（机械设计及理论专业论文）xbca型斜板槽式闪速裂解装置设计与实验研究.pdf

摘要 能源在当今世界中具有重大的战略意义，它不仅是人类赖以生存和发展的基础，也 是制约国民经济发展的重要因素；由于地球上可利用的石油资源在日益耗竭，许多国家 纷纷开始寻找石油的替代品。生物质能作为可转化为液体燃料的可再生资源，且其储量 巨大，它仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源总量的第四位，所以，生物质直接 液化制取燃油将成为本世纪最有发展潜力的技术之一。 本文是以国家“8 6 3 ( 2 0 0 1 a a 5 1 4 0 6 0 ) ”和“9 4 8 ( 2 0 0 1 2 8 ) ”科研项目为基础，在省攻 关项目“年产2 0 0 0 吨生物燃油闪速裂解制油新装置( c _ k ：0 5 a 3 1 1 ) ”的支持下，全面、系 统地收集、查阅了国内外有关生物质裂解液化技术研究的文献资料，并对其进行了对 比、分析和综合；并结合本中心先前的研究成果和经验，设计了斜板槽式( x b c - a ) 生物 质裂解液化装置，本装置主要由主反应器、热载体加热炉、热载体输送系统、供水系 统、冷凝系统、制气供气系统、预处理系统和收集系统组成。本文重点阐述了主反应器 的设计过程和计算方法，对反应器的处理能力、裂解所须的热量，裂解蒸汽的产生量、 反应器出口面积、混合物的初速度及保温层分别进行了计算和说明。以竹子为例，做了 生物质裂解实验，得到了裂解动力学方程，对生物质粉和热载体混合物的滑动摩擦角和 堆密度进行了实验研究，得出了最佳参数。此外，论文还对x b c - a 裂解装置中的收集 箱、旋风分离器和v s f 进料机构进行了设计计算。最后进行了简化小型样机的实验， 并对整套装置进行了分析评价。 本论文所研制的斜板槽式生物质裂解液化装置是利用重力使生物质与热载体在下降 过程中混合而发生裂解反应，不需要外部动力，可以节省大量能源；设备空间紧凑，易 组合成大型集成装置，形成规模化生产，而且结构相对简单，制造维护比较容易，减少 了装置的成本。本文提出了斜板槽式裂解液化设备，并给出设计理论和计算方法，为开 发制造大型生物质裂解液化装置提供了理论基础和参考。 关键词斜板槽；生物质；闪速裂解；生物燃油 东北林业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee n e r g yh a st h es i 嘶丘c 锄ts t r a t e g i cs e n s ei nt h ew o r l d ，i ti sn o to n l yt h ed e v e l o p m e n t f o u n d a t i o no fh u m a n , b u ta l s ot h ei m p o r t a n ta t t r i b u t ew h i c hr e s t r i c t st h en a t i o n a le c o n o m y d e v e l o p m e n t ：b u tt h eu s i n go i lr e s o u r c eo nt h ee a r t hi sr e d u c ed a yb yd a y , t h e r e f o r e ，m a n y c o u n t r i e ss t a r tt os e e kt h es u b s t i t u t eo fp e t r o l e u m 1 1 虻b i n m a a se n e r g yw h i c ht r a n s f o r ma st h e l i q u i df u e li sh u g c ，i ti st h ef o u r t ho n eo fw o r l de n e r g yt o t a lq u a n t i t yw h i c ho n l yi n f e r i o rt ot h e c o a l , t h ep e t r o l e u ma n dt h en a t u r a lg a s ，t h e r e f o r e , t h et e c h n o l o g yo fb i o m a s s - p y r o l y s i st ol i q u i d f u e lw i l lb e x ：o m eo n eo ft h em o s tp o t e n t i a lt e c h n i c a l t h i sa r t i c l et a k e st h es c i e n t i f i cr e s e a r c ho f “8 6 3 ( 2 0 0 1 a a 5 1 4 0 6 0 ) a n d “9 4 8 ( 2 0 0 6 2 8 ) a s af o u n d a t i o n u n d e rt h es u p p o r to fp r o v i n c ea t t a c kp m j e c t t h en f wf l a s