（机械设计及理论专业论文）rjl10生物质裂解热载体加热装置及物流输送系统设计研究.pdf

摘生 摘要 资源与环境是人类赖以生存、繁衍和发展的基本条件。当前，资源短缺、环境污染 和生态恶化，已经成为世界各国面临的重大问题。人们更加深刻地认识到了石油、天然 气、煤炭等化石能源的有限性，加快生物质能的开发利用，已成为世界各国的共识。就 我国而言，加快生物质能开发，推动新能源化工的发展，不仅可以缓解能源短缺，优化 生态环境，缩短我国在生物质能开发利用方面与世界先进水平之间的差距，而且有利于 解决“三农”问题，增加农民收入，推动经济增长。生物质能的发展将是同时解决我国 “农业、能源、环境”难题的最佳切合点。 论文在国家8 6 3 、9 4 8 、省科技攻关项目等重大课题的强力支持下，全面、系统地查 阅和收集了国内外有关生物质热解液化技术研究的文献资料，并进行了细致地分析与探 讨。结合现有的热载体加热装置的设计思想，总结存在的弊端，在导师的指导下设计并 研制出新型串联复合型热载体加热装置及热载体小车自行输送系统。经过本课题的研 究，形成一套比较成熟的理论和技术，研制出每小时可加热l o t 具有残余温度的热载体 到5 5 0 ，加热效率在8 0 的热载体加热装置。同时研制出每小时可提升l o t 的热载体 小车自行循环输送装置，为该项技术的推广奠定基础。 本文对加热装置及输送系统的设计思路和整个设计过程做了详细的介绍。通过与现 有载体加热装置和输送方式进行对比，总结出其特性和优点，总结设计中存在的问题和 不足，明确今后热载体加热装置及输送系统的改进方向，为今后设计研制同类装置提供 科学依据和参考，可应用于实际大中型规模生物质闪速热解液化生产。 关键词生物燃油：热载体；加热炉；轨道输送 a b s t r a c t t h er e s o u r c e sa n dt h ee n v i r o n m e n ta r et h eb a s i cc o n d i t i o no fh u m a n i t y sl i v e l i h o o d , t h e m u l t i p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n t p r e s e n t l y , t h er e s o u r c e ss h o r t , t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n a n dt h ee c o l o g yw o r s e n ，a l r e a d yb e c a m et h em a j o ri s s u ew h i c ht h ev a r i o u sc o u n t r i e sf a c e d t h e p e o p l er e a l i z e dp r o f o u n d l yf o s s i le n e r g ya n d s oo np e t r o l e u m ，n a t u r a lg a s ，c o a lf i n i t e n e s s ，s p e d u pt h ed e v e l o p m e n tu s et ot h eb i o l o g i c a l 麟e n e r g y , h a sb e c o m et h ev a r i o u sc o u n t r i e s s m u t u a lr e c o g n i t i o n s p e a k i n go fo u rc o u n t r y , s p e e d su pt h ed e v e l o p m e n to fb i o l o g i c a lm a s s e n e r g y , i m p e l st h en e we n e r g yc h e m i c a li n d u s t r y sd e v e l o p m e n t ，n o to n l ym a ya l l e v i a t et h e e n e r g yt ob es h o r t , t h eo p t i m i z a t i o ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，r e d u c e so u rc o u n t r yb e t w e e nt h e w o r l da d v a n c e dl e v e lw i t l it h eb i o l o g i c a lm a s se n e r g yd e v e l o p m e n t m o r e o v e ri sa d v a n t a g e o u s t ot h es o l u t i o no f “锄n o n g ；i n c r e a s e st h ef a r m e r sr e c e i v e i m p e l st h ee c o n o m i c a lg r o w t h t h i st o p i ci su n d e