（完整版）生物質(zhì)裂解液化裝置

1、 第七章生物質(zhì)熱裂解液化裝置生物質(zhì)快速熱裂解反應(yīng)器是生物質(zhì)快速熱裂解液化技術(shù)的核心設(shè)備。目前國內(nèi)外比較典型的反應(yīng)器有流化床、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、燒蝕反應(yīng)器、渦旋反應(yīng)器以及輸運(yùn)床、引流床、真空移動(dòng)床等等。山東理工大學(xué)在國家 863計(jì)劃的資助下，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的利用固體熱載體加熱生物質(zhì)的下降管式熱裂解反應(yīng)器和雙螺旋滾筒式熱裂解反應(yīng)器。本章主要對(duì)生物質(zhì)熱裂解液化工藝的研究進(jìn)展及流化床、旋轉(zhuǎn)錐、下降管等典型生物質(zhì)熱裂解液化反應(yīng)器的工藝原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行介紹。第一節(jié)生物質(zhì)熱裂解液化工藝過程及研究進(jìn)展一、生物質(zhì)熱裂解液化工藝過程及要求生物質(zhì)快速熱裂解液化要求得到盡可能多的液體產(chǎn)物。機(jī)高聚物在隔絕氧氣的條

2、件下迅速受熱斷鏈為小分子為主的熱裂解蒸汽，獲得液體油產(chǎn)物生物油（采用快速熱裂解技術(shù)，生物質(zhì)所含的長(zhǎng)鏈有熱裂解蒸汽被迅速冷凝，從而Bio-oil）。生物質(zhì)快速熱裂解液化制取生物油系統(tǒng)的工藝流程如圖7-1所示。工藝過程如下：生物質(zhì)經(jīng)干燥和粉碎后喂入熱裂解反應(yīng)器中，反應(yīng)氣固產(chǎn)物首先經(jīng)旋風(fēng)分離器分離出殘?zhí)?；再?jīng)冷激裝置將熱裂解蒸汽迅速冷卻成液態(tài)，得的最終產(chǎn)物為殘?zhí)?、不冷凝氣體和生物油并分別收集。以防止可冷凝氣體二次裂解為不可冷凝氣體；所不冷凝氣生物質(zhì)冷凝器熱裂解氣干燥炭粉分離器反應(yīng)器粉碎生物油炭粉圖 7-1生物質(zhì)熱裂解液化工藝流程圖生物質(zhì)快速熱裂解液化的工藝要求：（ 1）原料含水率應(yīng)低于 10%。（

3、2）把原料粉碎到足夠小的粒度，以便提高加熱速率、增加產(chǎn)油率；粒徑大小與反應(yīng)器有關(guān)，比如采用流化床及其它形式的熱裂解器裂解，原料粒度一般應(yīng)小于2mm。（ 3）工藝裝置應(yīng)在無氧或者缺氧條件下運(yùn)行。3（ 4）升溫速率要在 10/以上，熱解溫度一般在450600左右。（ 5）短的氣相停留時(shí)間，停留時(shí)間越長(zhǎng)，二次裂解發(fā)生的可能性越大，生成不可冷凝氣體的成分增多，因此必須迅速冷卻。而原料顆粒要完全裂解必須有一定的停留時(shí)間，0.23.0，大原料固相顆粒（ 2mm）的熱裂解停留時(shí)間要求兩者對(duì)停留時(shí)間的要求是不同的，氣相停留時(shí)間一般為15s，小原 料固相顆粒（ 2mm）的熱裂解停留時(shí)間小于1s。（ 6）熱裂解反

4、應(yīng)產(chǎn)物中的炭會(huì)起催化作用，造成液化油不穩(wěn)定，在熱裂解氣冷凝之前，必須快速徹底地除去。二、生物質(zhì)熱裂解液化工藝研究進(jìn)展20世紀(jì) 70年代末至 80年代初，生物質(zhì)快速熱裂解液化術(shù)在歐美一些國家得到高度重視，到20世紀(jì) 90年代，將固體生物質(zhì)通過快速熱裂解轉(zhuǎn)化成生物燃油的研究在歐洲及北美有了突破性進(jìn)展，技術(shù)比較先進(jìn)的主要有加拿大、荷蘭、英國、美國、瑞士、意大利等國家。他們研究開發(fā)的快速熱裂解液化裝置及相應(yīng)技術(shù)主要有：流化床、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、燒蝕反應(yīng)器、渦旋反應(yīng)器、循環(huán)流化床、輸運(yùn)床、引流床、真空移動(dòng)床等等。這些反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)雖然不同，性能也有所差異，年來，國外出現(xiàn)了許多新型熱解器，比較典型的有荷蘭吞特大

5、學(xué)（但均可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的熱裂解液化。近Universityof Twente）研發(fā)的一種類似旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)的新型生物質(zhì)熱裂解裝置（PyRos），其最大特點(diǎn)是熱裂解、氣固分離效率極高，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性強(qiáng)，而且生物質(zhì)液體轉(zhuǎn)化率很高，非常適合實(shí)驗(yàn)室及中小規(guī)模生產(chǎn)。Niels Bech等開發(fā)的離心式反應(yīng)器（ Pyrolysis Centrifuge Reactor）也是一種新型工藝，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物秸稈和木材的熱裂解液化。目前國外已經(jīng)開發(fā)出的各種類型的反應(yīng)器應(yīng)用情況見表7-1。表 7-1國外生物質(zhì)熱裂解生產(chǎn)生物油工藝的研發(fā)情況規(guī)模主持研究機(jī)構(gòu)國家技術(shù)現(xiàn)狀/kgh-1DynamotiveInterchem

6、加拿大美國流化床1500136012501000625運(yùn)行1994年廢棄運(yùn)行燒蝕渦流床循環(huán)傳輸床循環(huán)傳輸床循環(huán)傳輸床Red Arrow/EnsynRed Arrow/EnsynENEL/Ensyn美國美國運(yùn)行意大利運(yùn)行BTG/Kara荷蘭旋轉(zhuǎn)錐流化床200200運(yùn)行運(yùn)行Union Fenosa/Waterloo西班牙Red Arrow/EnsynEnsyn加拿大加拿大意大利循環(huán)傳輸床循環(huán)傳輸床循環(huán)流化床12510050運(yùn)行運(yùn)行停用Pasquali/ENELBTG/SAU荷蘭 /中國旋轉(zhuǎn)錐流化床5050運(yùn)行運(yùn)行University of Hamburg德國University of LavalW

7、WTC*加拿大加拿大加拿大真空移動(dòng)床奧格窯 (Augur kiln)循環(huán)傳輸床504240運(yùn)行運(yùn)行運(yùn)行EnsynNREL美國燒蝕渦流器流化床30201997年拆除Dynamotive加拿大運(yùn)行NREL*RTI美國加拿大芬蘭燒蝕渦流器流化床202020運(yùn)行運(yùn)行運(yùn)行VTT/Ensyn循環(huán)傳輸床CRESEnsyn希臘循環(huán)傳輸床循環(huán)傳輸床1010運(yùn)行運(yùn)行加拿大University of Tubingen*University of Twente德國荷蘭奧格窯 (Augur kiln)1010運(yùn)行運(yùn)行旋轉(zhuǎn)錐 BFH/IWCINETI德國葡萄牙英國流化床流化床燒蝕板流化床燒蝕板流化床655333運(yùn)行運(yùn)行U

