（农业生物环境与能源工程专业论文）生物质热裂解制取生物油试验装置的研制.pdf

吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 摘要 本研究是吉林省科技发展重点项目“生物质热裂解制取生物油技术”( 课题编号： 2 0 0 0 0 3 2 0 ) 研究内容的一部分。 生物质热裂解制取生物油作为一种生产新型能源的储备技术，具有很好的发展前 景。改进热裂解装置来降低生产生物油的成本，提高产油率是现阶段努力的方向。我国 农、林剩余物非常丰富，开发研制生物质热裂解制取生物油装置有很大的市场潜力。生 物质热裂解制取生物油技术能将低品住的生物质转化成高品质、高能量密度、清洁的液 体燃料。不仅有利于改善我国广大农村地区商品能源的紧张局面，提高农村生物质能的 利用率，而且还有利于改善我国目前的能源生产和消费结构，同时还能减少大气污染， 改善环境。 我国在生物质热裂解制取生物油方面的研究起步较晚，各种热裂解液化装置都在研 究阶段，国外已经有很多组织将生物质热裂解制取生物油技术进行推广来商业化生产， 我国至今还没有生物质热裂解制取生物油进行商业生产的报导。 本文详细总结了国外及我国生物质热裂解制取生物油的研究现状，对典型的生物质 热裂解制取生物油的装置进行了介绍和性能的对比分析。在国内外众多类型的生物质热 裂解液化装置中，流d 匕床反应器剁造工艺比较成熟，应用较广泛。它毫提供很高的加热 速率乖相对均匀的反应温度，同时快速流动的载气便于一次产物迅速析出、气相停留时 间短、温度控制易实现、产油率高、易操作、简单实用。因此，流化床反应器是生物质 热裂解制取生物油研究发展的一个主要方向。 设计了生物质热裂解制取生物油的工艺流程，确定了装置三大主要组成部分的类 型：反应系统采用流化床反应器，给料系统选择小型、慢速螺旋给料机产物收集系统 中冷凝器选择管壳式换热器，气固分离器选择拉普尔普通型高温旋风分离器。 自行设计研制了生物质热裂解制取生物油试验装置。详细论述了给料系统、反应系 统、产物收集系统等主要部件的选型和设计计算。 自行设计了流化床反应器的温控加热装置，选用了变频器和减速器组合实现给料机 的无级调速，代替了传统上的可控硅直流电机调速。 成功地设计研制了目前国内加工能力最大的流化床反应器生物质热裂解制取生物 油试验装置系统。并论述了附属设备的选型、在设备制造过程中遇到的困难及解决办法； 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 在试验过程中，又针对具体问题对装置的性能和结构不断地加以了改进。 提出了生物质热裂解制取生物油试验装置的放大设想，提出了进行放大设计的具体 问题，期望能对生物质热裂解制取生物油装置的研制提供理论及实践上的指导。 关键词：生物质热裂解生物油流化床反应器 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 a b s 仃a c t t h i sr e s e a r c hi sap a r to f t h ep r o j e c ts u b s i d i z e db ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e p a r t m e n to f j i l i np r o v i n c e ，n a m e da s ”t h et e c h n o l o g yo f p y r o l y s i s i n gb i o m a s sf o rb i o o i l ”( s e r i a ln u m b e r o fs u b j e c t ：2 0 0 0 0 3 2 0 ) a sak i n do fr e s e r v et e c h n o l o g yo fe n e r g y , p y r o l y s i s i n gb i o m a s sf o rb i o - o i lh a sa l l e x c e l l e n tp r o s p e c tn o wr e d u c et h ec o s ta n de n h a n c et h ey e i l do fb i o - o i lb yi m p r o v et h e p y r o l y s i ss e ta r eo u re f f o r td i r e c t i o n t h ea g r i c u l t u r ea n df o r e s t r yr e m a i n d e ri nn o r t h e a s ti n c h i n aa r ea b u n d a n t ，s oi th a sag r e a tm a r k e tp o t e n t i a lt od e v o l o pt h es e t ，w ec o u l dt r a n s f o r m b i o m a s so fl o wg r a d ei n t oc l e a nl i q u i df u e lo fh i g hq u a l i t y , h i g hd e n s i t yo fe n e r g yb yt h e t e c h n o