煤/煤焦油/沥青质的热等离子体裂解特性比较分析

程炎，颜彬航，李天阳，金涌，程易



煤/煤焦油/沥青质的热等离子体裂解特性比较分析

程炎，颜彬航，李天阳，金涌，程易

（清华大学化学工程系，北京 100084）

针对化石资源劣质化和大宗低价值化工中间产品的反应工程新问题，提出利用热等离子体超高温特性实现极端条件下难利用原料的高效清洁转化，重点探讨并比较了煤化工中的原煤、煤焦油和石油化工中的沥青质的热等离子体裂解特性。通过热等离子体裂解实验室小试装置考察了3种典型原料的裂解行为，结果表明，煤焦油和沥青质具有高于煤的转化率和乙炔收率；建立了基于热力学的热等离子体裂解反应过程的能量平衡分析方法，模拟计算了不同操作条件下各原料在兆瓦级中试装置上的裂解结果，给出了相同等离子体能量注入的条件下不同原料裂解过程的物流和能流关系；并进一步模拟分析了原料间混合裂解的混料配比对裂解气的影响，为热等离子体裂解过程的工业原料筛选和原料混合裂解提供了科学依据。

多相反应器；热等离子体；热力学；碳氢化合物；乙炔

引 言

一直以来，化学工业主要依赖于以化石资源为原料的转化过程。但是，随着化石资源的日益重质化、劣质化，越来越多的一次化石资源（劣质重油、油砂[1]等）以及在生产过程中产生的低价值中间产品（焦油[2]、沥青质[3]等）的有效利用问题给现代化学工程转化技术提出了新的挑战。常规的化工技术已不能完全满足这些大宗难利用原料的转化和处理需求，亟需探索全新的多相反应技术和工艺。

热等离子体是一种局域热力学平衡等离子体，局部温度可达到5×103～2×104K[4]，具有电热转化效率高、能量集中和反应速率快等特点，可广泛用于氧化、还原、惰性等气体环境，具有广阔的应用前景，如材料制备[5]、超高温热解[2, 6]和废弃物处理[7]等。如以碳、氢、氧为主要元素的原料体系，在热等离子体反应条件下，原料发生热裂解，气相中的产物分布受热力学平衡控制，元素重排结果主要依赖于气相中的元素组成和反应温度、压力条件，其超高温下主要产品存在形式为乙炔、氢气、一氧化碳以及固相的含碳物质。其中，乙炔是唯一稳定存在的碳氢化合物。原因是当温度高于1500 K时，乙炔的标准生成Gibbs自由能低于其他小分子烃类[8]。因此，利用热等离子体超高温特点，结合乙炔独特的热力学性质，可以将常规热化学转化手段难以处理的烃类原料经热等离子体裂解实现高效制取乙炔的转化过程；并且通过调节气相中的碳氢比例，可以调控乙炔产品的收率。

基于上述原理，为实现热等离子体法乙炔生产，国内外研究机构针对不同的烃类裂解原料开展了大量基础研究和工业实验工作。德国Huels公司和美国DuPont公司于20世纪分别建成兆瓦级烃类裂解装置[9-10]；Chen等[11]和Beiers等[12]也对汽油、柴油、液体石蜡以及部分烃类模型化合物进行了等离子体裂解实验。热等离子体煤裂解制乙炔过程的研究开始于20世纪60～70年代，Bond等[13]和Nicholson等[14]首先将热等离子体应用于煤的裂解过程，并且通过等离子体射流反应器实现了这一清洁转化过程。1985年，美国AVCO公司[15-16]完成了1 MW中试规模实验，初步证实了过程的工业可行性。国内的太原理工大学[17-18]、大连理工大学和清华大学等单位在90年代末也开展了大量应用基础研究工作。本研究组从2006年开始与新疆天业（集团）有限公司开展合作，在热等离子体煤裂解制乙炔过程的研究中，针对煤裂解过程机理和大型兆瓦级反应器的优化和放大等问题，展开了系统的实验研究和理论模拟分析[5, 19-21]。