rs u c hb a c k g r o u n da n dt a k et h ec o u n t r y “8 6 3 a n d “9 4 8 ”h i g ht e c h c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e ma sab a c k i n g , c o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m a t i c a l l yc o l l e c t e dd o m e s t i c a n df o r e i g nr e s e a r c hm a t e r i a l so ff l a s hp y r o l y s i sa n dl i q u e f a c t i o nt e c h n o l o g yf o rb i o m a s sa n d c a r r i e do nd e e p l ys t u d ya n dr e a c h a n dh a sc a r r i e do nc a r e f u l l yt h ea n a l y s i sa n dt h e d i s c u s s i o n u n i f i e st h ed e s i g nc o n c e p to ft h ee x i s t i n gh e a t - c a r r y i n ga g e n th e a ti n s t a l l a t i o n , s u m m a r i z e st h ee x i s t e n c em a l p r a c t i c e ，i n d e p e n d e n t l yd e s i g n sa n dd e v e l o p st h en e ws e r i e s m u l t i s k i l lh e a t - c a r r y i n ga g e n th e a ti n s t a l l a t i o na n d t h eh e a t - c a r r y i n ga g e n tc a rv o l u n t a r i l y e x p u l s i o ns y s t e mu n d e rt e a c h e r sl e a d e r s h i p a f t e rt h i st o p i cr e s e a r c h , w em u s tf o r mas e to f q u i t em a t u r et h e o d e sa n dt e c h n o l o g y , d e v e l o pah e a t - c a r r y i n ga g e n th e a ti n s t a l l a t i o n , i tc a ne a c h h o u rh e a tu p1 0 th e a t - c a r r y i n ga g e n tw h i c hh a v er e m a i n i n gt e m p e r a t u r et oa r r i v e 5 5 0 c ，h e a t i n g e f f i c i e n c yi n8 0 a n dd e v e l o pah e a t - c a r r y i n ga g e n tc a rc i r c u l a t ev o l u n t a r i l yt h ef e e d w a y w h i c hc a l lp r o m o t e1 0 th e a t - c a r r y i n ga g e n te a c hh o u r ，l a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h i st e c h n i c a l p r o m o t i o n t h i sa r t i c l eh a sm a d et h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o nt od e s i g nm e n t a l i t ya n dt h ee n t i r ed e s i g n p r o c u s s o ft h eh e a ti n s t a l l a t i o na n dt h ee x p u l s i o ns y s t e m t h r o u g hc a l t i e so nt h ec o n t r a s tw i t h * t h ee x i s t i n gc a r r i e rh e a ti n s t a l l a t i o na n dt h em e a no fd e l i v e r y , s u m m a r i z e si t sc h a r a c t e r i s t i ca n d t h em e r i t ，c a r r i e