l o g yo fp r e p a r eb i o o ib yp y r o l y s i sb i o m a s s i tn o tm e r e l yc o u l di m p r o v et h ei n t e n s e s i t u a t i o no fc o m m e r c i a le n e r g yr e s o u r c eo fv a s tr u r a la r e a sa n de n h a n c et h ea v a i l a b i l i t yo f b i o m a s si nr u r a l ，b u ta l s ow a si nf a v o ro fr e f o r m i n gc u r r e n te n e r g yp r o d u c t i o na n d c o n s u m p t i o ns t r u c t u r e ，a n ds t i l lh e l pt or e d u c et h ep o l u t i o no fa t m o s p h e r ea n di m p r o v et h e e n v i r o n m e n t t h er e s e a r c ho fp r e p a r eb i o o i lb yp y r o l y s i s i n gb i o m a s si ss t a r t i n gl a t e ri nc h i n a ，a n y t y p eo fp y r o l y s i sl i q u e f a c t i o n s e t sa r ea l li nr e s e a r c h i n gs t a g e m a n yo r g a n i z a t i o n sh a v e s p r e a d e dt h et e c h n o l o g yo fi tt oc o m m e r c i a l i z a t i o nm a n u f a c t u r ei na b r o a d ，t h e r eh a v en o n e r e p o r ta b o u ti ti no u rc o u n t r y t h i sp a p e rh a ss u m m e du pt h er e s e a r c hc u r r e n ts i t u a t i o ni nd e t a i lo fp r e p a r i n gb i o - 0 i lb y p y r o l y s i sb i o m a s si n o u rc o u n t r ya n da b r o a d ，m a d ea ni n t r o d u c t i o na n dc o m p a r e dt h e p e r f o r m a n c eo fs e v e r a lk i n d so ft y p i c a lp y r o l y s i s s e tm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n go ft h e f l u i d i z e db e dr e a c t o ri sm o r er i p e rt h a no t h e rb i o m a s sp y r o l y s i sl i q u e f a c t i o ns e t ，a n dh a v e m o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf i e l dt h ef b rc o u l do f f e rah i g hh e a t i n gr a t ea n dar e l a t i v e l y a v e r a g i n gt e m p r e t u r eo f r e a c t i o n a n dt h ef a s tf l o w i n gc a r r i e rg a si sc o n v e n i e n tt os e p a r a t et h e p r o d u c to u t ，t h er e s i d e n c et i m eo fg a sp h a s ei ss h o r t ，i t se a s yt oc o n t r o lt e m p e r a t u r ea n dt o o p e r a t e ，s i m p l e ，p r a c t i c e ，a n ds t i l lh a sah i g hy i e l do fb i o o i l s of l u i d i z e dr e a c t o ri st h em a i n d i r e c t i o ni nt h er e s e a r c hf i e l do f p r e p a r i n gb i o o i lb yp y r o l y s i sb i o m a s s w ea l s od e s i g n e dt