h - p y r o l y s i su n i to f y e a r l yp 删h c e s2 0 0 0t o n sb i o - o i l ( g c 0 5 a 3 1 1 ) ，w ec o l l e c t e dd m ym a t e r i a la b o u tt h e b i o m a s s - p y r o l y s i si nd o m e s t i ca n df o r e i g n a n dw eh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i sa n ds y n t h e s i st o i t u n i f i e dt h er e s e a r c hr e s u l t sa n de x p e r i e n c eo fo u rc e n t e r , ih a sd e s i g n e dt h ex b c - i n s t a l l m e n tf o rb i o m a s s - p y r o l y s i s t h ei n s t a l l m e n ti sc o n s t i t u t e db yr e a c t o r , t h eh e a t - c a r w i n g a g e n th e a t i n gf m n a c e ，t h eh e a t - c a r r y i n ga g e n te x p u l s i o ns y s t e m , t h ew a t e rs u p p l ys y s t e m ，t h e c o n d e n s e rs y s t e m , t h eg a s - s o p p l ys y s t e m ，t h ep r e t r e a t m e n ts y s t e ma n dt h eg a t h e r i n gs y s t e m t h em a k i n ga n dm a i n t a i n i n go ft h ei n s t a l l si se a s i e r t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e sw i t ht h ed e s i g n p r o c e s sa n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o do ft h er e a c t o r ig a v et h ec o m p u t a t i o na n de x p l a n a t i o nf o r t h eh a n d l i n ga b i l i t yo fr e a c t o r , t h eh e a to fp y r o l y s i s ，t h eq u a n t i t yo f p y r o l y s i s - s t e a m ，t h ea r e ao f r e a c t o r se x p o r t a t i o n , t h ei n i t i a lv e l o c i t yo fm i x t u r ea n dt h eh e a ti n s u l a t i n gl a y e r t a k et h e b a m b o oa sae x a m p l e ，w eh a sd o n et h ee x p e r i m e n to fp y r o l y s i s w eo b t a i n e dt h ed y n a m i c e q u a t i o n w eh a sd o n et h ee x p a h l l e n to ft h ea n g l eo ff r i c t i o na n dd e n s i t yt ot h em i a t u r e w e h a so b t a i n e dt h eb e s tp a r a m e t e r i na d d i t i o n , t h ep a p e ra l s og i v e st h ed e s i g nc a l c u l a t i o no ft h e c o l l e c t i o nb o x 。