热等离子体法煤制乙炔的反应过程步骤如图1所示。在极速升温的过程中，煤在毫秒级时间内迅速脱出挥发分；气相组分在等离子体超高温环境中进行元素重排，受热力学控制，气相产品主要包括乙炔、氢气和一氧化碳；为避免乙炔的进一步分解，通过毫秒级淬冷以及后续分离过程最终获得乙炔产品，并副产氢气、一氧化碳以及甲烷、乙烯等混合烃，这些混合烃可进一步循环进入等离子体反应器以提高乙炔的综合收率[22]；未转化完全的煤可直接燃烧发电或作为煤气化的原料综合利用。目前，新疆天业与国内研究院所合作，已建成国际最大规模的5 MW热等离子体法裂解煤制乙炔中试装置，在国际上首次实现了75 h连续操作[8]。2014年中国成达工程有限公司基于新疆天业中试数据对该技术进行了万吨级工业装置的经济评估，认为该过程在单位乙炔生产成本和主要财务指标上均显示出较好的指标，在同等条件下优于传统的电石法以及天然气部分氧化法。

在上述研究基础上，本文进一步将热等离子体裂解技术应用于更广泛的原料体系，关注煤化工、石油化工领域的两种典型二次原料：煤焦油和沥青质。煤焦油是煤炼焦工业的重要中间产品，可进一步用于加氢工艺[23]和制造炭黑[24]等。但是，不同炼焦工艺获得的煤焦油成分复杂，常规焦油深加工工艺目前还远不能实现对所有焦油产品的进一步利用。沥青质来源于重油加工过程。目前国内外针对重油的轻质化利用主要采用溶剂脱沥青技术：通过分离重油原料中的残炭、沥青质和重金属等杂质，降低后续轻质化过程的能耗，提高重油的加工处理能力。但是，如何高效利用该工艺生产得到的大量脱油沥青，成为制约现有工艺发展的一个重要瓶颈。沥青质是石油中最复杂的组分，一般被认为是“不可转化”的重油分子；但是其组成中含有丰富的碳氢元素，如果能够通过化学转化的方法，生成乙烯、乙炔等石油工业的小分子原料，将使其成为一种具有工业应用潜力的重要资源，创造显著的经济价值。目前，已有初步研究表明[2,25]，热等离子体可实现煤焦油的高效转化，相较于煤可获得更高的乙炔收率；但是，尚无关于沥青质的热等离子体转化的相关文献报道。借鉴极端条件的煤化工转化过程来实现沥青质的轻质化利用，可作为现有工艺的辅助技术，从而使煤化工与石油化工互补结合。

图1 等离子体原料裂解热转化过程各步骤示意图

本文基于实验室已有的热等离子体裂解平台，分别考察了典型煤种、煤焦油、沥青质样品的热等离子体裂解效果，分析比较了不同原料的裂解特性和气相组分特点；基于热力学分析，建立了适用于不同原料反应过程的能量平衡计算方法，预测了不同原料应用于工业兆瓦级中试平台的裂解结果，并进一步分析了不同原料混合裂解的效果，为热等离子体裂解过程原料配料提供科学依据。

1 研究方法

1.1 实验样品与实验设备

分别选取具有代表性的煤、低温焦油和沥青质样品各一种作为实验考察对象，样品的基础理化性质见表1。其中，煤样C-1#由新疆天业集团提供；焦油样品T-2#由神华低碳所提供，来自于褐煤炼焦工艺；沥青质样品A-3#由中国石油大学（北京）鲍晓军教授提供，该样品来自于重质渣油经梯级分离后进一步造粒得到的沥青质颗粒。表1中，碳、氢、氮元素分析采用美国EAI公司CE-440快速元素分析仪，硫元素分析采用长沙开元仪器有限公司5E-8SⅡ型测硫仪，氧元素分析采用美国PE公司PE-2400Ⅱ元素分析仪；灰分分析参照GB/T 7560—2001《煤中矿物质的测定方法》；固体样品水分分析参照GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》，液体样品水分分析参照GB/T 2288—2008《焦化产品水分测定方法》；高位热值分析采用美国Parr公司Parr-1281型全自动量热仪。

表1 实验样品基础理化性质分析结果

Note: 1. Element analysis is on moisture-free basis.2. Moisture analysis is on as-received basis.3. Symbol ‘—’ means that test item is of trace concentration.4. Ash analysis is on moisture-free basis.