h et e c h n i cp r o c e s so fp r e p a r i n gb i o o i lf r o mb i o m a s s d e t e r m i n e dt h e t y p eo fm a i np a r to ft h es e t ：w ec h o s ef l u i d i z e db e dr e a c t o ra st h er e a c t i o ns y s t e m ，a n dc h o s e m i n i t y p e ，l o wr a t ew o r md i s t r i b u t o ra st h ef e e d i n gs y s t e m ，a n dc h o s ec e l l p a c k i n gc o n d e n s e r , c y c l o n es e p a r a t o ra st h ec o l l e c t i n gs y s t e m d e v e l o p e dt h es e to fp y r o l y s i s i n gb i o m a s sf o rb i o o i lb yo u r s e l f a n dt h et y p eo fm a i n p a r to ft h es e tw a sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h et e c h n i cp r o c e s s ，t h ec a l c u l a t i o n a lp r o c e s so f f e e d i n gs y s t e m , r e a c t i o ns y s t e ma n dc o l l e c t i n gs y s t e mw a sg i v e n t h ea u t o c o n t r o lh e a t i n gs y s t e mw a sa l s od e s i g n e d w ea c h i e v e dt h es t e p l e s ss p e e d r e g u l a t i o nb yt h em a t i n go ft h ef r e q u e n c yc o n v e n e ra n dt h ed e c e l e r a t o ri n s t e a do fs i l i c o n r e c t i f i c a t i o nm o t o ri nt r a d i t i o n 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e dt h em o s tp r o c e s sc a p a b i l i t yf l u i d i z e dr e a c t o rp y r o l y s i s i n g b i o m a s sf o rb i o o i ls e ti nc h i n aa tp r e s e n ts u c c e s s f u l l ya n dt h ed i f f i c u l t i e sa n ds o l u t i o ni n m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f t h es e ta n d t h ep r e c a u t i o n si ne x p e r i m e n t a lo p e r a t i o np r o c e s sw e r e s h o w e d w em e n da n di m p o r v et h ep e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r ee n d l e s s l yi ne x p e r i m e n t a l p r o c e s s w ea l s oo f f e r e dt h ea s s u m p t i o no fs c a l i n gu pt h es e t ，a n dt h ep r o b l e mw h i c hw o u l db e e m e r g e d w ee x p e c t e dt h a ti tc o u l do f f e rt h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lc o n d u c tt od e v o l o pt h e s e to f b i o m a s sp y r o l y s i st op r e p a r eb i o o i l k e yw o r d s ：b i o m a s sp y r o l y s i s b i o - o i lf l u i d i z e db e dr e a c t o r 1 v 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，也不包含为获得吉林农业大学或其他教育机构的学位证书而使用 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已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位敝储繇痞9 。