t h ec y c l o n es e p a r a t o ra n dt h ev s f f e e d i n gi nt h ex b 队f i n a l l y , w eh a s c a r r i e do ne x p e r i m e n to ft h es m a l lp r o t o t y p ea n dh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h ee n t i r e e q u i p m e n t t h eb i o m a s sa n dh e a t - c a r r y i n gr e a c t si nt h ex b c - u n i tb yu s i n gg r a v i t y , d o e sn o tn e e d e x t e r i o rp o w e r i tc a ns a v em a s s i v ee n e r g y s t h es p a c eo ft h ee q u i p m e n ti sc o m p a c t ，i ti se a s i e r t og r o u pl a r g ei n s t a l l m e n t t h es t r u c t u r eo ft h ei n s t a l l m e n ti ss i m p l e ，s ot h em a n u f a c t u r ea n d m a i n t e n a n c ei se a s y i tc a nr e d u c et h ec o s to ft h ei n s t a l l m e n t t h i sp a p e rs t a t e sx b c - a n i tf o r f l a s h p y r o l y s i s , a n dg i v e st h ed e s i g nt h e o r ya n dt h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d i tm a yp r o v i d e r a t i o n a l ea n dr e f e r e n c e o r d e rt od e v e l o pl a r g ef l a s h - p y r o l y s i su n i t k e y w o r d ss l o p i n gp l a t et r o u g h ；b i o m a s s ；f l a s hp y r o l y s i s ；b i o - o f l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塞韭盎些盘茎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：寅i 丝锋签字日期：司年点j - g - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞韭盎些盘茔有关保留、使用学位论文的规 己，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权盔韭盎些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：吞l 世锋 签字日期：7 司年g 月砸日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名三二主垂g 一 签字日翘多冶岁年g 月m ，日 电话： 邮编： 1 绪论 1 1 问题的提出和研究的意义 1 绪论 1 1 1 问题的提出 我国人均石油资源是十分贫乏的，仅为世界平均水平的1 1 0 左右，据海关统计， 1 9 9 3 年我国进口原油1 5 6 5 万吨，开始成为原油净进口国。2 0 0 5 年进口原油1 4 亿吨， 2 6 年进口达1 4 5 亿吨，创历史新高；预计到2 0 2 0 年，我国的g d p 可能达到近5 万 亿美元，能源需求迸一步加大，其中石油缺口约为2 5 2 7 亿吨。到2 0 5 0 年，我国一 次能源的实际需求量保守估计将超过1 0 0 亿吨标准煤，而届时一次能源的供应能力仅约 为3 0 亿3 5 亿吨标准煤( 其中煤炭约占6 0 ) ，相差6 5 亿7 0 亿吨标准煤，这是仅靠 传统能源产业根本无法解决的。 矿物能源( 包括石油) 消费过程中不断放出大量的废气，造成大气中c 0 2 的含量不 断增高，而c 0 2 是造成温室效应的主要原因。在全球燃用石化燃料排放的c 0 2 中，约 4 5 来自石油能源的消费，基本与煤炭持平。我国是世界上环境污染比较严重的国家之 一，根据监测结果表明，2 0 0 0 年我国s 0 2 、烟尘捧放总量分别为1 9 9 5 万吨和1 1 6 5 万 吨，排放总量位于世界前列，主要来自矿物能源的使用。而每年由于s 0 2 和酸雨造成的 经济损失约占g d p 的2 左右。 我国作为农业大国生物质能资源丰富，在发展生物质能方面有着巨大的潜力。据有 关专家和部门估计，扣除现有各种利用，我国每年尚有4 亿多吨各种农业秸杆、谷物壳 皮和1 3 1 5 亿吨的林业树皮、锯末、枝丫等生物质资源由于没有先进、高效的利用技 术而被废弃。这些得不到及时处理的废弃物，既造成环境污染，又增加火灾隐患，若对 其焚烧处理，还加剧大气污染，甚至影响航空、交通安全。同时，也不能成为服务于国 家经济建设和提高人民生活水平的财富【l 】 1 1 2 研究的意义 生物质裂解液化制取燃油技术的开发与应用可将大量的低值农林废弃资源加工成高 价值的能源商品，即可大大缓解我国常规能源的短缺问题，又可增加农民的经济收入。 