so nt h ea n a l y s i s ，s u m m a r i z e sq u e s t i o na n di n s u f f i c i e n c yw h i c hi nt h ed e s i g n e x i s t s ，w i l lb ec l e a ra b o u tt h ei m p r o v e m e n td i r e c t i o no fn e x th e a t - c a r r y i n ga g e n th e a t i n s t a l l a t i o na n dt h ee x p u l s i o ns y s t e m ，w i l lp r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sa n dt h er e f e r e n c ef o rt h e n e x td e s i g na n dr e s e a r c hs i m i l a ri n s t a l l m e n t , m a ya p p l yi nt h ea c t u a ll a r g ea n dm i d d l es c a l e s c a l eo fb i o r l r l a s sf l a s hp y r o l y s i sa n dl i q u e f a c t i o np r o d u c t i o n k e y w o r d sb i o o i l ；h e a t c a r r y i n ga g e n t ；h e a t i n gf u m a c e ；o r b i t a lt r a n s p o r t a t i o n n 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，也不包含为获得盎些盎些盘堂或其他教育 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： 弓 签字日期： i 岬年局万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔些签些盘茔有关保留、使用学位论文的规 定，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。本人授权盎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) 数敝储摊：，栌彳 签字日期：哕年加胡 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签冬：三三三当裔 。i = = = ；4 一o 一= _ n 签字日期：弦0 7 年加哲日 电话： 邮编： 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及其意义 我国是一个农业大国，有丰富的农业废弃资源。据估计我国农村可以利用的生物质 资源每年约有6 7 亿吨左右，但其利用率很低，且因不正当处置( 如焚烧) 而污染环境。 随着我国生物质利用技术的发展，其应用前景越来越广阔。采用生物质快速热解技术可 以有效处理这些农业和林业废弃物，而且处理过程几乎无污染，其产品生物油不但可以 用以发电，缓解农村地区特别是边远地区用电紧张的问题，而且还可以从中提取较高附 加值的化工产品，具有良好的社会经济效益。生物质能的发展将是同时解决我国“农 业、能源、环境”难题的最佳切合点。 1 1 1 生物质能在能源系统中的地位 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于 世界能源消费总量第四位的能源在整个能源系统中占有重要地位。有关专家估计，生 物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到下世纪中叶，采用新技术生产 的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的4 0 以上。 目前，生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一，受到世界各国政 府与科学家的关注。许多国家都制定了相应的开发研究计划，如日本的阳光计划、印度 的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等，其中生物质能源的开发利 用占有相当的比重。目前，国外的生物质能技术和装置多己达到商业化应用程度，实现 了规模化产业经营，以美国、瑞典和奥地利三国为例，生物质转化为高品位能源利用已 具有相当可观的规模，分别占该国一次能源消耗量的4 、1 6 和l o 。在美国，生物 质能发电的总装机容量已超过1 0 0 0 0 兆瓦，单机容量达1 0 2 5 兆瓦：美国纽约的斯塔 藤垃圾处理站投资2 0 0 0 万美元，采用湿法处理垃圾，回收沼气，用于发电，同时生产 肥料。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家，实施了世界上规模最大的乙醇开发计 划，目前乙醇燃料已占该国汽车燃料消费量的5 0 以上。