拉 签字吼弘噼月绷 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吉林农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即吉林农业大学有权 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。本人授权吉林农 业大学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) 一签名勃一拉 签字日期：伽厂年月乃日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 吉林农业大学硕士论文生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 1 1引言 1 1 1生物质能的特点 第1 章绪论 在各种可再生能源中，具有广泛使用价值的能源是生物质能，大力开发与有效利用 生物质能，对促进自然界生态环境向着良性循环分向发展具有重要的意义【2 j 。生物质能 来源于生物质。生物质是有机物中除矿物燃料外的所有来源于动植物而能够再生的物质 1 1 。生物质是自然界中有生命的可以生长的各种有机物质，包括动植物和微生物。通常 把农业加工剩余物、林业加工剩余物、水生生物和城市有机垃圾等 3 1 。生物质本身具有 一定的能量，2 吨生物质能的热值约相当1 吨标煤【4 1 ，并可转化成不同形式的能。生物质 中可以被人们当作能源加以利用的部分称为生物质能。它是指直接或间接地通过绿色植 物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮存在生物质内的能源，是未来可持续 发展型能源结构的基础”1 。 生物质能分布十分广泛，远比石油丰富，可以不断再生。生物质能是地球上最普通 的一种可再生能源，它遍布于世界陆地和水域的千万种植物之中，犹如一个巨大的太阳 能化工厂，不断地把太阳能转化为化学能，并以有机物的形式贮存于植物内部，从而构 成一种贮量极其丰富的可再生能源一生物质能源。地球每年由光合作用产生的生物质约 有1 2 0 亿吨，其所含能量为目前世界能源消费总量的5 倍。而生物质能仅仅作为能源来利 用还不到其总量的l ，但给人们提供的能量却占世界总能耗的1 4 【6 】。从生物质能资源 中提取或转化得到的能源载体更具有市场竞争力：一方面，改进传统的利用方式，提高 生物质能的利用率，节约现有的生物质能资源。另一方面，研究开发出新的生物质利用 技术，在各种生物质能利用的新技术中，发展生物质能高品位能源转化技术和产品更具 有潜在市场m 1 。因此，无论从解决我国能源短缺问题，还是从生态和环境保护出发， 对生物质能转化和利用的研究都是一项迫在眉睫的大课题例。 1 1 2开发利用生物质能的意义 1 121 经济意义 我国的生物质资源非常丰富，中国每年产出的农林废弃物量相当可观，以农作物生 产系统中最常见的副产品秸秆为例，1 9 9 9 年产量约6 4 0 m t ，折合标准煤约3 1 0 h 仳0 3 1 , 有 很大的开发潜力；将生物质转化为高品质能源的技术和产品具有极大的潜在市场，充分 开发利用生物质能源有重要的经济意义。 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 1 1 2 2 社会意义 我国有九亿多人口生活在农村，占农村居民生活用能的7 0 的生物质能是在普通炉 灶上直接燃烧，生物质资源利用永平低，严重阻碍了农村经济和社会的发展。自1 9 9 7 年 开始，国家在能源工业中采取了许多重大决策，使农村能源由当地能源和自然资源为主 的状况逐步向商品能源的方向转变，生物质热裂解制取生物油技术对于开辟新能源领 域，促进当地经济发展，加快我国农村经济建设，维护社会稳定和社会可持续发展有重 要的意义 1 4 】。 1 ，1 ，2 ；3 环境意义 目前，环境污染给中国乃至全球带来了严重的气候和生态的负面效应，尤其使二氧 化碳的大量排放。生物质能源具有二氧化碳零排放的特点”】，是一种清洁能源，有利于 缓解日益严重的温室效应。用生物油代替动力用油，减少了交通业、制造业对大气的污 染。 1 1 3生物质的热化学转化技术 生物质是能够固定碳的唯一可再生能源，7 0 年代初，由于世界性石油危机的冲击， 人类为了减少对石油的依赖，对可再生的生物质能的应用研究重新得到了广泛的重视。 在各种可行的技术中，通过热化学处理将生物质转化为品位更高、用途更广的能源产品 的技术研究，在世界范围内引起了特殊的重视。 转化技术一次产品j j l a - 技术二次产品 图1 1 生物质热化学转化技术及其产品和应用 f i g 1 - lt h e h e a t t r a n s f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , p r o d u c t sa n da p p l i c a t i o n so f b i o m a s s 2 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 目前，生物质的热化学转化技术有四种：直接燃烧、气化、热裂解和液化。