此外，可充分利用荒地、盐碱地等闲置土地进行能源作物的大量种植，既可改良土壤， 保持水土，又可促进农村产业结构的调整。如果建立生物质裂解液化工厂，每年可以提 供大量的就业机会，可大大缓解农村剩余劳动力和城镇待业人员的就业问题，这对我国 的就业工作及维护社会稳定来说，是一个非常好的解决方案。 生物燃油本身的含硫量非常低，其碳的循环也是动态的，即每2 年即可完成的 “c 0 2 + 光合一生物质一生物燃油一燃烧一c 0 2 + 光合一生物质”的c 0 2 短周期生 消循环的闭合链，理论上可实现c 0 2 的“零”排放1 2 】。因此，生物燃油是一种绿色、环 东北林业丈学硕学位论文 保型新能源，它的使用可以大大减少污染物的排放量，对环境保护和生态平衡具有重要 作用。 此外，生物质裂解液化制取燃油技术的推广将带来巨大的经济效益，详见5 - 3 节。 综上所述，石油短缺已经是一个不可忽视的问题，它已经从多方面危机人类的生存 和发展。发达国家都在积极寻找石油的替代品，而我国是一个人口大国，又是一个经济 迅速发展的国家，2 1 世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此，改变能源生 产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源对建立可持续的能源系统，落实 科学发展观，促进国民经济发展和环境保护等各方面都具有重大意义。 1 2 国内外生物质裂解液化技术的研究概况 1 2 1 国内的研究进展 与欧美一些国家相比，亚洲及我国对生物质快速裂解的研究起步较晚，但是发展速 度很快。近几年，国内一些高等院校和科研院所在生物质裂解等方面做了大量实验研 究，取得了一定的成果。 2 0 世纪9 0 年代中期，沈阳农业大学进口了荷兰研制的转锥式裂解液化实验装置， 浙江大学热能工程研究所近年来也开展了生物质裂解液化技术的基础研究，并研制了小 型生物质流化床闪速裂解制油试验装置。东北林业大学生物质能技术工程中心设计了三 锥式裂解液化装置，这项研究得到了国家“8 6 3 项目”和“9 4 8 项目”的支持，目前正 在此基础上开展深层的研究。 此外，广州能源研究所、河南农业大学、山东能源研究所等也在这方面开展了一些 相关研究。 1 2 2 国外的研究进展 国外在生物质裂解方面作了大量工作，特别是欧、美等发达国家，在进行全面理论 研究的基础上，已建立了相应的实验装置。由于实验装置具有裂解工艺过程简单、投资 低、液体产物收率高、产品可以储存等优点，北美和欧洲一些国家纷纷加快了研究进 度，并研制出了多种快速裂解反应器，有的已经达到商业化阶段。 1 9 8 0 年美国佐治亚工学院开始开发引流床反应器，直到1 9 8 9 年左右，这个反应器 才成功运行，但从没有扩大生产规模；1 9 8 1 年c h r i s t i a nr o y 博士和他的研究小组在d c s h e r b r o o k e 大学进行真空移动床的工艺研究，后来在加拿大的l a v a l 大学进行了深入研 究，1 9 9 6 年被p y r o v a c 国际公司投入商业化运行，2 0 0 0 年在加拿大的j o n q u i e r e 建立了 处理能力为3 5 油的示范工厂；1 9 8 4 年美国太阳能研究所开发了漩涡烧蚀反应器，后来 英国阿斯顿大学又做了进一步的研究，其处理能力为3 k g h ；1 9 8 9 年荷兰乔特大学及 b t g 集团于开始研制闪速旋转锥，它是v a ns w a a i j 和wp r i n s 等人提出来的，到1 9 9 5 年取得初步成功；加拿大滑铁卢大学在2 0 世纪8 0 年代开始开发流化床热解液化技术， 目前，加拿大达茂公司的流化床设备最大日处理能力2 0 0 吨，美国一些工厂使用它生产 1 绪论 食物调味料和相关的产品，生产量达到1 2 垤。 1 2 3 典型裂解反应器的研发概况 目前，各国对生物质裂解液化技术都比较重视，也设计出许多性能优良的反应器， 目前较流行的主要有五种，即：转锥式反应器、流化床反应器、烧蚀反应器、真空移动 床反应器和引流床反应器，以下分别作以介绍。 1 - 2 3 1 转锥式反应器 转锥式反应器工作原理见图1 - 1 ，生物质颗粒与过量的惰性载热体一道喂入转锥式 反应器的底部，当生物质颗粒和热载体构成的混合物沿着炽热的锥壁螺旋向上传送时， 生物质与热载体充分混合并快速热解，热解后产生的裂解蒸气经冷凝后得到生物燃油。 其特点是升温速率高，固相滞留期短，整个反应过程不需要载气，从而减少了装置体积 和成本，但整套装置运行与维护较复杂。 1 2 3 2 流化床反应磊 流化床反应器的工作原理见图1 2 ，风干的生物质粉碎后筛分出小于5 9 5 u m 的颗 粒，生物质颗粒被循环的产物气体吹扫并被输送进反应器，利用反应器底部的常规沸腾 床内物料燃烧获得的热量加热砂子，加热的砂子随着高温燃烧的气体向上进入反应器与 生物质混合，生物质获得热量后发生裂解反应，裂解蒸气被导入冷凝器中进行冷凝，得 到生物燃油。