生物质流化床热裂解加热系统设计.doc

I 广广 西西 工工 学学 院院 毕业设计说明书毕业设计说明书 生物质流化床热裂解生物质流化床热裂解 加热系统设计加热系统设计 DESIGN ON HEATING SYSTEM OF BIOMASS FLUIDIZED BED PYROLYSIS 系 别 生物与化学工程系 专 业 化学工程与工艺 4 年 班 级 072 班 学 号 200700601049 姓 名 覃 杨 鸿 指导教师 谢 清 若 二 一一年 五 月 三十 日 II 摘 要 本设计是南宁六景工业园 生物质热裂解制备生物油 项目的一部分 南宁地区 农林剩余物非常丰富 开发本项目有很大的市场潜力 通过热裂解能够将生物质转化 为高品质 高能量密度 清洁的液体燃料 有利于提高该地区农村生物质能的利用率 改善能源生产和消费结构 广西生物质热裂解制备生物油项目开发起步较晚 至今没有生物质热裂解制备生 物油工程设计和商业化生产的相关报道 基于大量的试验研究 又针对具体问题对流 程 工艺 装置等加以改进 设计了生物质热裂解制备生物油的加热系统技术参数 确定了三大部分 反应系统采用流化床反应器 等离子体为主加热系统 电阻丝加热 为辅助加热系统 详细地进行这些系统的选型和设计计算 自行设计了流化床反应器 的温控装置 该技术设计的完成 期望能对生物质热裂解制备生物油提供实践上的指 导 本设计的结果是 加热系统的等离子机功率为 32kw 电阻丝功率为 15 kw 加热 速率为 1200 s 本设计的结果是 等离子机功率为 关键词 生物质 热裂解 加热系统 等离子体 电阻丝 设计生物质 等离子体 加热系统 设计 III Abstract This research is a part of the project subsidized by industry zone of Nanning Liujing suburbs named as Preparation of Bio oil by Pyrolysis from Biomass The agriculture and forestry remainder in Nanning district are abundant so it has a great mark potential to develop the bio oil project Biomass can be changed into clean liquid fuel of high quality high density of energy by pyrolysis Not only it could enhance the efficiency of biomass energy in rural but also improve energy production and consumption structure The project development of preparation of bio oil by pyrolysis from biomass is starting later in Guangxi there have none report about engineering design and consumptive production about it Based on experimental investigation technological process technology and device were designed better in order to improve some defects Technological process of heating system was designed of preparation of bio oil by pyrolysis from biomass three units of design task in the project fluidized bed reactor as the reaction system plasma generator as the primary heating system resistance wire as supplementary heating system And the type of main part of technological process was determined according to the enumerative