浅谈废旧轮胎热裂解产物（炭黑）作为燃料在气化炉上的应用

刘小荷，刘培华，冯雅，孙新华，郭锐

(青岛双星装备制造有限公司，山东 青岛 266400)

炭黑，是一种轻且松的极细黑色粉末，是轮胎加工过程中必不可少的补强剂[1]，而废旧轮胎热裂解时，轮胎中含有的炭黑成分再次被分离出来，但此次产生的炭黑含有较多杂质，不适宜直接作为轮胎补强剂使用，但其热值是普通木板料热值的1.5～2倍。由于轮胎裂解后会产生大量的炭黑，当前，炭黑行业正遭遇产能结构性过剩的问题。2002年以来，全国炭黑产能维持每年近40万t的增速。至2018年，全国炭黑总产能达到752万t，行业产能过剩严重。2019年，受煤焦油高位运行以及汽车行业需求下滑和轮胎贸易摩擦负面预期影响，炭黑行业毛利率大幅下滑。在未来两年仍会有较大的新增产能出现。并且由于缺乏有效的市场调控机制，为了争夺有限的市场资源，炭黑企业盲目抢购原料、产品不断降价，严重扰乱市场，加速行情下跌。行业利润较低，行业形势持续下行[2～3]。

双星废旧轮胎循环利用产业集团，从事废旧轮胎循环利用，废旧轮胎裂解产生约35%的炭黑，一个10万t级的裂解工厂每年生产3.5万t炭黑。为探索炭黑的多渠道利用，通过炭黑与生物质混合作为燃料在气化炉内进行厌氧燃烧产生可燃气，验证炭黑作为燃料的可行性。如果炭黑燃烧能够产生主要成分为CO、甲烷等可燃气体。将为炭黑的有效利用探索出一个新的渠道。

1 实验部分

1.1 主要设备及原料

HY-LGQ-B-16 t固定上吸式气化炉，广州环渝能源有限公司, 气化炉装置示意图见图1；废旧轮胎塑料油泥热裂解设备，双星伊克斯达。

图1 上吸式生物质气化炉

炭黑为粉末状，在气化炉内易造成管道堵塞，因此将炭黑粉末混入火碱、淀粉黏结剂，经压块机压成球状备用，如图2所示。

1.2 实验原理

通过在生物质燃料燃烧的过程中加入炭黑，炭黑进行不充分燃烧释放CO。使炭黑应用于生产可燃气体，探索炭黑有效利用的新途径。深入研究炭黑与生产可燃气体的调变因素，包括：炉内温度、炭黑占总燃料比值等。气化炉内基本化学反应如下：

图2 炭黑球

1.3 主要工艺

（1）燃料的制备

由于炭黑燃烧需要较高能量，本实验采用生物质模板料（木板、建筑废料、秸秆等）与炭黑混合的燃料进行实验。燃料成分表见表1。

表1 燃料成分表

（2）燃料燃烧气化

混合燃料由炉侧的星型给料机均匀给料至气化炉，在气化炉底层进行反应，由于进料的时间差异，平铺于气化炉最底层的燃料最先燃烧为氧化层，在此燃料发生的主要反应为C+O2=CO2，随着燃料不断进入气化炉，在氧化层的上层平铺燃料层，此层为还原层，在氧化层产生的CO2与还原层的燃料(炭黑中含有大量的碳元素)接触发生2C+O2=2CO反应，生成大量CO，CO是天然气的主要成分，为清洁高效的绿色能源。此外，混合燃料中含有生物质燃料，其含有少量水分，少量长碳链物质。因此，会发生水煤气变换反应以及裂解反应，生成少部分氢气、甲烷等裂解气。

1.4 实验方案

生物质模板料理论热值：3588 kcal/kg（广州环渝能源有限公司提供）；炭黑热值：6240kcal/kg（根据Q放=mq计算可得）

气化炉每小时消耗生物质模板料 80 kg，燃料总热值为3588kcal/kg×80 kg=28740kcal

在保证燃料总热值不变的情况下生物质模板料与炭黑混合使用：

实验 0-2 ：全用生物质模板料，每小时消耗生物质模板料 80 kg，在反应进行2 h时收集气体。

实验25-2 ：炭黑占总量（生物质模板料与炭黑总量）比值为 25%，计算可得每小时消耗生物质模板料 55 kg，每小时消耗炭黑18 kg（每半小时加料量：生物质模板料27.5 kg、炭黑9 kg）在反应进行2 h时收集生成气体，检测气体中可燃气浓度。

实验25-4 ：在反应进行4 h时收集生成气体，检测气体中可燃气浓度。其他条件与实验25-2相同。

实验30-2 ：炭黑占总量（生物质模板料与炭黑总量）比值为 30%，计算可得每小时消耗生物质模板料 49 kg，每小时消耗炭黑22 kg（每半小时加料量：生物质模板料24.5 kg、炭黑11 kg）在反应进行2 h时收集生成气体，检测气体中可燃气浓度。