其特点是设备小巧，气相停留时间很短，可以防止裂解蒸气的二次裂解， 但要求原料颗粒尺寸较小。 图1 - 1 转锥式反应器工艺流程图1 - 2 流化床反应器工艺流程 1 2 3 3 烧蚀反应器 烧蚀反应器的工作原理见图1 3 ，利用筒状加热器把圆筒形壁面加热到7 0 0 ( 2 左 右，生物质颗粒高速进入后在圆壁面上沿螺旋线滑行，颗粒与壁面间的滑动接触产生了 极大的传热速率，生物质获得热量后发生裂解反应，裂解气经冷凝后得到生物燃油。其 特点是相对于其它的系统，可以用粒径为2 m m 6 3 5 r a m 的大颗粒生物质作为原料，但 生物燃油中氧的含量比较高，而且工艺实现起来比较困难。 1 2 3 4 真空移动床反应器 东北林业大学硕士学位论文 真空移动床的工作原理见图1 - 5 ，物料干燥和破碎后进入反应器，物料送到两个水 平的金属板，金属板被混合的熔盐加热且温度控制在5 3 0 1 2 左右，熔盐是通过一个靠在 裂解反应中产生的不可冷凝气体燃烧提供热源的炉子来加热，生物质在反应器中被加热 发生裂解反应，所产生的裂解蒸气直接输入到两个冷凝系统，得到生物燃油。其特点是 裂解蒸气停留时间很短，大大减少了二次裂解，但反应器的真空度需要性能良好的真空 泵以及很好的密封性来保证，这就加大了制造成本和运行难度。 生物质 油 空气 炳烷 图1 3 漩涡烧蚀反应器工艺流程图1 4 引流床反应器工艺流程 1 2 3 5 引流床反应器 引流床反应器的工作原理见图1 - 4 ，以丙烷和空气按照化学计量比引入反应管下部 的燃烧区，高温燃烧气进入反应器，将生物质快速加热分解，当进料量为1 5 k g h ，反应 温度7 4 5 1 2 时，可得到5 8 的液体产物。反应过程中需要大量高温燃烧气，并产生大量 低热值的不凝气，这一缺点限制了它的使用。 4不可冷凝气体 熔盐 图1 - 5 真空移动床反应器工艺流程 结合以上五种反应器的特点，给出其特性评价【3 叫，见表1 1 。 1 绪论 表1 - 1 五种闪速裂解反应器的特性评价 1 3 本论文的研究内容和目标 1 3 1 研究内容 本课题研究的主要内容是： ( 1 ) 广泛搜集国内外相关文献资料，进行学习和分析，总结锥式生物质裂解液化装 置的设计经验和实验数据，找到优化设计方案； ( 2 ) 对生物质粉、热载体及其混合物的滑动摩擦角和堆密度进行实验分析； ( 3 ) 对斜板槽式反应器进行设计，包括生物质粉和热载体混合物在反应器内的运动 模型和方程的建立、倾斜角度的确定、反应器处理能力计算、裂解所须热量计算、裂解 蒸气产量计算、反应器出口面积计算、混合物的初速度及保温层计算； ( 4 ) 对旋风分离器进行设计计算； ( 5 ) 对收集箱进行设计计算 ( 6 ) 对进料机构进行设计计算； ( 7 ) 利用简化小型反应器进行实验，收集相关数据。 ( g ) 对斜板槽式裂解装置进行分析评价，找到不足之处并加以改进； ( 9 ) 给出全部设计图纸。 1 3 2 研究目标 本论文的目标是在转锥式生物质裂解液化装置研究经验的基础上，通过学习、研 究，提出一套斜板槽式裂解液化设备，并给出设计理论、具体的工艺流程、技术路线、 计算方法和详细图纸；为开发制造大型生物质裂解液化装置提供理论基础和参考，也为 省攻关项目“年产2 0 0 0 吨生物燃油闪速裂解制油新装置”的顺利进行提供设计依据和 实验基础。 2x b c - a 斜板槽式闪速裂解装置的基础研究 2 1 生物质裂解实验 生物质裂解动力学是表征生物质在裂解反应过程中温度、时间等过程参数对原料转 化率影响的一个重要工具，通过动力学分析可深入了解反应过程和机理，预测反应速率 及反应的难易程度，为生物质热化学转化工艺的研究开发提供重要的基础数据。本论文 以竹子的裂解实验为例，对其裂解过程进行了详细分析，并建立了裂解动力学方程 6 1 。 2 1 1 实验过程 2 1 1 1 实验原料 本实验选用的物料是竹子，产地是浙江杭州市，实验样品制备方法如下：首先，对 原料进行必要的洗涤并在阳光下晾晒以除去可能的杂质、灰尘，然后将其切成小于 l c m 3 的尺度送入1 0 1 1 a s 型电热鼓风干燥箱烘干，干燥箱温度设定为1 1 0 + 5 ，连续干 燥1 2 个小时以上，然后再用f z l 0 2 型植物粉碎机进行二次粉碎。粉碎后用6 0 目的标准 筛将其筛分，选取直径粒度在0 2 m m 0 5 m m 之间的物料，然后分别装入瓷坩埚内，再 送入电热鼓风干燥箱内连续烘干1 2 个小时以上，取出后立即放入密封容器中以备实 验。 从组成成份看，生物质主要由纤维素、半纤维素、木质素以及灰分等成分组成，其 主要组成元素为c 、h 、o 、n 等。我们采用美国p e - 2 4 0 0 c h n 型元素分析仪测定竹子 的c 、h 、n 含量，采用国产w g r 1 型微电脑热量测定仪测定竹子的发热量，见表2 - 1 。对这些数据进行分析处理，我们得到了以c 含量为自变量的生物质发热量预测经验 公式： q c - 3 2 1 1 2 7 c + 3 5 9 1 9 6 ( 2 - 1 ) 式中：q 厂用含碳量( ) 计算的发热量( d ；。 c 生物质的碳含量( w t 嘞。 表2 1 竹子的元素分析与发热量 生塑堕耋型壁重垄垫量! 丝! 璺! 