热等离子体裂解实验装置由热等离子体炬，反应器的混合段、反应段、淬冷段和分离检测系统等组成。等离子体电源采用绝缘栅双极型晶体管整流电源，输出功率范围为1.0～3.0 kW。非转移弧等离子体炬由斑点式铈钨阴极、紫铜阳极和绝缘段3部分组成，电极通过强制水冷的方式保护。原料样品进入混合段，与等离子体焰接触；在反应段（内径10 mm，长度50 mm）后采用Ar气喷射冷却的方式对裂解气进行淬冷以防止生成的乙炔二次分解，并采用多级过滤除尘系统，除去裂解气中剩余的少量焦油和烃类分解生成的炭黑，防止管路堵塞。实验设备见文献[2,6,25]。

对于裂解气相产物的分析检测，通过在线质谱（AMETEK Corp.，DCU 200）监测裂解气中主要组分的变化；通过2台气相色谱（上海天美科学仪器有限公司，GC7890-Ⅱ；Shimadzu Corp.，GC2014）实现气体成分的精确定量分析。

1.2 理论分析方法

热等离子体提供超高温度的极端反应环境，在此条件下，气相根据热力学平衡条件进行元素重排形成超高温下稳定的气相平衡组成。研究表明，热力学分析是研究热等离子体气相反应过程的有效理论方法[8, 18, 20]，并且在超高温毫秒级的反应条件下，很难达到真正意义上的气固两相热力学平衡，固态碳的存在对气相热力学平衡影响可以忽略[8]。本文采用的热力学分析方法为元素势法[26]。本课题组的研究表明[2, 20]，不同原料的裂解气相体系均达到了热力学平衡。因此，可以基于实验结果并通过热力学分析，考察不同原料热解过程的物料和能量平衡，且根据2 MW等离子体煤裂解过程的研发经验，进一步预测分析煤焦油和沥青质原料在2 MW工业中试装置上的裂解结果，为工业实验原料筛选提供依据。

过程能量恒算如下

①等离子体电热转化效率和反应器冷却损耗参照中试装置运行结果，输入电能的有效利用效率约为70%；

②原料转化率按照实验结果计算；

③仅考虑气相组分热力学平衡，忽略固态碳存在对气相热力学平衡的影响[8]；

④原料的焓值由高位热值计算；

⑤样品中灰分按照二氧化硅处理；

⑥残焦（碳元素质量分数大于90%）按照无定形碳处理；

⑦忽略升温过程对于裂解反应热的影响。

2 结果与讨论

2.1 不同原料热等离子体裂解实验结果分析

如表1的3种原料，煤焦油和沥青质相较于煤具有更高的氢含量和较低的氧含量，并且灰分含量少。根据文献[6,20]，从原料性质角度，煤焦油和沥青质应更适合于热等离子体裂解制乙炔的过程。进而，本文通过实验室热等离子体裂解平台，考察了3组原料的裂解效果。其中，煤粉和沥青质以颗粒形式进料，平均粒径约60 μm；煤焦油通过柱塞泵以内径为1 mm的进料管进入反应器。本课题组的研究表明[2,27]，实验室装置提供的裂解气相温度与工业中试装置的裂解温度相近，从而为本文的假设②提供了依据。实验室热等离子体装置的电能有效利用效率较低，约为50%。典型的实验结果比较如图2所示。在相同的氩氢热等离子体裂解氛围[氩气含量80%（体积）]下，低温煤焦油裂解获得轻质气收率最高，为68.7%（质量）；沥青质裂解轻质气收率次之，为56.0%（质量）；煤裂解的轻质气收率最低，为22.7%（质量）。同样，对于轻质气中乙炔和氢气的收率，以焦油为原料的裂解过程收率最高，分别达到51.5%（质量）和6.8%（质量）；沥青质次之。对于轻质气中一氧化碳的收率，则以煤为原料的裂解过程一氧化碳收率最高，为12.6%（质量），其次是焦油和沥青质。在热等离子体裂解条件下，气相组分中的氧元素在平衡时稳定存在的物质形式为一氧化碳[20]；故气相中一氧化碳的收率与原料中的氧元素含量顺序相一致（表1）。