美国开发出利用纤维素废料生 产酒精的技术，建立了l 兆瓦的稻壳发电示范工程，年产酒精2 5 0 0 吨l l j 。 我国是个人1 3 大国，又是一个经济迅速发展的国家，2 l 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 洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。 开发利用生物质能对中国农村更具特殊意义。中国8 0 人口生活在农村，秸秆和薪 柴等生物质能是农村的主要尘活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加，但 生物质能仍占有重要地位。1 9 9 8 年农村生活用能总量3 6 5 亿吨标煤，其中秸秆和薪柴 为2 0 7 亿吨标煤，占5 6 7 。因此发展生物质能技术，为农村地区提供生活和生产用 能，是帮助这些地区脱贫致富，实现小康目标的一项重要任务l2 1 。 东北林业人学坝i 学位论义 生物质能高新转换技术不仅能够大大加快村镇居民实现能源现代化进程，满足农民 富裕后对优质能源的迫切需求，同时也可在乡镇企业等生产领域中得到应用。由于我国 地广人多，常规能源不可能完全满足广大农村同益增长的需求，而且由于国际上正在制 定各种有关环境问题的公约，限制c 0 2 等温室气体排放，这对以煤炭为主的我国是很不 利的。因此，立足于农村现有的生物质资源，研究新型转换技术，开发新型装备既是农 村发展的迫切需要，又是减少排放、保护环境、实施可持续发展战略的需型列。 1 1 2 我国能源总体现状 作为世界上最大的发展中国家，我国目前源生产量仅次于几美国和俄罗斯，居世界 第3 位；能源消费占世界总消费量的1 0 4 仅次于美国，居世界第2 位，可见我国己经 成为一个能源生产和消费大国。但在我国的能源发展过程中却存在着两个十分严重的问 题：一是优质能源比例很低；一是人均能源资源占有量低。我国总的能源状况是富煤缺 油少气，这导致了我国的能源生产和能源消费的结构不合理。一定程度上制约了我国经 济的总体发展1 4 j 。 表1 - 1 中国一次能源的资源结构 特别是自1 9 9 2 年以来中国石油进口剧增，年均增长率达到3 5 左右，2 0 0 2 年石油 进口量达到近7 0 0 0 x 1 0 4 t ，石油对外依存度达到3 0 以上，并有进一步扩大之势，中国 已成为全球第三大石油进口国1 5 l 。2 0 0 1 年中国能源发展报告( 见表1 - 1 ) ，至2 0 0 0 年在一 次能源的资源结构中，我国总资源量探明总储量和探明可采储量占世界的比例分别为 3 9 、2 5 和1 0 1 ；但相对于人口而言我国在能源资源方面是一个贫能国，人均能源 资源拥有量低于国际平均水平：在有经济意义的探明可采储量方面，煤炭所占的比例为 5 8 5 ，具有绝对优势；而当前和今后有着旺盛需求的石油和天然气所占比例仪分别 3 4 和1 3 ，对生产和消费构成明显的资源制约。在资源保证供应年限方面，按现有 开采速率计算，煤炭为1 1 4 5 年，石油为2 0 1 年，天然气为4 9 3 年。煤炭和天然气仍高 居国际通用储采比的安全警戒线以上，而石油则远低于警戒线，呈现明显的储采比失衡 念势，所以煤炭无论从资源量还是供给年限，都是中国能源的基本资源保障。 我国人均石油资源十分贫乏，仅为世界平均水平的1 1 0 左右【“刀，国内目i i 每年缺 少石油近亿吨。据相关预测，按照目前石油探明储量和各大油田生产能力估算，今后国 内原油产量增长有限，每年约为1 8 2 0 亿吨。然而随着经济发展对液体燃料需求的快 i 绪论 速增长，2 0 2 0 年我国石油消费量将增至5 亿吨左右，有3 亿吨需要进口，对外依存度将 高达6 0 ，接近美国耳i i 的水平【”。 1 1 3 我国农林生物资源现状 我国拥有丰富的生物质能资源。理论生物质能资源为5 0 亿吨左右。目前可供利用 开发的资源主要为生物质废弃物，包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、工业有机废弃物 和城市固体有机垃圾等1 9 j 。 我国每年都有相当于数亿吨标准煤的各种农业秸秆、壳皮、林业树皮、锯末、枝丫 等废弃生物质由于没有先进、高效和能进入市场的利用技术而被白白废弃，这是一个被 浪费的巨大的资源。这些得不到及时处理的废弃物，既造成环境污染和恶化，又增加火灾 隐患；若对其焚烧处理，不但加尉大气污染，甚至影响航空、交通安全。 1 2 国内外生物质热解液化技术研究综述 1 2 1 生物质的热解原理及装置的工艺流程 1 2 1 1 生物质热解原理 生物质热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热解工 艺的类型和反应条件见图i - 1 ，一般地，低温低速热解温度不超过5 0 0 ，产物以炭为 主；高温快速热解温度为7 0 0 1 1 0 0 c ，产物以不易冷凝的燃气为主；中温闪速热解 温度一般控制在5 0 0 c 6 5 0 ，产物以可冷凝气体为主，其被冷凝后变成生物燃油 【1 0 1 。 ，低温低速热解焦炭产品为主 低于5 0 0 生物质热解- 中温闪速热解生物燃油为主 邓眦 、高温高速热解可燃气体为主 图i - i 生物质热解i ：艺类型及其主要目标产物 对于生物质而言，其物质成分主要由纤维素、半纤维素和木质素三种组分组成。纤 维素是由b d 葡萄糖基以1 - - 4 糖甙键连接而成的链状高分子( c 6 h l o o s ) 化舍物；半纤 维素是多种脱水糖基的聚合物( 共聚物) ，大多数半纤维素具有多而短的支链，但主要 还是线型的，在半纤维素的主链上一般不超过1 5 0 2 0 0 个糖基。当温度高于5 0 0 时， 纤维素和半纤维素将挥发成气体并形成少量的炭。木质素是具有芳香族特性的非结晶性 的三度空间结构的高聚物，其基本结构单元是苯基丙烷，彼此以醚键( c o c 一) 和( c o ) 联结。由于木质素中的芳香族成分受热时分解较慢，因而主要形成 炭。此外，生物质还含有提取物，主要由萜烯、脂肪酸、芳香物和挥发性油组成【l l j 。 东北林业人学蛾i 学位论义 1 。2 1 2 生物质的热解过程 生物质热解过程如图1 2 所示。首先，热量传递到生物质颗粒表面，并由表面传递 到颗粒的内部。据研究，实际生物质颗粒为棒状形态，热解过程由外向内逐层进行，生 物质颗粒被加热后迅速分解为炭和热解蒸气。其中，热解蒸气由可冷凝气体和不可冷凝 气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝得到生物燃油。一次热解反应生成了炭、可冷凝气 体和不可冷凝气体。随着热解过程的继续，在多孔生物质颗粒内部的热解蒸气将进一步 热解，称为二次热解反应，二次热解将会使可冷凝气体转变成不可冷凝气体。生物质热 解过程最终形成生物燃油、不可冷凝气体和炭。反应器内的温度越高且气态产物的停留 时间越长，二次热解反应则越为严重。若为了获得生物燃油的高产率，需快速移走一次 热解产生的气态产物，以抑制二次热解反应的发生。闪速热解液化则就很好的解决了停 留时间问题，在极短的时间内使生物质颗粒迅速热解，又在极短的时间内把热解产物骤 冷，所以在很大程度上不但抑制了中间产物的发生，而且避免了二次热解，从而最大限 度地增加了液态生物燃油的产量【1 2 - 1 4 。 气柯燃气强觯 热解蒸气：。芒算意i 严 可冷凝气体： 次热解) 生物燃油 图1 - 2 生物质热解过程不意图 1 2 1 。3 转锥式生物质闪速热鳃液化装置的工艺流程 ( 1 ) 生物质原料的破碎：为便于输送和提高干燥效率，干燥前需先将各种农业秸 杆、废木、枝丫等较大的固体生物质破碎至类似工艺木片的尺度： ( 2 ) 生物质原料的干燥：为减少最终产物一生物燃油中的含水量，必须对原科进行 干燥处理。一般将原料的含水量控制在1 0 以下； ( 3 ) 生物质原料的粉碎：为提高加热速率。获得高的产油率，原料的进一步粉碎和 细化是十分必要的： ( 4 ) 生物质颗粒的热解：将粉碎后的生物质颗粒和热载体一块送入主反应器，进行 闪速热解，使生物质颗粒转变成热解蒸气和炭： ( 5 ) 热解蒸气的净化：热解蒸气含有一定量的炭和灰份，由于炭在热解蒸气的二次 热解中起催化作用，会在生物燃油中产生不稳定因素，而灰份也是不需要的成份，因 此，从热解反应器引出来的热解蒸气必须快速的通过旋风分离器净化； ( 6 ) 热解蒸气的冷凝：热解蒸气由产生到冷凝阶段的时间对液体产物的质量和成分 有很大的影响，此段时| 白j 越长，二次热解生成不可冷凝气体的可能性越大。为防止二次 热解、减少不可冷凝气体的比例，提高生物燃油得率，必须对净化后的热解蒸气进行快 速冷凝； ( 7 ) 生物燃油的收集：生物质热解液化装置的设计除需要对温度进行严格控制外， 还应在生物油的收集过程中避免由于生物燃油的多种重组成分的冷凝而导致冷凝器堵 塞； ( 研生物燃油的提炼i l “。 1 2 2 国内外研究概况及发展趋势 国外探索用废弃生物质制取生物燃油替代石油的研究始于1 9 7 8 年。自1 9 7 3 年世界 首次石油危机以来，发达国家开始重视用废弃固体生物质制取生物燃油工艺和技术研 究。然而，生物质液化的研究过程并不顺利，早期方法一般只能获取难以液化的不凝燃 气，无法将其液化成便于运输和有工业应用价值的液体燃料。因此，开发生物质液化燃 油的研究曾度无多大进展。但是，在经历了较长一段时间的蹒跚不前之后，近些年来 将固体生物质转化成可供锅炉、发动机使用的燃料生物燃油( b i o - o i l 或b i o - f u e lo i l 或b i o - c m d e - o i l ) 的研究在欧洲取得了突破性进展。荷兰、美国、加拿大现已均能用废 木材等为原料生产优质生物原油，有的还用生物原油生产汽车用汽、柴油高效降排放添 加剂，瑞典则正在研究“速生能源林生物原油制取”原料生产、燃油加工一体化 技术等等。但综观世界范围内的生物燃油工艺和技术而言，以荷兰2 0 世纪9 0 年代中期 发明的旋转锥( r o t a t i n gc o n er e a c t o r ) 中温快速热解制取生物燃油技术和设备最为先进 和实用。该技术路线为：将原料干燥、粉碎至一定的粒度，送入热解旋转锥反应器 ( r o t a t i n gc o n er e a c t o r ，简记为r c r ) ，进入r c r 的物料在严格中温控制、极高加热 速率和很短的接触时间条件下迅速热解成可液化蒸气。