在生物 质热化学转化技术研究初期，人们对气化技术比较熟悉，研究的重点在气化方面。近年 来，由于人们认识到液体燃料具有易贮存、易运输、能量密度高等优点，所以通过热裂 解和液化技术将生物质转化成液体燃料的研究日益得到重视。在将生物质通过燕化学方 法转化为液体燃料的两种路线中，热裂解是一种比较灵活、经济上更接近于可行的方法， 而液化技术则相对处于研究开发的初级阶段，并且需要更加复杂的工艺技术【”】。 1 1 4 生物质热裂解制取生物油的概念 董良杰在博士后研究报告中给出的生物质热裂解制取生物油技术的定义为：在无空 气等氧化气氛或虽有氧化气氛存在但气化尚不致于大量发生的情况下，以高加热速率将 生物质加热到中温，热裂解析出的挥发分在反应器内停留极短的时间即被快速冷却而获 得液体产物的过程【1 ”。生物质热裂解生成的液体产物通常称为生物油( b i o o i l ) 、热裂解 油( p y r o l y s i so i l ) 、或生物原油( b i o c r u d e o i l ) 1 6 1 。 该技术能以连续的工艺和工厂化的生产方式将农、林废弃物通过快速热裂解过程转 化为高品位的易储存、易运输、能量密度高且使用方便的液体燃料f l “，不仅可以直接用 于燃烧，而且可通过迸一步加工改性做为柴油或汽油用作动力燃料，此外还可以从中提 取具有商业价值的化工产品，目前该技术研究在欧美国家得到了高度重视【l ”。 1 2生物质热裂解制取生物油技术研究进展 1 2 1 生物质热裂解制取生物油的研究进展 国外对生物质热化学转化尤其是热裂解过程进行了很多的研究【1 7 】( 表1 一1 ) ，在过 去的十多年里，北美洲开发研制了很多用于示范和商业化运行的热裂解装置 1 8 1 ，9 0 年 代欧共体j o u l e 计划中的用生物质生产能源项目的很多课题的启动 1 9 1 也显示了欧盟对 生物质热裂解制取生物油技术的重视程度，一些相关反应的动力学理论研究已经日臻成 熟 2 0 - 2 5 l 。近年来，继加拿大 2 7 2 8 】之后，土耳其异军突起，对生物质热裂解制取生物油进 行了大量的研究，裂解对象也拓展到，稻杆 2 9 1 、油菜籽饼m 1 、棉子i 饼、芝麻杆、 榛子壳吲、甘蔗渣、向日葵盘p ”、油菜籽0 5 剐】、豆饼3 7 1 等；印第安对腰果壳也做了热 裂解制取生物油的研究口”。 我国对生物质热裂解制取生物油的研究起步较晚，1 9 9 5 年，沈阳农业大学在u n d p 的资助下，从荷兰的b t g 引进一套旋转锥闪速热裂解装置并进行了相关的实验研究，标 志着我国对生物质热裂解制取生物油进行研究已经开始【3 9 1 ，近几年来，许多大学、研究 所等也开始了生物质热裂解制取生物油的研究【“，研究对象已经拓展到微藻类【4 1 4 2 l 。 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 表1 1 世界各国部分生物质热裂解制取生物油的装置类型及研究进展【”4 0 t a b l el 一1a p a r to f t y p eo f b i o m a s sp y r o l y s i sf o rb i o - o i ls e ta n ds t u d yd e v e l o p m e n ti nu n i v e r s a l 4 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 ( 续) 表1 1 世界各国部分生物质热裂解制取生物油的装置类型及研究进展 t a b l e1 - l a p a r to f t y p eo f b i o m a s sp y r o l y s i sf o rb i o o i ls e ta n ds t u a yd e v e l o p m e n ti nu n i v e r s a l ( c o n t i n u e l 表1 2 我国生物质热裂解制取生物油研究进展情况 1 4 - 1 6 , 4 “8 】 t a b l e1 - 2t h er e s e a r c hp r o g r e s so f b i o m a s sp y r o l y s i sf o rb i o - o i li nc h i n a 吉林农业大学工程技术学院i | 2 0 0 0 年开始，结合省科技厅的项目“生物质热裂解 制取生物油技术”开展了生物质热裂解制取生物油的研究，自行研制了流化床反应器生 物质熟裂解制取生物油试验装置，选用了红松、白松、落叶松和楸木等木材的锯末做了 裂解试验，并对反应原料和得到的生物油进行了组成成分分析；试验得到的生物油最高 产率为6 3 8 。 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 1 2 2几种典型的生物质热裂解制取生物油的装置 综合国内外介绍的生物质热裂解制取生物油的反应器，按物质的受热方式可分为三 类f 1 2 】： 1 机械接触式反应器：这类反应器的共同点是通过一灼热的反应器表面直接或间 接与生物质接触，从而将热量传递给生物质，而使其高速升温达到快速热裂解， 其采用的热量传递方式主要为热传导，烧蚀热裂解反应器、丝网热裂解反应器、 旋转锥反应器等都属于此类型。 