鱼!望! 丝! 丛! 垒! 竹子0 8 2 5 9 1 8 8 6 4 14 7 8 56 4 0 1 3 1 2 1 1 2 实验仪器和实验条件 实验采用的是综合热分析仪，可以获得试样的d t a 、t g 、d t g 和d s c 曲线，见 图2 - 1 ，仪器的有关技术性能见表2 2 所示。 表2 - 2 实验仪器 堡墨鱼签型量尘兰 窒堑里 综合热分析仪z r y - 1 p 上海精密科学仪器有限公司1 0 u g 实验时，先将热分析仪电源打开预热2 0 分钟，并通入高纯n 2 ，保护气流量为6 0 2x b c - a 斜板槽式闪速裂解装置的基础研究 m l m i n ，然后把竹子粉和参比物( a 1 2 0 3 ) 分别装入两个坩埚内，将坩埚置于加热炉 中。调整好仪器后，启动热分析仪的电炉电源对样品进行加热，升温速率分别控制在l o 0 m i n 和2 0 0 m i n ，终温控制在6 0 0 。在实验过程中，计算机通过采样程序记录各种 实验数据，并用其自带的分析软件进行数据处理。试验完成后继续通入n 2 ，直到样品 冷却。每次实验均在相同条件下做基线，然后在基线的基础上进行分析，以此来减小实 验误差。 图2 - 1z r y - 1 p 综合热分析仪 2 1 2 实验结果与分析 2 1 2 - 1 实验结果分析 实验所获得的t g 曲线和d t g 曲线见图2 - 2 与2 3 ，下面以粒径为0 5 0 8 m m 、升 温速率为1 0 0 m i n 的竹子裂解为例，对实验测得的记录曲线( 图2 - 2 ) 进行分析。 i i l g 2 轴 位l 撕蜘m o 捌棚4 1 55 1 p 嘲 t ， 。 臻 童 - 3 善 5 彳 置 f 暑 兰 图2 - 2 实验曲线( 中= 1 0 r a i n ) 图2 - 3 实验曲线( 中= 2 0 r a i n ) 从图2 2 中的t g 曲线可以看出，竹子类生物质裂解过程可分为三个明显区域： 第一区是t g 曲线上由起始位置到m i 的部分，温度由环境温度到起始温度t i ，在该 区主要发生原料失水反应。实际上该区又可分为两个阶段：第一阶段从室温到9 5 1 0 0 0 ，是原料游离水的蒸发；该段的失重量可被用来测定试样的含水量。第二阶段从 1 0 0 到t i ，在t g 曲线上是一段几乎水平的直线，该温度点可通过d t g 曲线上的初始 变化点对应的温度来确定；在第二段发生微量失重，认为是原料中挥发性物质的蒸发， 东北林业大学硕 学位论文 或者是去除原料结合水的结果。 第二区以原料发生分解反应为特征。温度由t i 到t f ，t f 由d t g 曲线上失重速率急 剧变慢点所对应的温度来确定。t g 曲线上对应t f 为m f 。该区的t g 曲线几乎是一端直 线，每点的切线斜率即为该点的失重速率。由d t g 曲线峰值点可以确定出所对应的峰 值温度t p 和t g 曲线上的n l p 。 第三区是温度高于t f 的部分，试样发生很缓慢的分解且失重非常小。据有关文献推 测该区发生了g c 键的裂化反应，并产生了炭和灰。而本研究是在高纯度惰性气体保护 下进行的。因此，认为实验结束时剩余物是炭，当停止通入惰性气体后，炽热的炭遇空 气迅速燃烧，坩埚内最后取出的是灰份。 2 1 2 2 裂解反应动力学模型的建立 我们希望所建的生物质裂解反应动力学模型应简单化，由于实验是在流动性气氛条 件下进行的，裂解过程中所产生的挥发性物质被流动性惰性气体及时带走，因而，建模 研究可以忽略气态产物的二次反应。作者认为表示化学反应速率与温度关系的a r r h e n i u s 方程可用于热裂解反应，根据a r r h e n i u s 公式，反应速率可表示为【7 l ： 一譬k ，( 2 - 2 ) k a - e 7 ” ( 2 - 3 ) 式中： o a r r 由c n i 璐速率常数； k 活化能( k j t 0 0 1 ) ： a 频率因子( 1 ，s ) ； r _ 气体常数，r = 8 3 1 4 ( j m o l k ) 弘挠对温度( k ) 。 式( 2 2 冲的口由于建模形式不同，可表示为试样在某时刻的余重、转化率、分解百 分数或余重份数等。因此，函数， ) 的形式也不同，且取决于假定的反应机理和反应 类型。一般假设函数，位) 与时间t ( 或温度t ) 无关，而只与口有关。对于简化模式的 函数形式，( a 1 为： ，)-口“(24) 式中n 为反应级数，联立( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 式可得： 一d a a e - e m r 口。( 2 - 5 ) 疵 由于本实验研究的目的是建立t g 曲线上t j t f 段的动力学方程， 因此，本研究 将( 2 4 ) 式中的口定义为试样在1 g 曲线上第二阶段的挥发物余重份数，并用c 表示，于 是有： 一丝。a e - r ”c 一( 2 6 ) 出 式( 2 6 ) l i p 为所建立的生物质裂解动力学方程式。 2x b c - a 斜板槽式闲速裂解装置的基础研究 2 1 2 3 动力学模型参数的求解 首先假设( 2 - 6 ) 式中的n = l ，这样，生物质的裂解即可用一个一级反应动力学方程来 描述，即 一d c 。