图2 不同原料在实验室热等离子体裂解装置的实验结果

working condition: Ar/H2thermal plasma with 80% (vol) Ar, input power ～1.8 kW, feeding rate～1.0 g·min-1

2.2 不同原料应用于2 MW工业中试装置的模拟结果和分析

热等离子体裂解是在超高温条件下进行的毫秒级反应，反应条件苛刻，对于不同原料体系分别进行工业实验代价昂贵。通过实验室小试实验结果，结合理论计算，进行合理的预测和分析，可以为热等离子体热解的工业过程提供有效的参照基础。首先通过新疆天业2 MW煤裂解工业中试装置的工业实验结果，对上文所述的计算模型进行验证，验证结果如图3所示。对于体系中的主要气相组分，模型计算结果和工业中试实验结果基本符合；其中，对于气相组分中主要烃类和氢气的预测吻合较好，验证了该计算方法用于热等离子体裂解体系产品气组分分析的可行性。因此，可采用该计算方法，对焦油和沥青质在工业运行条件下的裂解效果进行计算、预测和分析，结果如图4所示。图4(a)给出了不同进料量条件下体系的最终温度。对于3种不同物料，随着原料进料量的增加，裂解和气相反应消耗的能量增加，体系气相温度降低；在相同的气相温度条件下，2 MW中试装置对于3种原料处理能力的顺序为：煤＞沥青质＞煤焦油。图4 (b)给出不同操作温度条件下，产品乙炔的质量流量和收率（以原料质量为基准）。随着体系气相温度的升高，产品乙炔的收率逐渐升高。而产品气相乙炔的质量流量，则同时受原料进料量和乙炔质量收率的控制：随着温度的上升，乙炔质量收率的影响占主要地位，从而产品气乙炔的质量流量上升；随着气相温度进一步升高，原料进料量减少带来的影响占主要部分，因此产品气中乙炔的质量流量减少。如图4 (b)所示，当体系温度约为1700 K（如图中阴影部分），3种原料的产品乙炔质量流量均保持一个较高的数值。因此，假设1700 K是对于不同原料均较为适合的体系操作温度，在下文的讨论中，亦将该操作条件下的产品结果作为比较的基准。

图3 天业2 MW工业中试裂解气数据和理论计算结果对比

图4 不同进料条件下进料量对体系气相温度的影响及不同气相温度下的乙炔质量流量和乙炔收率

根据1700 K的设定温度，分别对不同原料的进料量进行匹配计算，使得反应后气相平衡温度达到目标温度，结果如图5 (a)所示。可以看到，在中试装置上，煤的进料量最高，为773 kg·h-1；沥青质进料量次之，为407 kg·h-1；焦油进料量最低，约为333 kg·h-1。不同原料的进料量大小与该原料的轻质气收率的高低呈相反的趋势；轻质气收率越高，则原料裂解和气相反应所需的能量越高，进而原料处理量下降。

图5 (a)给出了产品气中轻质气组分的质量流量。焦油和沥青质产品轻质气中的乙炔流量较高，分别为204和211 kg·h-1；煤裂解产品轻质气中的乙炔流量则较低。而对于产品轻质气中的其他烃类产物质量流量，3种不同原料的计算结果较为接近，约为32 kg·h-1；同时，均可副产部分氢气。

图5 不同物料在2 MW中试装置运行结果理论预测

图5 (b)给出了制备单位质量乙炔的原料消耗和能量消耗。其中以焦油和沥青质为原料的裂解过程，单位质量乙炔的原料消耗量低，分别为1.63和1.93 kg·(kg C2H2)-1；同时，以焦油和沥青质为原料的裂解过程，其生产单位质量乙炔的电耗相较于以煤为原料的过程亦较低，分别为9.8和9.5 kW·h·(kg C2H2)-1。因此从电能消耗的角度，以焦油和沥青质为原料的裂解过程可获得比煤更优的效益。