2 间接式反应器：这类反应器的主要特征是由一高温的表面或热源提供生物质热 裂解所需的热量，热量传递的方式主要是热辐射，常见的热天平就可以归属此 类反应器。 3 混合式反应器：其主要是借助气流或气固多相流对生物质进行快速加热，其主 要的热传递方式为对流换热，但热传导和热辐射也起很大的作用。流化床反应 器、快速引射流反应器、循环流化床反应器等属于此种类型。 目前，在进行的生物质热裂解制取生物油技术的研究中，针对第一类型和第三类型 的反应器开展的研究工作相对较多，主要是因为这些反应器的成本较低且宜大型化，能 在工业中投入实际应用，本文主要介绍上述类型中应用于生物质快速或闪速热裂解制取 生物油较为典型的反应器及其工艺流程，其他相关类型的反应器请参阅文献【4 4 】。 12 21美国g t r i 引射流反应器 美国亚特兰大的乔治亚技术研究所g t r i ( t h eg e o r g i nt e c h n i q u er e s e a r c hi n s t i t u t e a t l a n t a ，g a , u s a ) 研制了引射流反应器( e n t r a i n e df l o wr e a c t o r ) ，另译为携带床反应器， 其垂直的管式反应器长6 4 m ，内径0 1 5 m 。其工艺流程见图1 2 ，在反应器的底部定量的 引入空气和丙烷进行燃烧，产生的热烟气向上流动经过生物质下料口来提供生物质热裂 解所需的热量，一般情况下热烟气的流量应是生物质流量的4 倍，入口烟气温度9 0 0 。c ， 反应器内的压力为一个大气压，加工能力5 0 k g h ，此条件下的生物油产率为5 0 ( 以木 材的干基重量计) 【“】。 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 图1 - 2g t r i i 射流反应器 f i g1 - 2 s c h e m a t i c o f g t r i e n t r a i n e d f l o w r e a c t o r 1 2 2 2 美匡l n r e l 涡流烧蚀热裂解反应器【4 刘 美国国家可再生能源实验室( n r e i ) 研制了涡流烧蚀热裂解反应器( v o r t e xr e a c t o r ) ， 该反应器内有一个直径01 3 m 长0 7 m 的管，反应器正常运行时，生物质颗粒需要用速度 为4 0 0 m s 的氮气或过热蒸气流引射，由切线进入反应管，生物质在此条件下受到高速离 心力的作用，使生物质颗粒在受热的反应器壁上( 6 2 5 。c ) 高度烧蚀，烧蚀的颗粒留在 反应器壁上的生物油膜迅速蒸发，没有转化的生物质颗粒可以通过特殊的固体循环回路 循环热解。据估计生物质颗粒达到完全转化需要的循环次数为1 5 次。该反应器的加工能 力为5 0 k g h ，生物油产率为5 5 ( 以木材的干基重量计) 。 图1 - 3n r e l 的涡流烧蚀反应器 f i g1 - 3s c h e m a t i co f n r e lv o r t e xa b l a t i v er e a c t o r 7 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 12 23 荷兰t w e n t e 大学旋转锥反应器【4 5 】 荷兰t w e n t e 大学反应器工程组及生物质技术集团( b t g ) 1 9 8 9 年开始研发第一套旋 转锥反应器，加工能力为o k g h 。生物油的最高产率可达到生物质无灰干重的7 0 ，后 来在u n d p 的资助下研制建造了一套加工能力为5 0 k g h 的旋转锥反应器生物质闪速热裂 解实验设备，并于1 9 9 5 年运抵并安装在沈阳农业大学“中国东北寒冷地区综合能源示范 基地”【1 2 1 。工艺流程如图1 4 ： 生物质料斗 图1 - 4t w e n t e 大学和b t g 的旋转锥反应器 f i g1 r 4s c h e m a t i c o f r o t a r yr , o n e o f t w e a t e t m i v e r s 埘a n d b t g 在该装置中，生物质闪速热裂解反应器由一对旋转的外锥和静止的内锥组成，外锥 顶角9 0 。，最大直径为6 5 0 m 。反应进行时，载热砂体在砂箱中已被预热，生物质颗粒 与过量的载热砂体一起喂入反应器旋转外锥的底部，当生物质和砂子的混合物沿着炽热 的锥壁螺旋向上传送时，生物质发生转化。砂子通过反应器后流入反应器下面的相同的 另一个砂箱中，裂解产生的炽热气体流出反应器后经旋风分离器除去固相物质进入冷凝 器，气体中的生物油组分被冷凝，形成生物油。正常情况下，该反应器产率可达6 0 。 12 2 4加拿大e n s y n 循环流化床反应器 加拿大e n s y ne n g i n e e r i n g ( e n s y ni no t t a w a ，c a n a d 酊研制了上流式循环流化床反应器 ( u p f l o wc i r c u l a t i nf l u i db e dr e a c t o r ) ，具体尺寸参数没有报道，其操作条件是：以杨木 为原料为例，反应温度6 0 0 。