将这样得到的热解蒸气导出冷凝 后，即得到生物燃油。 近年来国外有关生物燃油制取研究的突破及其意义已引起国内同行的高度关注。我 国许多专家学者已开始敦促、呼吁国家有关部门尽快在国内立项研究生物燃油的制取方 法和应用技术，以期解决国家石油不足和使用石化燃料产生的大气污染问题。同时，我 国有关废弃生物质能利用、开发研究已受到了国家和各级政府的高度重视，发展非常 快。目前国内将废弃生物质转化成方便的生活用气体能源的研究已相对成熟。如山东、 河北、安徽等省曾先后研制出可为几百农户集中供应热解燃气的秸杆气化装置。但到本 课题组系统研究之前，国内自主研究和开发生物燃油制取和应用技术未见报导。即使一 些学者发表的论文，也几乎全是以介绍国外如何将木质材料液化、制取生物燃油的文献 1 1 卜1 羽。 我国是个森林资源比较贫乏的农业大国，森林和可用木材较少，而废弃农业生物 质较多，并且浪费十分严重。同时，每年还有数亿吨的城市有机垃圾无法处理1 1 ”。针对 这一国情，本课题组近几年来对以低含碳的农林废弃生物质为原料制取生物质液化燃油 的方法进行了实验和研究。结果表明，在一定的工艺条件和精确的控制下，用废弃农业 秸杆、枝丫、锯末等完全可以获得具有高附加值的生物燃油产品。 东北林业人学顿l 学位论立 1 3 论文研究目标及主要研究内容 1 3 1 研究目标 本课题的目标是利用最佳设计方案在上一代的基础上对设备的热载体输送装置和加 热装置进行设计和改进，研制出具有高的传热效率和合适的传热速度的热载体加热装置 及低能耗的环形轨道输送装置，可应用于实际大中型规模转锥式生物质闪速热解液化生 产。因此，本课题在理论和实践上都具有重要的推广价值和研究意义。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 全面调研国内外生物质热解液化技术的相关资料，进行分析和总结，对本课题 的背景和意义进行详细的了解和掌握； ( 2 ) 掌握现有两套热载体加热装置的设计思想，分析总结存在的问题，确定设计路 线，制定一套比较理想的热载体加热方案； ( 3 ) 学习掌握包括锅炉设计、气力输送、气体供热、传热，导热、散热以及燃烧理 论等在内的热力学方面知识和理论，进行新型热载体加热装置的理论计算与校核； ( 4 ) 通过对双轨自行输送机系统的结构及性能方而的分析，进行轨道设计及驱动装 置的设计； ( 5 ) 完成新型热载体加热装置及轨道输送系统的图纸设计工作； ( 6 ) 对实验数据进行处理分析，总结设计中存在的问题和不足，明确热载体加热炉 及输送系统今后改进方向。 2 了集的拟定及装置的改进分析 2 方案的拟定及装置的改进分析 2 1 装置的工作原理 生物质闪速热解液化装置是利用离心力原理将生物质快速热解，然后把产生的热解 蒸气和固体产物迅速分离开来，最后把可冷凝气体骤冷得到生物燃油，完成闪速热解液 化过程。生物质颗粒与过量的惰性载热体一道喂入反应器，落到转锥的底部，在转锥的 离心力作用下，生物质颗粒与热载体迅速混合，并沿着炽热的锥壁螺旋向上运行，生物 质颗粒在热载体和炽热转锥面的包裹下温度迅速上升，直至达到热解温度发生热解，产 生的热解蒸气被快速导出，送入分离器内除掉微小的炭粒和灰尘，然后到冷凝器中进行 冷凝，可冷凝气体转化成液体生物燃油，不可冷凝气体则从冷凝器上部排出，生物质在 热解中产生的炭在分离过程中从分离器下部出来，而热载体从转锥边沿抛出后，落入热 载体收集器进行循环使用1 2 0 - 2 1 1 。 2 2 装置主体部分简介 由于本装置属于实验装置，而且主要研究内容是生物质闪速裂解反应器及其相关设 备，所以对生物质热裂解液化之前的工序( 如物料存储、粉碎、运输、干燥等) 和电控 部分就不再作详细叙述，主要是围绕生物质闪速热解液化过程的设计。 厂 宫司 飞口 厂 ， 画 序 jj ，j 。一 1 供水装置2 换热器3 冷凝器4 旋风分离器5 热载体收集器 6 土反席器7 进科机构8 热载体加热装置9 循环轨道1 0 运输乍 幽2 - 1x b c - a 型闪速裂解装置总体结构示意隧 7 根据生物质热解液化机理及闪速热解液化技术的特点，同时也考虑现有条件，最后 作出总体方案如图2 - 1 所示，x b c a 型裂解装置( 机械本体部分) 主要由主反应器、热 载体加热装置、冷凝器和供水装置等组成。工作时，干燥的生物质颗粒由进料机构( 7 ) 送 入主反应器( 5 ) 内部，而热载体经热载体加热装置( 8 ) 底部的流量控制阀进入主反应器， 物料与热载体在主反应器顶部开始混合，在重力的作用下，生物质颗粒与热载体沿主反 应器( 6 1 内壁下滑，并迅速充分混合。下滑的过程中生物质颗粒发生热解反应，转变成热 解蒸气和炭，热载体进入到收集器( 5 ) 中；热解产生的气体使反应器内部压力增大，热解 蒸气、炭及微小热载体颗粒被送入旋风分离器( 4 ) 中，经过分离，灰尘、炭和微小热载体 颗粒从旋风分离器( 4 ) 底部流出，而热解蒸气则从旋风分离器( 上部进入冷凝器( 3 ) 中， 经过循环冷凝，最后可冷凝气体转变成生物燃油，而不可冷凝气体从冷凝器( 3 ) 上部出 来，引导到加热炉内燃烧以补充能量：热载体输送系统主要负责热载体的循环，热载体 从收集器( 5 ) 流出以后，落到收集器底部的运输车( 1 0 ) 中，经过输送系统的提升，运输车 ( 1 0 ) 到达热载体加热装置( 8 ) 的顶部，热载体从运输车( 1 0 ) 中流出，再次进入热载体加热 装置( 8 ) 中，反复循环。