process of reaction system primary heating system and supplementary heating system The auto control heating system was also designed The design expected that it could offer the practical conduct to develop the biomass pyrolysis The results show that the plasma heating system unit power resistance wire power and the heating ratio is 32 kw 15 kw and 1200 s respectively The results show that the article b c is 33 44 55 respectively The results of design are as follows pyrolysis temperature at 519 vapor residence time in 2 05 s and the particle size of 0 18 mm Keyword Biomass thermal cracking Heating system plasma heatingwire DesignBiomass sawdust Heating system Design IV 目目 录录 1 1 绪绪 论论 1 1 1 生物质能 1 1 2 松木资源概况及其理化性质 2 1 2 1 资源概况 2 1 2 2 理化性质 2 1 2 3 木材的传热特征 3 1 3 加热方式的介绍 3 1 3 1 电加热 3 1 3 2 微波加热 3 1 3 3 红外线加热 3 1 3 4 感应加热 4 1 3 5 等离子加热 4 1 4 常用的生物质热裂解的加热方式 4 1 5 本设计的选题背景和主要内容 5 1 5 1 课题选题背景 5 1 5 2 主要研究内容 5 1 6 本章小结 5 2 2 生物质热裂解热能供给方案确定生物质热裂解热能供给方案确定 6 2 1 热量传递过程 6 2 2 生物质热裂解加热速率 6 2 3 加热系统的确定 6 3 3 热能供给系统的基本构成热能供给系统的基本构成 8 3 1 生物质热裂解工艺流程 8 3 2 加热系统的基本构成 8 3 2 1 等离子体加热部分 9 3 2 2 电阻丝加热部分 9 3 2 3 保温部分 9 3 2 4 控温部分 9 4 4 工艺计算及主要设备计算与选型工艺计算及主要设备计算与选型 10 4 1 工艺计算 10 4 1 1 物料衡算 10 V 4 1 2 能量衡算 11 4 2 设备计算及选型 13 4 2 1 流化床选择 13 4 2 2 加热系统热强度计算 15 4 2 3 等离子机 16 4 2 4 电阻丝 17 4 2 5 控温器的选择 17 4 2 6 保温材料的选择 18 5 5 车间平面布置车间平面布置 20 5 1 车间布置设计原则 20 5 2 布置形式 20 6 6 非工艺专业设计非工艺专业设计 21 6 1 厂房建筑 21 6 1 1 地基选择 21 6 1 2 墙体的选择 21 6 2 厂房的建筑结构 21 6 3 变配电及电气设计 22 6 3 1 变配电选择 22 6 3 2 电气设计 22 6 4 给排水设计 23 7 7 技术经济分析技术经济分析 24 7 1 总论 24 7 2 市场分析与预测 24 7 2 1 与国内外同类产品或技术的竞争分析 24 7 3 原材料与动力供应 25 7 4 建厂条件和厂址选择 25 7 5 工程项目设计 25 7 6 环境保护与 三废 治理 26 7 7 生产规模和产品方案 26 7 8 生产机构 人员配备和劳动培训 26 7 9 投资估算与资金筹措 27 7 10 生产成本预算 28 8 8 结论与展望结论与展望 30 VI 8 1 结论 30 8 2 展望 30 9 9 参考文献参考文献 31 10 10 致谢与体会致谢与体会 33 11 11 附录附录 34 11 1 主要符号表 34 11 2 主要工艺设备一览表 34 1 1 绪绪 论论 1 1 1 生物质能 1 1 2 松木资源概况及其理化性质 2 1 2 1 资源概况 2 1 2 2 理化性质 2 1 2 3 木材的传热特征 3 1 3 加热方式的介绍 3 1 