8、niversity of AstonRTI運(yùn)行加拿大英國拆除University of AstonUniversity of Waterloo運(yùn)行加拿大1995年搬到 RTIUniversity of AstonCPERI英國希臘德國流化床循環(huán)流化床流化床21運(yùn)行重建運(yùn)行BFH(IWC)1NRELRTI美國加拿大英國流化床流化床流化床流化床流化床11111運(yùn)行運(yùn)行運(yùn)行運(yùn)行運(yùn)行University of AstonUniversity of LeedsUniversity of Oldenbury英國德國University of TechnologyUniversity of Santiago

9、馬來西亞西班牙流化床流化床11運(yùn)行設(shè)計(jì)中University of SassariUniversity of ZaragozaVTT意大利西班牙芬蘭流化床流化床流化床111運(yùn)行運(yùn)行運(yùn)行供所有氣體和揮發(fā)份燃燒的設(shè)備，但能夠生產(chǎn)液體產(chǎn)物。*慢速生物質(zhì)熱裂解液化我國在生物質(zhì)快速熱裂解液化技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較晚，最早用于生物質(zhì)熱裂解液化的反應(yīng)器是上世紀(jì) 90年代沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)從荷蘭引進(jìn)的旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器，這也可以看做我國在該技術(shù)領(lǐng)域研究的開始。其后經(jīng)歷了從消化吸收改進(jìn)國外反應(yīng)器到研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型熱裂解反應(yīng)器等階段。從文獻(xiàn)來看，流化床是國內(nèi)用于生物質(zhì)熱裂解液化研究最為廣泛的反應(yīng)器，比如中科院廣州能源

10、所、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、華東理工大學(xué)、上海理工大學(xué)、中國科技大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)、山東理工大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院地理科學(xué)與資源研究所、中科院廣州過程所、東南大學(xué)熱能工程研究所等都開展了這項(xiàng)技術(shù)的研究。另外，國內(nèi)用于生物質(zhì)快速熱裂解液化研究華東理工大學(xué)的管式爐、山東理工大學(xué)的水平攜帶床、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)的平行反應(yīng)管、 浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)的熱裂解釜、清華大學(xué)的熱的反應(yīng)器還有浙江大學(xué)的固定床和回轉(zhuǎn)窖、螺旋滾筒式反應(yīng)器和下降管反應(yīng)器、分解器等，但其規(guī)模大多用于實(shí)驗(yàn)室研究。質(zhì)熱裂解反應(yīng)器主要有山東理工大學(xué)的下降管反應(yīng)器、大學(xué)的自熱式流化床反應(yīng)器，其生物質(zhì)處理能力均在從

11、文獻(xiàn)資料和專利申請(qǐng)來看，生物質(zhì)處理能力比較大的生物東北林業(yè)大學(xué)的轉(zhuǎn)錐式熱裂解反應(yīng)器和中國科技200kg/h以上。山東理工大學(xué)研發(fā)的下降管和雙螺旋滾筒式熱裂解反應(yīng)器是利用高溫散體固體熱載體（比如陶瓷球、石英砂等）與生物質(zhì)顆粒之間的溫差實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的快速升溫?zé)峤獾囊环N新型工藝。該工藝的優(yōu)勢(shì)在于：采用生物質(zhì)燃燒提供熱裂解熱源，節(jié)約了電、石油、煤等高品位能源，不但提高了能效，而且降低了溫室氣體的排放；規(guī)模擴(kuò)大方便，利于工業(yè)化生產(chǎn)；區(qū)別于流化床反應(yīng)器，不需要引入其它氣體（一般為惰性氣體、或不含氧氣的煙氣）作為熱載體，大大降低了熱裂解氣體產(chǎn)物冷卻過程中的負(fù)荷和成本；固體熱載體可以循環(huán)利用，節(jié)約能耗和成本。因

12、此，山東理工大學(xué)連續(xù)獲得國家“十五”、“十一五”和863計(jì)劃的支持。 1、流化床反應(yīng)器在生物質(zhì)熱裂解技術(shù)工藝中，流化床在目前的生物質(zhì)熱裂解試驗(yàn)研究中應(yīng)用最為廣泛。流化床最早于1980年在加拿大 Waterloo大學(xué)研發(fā)并應(yīng)用于生物質(zhì)熱裂解領(lǐng)域。流化床反應(yīng)器屬于混合式反應(yīng)器，主要借助熱氣流或氣固多相流對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行加熱，起主導(dǎo)方式的是導(dǎo)熱和對(duì)流換熱。常見的反應(yīng)器類型有鼓泡流化床反應(yīng)器、循環(huán)流化床反應(yīng)器、導(dǎo)向管噴動(dòng)流化床反應(yīng)器等裝置。藝及結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步詳細(xì)介紹。本章將在第二節(jié)對(duì)流化床工（ 1）鼓泡流化床鼓泡流化床的工藝原理如圖7-2 所示，采用鼓泡流化床進(jìn)行快速熱裂解，流化介質(zhì)是熱裂解生成的氣體，熱載

13、體可采用砂類材料，比如石英砂。由于砂子的熱容很大（是相同體積空氣的1000倍），與粉狀的生物質(zhì)接觸可實(shí)現(xiàn)高的傳熱速率（1000/s以上），反應(yīng)停留時(shí)間極短，揮發(fā)物經(jīng)過快速分離和冷凝后得到生物原油液體燃料，對(duì)于一些生物質(zhì)原料最高生物油產(chǎn)率可達(dá)80%以上。鼓泡流化床通過調(diào)節(jié)熱載氣流量來控制原料顆粒和熱裂解蒸汽的停留時(shí)間，非常適合進(jìn)行小顆粒（小于2mm）原料的熱裂解。鼓泡流化床的設(shè)備制造容易、操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)溫度控制方便，特別是它的熱載體密度高、傳熱效率好，非常有利于快速熱裂解進(jìn)行。圖 7-2鼓泡流化床生物質(zhì)熱裂解液化工藝流程（ 2）循環(huán)流化床循環(huán)流化床的工藝流程如圖7-3所示。在這種工藝中，焦炭產(chǎn)物

14、和氣體流帶出的砂子通過旋風(fēng)分離器回到燃燒室內(nèi)循環(huán)利用，從而降低了熱量的損失。由于提供熱量的燃燒室和進(jìn)行反應(yīng)的流化床合二為而且加熱速度控制方便，反應(yīng)溫度均勻，焦炭停留時(shí)間和氣體產(chǎn)物一，因此降低了反應(yīng)器的制造成本，停留時(shí)間基本相同，適合小原料顆粒（小于2mm）的熱裂解，生物油產(chǎn)率可達(dá)60%。在目前各種快速熱裂解生產(chǎn)裝置中，循環(huán)流化床的處理量最大，可達(dá)200kg/h。但循環(huán)流化床內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)情況十分復(fù)雜，仍需進(jìn)行反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和系統(tǒng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。另外，由于固體傳熱介質(zhì)需要循環(huán)使用，增加了系統(tǒng)的操作復(fù)雜性。 圖 7-3循環(huán)流化床生物質(zhì)熱裂解液化工藝流程（ 3）導(dǎo)向管噴動(dòng)流化床華東理工大學(xué)已建成