供水装置( 1 ) 主要负责冷凝装置的冷却水供应，同时冷却循环 水，以节约用水。 2 2 1 主反应器 主反应器是转锥式生物质闪速热解液化装置中的核心部分，是决定课题能否取得成 功的关键因素。本主反应器的具体结构如图2 - 2 所示【篮瑙l 。热载体经进热载体流进管( 8 ) 进入转锥底部，生物质颗粒由进料管( 1 也进入转锥底部，在锥帽( 2 ) 的作用下，生物质 颗粒向四周分流的同时与热载体迅速混合，然后在转锥的离心力作用下，沿转锥面螺旋 上行，在此过程中，生物质颗粒被加热并发生了热解，产生的热解蒸气通过出气管( t 1 ) 1 冷却铰2 锥帽3 热载体流出管4 旋板5 转锥6 硝定锥7 保温层 8 热载体流进管9 进料冷却管1 0 进料管 1 1 出气管1 2 防暴装置1 3 热风道 图2 - 2 士反席器结构示意幽 2 方案的拟定度驶管的改进分析 进入旋风分离器，而热载体则被甩到反应器底部，在旋板( 4 ) 的作用下，沿热载体流出管 ( 3 ) 进入热载体输送装置，进行循环。热风道( 1 3 ) 在保温层( 7 ) 的保护下，对温度的升降和 保持起到了很好的作用。固定锥( 6 1 的放菁! 是为了减少热解蒸气在反应器内的停留空间； 防暴装置( 1 2 ) 则是为了防止热解蒸气由于某些原因没有被迅速导出而引起主反应器内部 压力增大导致爆炸问题的发生；进料冷却管( 9 ) 则是为了防止生物质颗粒在进入旋转锥底 部之前就被炭化而采取的冷却措施 2 “矧。 2 2 _ 2 热载体加热装置 热载体加热装置是转锥式生物质闪速热解液化装置中重要的组成部分。加热装置设 计的是否合理直接决定着热载体能否在进入主反应器时保证生物质发生闪速热裂解反 应。 1 进热载体口2 保温层3 蛇形加热管4 燃烧室 5 燃烧机6 出烟口7 引风机8 出热载体口 图2 - 3 第三代热载体加热炉结构图 这种加热装置是采用自行设计的柴油雾化燃烧器通过燃烧产生的烟气在管道中导热 而对热载体间接进行加热的。加热原理如图2 3 所示。柴油燃烧机( 5 ) 在燃烧室( 4 ) 里燃 烧，产生的热烟气在引风装置( 7 ) 的作用下充满蛇形加热管( 3 ) 内部，冷却的烟气沿着出 烟口( 6 ) 排出到大气中。常温下的热载体由进热载体口( 1 ) 进入到加热炉中，热量由蛇形 加热管( 3 ) 的外部以导热方式传到热载体中m 。 蛇形加热管的传热效果由于受到举架的影响不能完全发挥出来，这种纯粹的间接传 热方式其传热的速率在初始时达不到反应时的要求，完全采取直接的传热方式的传效率 又过低，而将两个不同加热方式的加热装置串联在一起，综合了二者的优点即提高了加 热的效率和也提高了传热的速率。如图2 - 4 所示热载体通过热载体进fj 装置f 1 0 ) 进入， 东北林业人学硕l 学位论义 并充满上炉体( 1 ) ，与方形管之间充分传热，然后通过固体流量控制阀( 8 1 进入下炉体， 与烟气之间直接传热，最后通过出口装置( 6 ) 进入主反应器。其特点是既提高了热载体的 加热速率，也提高了能源利用效率，可以节省大量能源。装置结构比较简单，制造与维 护容易，减少了装置的成本。 1 0 1 上炉体2 方形加热管3 烟气联接管道4 f 炉体5 生物燃气燃烧桃6 热载体 出口装置7 倾斜式捎扳8 流域控制阀9 山烟口1 0 热载体进1 2 1 装置1 1 保温层 图2 - 4 串联复合璎加热装置 本热载体加热装置是论文的核心内容，在设计中结合了锅炉的设计原理和相关的化 工原理知识，满足了对热载体加热的系列要求，能够每小时提供1 0 吨5 5 0 6 0 0 c 热 2 方案的拟定及装置的改进分析 载体供实验和生产使用，为生物燃油的规模化生产提供可靠地保证。 2 2 3 热载体的输送 在机械式输送系统中，由于在密封的高温环境下工作。虽然采用了冷却铰保证了轴 承的正常运转，但是对链条的损坏是很大的。不能持久工作，必须对此超高温输送装置 进行重新设计。经过一些试验发现：借鉴气力输送装置中的喉管原理，再利餍风机和旋 风分离器的配合，能把高温热载体的输送问题很好的解决，因此，用气力输送装置来替 换机械式输送装置。 1 1 旋风分离器2 加热器3 反应器4 风机 图2 - 5 热载体气力输送装置简图 气力输送系统主要包括管道、给料装置、分离器和风机。 ( 1 ) 气力输送管道在气力输送系统中虽然是结构最简单的部分，但却是十分重要的 部件。在高温条件下，由于整个输送装置的动力的大部分是被消耗于输送管道内，所以 在设计中要对管道的设计、管路的配置及保温措施应有足够的重视。气力输送管道应该 是满足：内壁尽量光滑；管段的接口应平整；管道应具有坚固性、刚性、耐磨性 与密封性。 ( 2 ) 给料装置包括木工机床的吸料器、注入式供料器和旋转式供料器。 ( 3 ) 分离器的作用是将混合气流中的空气与物料分离开来，使空气排入大气中，而 物料则被集中于指定地点。 【4 ) 风机是为了保证气力输送系统稳定而有效地进行工作，是气力输送系统中的关 键设备，它直接影响到整个气力输送系统的工作效率。 