实验 30-4：在反应进行4 h时收集生成气体，检测气体中可燃气浓度。其他条件与实验30-2相同。

实验 40-2： 炭黑占总量（生物质模板料与炭黑总量）比值为 40%，计算可得每小时消耗生物质模板料 42 kg，每小时消耗炭黑28 kg（每半小时加料量：生物质模板料21 kg、炭黑14 kg）

实验 40-4：在反应进行4 h时收集生成气体，检测气体中可燃气浓度。其他条件与实验40-2相同。

2 结果与讨论

观察表2可以发现，随着燃料中炭黑占比的增加炉内温度随之增加。这是因为由炭黑占比增加，气化炉炉温增加分析可知，炭黑燃烧放出热量高于生物质能源燃烧放出热量，验证了炭黑热值高于生物质燃料。

经计算：1 kg炭黑完全燃烧生成CO2时，放出热量约为6262kcal。1kg炭黑不完全燃烧生成CO时，放出热量约为1760 kcal。而1 kg生物质燃料完全燃烧生成CO2放出热量约3500kcal，1 kg生物质能源不完全燃烧生成CO时，放出热量约为860 kcal。因此，当炭黑占比增多时且能够顺利燃烧放热时，炉体温度升高。此外，根据谢[4]等人的研究，炭黑可以作为强化辐射传热的介质，加快了炉体温度的上升。

观察表2与可以直观看出随着混合燃料中炭黑占比的增加，可燃气中CO浓度增加。炭黑占比为25%时，甲烷浓度最高。而炭黑占比30%时，甲烷浓度降低。炭黑占比为40%时收集到的气体中甲烷含量再度升高。此时甲烷浓度偏低，CO浓度偏高。

表2 燃料中炭黑占比不同时可燃气CO、CH4浓度变化表

加入炭黑40%实验中，CH4浓度比加入炭黑30%实验略有升高。原因为首次加入40%炭黑混合料时炉温600 ℃，致炉温持续降低，因此，停止了炭黑混合料的增加，中间有三次加料是纯生物质，待炉温升至850 ℃时又复加40%炭黑混合料。纯生物质燃料的加入使CH4浓度略有回升。

炭黑占比增加，可燃气中CO浓度增加，说明炭黑在气化炉中燃烧主要生成CO。而生物质中含有少量水分，当生物质成分增加时，水分和过剩的碳进行反应，生成了CH4。

观察图3的燃气燃烧火焰对比图可以发现，在燃料中不含炭黑时火焰呈现橙红色，蓝色火焰较少，而当燃料中炭黑占比为30%时，燃气燃烧的时蓝色火焰增加，而当炭黑占比为40%时火焰颜色呈现蓝色。众所周知，CO的火焰颜色为蓝色，同样证明，随着燃料中炭黑占比的增加，可燃气中CO的浓度增加。而CO是天然气的主要成分，是一种高效、清洁的能源。

图3 燃气燃烧对比图

表3 气化炉内温度变化表

观察表3及图4，可发现当炉内起始温度为623 ℃时，添加生物质燃料，炉内温度先下降后上升。在炉内起始温度为617 ℃时，添加炭黑质量占比40%的燃料，炉内温度不断下降，120 min后炉内温度下降为310 ℃。当起始温度为848 ℃时，添加炭黑质量占比40%的燃料，炉内温度先下降后上升。

图4 气化炉内温度变化图

通过在气化炉炉温600 ℃左右加入炭黑时，炉温不断下降分析，炭黑的着火点在550 ℃～750 ℃之间，600 ℃时不足以使炭黑发生燃烧反应释放能量，因此炉温层下降趋势。848 ℃的起始温度加入炭黑混合燃料，可以看到炉温稍降后层逐步上升趋势，说明炭黑发生燃烧反应释放了能量。

图5 炉渣主要成分图

观察图5炉渣成分图发现存在黄白色的结焦体（图示1），炉渣中存在一部分生物质燃烧之后的残留的木炭（图示2）；炉渣中占比最大的是灰分（图示3），成分为炭黑未燃尽掉落的残灰以及生物质燃烧后的灰分；此外炉体中掉落较多炭黑球（图示4）。

说明采用炭黑作为燃料时，颗粒过大会导致炭黑不易完全燃烧，宜采用颗粒较小的炭黑作为气化炉燃料。

3 结论

（1）废旧轮胎裂解产物炭黑可以作为气化炉燃料。混合燃料中，生物质能源燃烧为炭黑燃烧提供能量，使得炭黑在气化炉内燃烧。

（2）炭黑可在气化炉中不充分燃烧生成CO。随着炭黑比例的增加，可燃气中CO浓度在逐步升高。在炭黑比例达到40%时CO浓度达到3.54×105 mg/m3，是不加炭黑时的约3倍（1.19×105 mg/m3）；炭黑与生物质的最佳配比还需要长期的试验数据摸索。

（3）炭黑燃烧放出热值高，且可以作为强化辐射传热的介质，使炉体温度升高[4]。

（4）加入的炭黑不易采用大直径的球状。排出的炉渣中有大量未完全燃烧的炭黑球，说明炭黑球并未完全反应生成CO可燃气，最好采用小颗粒炭黑作为燃料。