15、生物質(zhì)最大處理量為集流化床和噴動(dòng)床為一體的新型流態(tài)化技術(shù)。穩(wěn)定。床層底部的流化介質(zhì)在噴動(dòng)氣的作用下，15kg/h的導(dǎo)向管噴動(dòng)流化床裂解反應(yīng)器，采用的是一種這種技術(shù)是在裂解反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置了導(dǎo)向管，使流化床層更先沿導(dǎo)向管內(nèi)部上升，然后再沿導(dǎo)向管與裂解反應(yīng)器之間的環(huán)隙下降，從而形成循環(huán)流；循環(huán)流載著生物質(zhì)顆粒進(jìn)行熱裂解反應(yīng)，可有效提高傳熱速率。在這種反應(yīng)器中，熱裂解蒸汽可以連續(xù)快速流出，而原料顆粒則在床內(nèi)循環(huán)進(jìn)行充分裂解， 直到顆粒足夠小后才被氣體帶出床層。這樣，原料顆粒的停留時(shí)間不受蒸汽停留時(shí)間的制約，留時(shí)間，從而提高了生物油的產(chǎn)率。大顆?？梢垣@得足夠的停2、燒蝕式反應(yīng)器燒蝕反應(yīng)器由英國 Aston

16、大學(xué)研發(fā)。燒蝕反應(yīng)器工藝流程如圖7-4所示。粒徑為 6.35mm的生物質(zhì)200rpm的速率旋轉(zhuǎn)，600的反應(yīng)器底部表面。葉片的機(jī)械運(yùn)動(dòng)使顆粒顆粒通過密封的螺旋給料器，喂入到氮?dú)猸h(huán)境的反應(yīng)器中，四個(gè)不對(duì)稱的葉片以產(chǎn)生了傳遞給生物質(zhì)的機(jī)械壓力，將顆粒送入加熱到相對(duì)于熱反應(yīng)器表面高速運(yùn)動(dòng)并發(fā)生熱裂解反應(yīng)。產(chǎn)物隨著氮?dú)怆x開反應(yīng)器進(jìn)入旋風(fēng)分離器，然后通過逆流冷凝塔將最初揮發(fā)產(chǎn)物冷凝，剩余的氣體被排出反應(yīng)器。其余的可冷凝部分通過靜電沉積器從不可冷凝氣體中沉積下來，最后 圖 7-4燒蝕反應(yīng)器3、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)錐式反應(yīng)器由荷蘭Twente大學(xué)工程組及生物質(zhì)技術(shù)集團(tuán)（BTG）從 1989年開始研發(fā)，是接觸式反

17、應(yīng)器中的一個(gè)典型設(shè)計(jì)。經(jīng)過干燥的生物質(zhì)顆粒與經(jīng)過預(yù)熱的載體砂子混合后送入旋轉(zhuǎn)錐底部，在轉(zhuǎn)速為 600r/min的旋轉(zhuǎn)錐帶動(dòng)下螺旋上升，在上升過程中被迅速加熱并裂解。裂解產(chǎn)生的揮發(fā)物經(jīng)過導(dǎo)出管進(jìn)入旋風(fēng)分離器分離出焦炭，然后通過冷凝器凝結(jié)成生物油。分離出的焦炭可再次回到預(yù)熱器燃燒加熱原料。在此過程中，傳熱速率可達(dá)1000 /s，裂解溫度 500左右，原料顆粒停留時(shí)間約0.5s，熱裂解蒸汽停留時(shí)間約0.3s，生物油產(chǎn)率為 60%70%。旋轉(zhuǎn)錐式反應(yīng)器運(yùn)行中所需載氣量比流化床少得多，這樣就可以減少裝置的容積，減少冷凝器的負(fù)荷從而降低裝置的制造成本。本章第三節(jié)對(duì)旋轉(zhuǎn)錐式反應(yīng)器工藝及結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步詳細(xì)介紹。

18、4、真空快速裂解反應(yīng)器加拿大 Laval大學(xué)設(shè)計(jì)的生物質(zhì)真空熱裂解反應(yīng)器，如圖7-5所示。物料經(jīng)過干燥和破碎后在真空狀態(tài)下導(dǎo)入反應(yīng)器，在反應(yīng)器兩個(gè)水平的恒溫金屬板間受熱裂解（頂層板溫度為200，底層板溫度400）。由于反應(yīng)是在 15kPa的負(fù)壓下進(jìn)行的，熱裂解蒸汽停留時(shí)間短，并迅速離開反應(yīng)器，從而降低了二次裂解的幾率。熱裂解蒸汽進(jìn)入冷凝系統(tǒng)，反應(yīng)裝置具有兩個(gè)冷凝系統(tǒng)，一個(gè)收集重質(zhì)的生物油，另一個(gè)收集輕質(zhì)的生物油和水分，生物油的產(chǎn)率達(dá)35%50%。由于真空熱裂解系統(tǒng)需要有真空泵，而且反應(yīng)器必須具有極好的密封性，因此實(shí)際應(yīng)用投資成本高，運(yùn)行操作也有一定難度，大規(guī)模生產(chǎn)困難。圖 7-5真空熱裂解反應(yīng)

19、器 5、渦流反應(yīng)器渦流反應(yīng)器由美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室研制（A.V .Bridgewater and G.V.C.Peacocke,2000），其原理是利用高速氮?dú)猓?1200m/s）或過熱蒸汽流引射（夾帶）生物質(zhì)顆粒沿切線方向進(jìn)入反應(yīng)器管，生物質(zhì)在此條件下受到高速離心力的作用，在高溫（625）反應(yīng)器壁面上發(fā)生燒蝕。燒蝕顆粒產(chǎn)生的生物油膜留在反應(yīng)器壁上，并且迅速蒸發(fā)，未完全轉(zhuǎn)化的生物質(zhì)顆?？梢酝ㄟ^固體循環(huán)回路返回反應(yīng)器再次反應(yīng)。利用該反應(yīng)器工藝如圖 7-6所示，可獲得 67左右產(chǎn)率的生物油。圖 7-6渦旋反應(yīng)器6、攜帶床反應(yīng)器由美國佐治亞技術(shù)研究院開發(fā)的攜帶床裂解反應(yīng)器，如圖流氣，采用較大的載流氣