c ，加工能力为l o o k g h ，生物油产率可达6 5 。 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 生 图1 - 5e n s y n 循环流化床反应器 f i g1 - 5s c h c a m t i co f e n s y nc i r c o l a t i nf l u i db e dl 自t c t o r 气 侏 循 环 12 2 5 加拿大真空多炉床反应器【4 7 】 加拿大拉瓦尔大学( u n i v e r s i t yo fl a v a l ，q u e b e cc a n a d a ) 开发的生物质真空多炉床 反应器，由6 层直径为0 7 的加热炉床叠放在一起，总高度可达2 m ，其工艺流程图如图所 示i - 6 生物质从反应器顶箱给入，在重力和每个床中的刮削器作用下向下运送。顶部炉 床温度2 0 0 。c ，从上至下温度逐渐增加，到反应器底部时温度达4 0 0 。c ，达到最大的生物 油产量，如果生物质被完全转化，那么底床内只有从反应器中夹带的炭，通过真空泵使 反应器内的压力保持在l k p a ，使产生的有机气体在反应器中的停留时间非常短，能有效 的抑制生物油的裂化反应。该装置的加工能力为5 0 k g n a ，在3 0 k g h 的给料速率时生物油 产率最高可达6 5 。 气箱 图1 - 6l a v a l 大学真空多炉床反应器 f i g1 6s c h e m a t i co f v a c u u mm u l t i - f u n m c eb e d r e a c t o ro f l a v a lu i v 盯面吼q 【l e b e c ，c a n a d a 吉林农业太学硕士论文生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 表1 3 上述五种热裂解制取生物油装置的l 生能参数的对比【4 6 4 7 t a b l e l - 3 c o m p a r i s o n o f p e r f o r m a n c e p a r a m a t e r s o f t h e f i v e t y p e s p y r o l y s i ss e t f o r b i o o i la b o v e 温度( ) 压力( b a r ) 加工能力( k g h ) 生物质粒径( r a m ) 气相停留时间( s ) 产气率( 埘) 产油率( 州) 产炭率( 砒) 1 3本论文研究的主要内容 1 3 1生物质热裂躲制取生物油的工艺流程 根据生物质热裂解制取生物油的原理，参考国内外一些不同类型的生物质热裂解制 取生物油的工艺流程，确定了以流化床反应器为主体的生物质热裂解制取生物油工艺流 程。 1 3 2生物质热裂解制取生物油装置的设计研制 根据所确定的生物质热裂解制取生物油工艺流程，设计研制了生物质熟裂解制取生 物油试验装置。装置主体部分包括给料系统( 螺旋给料机) 、反应系统( 流化床反应器) 和产物收集系统( 冷凝器、旋风分离器等) ；装置辅助部分包括流化风和生成物气体的 进、排气系统，冷却水的迸、排水系统及控制系统。 1 4本研究的意义与实用价值 我国农、林剩余物非常丰富，开发研制生物质热裂解装置制取生物油有很大的市场 潜力。随着化石能源的不断消耗，生物质热裂解制取生物油作为一种能源的储备技术， 有很好的发展前景。 国外已经有很多组织将生物质热裂解制取生物油技术进行推广来商业化生产4 9 1 。我 国在生物质热裂解制取生物油方面的研究起步较晚，各种热裂解液化装置都处在实验室 l o 似如m o h ：2 甜 渤 如 眈 ”：。 m 伽 他2 2 加伯 m 澎 如 ， 。 ” 竹 m 湖 如m 如 加 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 研究阶段，至今还没有生物质热裂解制取生物油进行商业生产的报导。本文研究的流化 床反应器生物质热裂解制取生物油装置是目前国内同类研究中加工能力最大的装置。装 置的设计研制过程中，力求具有尽可能高的放大潜力，为今后的进一步放大设计和进行 商业化运行奠定了基础。 1 5本章小结 1 阐明了生物质热裂解制取生物油的原理、开发和利用生物质能源的必要性。 2 总结了生物质热裂解制取生物油的国内外研究的现状，对五种典型的生物质热 裂解制取生物油装置进行了反应原理和性能参数等方面的比较。 3 介绍了本研究的主要内容和意义。 吉林农业大学硕士论文生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 第2 章生物质热裂解制取生物油的工艺流程设计 2 1装置主要部分的选型 生物质热裂解制取生物油试验装置的主要部分包括给料系统、反应系统和产物收集 系统。 2 1 1反应系统 生物质热裂解带4 取生物油装置的核心系统是反应器。在第一章的论述中可以看出， 流化床反应器是生物质热裂解制取生物油技术研究发展的一个主要方向。这是因为与其 他类型的反应器相比，流化床反应器制造工艺比较成熟【l ，应用较广泛，它能提供很高 的加热速率和相对均匀的反应温度，同时快速流动的载气便于一次产物迅速析出，气相 停留时间短，温度控制易实现，产油率高，易操作，简单实用。