基于以上的分析，将不同原料应用于热等离子体的能流和物流信息汇总如图6所示：能量流通过等离子体炬输入，经电热转换和装置散热损耗部分能量，其余能量用于裂解过程和气相反应，并可进一步进行余热回收；从物料流的角度，原料裂解分别生成乙炔、氢气、一氧化碳、烃类、残焦等主要产物形式。产物中亦包含少量氢氰酸和硫化氢，主要来源于原料中的氮元素和硫元素。

图6 不同原料热等离子体裂解物流和能流示意图

2.3 不同原料的混合裂解过程分析

对于气相中的碳元素，主要产品去向为烃类（乙炔和副产烃类）和一氧化碳。根据上文的分析，一氧化碳的含量主要受氧元素含量影响；而乙炔在烃类中的比例则随体系温度和碳氢比变化。研究[20]表明，气相有效碳氢质量比（即碳元素总质量扣除与氧元素同物质的量的碳元素质量后，与氢元素质量的比值）和气相淬冷前温度是影响产品气组成的重要因素，并且产品气中乙炔和甲烷的摩尔分数的比值可作为反映裂解体系向乙炔定向转化程度的重要判据。图7给出了不同气相淬冷前温度条件下，气相有效碳氢质量比对乙炔/甲烷摩尔分数比值的影响。对于气相体系，有效碳氢质量比越高、气相体系温度越高，则产品气中乙炔和甲烷的摩尔分数比值越高[20]，即具有更好的向乙炔定向转化的特性。分别将本文中对煤、煤焦油和沥青质3种原料的模拟结果标示于图7中，可以看到相同的气相温度条件下，3种原料的气相有效碳氢质量比值大小顺序为：沥青质＞煤焦油＞煤。因此，沥青质气相体系具有最佳的向乙炔定向转化的特性，煤焦油次之。这与上文的分析结果是一致的。

在中国，煤是储量最大的化石资源；但煤裂解难度大，且热等离子体过程对煤的原料依赖性高。以煤焦油或者沥青质作为辅助原料，调节裂解气相组成，可有效地提高乙炔的收率，同时可作为反应器调控手段，以保证裂解气体流量和成分的稳定，对于后续分离过程亦具有重要意义。本文通过理论计算的方式，分别考察煤与煤焦油、煤与沥青质混合进料裂解的效果，为不同原料合理混合方案提供优化依据。

图7 不同原料裂解过程与热力学分析结果比较

图8 混合进料在2 MW中试装置运行结果理论预测

图8中分别给出了煤与焦油、煤与沥青质混合进料裂解的计算结果（气相温度为1700 K），这里假设不同原料之间裂解不互相影响。由图5 (a)可知，单独进料时，煤的进料量约为790 kg·h-1；将焦油与煤混合进料，如图8所示，随着焦油进料量的增加，煤处理量逐渐降低，并且体系产品乙炔质量流量逐步增加，单位质量乙炔电耗明显降低；随着沥青质进料量的增加，乙炔质量流量和单耗呈现相同的趋势。因此，采用混合进料裂解的方式，可以有效提高过程效率。为保证一定的煤处理量和过程经济效益，可选择500～700 kg·h-1的进煤量，通过图8的计算结果分别匹配少量的煤焦油或者沥青质辅助进料。

3 结论与展望

针对热等离子体法制乙炔过程，本文考察了煤、煤焦油、沥青质等不同原料的裂解效果。基于实验室热等离子体裂解装置，实验考察比较了3组原料的等离子体裂解特性：在氩氢热等离子体条件下，煤焦油和沥青质的转化率均高于煤，并可获得较高的乙炔收率。基于热力学分析建立了不同原料裂解过程的能量平衡计算方法，并且通过天业2 MW中试热等离子体煤裂解结果验证了该计算方法的正确性；基于该计算方法，模拟考察了3种原料体系在中试装置上的裂解结果，进而确定了合理的裂解气相温度约为1700 K；在该操作条件下，焦油和沥青质的处理量分别为333和407 kg·h-1，并且可以获得较高的产品气乙炔流量和较低的原料、裂解能量消耗；进一步提出了不同原料混合裂解的工艺，预测分析了该工艺的效果，结果表明，使用少量焦油或沥青质作为煤裂解的原料配料进行混合裂解，可以增加煤裂解过程产品乙炔流量并同时降低过程单位乙炔的裂解能量消耗。