20、流量（其和生物質(zhì)的重量比約為有機(jī)冷凝物的收率為 58。7-7所示。以燃燒后的高溫?zé)煹罋庾鳛檩d8：1），以 0.300.42mm的木屑為原料，所得圖 7-7攜帶床熱裂解液化裝置 7、下降管反應(yīng)器下降管反應(yīng)器是山東理工大學(xué)清潔能源研究中心自主研制開發(fā)的下降管式載體循環(huán)快速熱裂解裝置。反應(yīng)管是由三段直管組成的“之”字形管。生物質(zhì)粉從較高的入口加入，與從較低入口加入的高溫陶瓷球迅速混合、受熱，溫度在0.10.5秒內(nèi)迅速升高到 500左右，發(fā)生熱裂解反應(yīng)。本章第四節(jié)對(duì)下降管式載體循環(huán)快速熱裂解液化裝置的工藝及結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步詳細(xì)介紹。8、PyRos熱裂解反應(yīng)器荷蘭 University of Twente新

21、近開發(fā)了 PyRos反應(yīng)器，此種反應(yīng)器外形見圖7-8，其結(jié)構(gòu)是將旋風(fēng)分離器內(nèi)裝高速旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)速度2880rpm）的過濾轉(zhuǎn)子，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖7-9。工作原理：惰性氣體攜帶預(yù)熱的砂子和生物質(zhì)粉進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)，砂子與生物質(zhì)粉沿分離器殼體旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，生物質(zhì)發(fā)生熱裂解反應(yīng)，熱裂解氣通過過濾轉(zhuǎn)子從旋風(fēng)分離器切向口排出，熱裂解氣中攜帶的輕質(zhì)炭粉被過濾轉(zhuǎn)子阻擋，下落到旋風(fēng)分離器內(nèi)，隨砂子及其它炭粉從旋風(fēng)分離器下口排出，如圖 7-10所示。利用 PyRos反應(yīng)器進(jìn)行生物質(zhì)熱裂解液化工藝流程如圖 7-11所示，其特點(diǎn)主要是，熱裂解氣冷凝后排除的不可冷凝氣體通過鼓風(fēng)機(jī)吹送，作為輸送砂子與生物質(zhì)粉的惰性攜帶氣體，

22、多余的不可冷凝氣體可通入供熱裝置中燃燒供熱。圖 7-8 PyRos熱裂解反應(yīng)器外形圖 7-9 PyRos熱裂解反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 7-10 PyRos熱裂解反應(yīng)器工作狀態(tài)圖 7-11 PyRos反應(yīng)器生物質(zhì)熱裂解液化工藝流程 9、雙螺旋滾筒式熱裂解反應(yīng)器圖 7-12為山東理工大學(xué)新近開發(fā)的雙螺旋滾筒式熱裂解反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)原理是調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)滾筒同時(shí)旋轉(zhuǎn)，內(nèi)旋滾筒是熱裂解反應(yīng)滾筒，外旋滾筒是篩分滾筒，內(nèi)、外滾筒均安裝有螺旋葉片，但旋轉(zhuǎn)方向相反。高溫陶瓷顆粒和生物質(zhì)粉的混合物喂入內(nèi)螺旋滾筒，按圖示方向，由于葉片的攪動(dòng)，混合物不斷混合且向右運(yùn)動(dòng)，到內(nèi)滾筒右側(cè)由右側(cè)落料口落入外旋滾筒。在此混合攪動(dòng)過

23、程中，生物質(zhì)發(fā)生熱裂解反應(yīng)，產(chǎn)生的熱裂解氣由筒體上口排出。落入外旋滾筒的陶瓷顆粒和生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)后生成的炭粉在外旋滾筒內(nèi)逐漸分離，炭粉作為篩下物由出灰筒排出。陶瓷顆粒作為篩上物由外旋滾筒左側(cè)落入陶瓷顆粒出料口，進(jìn)入提升裝置循環(huán)使用。圖 7-13滾筒反應(yīng)器圖 7-12雙螺旋滾筒反應(yīng)器上述各種反應(yīng)器雖然結(jié)構(gòu)不同、工藝有所差異，但均可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的快速熱裂解，總結(jié)上述各類典型反應(yīng)器的性能比較見表7-2。表 7-2反應(yīng)器性能比較表復(fù)雜程度中等原料顆粒大載入氣流設(shè)備尺寸中等放大可行性反應(yīng)器類型流化床使用狀況產(chǎn)油率小小示范裝置75大容易循環(huán)流化床工廠實(shí)驗(yàn)無756565復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜中等小大大/大大小容易容易

24、較難攜帶床反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器工廠實(shí)驗(yàn)較小燒蝕反應(yīng)器真空反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)室7560復(fù)雜復(fù)雜大大低低小大較難較難工廠實(shí)驗(yàn)下降管式示范裝置50中等小/大容易 第二節(jié)流化床生物質(zhì)熱裂解液化裝置在生物質(zhì)快速熱裂解的各種工藝中，反應(yīng)器的類型及其加熱方式的選擇在很大程度上決定了產(chǎn)物的最終分布，所以反應(yīng)器類型和加熱方式的選擇是各種技術(shù)路線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。常用的制取生物質(zhì)液體（生物油）的反應(yīng)器都具有加熱速率快、反應(yīng)溫度中等、氣相停留時(shí)間短等共同特征。流化床反應(yīng)器屬于混合式反應(yīng)器，主要借助熱氣流或氣固多相流對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行加熱，器類型有流化床反應(yīng)器、導(dǎo)向管噴動(dòng)流化床、循環(huán)流化床反應(yīng)器、鼓泡床反應(yīng)器等裝置。起主導(dǎo)方式的是對(duì)流換熱

25、。常見的反應(yīng)采用流化床作為反應(yīng)器的生物質(zhì)熱裂解技術(shù)，是當(dāng)前主要研究方向之一。流化床反應(yīng)器能夠提供較高的加熱速率以及相對(duì)均勻的反應(yīng)溫度，同時(shí)快速流動(dòng)的載氣便于一次產(chǎn)物及時(shí)析出。流化床熱裂解裝置是對(duì)流態(tài)化技術(shù)的重要應(yīng)用,熱裂解裝置的合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)熱裂解液化的前提。流化床反應(yīng)器由于運(yùn)行簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、適合放大而得到越來越多的重視。固體流態(tài)化是指固體顆粒通過與流體接觸而轉(zhuǎn)變成類似流體狀態(tài)的操作。利用流態(tài)化技術(shù)，可使某些工藝流程簡(jiǎn)化和強(qiáng)化。流化床內(nèi)固體顆粒在流化床階段具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，果，能夠提供給生物質(zhì)較大的升溫速率，是生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器較理想的選擇。具有良好的傳熱傳質(zhì)效一、流化床生物質(zhì)裂解反應(yīng)

26、器結(jié)構(gòu)及工作原理在一個(gè)流化設(shè)備中，將固體顆粒堆放在分布板上，到某種程度，固體顆粒在床層內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生沸騰狀態(tài)，層現(xiàn)象有以下幾種狀態(tài)：當(dāng)氣體由設(shè)備下部通入床層，隨著氣流速度加大這種床層稱為流化床。流體通過顆粒時(shí)所出現(xiàn)的床（1）固定床當(dāng)流體的速度較低時(shí)，流體只是穿過靜止顆粒之間的空隙而流動(dòng)，這種床層稱為固定床。（ 2）初始或臨界流化床 當(dāng)流體的流速增大至一定程度時(shí)，顆粒開始松動(dòng)，顆粒位置也在一定的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，床層略有膨脹，但顆粒仍不能自由運(yùn)動(dòng)，這時(shí)床層處于初始或臨界流化狀態(tài)，此時(shí)的氣流速度稱為臨界流化速度。（3）流化床如果流體的流速升高到全部顆粒剛好懸浮在向上流動(dòng)的氣體中而能做隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)顆粒