因此，在本研究中，我 们确定采用流化床作为生物质热裂解制取生物油的反应器。 2 1 2给料系统 给料系统( 原料输送装置) 应为生物质热裂解流化床反应器提供均匀稳定的反应原 料，保证生物质热裂解制取生物油系统顺利的运行。生物质颗粒的表面不光滑且形状不 规则，尤其软木木屑表面存在很多毛刺，颗粒相互之间及与其他物体表面的粘着性往往 较强，从而导致木屑等生物颗粒的流动性很差。根据生物质原料的特往和本研究中的工 艺要求，参考以往研究中所取得的成功经验，我们确定采用螺旋给料器作为生物质原料 的输送装置，这是因为螺旋给料器具有以下特点：给料线性好，能够满足定量控制的场 合，容易调整容量，精度良好；可将机体作成密闭构造，能防止气体泄露和污染物的渗 入：在正压或微真空下也可使用：构造相对简单，旋转移动构件和轴承较少，操作方便， 可多点迸料，多点卸料等。 2 1 3 产物收集系统 产物收集系统包括冷凝器与分离器等。反应产生的高温混合气体流入冷凝器生物油 气迅速冷凝成生物油，不可凝气体从排气管流出。要求冷凝器的工作温度为：1 0 5 0 0 ；耐腐蚀，换热效果好。由于管壳式换热器应用极广，设计及制造水平比较高，已经 有了几个系列的设计标准。本设计即选择了管壳式换热器，用换热系数比较高的紫铜管 作为换热管【9 7 】，满足设计要求的工作温度，而且耐腐蚀、换热线性好。 根据反应器流出的气固混合物的物理、化学特性，我们选择了分离效果好、耐腐蚀、 耐高温、耐磨损的拉普尔普通型高温旋风分离器作为分离器。 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 2 2 工艺流程描述 选定了三大主要部分的装置类型后，参考国内外一些不同类型生物质热裂解制取生 物油装置的工艺流程，确定了以流化床反应器为主体的生物质热裂解制取生物油工艺流 程( 如图2 1 ) 。 霉 瓶 图2 1 生物质热裂解制取生物油系统及工艺流程 f i g2 - 1t i l ef l u i d i z e dr e a c t o rd e v e l o p e db yo u r s e l v e sa n di t sp r o c e s sf l o w 在本研究中，选用氮气作为惰性流化风，选用石英砂作为床料，反应生成的固 相产物主要是炭，液相产物为生物油，气相产物为裂解气、水蒸汽等。 整个反应系统借助气密性检查以保证热裂解反应器内的惰性气氛，并利用氮气瓶具 有压力来提供整个反应系统的压力。生物质热裂解所需的热量，主要由绕在流化床反应 器外螺纹管上的三根4 k w 电阻丝供应，其上有布景好的热电偶来监控反应器内的温度。 另外，旋风分离器和冷却器之间连接管处的温度需保证不低于3 5 0 ，以免挥发分在此 管内被提前冷凝。 该系统的工艺流程可从气相路径和固相路径进行描述：对于气相路径从氮气瓶出 来的氮气经分配箱被分流成四路，其中流量最大的主路氨气视情形可先预热，来提供流 化风，另外两路则作为下料风和播料风用来保证生物质原料顺利给入反应器，最后一路 则是通入料仓顶部用来保证其内的微正压和惰性气氛，最后四路氮气汇入反应器内，随 着生物质热裂解后生成的挥发分一起通过旋风分离器净化后进入冷凝器，绝大部分可冷 凝的气体挥发分( 称为生物油气) 冷凝得到生物油，流进集油瓶，不可冷凝气( 称为裂 解气) 或少量尚未冷凝下来的生物油气则与氮气一起排出；对于固相路径，生物质颗粒 以一定的给料速率被给入流化床反应器，热裂解后产生的残留物被向上运动的气流输送 到旋风分离器内被分离出来，落入集炭箱 5 2 1 。 吉林农业大学硕士论文 生物质热裂解制取生物油试验装置的研制 第3 章螺旋给料机的设计 螺旋给料器是生物质热裂解制取生物油系统中的生物质原料输送装置，它应为生物 质热裂解流化床反应器提供均匀稳定的物料，保证生物质热裂解制取生物油系统顺利的 运行。生物质颗粒的表面不光滑且形状不规则，木屑表面存在很多毛刺，颗粒相互之间 及与其他物体表面的粘着性较强，从而导致木屑等生物颗粒的流动性很差。在表征颗粒 流动性方面，休止角是反映散体流动特性的一个重要指标 5 1 l 。 3 1螺旋给料机的特点 ( 1 ) 给料线性好，能够满足定量控制的场合，容易调整容量，精度好； ( 2 ) 可将本体作成密闭构造，可防止气体泄露、污染物渗入； ( 3 ) 在正压或微真空下也可使用； ( 4 ) 构造简单，旋转移动构件和轴承较少，管理操作方便，可多点进料，多点卸 料f 5 2 l 。 3 2 螺旋给料机的工作原理 螺旋给料器俗称绞龙，它是靠带叶片的 轴旋转产生轴向推力将物料向前推进，从而 实现输送的目的。 在水平输送的螺旋输送机料槽内部，物 料的充满程度不到螺旋截面积的一半，因 此，物料被螺旋面推动的区域是在料槽的底 部，并且侧向转动的一侧成为母l 角状态。螺 旋叶片推动物料时，物料在料内所遇到的阻 力除去有物料本身重力所形成的阻力外，还 有物料对料槽内表面的摩擦阻力和物料与 螺旋表面发生较小的摩擦阻力，所以物料的 图3 1 螺旋断面内物料的运动 f i g 3 - 1t h em o v e m e n to f m a t e r i a li nh e l i xs e c t i o n 运动除去向料槽卸料处推进的轴向运动外，还具有横向圆周方向的运动。当物料在横向 圆周运动中达到一定角中1 后，