a e - e | ”c ( 2 - 7 ) 将( 2 - 3 ) 式代入( 2 忉式中，可导出 d _ c k c( 2 8 ) 对( 2 - 8 ) 式两边积分有 一lnc-厨(2-9) 将( 2 3 ) 式两端取对数得 ink-ina-ert(2-lo) 利用( 2 9 ) 式算出每个c 值点对应的k 值后，再利用一元线性回归分析求出l n k - 1 r 凰( 即a t t h c n i u s 图) 的斜率和截距，进而求出e 和a 将动力学参数代入一级动力学 方程( 2 - 7 ) 式中，对竹子类生物质裂解动力学过程进行预测，可以得到以下方程： 一鲁9 1 x 1 0 5 c 叫一塑r t ) 出 。ij 2 2 堆密度实验 2 2 1 实验物料 本实验所用的生物质原料为秸秆粉。首先，对秸秆进行必要的洗涤并在阳光下晾晒 以除去可能的杂质、灰尘，然后将其切制成小于l c m 3 的尺度送入1 0 1 1 a s 型电热鼓风 干燥箱烘干，干燥箱温度设定为1 1 0 5 ，然后再用f z l 0 2 型植物粉碎机进行二次粉 碎。粉碎后用标准筛将其筛分，选取直径粒度在2 r a m 以下的作为实验物料。 2 2 2 实验过程与结果 根据相关文献的评诉及先前经验，在生物质裂解液化过程中，一般在喂入时热载体 颗粒和生物质粉的质量比为8 ：1 1 0 ：1 ，随着裂解的进行，生物质量越来越少，裂解结 束时生物质粉的质量约占喂入时的3 0 4 0 9 1 。为了得到混合物密度与热载体和生物 质粉质量比的关系，本实验主要测定二者质量比在1 ：3 0 3 0 ：1 之间的混合物堆密度。 堆密度的计算公式为： 混合物堆密度望全望查皇堡童堡! 堡全竺堕壅丝查壅 z 其中，含气堆密度的测量方法是：选择一容器，通过其中己知物料的净重和该物料 单位体积的重量，计算出该容器的系数，将样品装入该容器，然后称出其净重，乘以容 器的系数即等于该物料的含气堆密度。填充堆密度的测量方法和上述类似，只是将过量 的物料装入容器后再振荡2 4 分钟，然后去除多余的物料，称其净重l l o , n l ，测量结果 见表2 - 3 所示。 表2 - 3 不同质量比混合物的堆密度 2 2 3 实验分析 图2 4 给出了混合物平均堆密度与热载体一生物质粉质量比的关系，从图中可以看 出，曲线大致可以分为三个部分。 。1 1 霎o 适o 錾o 莘0 oo 0 5o 2 1591 31 72 5 热载体生物质粉( 质量比) 图2 - 4 混合物平均堆密度与质量比的关系 当热载体与生物质粉质量比小于1 ：3 时，混合物平均堆密度无明显的变化，趋近于 纯生物质粉的密度；当二者质量比在1 ：3 1 0 ：1 之间时，混合物平均堆密度变化特别明 显，随着热载体质量份数的增加而增大，并成一定的线性关系；当二者质量比大于1 0 ：1 时，混合物平均堆密度又趋于稳定，没有较大的变化，接近于纯热载体的密度。分析表 明：当热载体与生物质粉质量比达到一定值时，混合物的堆密度比纯热载体堆密度大一 点，这是因为热载体颗粒的空隙可由细小生物质粉填充；而生物质粉的可压缩性很大， 2 x i 虻- a 斜板槽式阗速裂解装置的基础研究 和密度比它大的热载体颗粒混合后被大大压缩，这也是混合物密度大于纯生物质粉的原 因之一。 2 3 滑动摩擦角实验 2 3 1 实验物料与设备 本实验所采用的物料与堆密度实验相同，热载体颗粒 和生物质粉的质量比为1 ：3 0 3 0 ：1 ，由于用普通方法测量 的壁面摩擦系数在颗粒流计算中难以应用，在此实验中， 将混合物置于截面为矩形的钒制斜板槽中，用混合物主体 开始运动时斜扳槽倾斜角的正切值来表征混合物的滑动摩 擦系数。为了准确测定混合物的滑动摩擦系数，我们设计 和制作了凰2 - 5 的实验仪器，图中1 为斜板槽，2 为角度 尺 图2 - 5 滑动摩擦角测量装置简目 2 3 - 2 实验过程与结果 滑动摩擦角的测定方法如下：将热载体与生物质粉不同质量比的混合物置于水平放 置的斜板槽中，将斜板槽一端固定在角度尺的圆心处，另一端缓慢抬起，观察混合物的 状态。当混合物主体开始运动时( 物料中有很多细微的生物质粉，由于静电或粘结作用 吸附在斜板槽中) ，记下此时滑道倾斜的角度，即为滑动摩擦角删，实验结果见表2 4 表2 4 不同质量比混合物的滑动摩擦角 2 3 3 实验分析 实验结果见图2 - 6 ，从图中可以看出，当熟载体与生物质粉的质量比小于1 时，实 验曲线几乎成水平走向，说明混合物的滑动摩擦角基本相同，接近于纯生物质粉的滑动 摩擦角，约为3 8 4 ；当二者质量比在1 3 0 之间时，曲线成线性变化，说明随着热载体 质量份数的增加，混合物的滑动摩擦角也随之变小；但线性关系不好，原因一是由于混 合物沿斜道运动时有些颗粒滚动，有些滑动；原因二是测量时存在着人为的误差。当二 者质量比大于3 0 ：1 时，线条又恢复到水平走向，说明随着热载体质量份数的继续增 加，混合物的滑动摩擦角变化很小，趋于稳定，接近于纯热载体的滑动角，约为2 6 。 一 。 