3 1 电加热 3 1 3 2 微波加热 3 1 3 3 红外线加热 3 1 3 4 感应加热 4 1 3 5 等离子加热 4 1 4 已用于生物质热裂解的加热方式 4 1 5 本设计的选题背景和主要内容 5 1 5 1 课题选题背景 5 1 5 2 主要研究内容 5 1 6 本章小结 5 2 2 生物质热裂解热能供给方案确定生物质热裂解热能供给方案确定 6 2 1 热量传递过程 6 2 2 生物质热裂解热能供给速率 6 2 3 加热系统的确定 6 3 3 热能供给系统的基本构成热能供给系统的基本构成 8 3 1 生物质热裂解工艺流程 8 3 2 加热系统的基本构成 8 3 2 1 等离子体加热部分 9 3 2 2 电阻丝加热部分 9 VII 3 2 3 保温部分 9 3 2 4 控温部分 9 4 4 工艺计算及主要设备计算与选型工艺计算及主要设备计算与选型 10 4 1 工艺计算 10 4 1 1 物料衡算 10 4 1 2 能量衡算 11 4 2 设备计算及选型 13 4 2 1 流化床选择 13 4 2 2 等离子机 16 4 3 电阻丝 17 4 3 1 电阻丝加热高度的计算 17 4 4 控温器的选择 17 4 5 保温材料的选择 18 4 5 1 保温层厚度的计算 18 5 5 车间平面布置车间平面布置 20 5 1 车间布置设计原则 20 5 2 布置形式 20 6 6 非工艺专业设计非工艺专业设计 21 6 1 厂房建筑 21 6 1 1 地基选择 21 6 1 2 墙体的选择 21 6 2 厂房的建筑结构 21 6 3 变配电及电气设计 21 6 3 1 变配电选择 22 6 3 2 电气设计 22 6 4 给排水设计 23 7 7 技术经济分析技术经济分析 24 7 1 总论 24 7 2 市场分析与预测 24 7 2 1 与国内外同类产品或技术的竞争分析 25 7 3 原材料与动力供应 25 7 4 建厂条件和厂址选择 25 7 5 工程项目设计 26 VIII 7 6 环境保护与 三废 治理 26 7 7 生产规模和产品方案 26 7 8 生产机构 人员配备和劳动培训 27 7 9 投资估算与资金筹措 27 7 10 生产成本预算 28 8 8 结论与展望结论与展望 30 5 1 结论 30 5 2 展望 30 9 9 参考文献参考文献 31 10 10 致谢与体会致谢与体会 33 11 11 附录附录 34 8 1 主要符号表 34 8 2 主要工艺设备一览表 34 1 1 绪 论 1 1 生物质能 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 它是自 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 可再生资源 最常 见的有农业加工剩余物 林业加工剩余物 水生生物和城市有机垃圾等 2 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 3 的热值 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 4 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 120 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 14 5 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 6 7 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 生物质是唯一可以转化为液体燃料的可再生资源 8 从化学的角度上看 生物质的 组成是 C H O 的化合物 大体与常规的矿物能源如石油 煤等是同类 煤和石油 都是生物质经过长期转换而来的 所以它的特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似 性 可以充分利用已经发展起来的常规能源技术开发利用生物质能 这也是开发利用 生物质能的优势之一 将生物质转化为液体燃料不仅能够弥补化石能源的缺乏 而且 有助于保护生态环境 即使生物质能在深加工开发利用中存在一定的难度 比如成本 问题 但是作为能源战略考虑而进行的技术开发 实验研究和小规模试产是目前的热 点问题 在战略上说 开发生物质能具有高度的战略意义 