综上所述，热等离子体裂解过程具有普遍的适用性，为处理包括煤、煤焦油、沥青质在内的大宗化工原料提供了潜在的高效处理方式；并且热等离子体煤焦油、沥青质与煤共裂解的技术过程可以作为现有工艺过程的辅助手段，实现不同的煤化工过程之间以及煤化工与石油化工过程之间的相互补充，是新颖、高效的转化路线。随着对热等离子体非常规反应特性认识的逐步深入，超高温热化学转化有望从传统认识的小领域发展成为具有重大工业应用影响力的全新技术。

[1] Martínez-Palou R, de Lourdes Mosqueira M, Zapata-Rendón B, Mar-Juárez E, Bernal-Huicochea C, de la Cruz Clavel-López J, Aburto J. Transportation of heavy and extra-heavy crude oil by pipeline: a review [J]....., 2011, 75 (3): 274-282.

[2] Cheng Y, Yan B, Cheng Y, Li T, Guo C Y. Experimental study on coal tar pyrolysis in thermal plasma [J]...., 2015, 35 (2): 401-413.

[3] Kokal S L, Sayegh S G. Asphaltenes: the cholesterol of petroleum[R]. Richardson, TX, United States: Society of Petroleum Engineers, 1995.

[4] Pfender E. Thermal plasma technology: where do we stand and where are we going? [J]...., 1999, 19 (1): 1-31.

[5] Cao T, Zhang H, Yan B, Cheng Y. High rate deposition of nanocrystalline silicon by thermal plasma enhanced CVD [J].., 2013, 3 (43): 20157-20162.

[6] Yan B, Xu P, Guo C Y, Jin Y, Cheng Y. Experimental study on coal pyrolysis to acetylene in thermal plasma reactors [J]...., 2012, 207: 109-116.

[7] Heberlein J, Murphy A B. Thermal plasma waste treatment [J]....., 2008, 41 (5): 053001.

[8] Wu C, Chen J, Cheng Y. Thermodynamic analysis of coal pyrolysis to acetylene in hydrogen plasma reactor [J]..., 2010, 91 (8): 823-830.

[9] Gladisch H. How Huels makes acetylene by DC arc [J]...., 1962, 41: 159-164.

[10] Vursel F, Polak L. Plasma chemical processing // Venugopalan M. Reactions Under Plasma Conditions[C]. New York, 1971:311.

[11] Chen Honggang, Xie Kechang. Hydropyrolysis of light hydrocarbons in H2/Ar plasma jet [J]...., 2003, 21 (5/6): 709-717.

[12] Beiers H G, Baumann H, Bittner D, Klein J, Juntgen H. Pyrolysis of some gaseous and liquid hydrocarbons in hydrogen plasma [J]., 1988, 67 (7): 1012-1016.

[13] Bond R L, Galbraith I F, Ladner W R, Mcconnell G I T. Production of acetylene from coal using a plasma jet [J]., 1963, 200 (491): 1313-1314.

[14] Nicholson R, Littlewood K. Plasma pyrolysis of coal [J]., 1972, 236 (5347): 397-400.

[15] Kushner L M. Plasma technology in acetylene production in the US// Cheremisinoff P N, Farah O G, Ouellette R. Radio Frequency/ Radiation and Plasma Processing [C]. Lancaster: Technomic Publishing Inc., 1985:193-207.

[16] Patrick Jr A J, Gannon R E. 1 MW prototype arc reactor for processing coal to chemicals//Cheremisinoff P N, Farah O G, Ouellette R. Radio Frequency/Radiation and Plasma Processing[C]. Lancaster: Technomic Publishing Inc., 1985:144-154.

[17] Tian Y, Xie K, Zhu S, Fletcher T H. Simulation of coal pyrolysis in plasma jet by CPD model [J].., 2001, 15 (6): 1354-1358.

[18] Xie Kechang (谢克昌). Coal Structure and Its Reactivity (煤的结构与反应性) [M]. Beijing: Science Press, 2002.