27、與流體之間的摩擦力恰與其凈重力相平衡。此后床層高度將隨流速提高而升高，這種床層稱為流化床，對(duì)應(yīng)的氣體流速為操作流化速度。（ 4）稀相輸送床若流速再升高達(dá)到某一極限值后，床上界面消失，顆粒分散為懸浮在氣流中，并被氣流帶走，這種床層稱為稀相輸送床。流化在流化床階段氣流速度不是太大，且床內(nèi)具有良好的傳熱傳質(zhì)效果，生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器常用這個(gè)階段的流化床。典型的流化床生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器由氣體分布器、旋風(fēng)分離圖 7-13流化床反應(yīng)器器、換熱器、擴(kuò)大段和床內(nèi)構(gòu)件等組成，如圖7-13所示。其中某些部分不一定在每一具體的流化床中出現(xiàn)，具體的工藝過程和操作條件將決定每個(gè)流化床的特點(diǎn)。1、氣體分布器氣體分布器的主要

28、作用是將流化氣體均勻分布在整個(gè)床層截面上。它一般位于床層底部。在許多情況下，氣體分布器還起到支撐流化顆粒的作用。泡罩式、浮閥式、多層板式等等。一般來說，分布器的形式多種多樣，如多孔板式、微孔板式、多管、分布器需要有足夠的壓降才能保證氣體在整個(gè)床層截面上 的均勻分布。分布器壓降大于整個(gè)床層壓降的10%30%是對(duì)分布器壓降較常見的要求。但在實(shí)際工業(yè)5%左右。流化床中在分布器上方的一定距離內(nèi)，氣固兩相的流動(dòng)行為受分布器應(yīng)用中，因?yàn)榇矊虞^高，為了減少壓頭損失，分布器的壓降有時(shí)設(shè)計(jì)在全床壓降的氣泡初始尺寸與分布器的形式有很大關(guān)系。影響而與床層主體有明顯不同。該區(qū)域習(xí)慣上稱為“分布器控制區(qū)”。分布器控制區(qū)

29、內(nèi)的流體流動(dòng)行為及傳熱、傳質(zhì)對(duì)整個(gè)流化床的功效都可能產(chǎn)生較大作用，一點(diǎn)表現(xiàn)得特別明顯。尤其是在進(jìn)行快速反應(yīng)的流化床反應(yīng)器中，這2、自由空間和擴(kuò)大段流化床內(nèi)氣固濃相界面以上的區(qū)域被稱為自由空間。由于氣泡逸出床面時(shí)的彈射作用和夾帶作用，一些顆粒會(huì)離開濃相床層進(jìn)入自由空間。較細(xì)小的顆粒則最終被氣流帶出流化床。一部分自由空間的顆粒在重力作用下返回濃相床，而另一部分顆粒是否被帶出流化床取決于顆粒的特性(尺寸、密度和形狀 )、流化氣體的特性 (密度、粘度 )、流化氣速和自由空間的高度。擴(kuò)大段位于流化床上部，其直徑大于流化床主體的直徑，并通過一錐形段與主體相連。擴(kuò)大段可以顯著地降低氣流速度，從而有利于自由空

30、間內(nèi)的顆粒通過沉降作用返回濃相，減少顆粒帶出及降低自由空間內(nèi)的顆粒濃度。對(duì)于流化床反應(yīng)器來說，較低的自由空間顆粒濃度對(duì)于減少不利的負(fù)反應(yīng)往往是至關(guān)重要的。3、旋風(fēng)分離器和料腿旋風(fēng)分離器利用離心力原理分離流化床出口氣流中的顆粒。可以設(shè)置在流化床外部。多個(gè)旋風(fēng)分離器還可以串聯(lián)使用旋風(fēng)分離器可以設(shè)置在流化床內(nèi)部；也(稱為多級(jí)旋風(fēng)分離器 )以增強(qiáng)分離效果。兩級(jí)和三級(jí)旋風(fēng)分離器在工業(yè)上比較常見。的情況。在大型流化床中，還經(jīng)常可以看到多組多級(jí)旋風(fēng)分離器同時(shí)使用旋風(fēng)分離器所分離的顆粒經(jīng)過一根連接在旋風(fēng)分離器錐形段底部的管道返回床層或進(jìn)入收集顆粒的容器。對(duì)外旋風(fēng)分離器而言，料腿是位于流化床床體外的一根管道，料

31、腿底部可以與床體相連以返回所分離的顆粒。內(nèi)旋風(fēng)分離器的料腿直接向下伸入床中，其末端可以浸入濃相床中，也可以懸在自由空間中。旋風(fēng)分離器成功操作的一個(gè)重要因素是料腿中不能有向上倒竄的氣流，而只能有向下流動(dòng)的固體顆粒。因此，在料腿末端一般設(shè)有特殊的反竄氣裝置，如出口在自由空間的料腿底部常安裝有翼閥，入濃相的料腿底部也往往設(shè)有錐形堵頭一類的裝置。浸除常見的旋風(fēng)分離器外，流化床還可以采用其它方法分離出口氣流中的顆粒，如陶瓷管過濾器、布包括水平擋板、斜向袋過濾器等。4、內(nèi)部構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)件是指密相床內(nèi)除氣體分布器、換熱管和旋風(fēng)分離器之外的所有物件。擋板、垂直管束和其它各種構(gòu)型，如塔型構(gòu)件和脊型構(gòu)件。廣義上，換

32、熱器和料腿也可歸入內(nèi)部構(gòu)件，因?yàn)樗鼈冊(cè)谟绊懘矁?nèi)氣固兩相流動(dòng)行為方面與其它形式的內(nèi)部構(gòu)件具有相似的功效。內(nèi)部構(gòu)件的功能主要包括限制氣泡、破碎氣泡、促進(jìn)氣固兩相接觸和減少顆粒帶出。對(duì)于較粗顆粒系統(tǒng)，內(nèi)部構(gòu)件的功效比較顯著，而內(nèi)部構(gòu)件對(duì)于較細(xì)顆粒的床層作用相對(duì)較小。各種形式的內(nèi)部構(gòu)件在限制氣泡長(zhǎng)大和破碎氣泡方面的效果也有很大差別，使用不恰當(dāng)?shù)膬?nèi)部構(gòu)件還會(huì)惡化流化床內(nèi)的氣固接觸。于濃相之中，也可以部分或完全部暴露在自由空間中。而且與床層的操作條件密切相關(guān)。在某些情況下，與換熱器和料腿一樣，內(nèi)部構(gòu)件既可以完全浸沒氣固密相流化床還可能有不同的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)在其它外力場(chǎng)中操作，如振動(dòng)流化床、磁控流化床、聲控流化