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源 它仅次于煤炭 石油和天然气 位居 世界第四大能源 在整个能源系统中占有重要地位 生物质能将成为可持续能源系统 的重要组成部分 到 21 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 40 以上 我国是一个人口大国 又是一个经济迅速发展的国家 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 开发利用以生物质能为 2 代表的可再生清洁能源 对实现国民经济可持续发展和环境保护具有重要意义 发展生物质经济可以根除有机污染 将作物秸秆 畜禽粪便 林产废弃物 有机 垃圾等农林废弃物和环境污染物为原料 使之无害化和资源化 将植物蓄存的光能与 生物质资源深度开发和循环利用 发展生物质经济可以减轻化肥污染 8 用生物质肥料 和饲料逐步替代化学肥料和粮食饲料 是减轻化肥污染 减轻粮食生产对环境压力的 根本途径 我国有九亿多人口生活在农村 占农村居民生活用能的 70 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 1997 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 续发展有重意义 此外 开发利用生物质能对我国农村经济具有特殊的意义 生物质 能技术的发展 为广大农村地区提供生活和生产能源 可以帮助农村地区脱贫致富 实现小康生活的目标 构建社会主义和谐社会 1 2 松木资源概况及其理化性质 1 2 1 资源概况 我国松木资源丰富 松木的种类 面积 蓄积量和年采伐量均居世界前茅 据统 计 松木是我国蓄积量最大 分布区域最广 人工林面积最多的一个针叶树种 9 南方 以马尾松 湿地松 油松和南亚松为主 北方则主要是落叶松 樟子松 红松和白松 在南方的 15 个省区内 松木蓄积量占森林总蓄积量的 50 目前 我国可采伐松木面 积为 1284 6 万 hm2 全国年产木材量较大 效益相当可观 1 2 2 理化性质 新鲜松木木材的含水率 10 一般在 60 以上 最高可达 120 平均为 70 80 绝干的松木密度一般为 0 64 0 95 g cm3 松木木材是天然高分子聚合物 11 主要由纤维素 木质素和半纤维素构成 应当 指出的是 和其他植物基生物材料类似 纤维素 木质素和半纤维素在松木中的分布 并不均一 各种组分的含量都与取样部位 松种 松龄 产地等因素密切相关 研究 表明 松木木材的基本元素组成以 C H O 为主 松木屑的成份分析如表 1 1 和表 1 2 所示 表 1 1 松木屑的工业成份分析 12 样品名水分 挥发分 灰分 固定碳 松木867520 表 1 2 松木屑的干基成份分析 13 样品名抽出物 木质素 纤维素 半纤维素 3 松木18 25820 52448 04813 170 1 2 3 木材的传热特征 木材颗粒在加热过程中 流动性较差 容易粘结成团 而且其传热系数低 一般 设计要求热裂解具有极高的加热速率 才能获得良好的传热效果 对于加热传热系数 低的原料 加热方式要求较高 针对生物质没有较好的传热特征 所以本设计在相关 研究基础上 对生物质热裂解过程的加热方式进行有针对性的设计 1 3 加热方式的介绍 常规的加热方式有 电加热 微波加热 红外线加热 感应加热 等离子加热等 各种加热方式有不同的优缺点 1 3 1电加热 电加热是最常见的一种加热方式 一般是指电阻炉加热 这类电阻炉所用的电热 元件 大部分为金属丝绕制成螺旋状 或带状 电热体 电热体主要是布置在炉内四壁和 炉底 也有配置在炉顶上的 螺旋状电热丝多是嵌在耐热绝缘的炉壁上的凹槽内 只 有不到一半的传热面直接面向被加热的物体 也就是说有一半以上的功率用来加热炉 壁 借高温的炉壁来辐射热能 14 电阻炉加热的优点是能源供应方便 结构紧凑 控温简单 便于安装维护 无污 染 它的缺点是加热速率小 1 3 2微波加热 微波加热 15 是通过被加热体内部偶极分子高频往复运动 产生 内摩擦热 而使 被加热物料温度升高 不需任何热传导过程 就能使物料内外部同时加热 升温 加 热速度快且均匀 仅需传统加热方式的几分之一或几十分之一就可达到加热的目的 微波加热的优点是不需对炉体加热 没有额外热量消耗 可最大限度地提高能源 利用率 而且加热速度高 但是它加热的适用场所有一定的局限性 1 3 3红外线加热 红外线加热 16 是利用电磁辐射热传递原理 以直接方式传热而达到给物体加热的 