气力输送装鹭的工作流程图2 - 5 所示1 2 8 1 ，熟载体从主反应器出来之后落入风机的上 部，在喉管原理的作用下向上运动，进入旋风分离器，在分离器的作用下，热载体进入 东北林业大学硕士学位论文 熟载体加热器，经加热后再次进入主反应器，而输送热载体的气体经旋风分离器后从上 部出来送入风机，充分利用热量。 随着将来生物燃油规模化的生产，气力输送已不能满足发展需要。气力输送本身还 受到高度的限制，而热载体在输送过程中与管道之间存在较大的摩擦，随着输送量的增 加这种磨损必然加剧。小车的自行轨道输送能够很好的解决距离、输送量的限制。小车 轨道输送是一种三维空间闭环连续输送系统。其采用单层输送工字刚轨道，牵引构件有 冲压易拆链或模锻易拆链和滑架组成如图2 - 6 ，承载的小车与牵引链上的滑架直接相 连，小车沿与工字钢轨道相平行的两条平行槽型钢轨道运行，轨道布置如图2 7 。 1 工字刚轨道2 模锻易拆链3 滑架 图2 - 6 牵引机构 1 小车2 车轴3 槽型轨道4 滑架5 工字刚轨道 图2 - 7 输送轨道示意图 这种输送方式有以下特点： 2 方粜的拟定发装胃的改卫t 分析 ( 1 ) 输送过程相对稳定，具有良好的空阃性，能在水平和垂直面内任意回转。 ( 2 ) 根据输送量的大小可在一定的范围内调整小车的数量。 ( 3 ) 适应性强，可连续不断的运送高温的热载体，提高输送效率。 ( 4 ) 动力消耗小，维修费用低，便于管理，使用安全。 2 3 本章小结 转锥式生物质闪速热解液化装置是为进行生物质能的开发利用而设计的一套装置。 该装置主要由主反应器、热载体加热装置、气力输送装置、液化冷凝装置、供水装置和 电控系统等五部分组成。本章对其中的三个重要部分分别做了介绍。转锥式生物质闪速 热解液化装置可在数秒内将细小的生物质颗粒转化为液体生物燃油，为将废弃生物质快 速方便地转化为新型洁净液体能源，提供了新的转化方法和技术，为分析和设计同类装 置，提供了科学依据和参考。 在每套装置的使用过程中也存在相应的问题，在实践中不断摸索，不断改进。随着 转锥式生物质热解制取生物燃油技术的不断研究和实验的进行，发现并分析存在的问 题，明确需要改进的目标。相信在今后的研究中必将找到一套更加适合该技术的理想的 热载体加热方案和输送方案，为该项技术的应用推广奠定坚实的基础。 3 加热装置及循环输送系统的设计计算及理论基础 3 1 燃料油燃烧理论计算 燃料油的燃烧计算内容有油燃料的发热量计算，燃料油的空气需要量和烟气量计算 等等。 3 1 1 油燃料发热量 l k g 燃料油完全燃烧所放出的热量称为该燃油的发热量，单位是k j l 【g 。发热量可分 为高位发热量和低位发热量。高位发热量是指燃料完全燃烧后其烟气被冷却至原始温 度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。低位发热量是指燃料完全燃烧 后其烟气被冷却至原始温度，而烟气中的水蒸气仍以蒸汽状态时所放出的热量。显然燃 油的高位发热量在数值上大于其低位发热量，两者差为水蒸气的汽化潜热。 在燃油锅炉中，烟气中的水蒸气常以气体状态排出。所以在实际工作中，油燃料的 发热量常用低位发热量计算。只有当烟气冷却至露点温度以下时，其水蒸气的汽化潜热 才能被利用【捌。 计算时，燃料油的发热量应以测热计实测值为准，也可用油品应用基或可燃基元素 成分按公式( 3 ，1 ) 、( 3 - 2 ) 计算。 - q ；一3 3 9 c + 1 0 3 0 h - 1 0 9 ( 0 7 - s d 一2 5 w ( 3 - 1 ) q ；- 3 3 9 6 7 + 1 2 5 6 7 - 1 0 9 ( 0 7 一s ；) ( 3 2 ) 式中q 品燃料油的低位发热量，k j i 【g ： q 品燃料油的高位发热量，k j l 【g c ，及c7 、，及日7 、o y 及0 7 、s ；及s ；、w y 燃料油应用基及可燃基含碳量、 含氢量、含氧量、可燃硫含量及水分( 质量分数) 。 在无元素分析资料时，发热量可根据油的密度按式( 3 3 ) 、( 3 q 估算； q 当。4 6 4 1 5 6 + 3 1 6 7 7 p - 8 7 9 0 p 2 ( 3 3 ) 联- 5 1 9 0 0 - 8 7 9 0 p 2 ( 3 - 4 ) 式中p 1 然油在1 5 时的密度，k g n 。 3 1 2 燃料油燃烧空气需求量和烟气量计算 燃烧计算以i k g 燃料油为单位进行，燃烧所需的理论空气量和燃烧烟气量用标准状 态下( 1 5 。c ，0 1 0 1 3 m p a ) 的体积m 3 表示。 3 1 2 1 燃料油燃烧空气需要量计算 l k g 燃料油完全燃烧，且燃烧产物( 烟气) 中无自由氧存在时，所需要的空气量( 指干 空气) 称为理论空气需要量，并以杯态下以m 讥g ) 或l 0 ( k j l 【g ) 表示。v o ( 或曲可根据燃 油中的c 、s 、h 等可燃元素所需要的氧气量求出。 标态下c 、s 、h 完全燃烧的反应方程为： 3 肌热装置发循环输送系统的醍计计算及理论雉础 c + 0 2 一c 0 2 s + 0 2 一s 0 2 2 h 2 + 0 2 2 h 2 0 由此可以分别算出标态下完全燃烧时，l k g c 需要1 8 6 6 m 3 0 2 ，l k g s 需要0 7 m 3 0 2 ， 1 k g h 需要5 5 5m 3 0