搬 氅 避 擦 密 o0 0 50 21591 31 72 03 0 热载体生物质粉( 质量比) 图2 - 6 混合物滑动摩擦角与质量比的关系 为了更准确的了解其中的规律，我们给出了不同质量比情况下的各种系数，并绘制 了系数之间的关系图，见图2 - 7 所示。纵坐标是滑动摩擦系数，横坐标是热载体理论体 积系数，其定义为： 脚 工j l m b 笠 p bp f 其中：争一热载体理论体积系数； m ，熟载体颗粒的质量； 生物质粉的质量o 国； 仃纯热载体颗粒的堆积密度( k g m 3 ) ； 以纯生物质粉的堆积密度( k g m 3 ) 。 籁 髅 糍 髓 需 艇 霹 d 赆 ( 2 - 1 2 ) 0 10 2 2o 3 4 0 4 60 5 80 7 热载体理论体积系数 图2 - 7 滑动摩擦系数与热载体理论体积系数间的关系 如图2 - 7 所示，混合物的滑动摩擦系数与热载体理论体积系数成线性关系，通过对 勰弘sj嬲拍孔勉 8 5 7 5 6 5 5 5 4mmmm叭m 2x b c - a 斜板槽式闪速裂解装置的基础研究 数据的线性拟合，可以得到两个系数之间的线性方程，即：0 0 2 2 4 x + y 一0 7 6 3 3 - 0 。 由于生物质粉和热载体颗粒混合后，大大阻碍了热载体颗粒滚动的趋势，使混合物中热 载体颗粒的滑动摩擦系数增加，而热载体颗粒对生物粉的压实作用也使混合物中的生物 质粉滑动摩擦系数发生变化，颗粒间的相互作用使得混合物的摩擦系数介于纯生物质粉 与纯热载体之间 2 4 本章小结 本章利用z r y - 1 p 综合热分析仪对生物质裂解反应动力学进行了研究与验证，得到 了生物质原料在裂解反应中的各种参数和曲线，并对其进行了分折，了解了竹子生物质 的裂解规律及各参数对裂解过程的影响；在实验的基础上建立了裂解反应动力学模型。 同时进行了生物质、热载体及其混合物的滑动摩擦角及堆密度的实验研究，从中获得了 大量的宝贵数据，为反应器的设计打下了基础。 东北林业大学硕士学位论文 3x b c - a 斜板槽式闪速裂解装置的理论研究 3 1 生物质闪速裂解液化原理 3 1 1 裂解液化原理 生物质能是太阳能的一种存在形式，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学 能而贮存在生物质内部，然后再通过各种降解作用将之释放出来，实现自然界能量和物 质的不断循环。目前生物质能的转换技术主要有：生物质固化、生物质气化、生物质液 化、生物质裂解、生物质发酵和生物质直接燃烧等1 1 2 1 。其中，生物质裂解技术是被公认 的最有前途的技术之一，也是生物质能发展的必然方向。 生物质裂解是指生物质在完全缺氧或有限氧供应条件下的热降解，最终生成炭、可 冷凝气体( 生物燃油) 和可燃气体( 不可冷凝) 的过程，三种产物的比例取决于裂解工 艺的类型和反应条件，见图3 - 1 。当温度控制在5 0 0 6 5 0 之间，有较高加热速率和 极短气体停留时间的情况时，称之为中温闪速裂解，其产物以可冷凝气体为主，冷凝后 变成生物燃油1 1 3 , 1 4 。 生物质热解 。舞，盛，生芜秽翳鬻 闪速裂解 7 5 1 2 1 3 ( 5 0 0 ( 2 - - 6 5 0 1 2 ) 气化斗5 1 0 8 5 ( 7 0 0 1 2 11 0 0 ( 2 ) 图3 - 1 生物质裂解工艺类型及其主要目标产物 图3 2 是生物质闪速裂解过程的示意图，热量传递到生物质颗粒表面，并由表面传 递到颗粒的内部，生物质颗粒被加热后迅速分解为炭和裂解蒸气( 一次裂解) ，其中， 裂解蒸气由可冷凝气体和不可冷凝气体组成；随着裂解过程的继续，在多孔生物质颗粒 内部的裂解蒸气将进一步裂解( 二次裂解) ，使一部分可冷凝气体转变成不可冷凝气 体，可冷凝气体经过快速冷凝得到生物燃油。 热 图3 - 2 生物质裂解液化过程示意图 ” 5 0 4 7 。 4 2 1 模型的建立 斜板槽式裂解液化装置反应器的结构模型可简化成图4 2 。流量为m s 热载体颗粒 和流最为m 。的生物质粉分别被注入倾斜角度为0 ，截面积为s ，长为l 的反应器中，混 合物在重力的作用下沿反应器内壁流动。生物质被快速加热并发生裂解反应，当混合物 沿反应器流到出口时，裂解反应终止，产生的裂解蒸汽被分离并送进冷凝装置中。 4x b c - a 斜板槽式闪速裂解装置的设计 生麓 图4 - 2 反应器结构简化模型图4 3 混合物颗粒受力情况 我们对反应器内的混合物进行划分，对单元体积的混合物进行受力分析，见图4 3 所示，由于反应器中为定常流动，即旦掣0 ，其流量方程为跚： pb朋sb球mbl(4-1p sm ) ，h - 1 7 式中：店生物质粉密度o 【g 而5 ”见熟载体颗粒密度( k g ，m 3 ) 5 & 生物质粉所占的截面面积( m 2 ) o s ，热载体颗粒所占的截面面积( m 2 ) 。 膨 生物质粉流量( k g s ) m ，熟载体颗粒流量( k g s ) ： 颗粒流的轴向速度( m s ) 。 当生物质粉和热载体充分混合时，可将混合物作为一个整体进行计算，即： p s - m ( 4 - 2 ) 其中p 。为混合物密度，在流动状态下，混合物呈松散状态，计算时取松散堆密 度。m 。为混合物的流量，是热载体和生物质粉流量的和( 肘。+