33、床等。 5、流化床熱裂解反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：(1)良好的反應(yīng)床層均溫性：由于氣固流化床內(nèi)流體和顆粒劇烈攪動(dòng)混合，床層區(qū)域的溫度較為均勻一致，溫度梯度很小，避免了局部過熱或局部反應(yīng)不完全的現(xiàn)象。同時(shí)，由于砂子的熱容量高，避免了反應(yīng)器內(nèi)溫度的大幅波動(dòng)，為反應(yīng)器提供了良好的恒溫狀態(tài)。(2)較高的傳熱傳質(zhì)速率：由于流化床中采用較細(xì)小的固體顆粒做為流化介質(zhì)（如河沙、石英沙等），流化介質(zhì)與物料顆粒相互間接觸面積很大；而且，表面狀態(tài)的更新速度加快。因而流化床內(nèi)的傳熱傳質(zhì)速率很高，的升溫速率和很短的氣相滯留期的要求。流化介質(zhì)的劇烈運(yùn)動(dòng)和相互摩擦、碰撞，使固體顆?？梢詽M足快速熱裂解液化反應(yīng)對(duì)于很高(3)

34、可提供很短的氣相滯留期：與其它流化因素綜合考慮，通過增大流化風(fēng)速或減小床高等可以達(dá)到很短的氣相滯留期，防止熱裂解蒸汽的二次裂解，從而獲得較高的生物油產(chǎn)率。(4)反應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)模靈活，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)：熱容量很高的砂子在強(qiáng)烈的湍動(dòng)狀態(tài)下成為良好的傳熱介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)床內(nèi)的換熱或加熱過程，使反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化；并且，通過連續(xù)進(jìn)料可以使反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行；由于反應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單，使其更易于放大，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。正是由于流化床反應(yīng)器裝置的這些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使其在生物質(zhì)熱裂解液化的研究中受到越來越廣泛的重視。但是，它仍是一個(gè)發(fā)展中的新技術(shù)，同時(shí)也不可避免地存在一些缺點(diǎn)。(1)采用流化床結(jié)構(gòu)需要用惰性載氣對(duì)設(shè)備內(nèi)

35、物質(zhì)進(jìn)行流化：惰性載氣一般使用純氮?dú)饣蜇氀鯕怏w。載氣的供應(yīng)增加了生產(chǎn)成本，而且載氣與反應(yīng)生成物一同排出反應(yīng)器，增加了反應(yīng)器后部的冷凝負(fù)荷。為了提高液體產(chǎn)物產(chǎn)率，需增加冷凝器級(jí)數(shù)，這樣就增加了反應(yīng)器的復(fù)雜性和反應(yīng)器的制造成本。(2)固體物料的停留時(shí)間不均勻：因?yàn)楣腆w顆粒在流化床內(nèi)的混合、運(yùn)動(dòng)比較劇烈，在連續(xù)進(jìn)、排料的生產(chǎn)過程中，床內(nèi)已有物料與部分新入物料可能會(huì)同時(shí)排出，造成部分新入物料的停留時(shí)間過短。這種物料停留時(shí)間不均勻的現(xiàn)象會(huì)影響反應(yīng)速度及反應(yīng)的完全性。(3)設(shè)備磨損嚴(yán)重：流化床中固體顆粒的強(qiáng)烈碰撞、摩擦運(yùn)動(dòng)必然對(duì)反應(yīng)器表面產(chǎn)生磨損。(4)易堵塞：為了減少生成產(chǎn)物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，生成產(chǎn)

36、物需隨載氣氣流迅速排出反應(yīng)器。這樣，高溫的生成物遇冷迅速凝結(jié)，易于在分離、冷凝及過濾過程中堵塞管路。所以，要求管件不宜過細(xì)，并盡量減少彎管數(shù)量，減小彎管的角度。而且，對(duì)旋風(fēng)分離器、冷凝器及過濾器的設(shè)計(jì)要求較高，否則，容易使炭、灰與冷凝的焦?fàn)钌镉突旌显斐啥氯?。二、流化床生物質(zhì)裂解液化裝置結(jié)構(gòu)流化床生物質(zhì)裂解液化裝置主要由器； 4、收集裝置等。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、供熱裝置4部分組成 : 1、供熱裝置； 2、生物質(zhì)喂入裝置； 3、流化床反應(yīng)7-14。該部分為整個(gè)系統(tǒng)的熱量來源是電爐直接加熱或用油爐及煤爐間接加熱流化氣體。熱。,一般包括流化氣體的供熱和流化床輔助加熱兩部分。供熱方式可以輔助加熱可采

37、用在流化床的管壁外側(cè)纏繞電阻絲加 2、生物質(zhì)喂入裝置生物質(zhì)熱裂解的前提首先是能夠保證熱裂解生物質(zhì)原料連續(xù)、均勻、穩(wěn)定地的輸送到反應(yīng)器中。喂料裝置大多采用螺旋喂料器。生物質(zhì)顆粒粒度較小，屬于粉末狀物料，輸送較困難。螺旋喂料器輸送機(jī)構(gòu)是利用旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片連續(xù)推送物料，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性能好，制造成本低。由于生物質(zhì)顆粒流動(dòng)性較差，顆粒之間容易搭接，進(jìn)料過程中料倉和螺旋進(jìn)料器接口處常形成空隙，使螺旋進(jìn)料器空轉(zhuǎn)而無物料顆粒進(jìn)入反應(yīng)器本體，影響流化床正常工作。因此，在料倉內(nèi)應(yīng)裝設(shè)攪拌器，以防止物料的搭接狀態(tài)產(chǎn)生。實(shí)際操作中為了防止反應(yīng)器內(nèi)的高壓、高溫氣體反竄回料倉，在料倉裝好物料后需要密閉。由于螺旋進(jìn)料器

38、與反應(yīng)器聯(lián)成一體，為防止接口處物料過早地發(fā)生熱裂解反應(yīng)，產(chǎn)生的少量生物油和炭集結(jié)于此阻礙進(jìn)料，在流化床生物質(zhì)喂入口部分應(yīng)焊接冷卻套管，通入循環(huán)水降低該部分的溫度。生物質(zhì)顆粒密度較小，從反應(yīng)器頂部進(jìn)料時(shí)物料與流化床內(nèi)高溫?zé)煔庀嘞蜻\(yùn)動(dòng)，造成進(jìn)料口積炭，影響反應(yīng)器正常工作。因此，應(yīng)使生物質(zhì)粉沿反應(yīng)器筒體垂直的方向進(jìn)入反應(yīng)器。圖 7-14生物質(zhì)熱裂解液化流化床裝置示意圖1布風(fēng)板； 2流化介質(zhì)； 3加熱器件； 4流化床反應(yīng)器； 5旋風(fēng)分離器； 6冷凝器；7集油器； 8集炭箱3、流化床反應(yīng)器反應(yīng)器是生物質(zhì)熱裂解的重要場(chǎng)所，而影響生物質(zhì)的熱裂解程度和熱裂解過程。物油得率的關(guān)鍵。反應(yīng)器主體一般由幾段（反應(yīng)器的

