水分,约占2.4 %。同时,根据GB/T214-2007测试了硫含量,所选轮胎胶粒中硫元素含量约占1.02%。这组铝甑干馏实验数据表征了采用所选轮胎胶粒进行低温干馏/热解技术可能实现的最大产油比。
表1            轮胎胶粒铝甑实验
编号 检验项目 检验值(胶粒)
1 含油率,% 52.7
2 水分,% 2.4
3 半焦, % 38.0
4 瓦斯气,6.9 % 6.9
 
此外,参照煤中全硫的测定方法对热解产物中的含硫率进行了测试,本实验的轮胎胶粒含硫量为1.02%。
完成轮胎胶粒热解产物的铝甑干馏实验分析后,取同批次胶粒进行了普通干馏实验,实验过程按上节步骤依次进行。干馏装置的设计温升曲线及干馏过程加热温度分别如图2和图3所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
   图2    干馏装置的设计升温曲线
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   图3   干馏热解的加热温度特点
从图2可知设计温升需要约30分钟上升至500℃,温升速度近似呈线性,然后持续该温度直至实验完成。而从图3可知,在干流热解实验的起始时间至30分钟时,温度基本呈线性,由于胶粒加热需要一定热负荷,所以温升速度相对较慢,在加热30分钟时,干馏加热温度只有约360℃,加热到90℃时,干馏热解温度达到目标温度500℃,并且一直保持这个温度,当实验进行到220分钟时,收集热解气的锥形瓶内无新气体产生,此时锥形瓶下部是冷却下来的热解油,上部是透明气体,保证热解气中高分子物质都热解成油,此时热解油气冷凝回收的锥形瓶状态如图4所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                     图4   干馏实验结束时锥形瓶内流体状态
干馏实验胶粒热解充分后,将干馏后的半焦送至换化验室进行铝甑干馏实验分析和工业分析,其中工业分析参照GB/T212-2008进行。
表2          半焦炭渣实验分析结果
编号 实验类型 检验项目 检验值(半焦)
1 铝甑干馏 含油率,% 0.0
2 水分,% 0.0
3 半焦, % 100.0
4 不凝性气体,6.9 % 0.0
5 工业分析 水分, % Mad 1.00
6 灰分, % Ad 18.79
7 挥发分, % Vd 3.21
8 固定碳,FCd % 78.00
 
从半焦的铝甑干馏测试结果可知,采用如图1所示的干馏/热解工艺在低温无催化条件下热解,热解产物不再含油、水,在低于500℃条件下已经充分热解,进一步工业分析表明,半焦中的主要成分是固定碳,其含量为78%,其次是灰分为18.79%,其中含硫约2.72%。以及少量挥发分,由于半焦的铝甑干馏时,无任何水分,而工业分析中检测到1%的水分,这个水分可能是具有强吸附性的半焦炭渣吸附湿空气中的水蒸气导致的。
将干馏实验热解后得到的瓦斯气的主要成分是C1-C4轻质烷烃和烯烃类,实测瓦斯气的热值为20151.42KJ/Nm3,干馏油品是含有多种脂肪烃、芳香烃类的复杂成分混合物,含硫量约1.05%,发热量(Qb,ad)42558 kJ/kg,密度为979.6 kg/m3,含硫量0.78%,灰分0.010%,沥青质0.113%,热解油中含油的微量灰分、沥青质以及硫分易于表面式换热器发生作用,引起油气冷凝工艺凝结物挂壁、堵管以及换热器底部大量固液混合物沉积等问题,需要在设计中重点关注和解决。从上述胶粒和干馏产物分析中可知,通过干馏分解后,较大比例硫分进入固体炭渣中,瓦斯气中含硫量最低,热解油中含量硫与胶粒相当。
4 结论
本文开展了低温热解法废轮胎物料及产物特性研究,该研究结果指明了理想条件下热解产物比例及成分特点,该实验结果可用于指导和优化热解工艺。通过本文研究,主要形成如下结论:
通过开展轮胎胶粒的铝甑干馏实验可知,在520℃下干馏热解产物中,以热解油和半焦炭渣为主,它们是废资源化利用中的关键资源,其中,产油率52.7%。热解瓦斯气占6.9%,瓦斯气热值较高,可用于热解工艺燃料供应。
通过开展干馏实验表明,在低温无催化条件下,基本能够实现轮胎胶粒的充分热解,但热解时间比较长,需要考虑优化热解条件来加速热解的措施。
热解油成分比较复杂,含油微细灰尘、硫分以及沥青质等易于引起换热器堵塞的凝结物,需要在换热器设计时重点考虑。
本研究得到了北京市科技计划课题支持,课题名称:废轮胎低温微负压连续热解关键技术研究及再生利用工程示范,课题编号:Z161100001216003。
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第一作者简介:
张斌,男,工程师,中科钢研节能科技有限公司节能环保事业部副总经理。

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