[19] Yan B, Cheng Y, Jin Y, Guo C Y. Analysis of particle heating and devolatilization during rapid coal pyrolysis in a thermal plasma reactor [J]..., 2012, 100: 1-10.

[20] Yan B, Xu P, Jin Y, Cheng Y. Understanding coal/hydrocarbons pyrolysis in thermal plasma reactors by thermodynamic analysis [J]...., 2012, 84: 31-39.

[21] Yan B, Cheng Y, Jin Y. Cross-scale modeling and simulation of coal pyrolysis to acetylene in hydrogen plasma reactors [J].., 2013, 59 (6): 2119-2133.

[22] Cheng Yan (程炎), Yan Binhang (颜彬航), Li Tianyang (李天阳), Cheng Yi (程易). Process analysis of effluent hydrocarbon recycling for coal pyrolysis to acetylene in thermal plasma [J].(化工学报), 2015, 66 (6): 2227-2234.

[23] Zeng S M, Maeda T, Tokumitsu K,. Preparation of isotropic pitch precursors for general purpose carbon fibers (GPCF) by air blowing (Ⅱ): Air blowing of coal tar, hydrogenated coal tar, and petroleum pitches [J]., 1993, 31 (3): 413-419.

[24] Watson A Y, Valberg P A. Carbon black and soot: two different substances [J].., 2001, 62 (2): 218-228.

[25] Li Xuan (李轩), Han Jiantao (韩建涛), Wu Changning (吴昌宁), Guo Yi (郭屹), Yan Binhang (颜彬航), Cheng Yi (程易). Coal tar pyrolysis to acetylene in thermal plasma [J].(化工学报), 2014, 65 (9): 3680-3686.

[26] Reynolds W C. The element potential method for chemical equilibrium analysis: implementation in the interactive program STANJAN [D]. Stanford: Stanford University, Department of Mechanical Engineering, 1986.

[27] Yan B, Cheng Y, Cheng Y. Particle-scale modeling of coal devolatilization behaviors for coal pyrolysis in thermal plasma reactors [J].., 2014, 61 (3): 903-921.

Comparison of pyrolysis performances of coal/coal tar/asphaltene in thermal plasmas

CHENG Yan, YAN Binhang, LI Tianyang, JIN Yong, CHENG Yi

Department of Chemical EngineeringTsinghua UniversityBeijingChina

The chemical reaction engineering nowadays is facing the new challenge from the degraded feedstocks of heavy fossil resources and low-value intermediate chemical products. Thermal plasma technique operated at extreme conditions (.., ultra-high temperature) is proposed as a potential means to realize the clean and efficient conversion of materials that are difficult to be handled using the conventional technologies. This work aims to study the pyrolysis performances of representative coal, coal tar and asphaltene materials in thermal plasmas. Experimental investigations were carried out on a lab-scale device to evaluate the pyrolysis characteristics of the feedstocks. The results showed that higher conversion and acetylene yield than coal can be achieved by using coal tar and asphaltene as the feeds. A model to describe the material and energy balances was established based on thermodynamics and the thermal effects in the thermal plasma process. The simulations on 2 MW pilot-plant scales were performed to compare the pyrolysis performances of these feedstocks, and the material and energy flows for these system operated under the same conditions were presented. Furthermore, analysis of pyrolysis with mixed materials showed an improved performance when adding coal tar or asphaltene into the coal pyrolysis system. It is anticipated that this work would provide scientific basis for feedstock selection and feedstock blending in the applications of thermal plasma pyrolysis.

multiphase reactor; plasma; thermodynamics; hydrocarbons; acetylene

2015-06-01.

Prof.CHENG Yi, yicheng@mail.tsinghua.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150757

TQ 536.9

A

0438—1157（2015）08—3210—08

程易。

程炎（1991—），男，博士研究生。

国家重点基础研究发展计划项目(2012CB720301)；国家科技支撑计划项目(2013BAF08B04)；中国石油科技创新基金项目（2013D-5006-0508）。

2015-06-01收到初稿，2015-06-08收到修改稿。

supported bythe National Basic Research Program of China (2012CB720301), the National Science and Technology Key Supporting Project (2013BAF08B04) and the PetroChina Innovation Foundation (2013D-5006-0508).