39、尺寸參數(shù)決定了流化氣體和熱裂解氣的滯留時(shí)間，從因此，反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)是生物質(zhì)高效熱裂解、獲得最高生3-4段）耐熱不銹鋼管螺栓連接而成。鋼管外部纏繞電阻絲作為輔助加熱元件，加熱元件外部覆蓋耐高溫的保溫材料。加熱元件一般分為上、中、下三部分，下部加熱元件預(yù)熱惰性載氣，中部和上部加熱元件用于輔助加熱流化床并維持床內(nèi)恒溫。反應(yīng)器底部設(shè)氣體分布板，分布板的開孔率一般為0.5%。4、收集裝置收集裝置由旋風(fēng)分離器、集炭箱、冷凝器和集油器等組成。熱裂解蒸氣離開反應(yīng)器后，先進(jìn)入旋風(fēng)分離器，由于離心作用，固體炭被分離出去。接著，熱裂解蒸氣進(jìn)入冷凝器中，大部分可冷凝熱裂解蒸氣被冷凝成生物油，靠重力流入集油器中。通過

40、冷凝器后，剩余的不可冷凝氣體排出裝置外。三、流化床生物質(zhì)裂解液化工藝流程在床溫加熱到設(shè)定的溫度后，工藝流程可按惰性載氣供應(yīng)、物料喂入、物料反應(yīng)和產(chǎn)物收集四步來進(jìn)行描述：1、惰性載氣供應(yīng)熱載體不能含有氧氣，因此一般采用氮?dú)狻鍤獾榷栊詺怏w作為熱載體。但由于惰性氣體加熱較高，因此增加了運(yùn)行成本。所以也可以通過某種方法除去空氣中的氧氣，利用不含氧氣的空氣作為氣體熱載 體。比如：把空氣經(jīng)過與高溫木炭，木炭燃燒消耗掉空氣中的大部分氧氣，在空氣壓縮機(jī)等提供的壓力作用下，生成的貧氧混合氣體通入反應(yīng)管為熱裂解反應(yīng)提供具有穩(wěn)定壓力的熱載氣。2、物料喂入預(yù)先干燥、粉碎、篩分的生物質(zhì)物料由料倉進(jìn)入螺旋進(jìn)料器。螺旋進(jìn)

41、料器在小型電機(jī)和減速器的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)進(jìn)料，可以通過調(diào)壓器改變輸入電機(jī)的電壓，率。由于載氣的通入，整個(gè)加料系統(tǒng)都需處于密封狀態(tài)。3、物料反應(yīng)從而改變螺旋進(jìn)料器的轉(zhuǎn)速來改變生物質(zhì)進(jìn)料速物料由加料系統(tǒng)加入到流化床的底部。熱傳質(zhì)條件下，生物質(zhì)被快速加熱到反應(yīng)溫度，被立即攜帶出流化床，以抑制二次裂解的發(fā)生。生物質(zhì)與湍動(dòng)的熱砂迅速混合并流化，在流化床內(nèi)良好的傳發(fā)生熱裂解反應(yīng)，生成的混合物在惰性載氣氣流作用下4、產(chǎn)物收集反應(yīng)生成物包含可冷凝氣體、不可冷凝氣體和生物質(zhì)炭。反應(yīng)生成物由旋風(fēng)分離器圓筒上部的進(jìn)氣管沿切向進(jìn)入，受旋風(fēng)分離器器壁約束旋轉(zhuǎn)向下作螺旋式運(yùn)動(dòng)，在慣性離心力的作用下，塵粒被甩向器壁，與器壁碰撞和

42、摩擦而失去動(dòng)能，在重力作用下，沿壁面落至錐底進(jìn)入集炭箱。 分離了炭的氣體流在旋風(fēng)分離器中心軸附近范圍內(nèi)由下而上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，冷導(dǎo)致生物油大量凝結(jié)，為了防止由此造成的管路堵塞，凝器在室溫下冷凝，再通過通有冷卻水的冷凝器冷凝，器收集，不可冷凝熱裂解氣體經(jīng)過過濾，由氣體流量計(jì)顯示流量排噴淋技術(shù)冷卻熱解氣，得到生物油。這種方法提高了液體產(chǎn)物的純度。最后由頂部排氣管排出進(jìn)入冷凝器。由于生成物急從旋風(fēng)分離器導(dǎo)出的熱裂解氣先通過金屬管冷使氣液兩相物質(zhì)經(jīng)冷凝后得以分離，液體由集油出。目前，許多研究者采用生物油四、以等離子體做熱源的流化床熱裂解液化試驗(yàn)裝置流化床熱裂解裝置是對(duì)流態(tài)化技術(shù)的重要應(yīng)用,熱裂解裝置的合理

43、設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)流化床生物質(zhì)熱裂解液化的前提。在生物質(zhì)快速熱裂解的各種工藝中反應(yīng)器的類型及其加熱方式的選擇在很大程度上決定了產(chǎn)物的最終分布。以等離子體作為熱源，同時(shí)提供了惰性流化氣體，加熱速率高，提供熱量穩(wěn)定，可控性好。下面介紹一套以等離子底部加熱，同時(shí)配合電阻絲輔助加熱保溫的生物質(zhì)快速熱裂解液化流化床試驗(yàn)裝置，同時(shí)進(jìn)一步介紹該裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1、流化床的結(jié)構(gòu)圖 7-15是流化床快速熱裂解液化裝置。主要組成部分包括加熱系統(tǒng)、喂料器、反應(yīng)器、氣固分離器、冷凝器、溫度控制與檢測(cè)等主要部分。 圖 7-15流化床生物質(zhì)熱裂解液化實(shí)驗(yàn)裝置（ 1）加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng)由等離子主加熱源和電熱絲輔助加熱源組成。等離子是

44、對(duì)氣體進(jìn)行電離得到的能夠由自由運(yùn)動(dòng)并相互作用的正離子和電子組成的混合物，在實(shí)際的熱等離子體發(fā)生裝置中，陰極和陽極間的電弧放電作用使得流入的工作氣體發(fā)生電離，輸出的等離子體呈噴射狀，調(diào)節(jié)電流可得到 900 1900的 Ar氣流，加熱速率從 100010000/s連續(xù)可調(diào)。高溫的 Ar氣流從反應(yīng)管底部通入，不但提供了熱裂解需要的熱量，而且 Ar又可作為流化氣體，因此無須對(duì)流化氣體進(jìn)行預(yù)熱，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。輔助熱源通過溫控儀的通斷控制保持反應(yīng)管恒溫，電阻絲在反應(yīng)管外螺旋狀纏繞，加熱功率 2000W。圖 7-16二級(jí)生物質(zhì)喂料器1氣力喂料管 2觀察窗 3滾筒喂料輪 4料斗 （ 2）喂料器連續(xù)均勻定量的加入

45、生物質(zhì)粉末是對(duì)喂料器的基本要求。利用螺旋給料機(jī)加入物料，由于在反應(yīng)器物料入口處容易出現(xiàn)局部超溫,致使生物質(zhì)粉末因受熱而擠壓形成致密團(tuán)聚物 ,造成卡塞 ,迫使輸送中斷，這里采用一種滾筒配合氣力輸送的兩級(jí)喂料機(jī)構(gòu)輸送物料，如圖7-16所示。料斗中的生物質(zhì)粉末在調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)的滾筒（滾筒上開有槽）的轉(zhuǎn)動(dòng)下，落入下部空腔，空腔壁有玻璃觀察窗，以觀察下料情況，生物質(zhì)粉末在氣體的作用下被攜帶進(jìn)入喂料管。由于反應(yīng)管溫度很高，為避免喂料管超溫致使生物質(zhì)未進(jìn)入反應(yīng)管前發(fā)生熱裂解，在靠近反應(yīng)管部分對(duì)喂料管采取了套管水冷方式。（ 3）反應(yīng)器圖 7-17反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖1等離子槍 2硅碳管 3布風(fēng)板 4篩網(wǎng) 5水冷喂料管

46、6反應(yīng)管 7熱電偶插孔 8壓差測(cè)量管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7-17所示。由于等離子體焰心溫度高達(dá)上萬度，因此氣體導(dǎo)入管采用耐高310S/0Cr25Ni20/2520不銹鋼管，反應(yīng)管總長(zhǎng)度為 1400mm，內(nèi)徑為 52mm，6個(gè)間隔 60 mm、直徑為 5 mm的小10mm的溫硅碳管。反應(yīng)管的材料是厚度 3mm。外部螺旋狀纏繞電熱絲加熱元件。在反應(yīng)管壁上開有孔，用來安放熱電偶，測(cè)定反應(yīng)管內(nèi)氣流溫度是否均勻一致。同時(shí)，在反應(yīng)管兩端裝有內(nèi)徑壓差測(cè)量管用以聯(lián)接U型壓力計(jì)。(4)氣固分離器 (旋風(fēng)分離器 )生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)物包括熱裂解氣和殘?zhí)繗夤虄上?，根?jù)快速熱裂解機(jī)理，熱裂解氣離開反應(yīng)器后要求快速冷凝液化

47、以得到生物油。因此在冷凝之前要對(duì)熱裂解氣和殘?zhí)窟M(jìn)行分離，以得到較高品質(zhì)的生物油。生物質(zhì)熱裂解后氣固分離通常采用旋風(fēng)分離器，基本結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)氣管、上圓筒、下部的圓錐筒、出氣管等組成。旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易、操作方便、分離效率高等特點(diǎn)，是常用的分離和除塵設(shè)備。（ 5）冷凝器采用兩級(jí)串連的球形玻璃冷凝管，每一級(jí)都接有相同循環(huán)速度和循環(huán)量的冷卻水，熱裂解氣在冷凝過程中的變化能一目了然。冷凝管下端接一個(gè)三口玻璃瓶，的安排和連接方式，以達(dá)到最佳冷凝效果。根據(jù)熱裂解氣冷凝的情況可適當(dāng)調(diào)整冷凝管2、原料及物性實(shí)驗(yàn)用石英砂作為流化介質(zhì)，以Ar作為流化氣體進(jìn)行玉米秸稈粉末的熱裂解試驗(yàn)。它們的物性參 數(shù)見

48、表 7-3。表 7-3實(shí)驗(yàn)材料的物性參數(shù)物料粒徑石英砂玉米秸稈粉末Ar（527）44.35 10 N s/ m260.20.45mm0.15mm0.45mmg6 27210 m /s。平均粒徑 d s0.3845mm0.336mmg31.266x10 Kg/m 3 174.4Kg/m 30.63 Kg/m 3密度s3、流動(dòng)特性的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)為了確定最小流化速度和操作流化速度等參數(shù)，用有機(jī)玻璃設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)尺寸為1:1的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置，觀察不同Ar氣流量時(shí)石英砂的流動(dòng)情況，為熱態(tài)試驗(yàn)熱載氣流量的確定提供實(shí)踐指導(dǎo)。冷態(tài)實(shí)驗(yàn)原理圖見圖7-18。圖 7-18冷態(tài)實(shí)驗(yàn)原理圖取管內(nèi)高度 40mm石英砂 ,按 1

49、:1體積比將玉米秸稈粉末與石英砂充分混合后加入到透明有機(jī)玻璃管內(nèi)。開啟 Ar氣閥，調(diào)節(jié)流量計(jì)，并根據(jù)氣體狀態(tài)方程以及流化床幾何尺寸換算成流速，使Ar流量從小到大變化，觀察管內(nèi)石英砂和玉米秸稈粉末流動(dòng)狀態(tài)的變化并記錄氬氣流量、壓降和床層高度變化。床層壓差、高度和狀態(tài)隨Ar流速變化見表 7-4。表 7-4床層狀態(tài)隨氣體流量變化表Ar流速u/ms-100.30.3床層壓差床層高度床層狀態(tài)p/ mmH2Oh/mm0303040固定床，床層上浮不大，上層面中間開始出現(xiàn)大氣泡，氣泡最高處達(dá)玉米秸稈粉末開始緩慢溢出。70mm，434452530.420.583838床層波動(dòng)較大，出現(xiàn)較多氣泡，氣泡變小，分布

50、趨于均勻，最高處0.680.790.8939達(dá)到 100mm，玉米秸稈粉末基本吹出。393940556085床層上端氣泡越來越多，分布越來越均勻，最高處達(dá)到米秸稈粉末很快溢出。140mm，玉1.051.240401251801.361.57氣泡分布消失，上端床面趨于水平，床層高度達(dá)到150mm40200從表 7-4可以看出，最小流化速度應(yīng)在0.4m/s左右，與根據(jù)理論計(jì)算的數(shù)據(jù)基本相符；當(dāng)氣體流 速為 0.79-1.57m/s，流化效果較好，實(shí)驗(yàn)中選擇的操作流化速度為4、等離子槍頭氬氣流量控制0.89m/s。利用圖 7-15熱裂解裝置，做熱態(tài)實(shí)驗(yàn)。液化溫度實(shí)驗(yàn)范圍為600K-850K。要保證床

51、內(nèi)操作流化速3度為 0.89/s，需通過調(diào)節(jié) Ar氣表頭的流量來控制，等離子體表頭流量可以在1-3m /h之間連續(xù)可調(diào)。因?yàn)闅怏w的體積隨溫度的變化而變化，因此氣體流量也隨溫度而變化，而反應(yīng)管橫截面積一定，從而導(dǎo)致氣體速度 u是隨流量 Q變化的。利用等壓理想氣體方程流量與溫度的關(guān)系是：2T Q2 3600 T11d uQ1（1）T24T233/h；T :床內(nèi)氣體溫度， K；Q1/h；TQ2：室溫時(shí)氬氣表頭流量， m:室溫， K；：床內(nèi)氣體流量， m123du/s。由式 (1)可以計(jì)算出實(shí)驗(yàn)溫度 T下的等離子槍操作流量Q。1：反應(yīng)管直徑， m。 :操作流化速度， m2計(jì)算的表頭流量見表7-5。表 7-5玉米秸稈液化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)熱裂解溫度表頭流量喂料速率液體產(chǎn)率3Q/mh-1kgh -1T/%4374372.952.950.60.728.