目的 红外线加热是否有效 主要取决于被加热物体的吸收程度 吸收率越高 红外 线辐射效果就越好 而吸收率取决於被加热物质的类别 表面状态 红外线辐射源的 波长等 物质反射的辐射能量与入射能量的比值叫反射率 不同材料和不同表面状况 的反射率各不相同 物质透过的辐射能量与入射能量的比值叫穿透率 穿透率随材料 的性质及厚度不同而变化 不同材料的有效穿透范围也不一样 通常把非透明材料的 穿透率看作零 一般金属晶体十分緻密 透过表面的电磁辐射能在很短的距离内迅速 衰减 因此热辐射对金属的穿透深度在微米数量级上 红外加热有强穿透力 不需要热传介质传递就可以使加热物体内外同时加热 热 效率高从而节省能源 同时它的加热过程干净 安全 容易操作 和微波加热一样 4 红外加热的适用场所有一定的局限性 1 3 4感应加热 感应加热 17 是根据涡流的热效应加热原理 交变电磁场对于其中的金属内部的自 由电子施加洛仑兹力或感生电场力 自由电子在力的作用下高速旋转形成涡流 从而 产生焦耳热而达 到加热目的 与传统的加热方法相比 感应加热具有诸多优点 加热温度高 而且是非接触式 加热 加热效率高 节能 加热速度快 被加热物的表面氧化少 温度容易控制 可 以局部加热 容易实现自动控制 加热均匀 但是感应加热对非金属物体的加热有很 大的局限 1 3 5等离子加热 等离子加热 18 是利用工作气体 如氩气 氮气等惰性气体 电离形成等离子体的 高温和等离子体中自由电子与正离子复合时释放的能量进行的加热 等离子加热需要在惰性气体的环境才能进行 合适对惰性气体进行加热 也可以 通过先加热气体而把热量传递给需加热的物体 它的优点是可以瞬间使惰性气体达到 几千甚至几万摄氏度 对生物质有极强的热穿透力 可以活得较高的传热速率 它的 缺点是必须在有惰性气体环境下才能实现 有很大的局限性 1 4 已用于生物质热裂解的加热方式 常用的生物质热裂解的加热方式 生物质在隔绝氧气和 450 500 温度条件下 快速热解获得生物油的工艺要求高 效的加热速率 目前 一些主要的热裂解装置使用的热能供给方式见表 1 3 表 1 3 国外快速热解反应技术状况 开 发 单 位反应器类型生产能力 kg h 1加热方式 UFW Spain 流化床200丙烷燃烧 热循环气 BTG Netherlands 旋转锥反应器50反应器壁加热 Ensyn Canada 循环流化床40炭气化后的热量加热 Dynamotive Canada 循环流化床1500热解生物质产品燃烧 RTI Canad 流化床20反应器壁加热 NREL USA 涡流烧蚀20反应器壁加热 CRES Greece 循环流化床10炭化热量对砂子加热 Uni Of Astion UK 烧蚀盘5反应器壁加热 BFH IWC GERmany 流化床5热砂加热 以上的加热方式多数为电热体直接加热 也是较为成熟的热能供给方式 1999 年 山东工程学院成功开发了等离子体快速加热生物质热解技术 并首次在国内利用实验 室设备热解玉米秸粉制出了生物油 等离子体具有对生物质极强的热穿透力 可以活 得较高的传热速率 经众多的中试实验表明该加热方式是可行的 在加热系统内 常常使用砂子为载热体 以克服生物质传热系数低的缺点 保证 5 生物质颗粒迅速获得外界热量 由于砂子的热容是相同体积气体的 103倍 当它与粉碎 为细分的生物质颗粒直接接触时 可实现很高的传热速率 103 s 以上 和极短的反应 停留时间 同时 携有 1 2 焦炭的砂子颗粒流入另一个流化床中通过空气燃烧将 焦炭除去 燃烧所产生的热量则可由砂子重新进入反应器与生物质混合时 提供给强 吸热的裂解反应 1 5 本设计的选题背景和主要内容 1 5 1 课题选题背景 结合我国石油短缺 能源消耗大 可再生资源少的国情 从而作为一种可再生能 源 生物质快速裂解为生物油成为了一种提供新能源的方式 开发生物质快速裂解成 生物油的技术意义非凡 加热系统作为整个生物质快速裂解成生物油工艺的一部分 它的优劣直接影响生 物油的质量和能耗 还会影响环境 目前 已用于生产的生物质快速裂解供能系统大 多停留在常规的加热系统 还存在能耗大 加热速度慢等缺点 本文 生物质流化床热裂解加热系统设计 其目的就是设计出一套优质的加热系 统 给生物质快速热裂解营造低能耗 清洁的加热环境 为促进生物质快速裂解技术 的发展提供支持 1 5 2 主要研究内容 1 依据国内外生物质快速裂解加热方式的现状 进行分析和总结 确定本课题 的设计方案 2 进行物料能量衡算 3 结合实际的生产需要 选择合适的设备 4 对生产车间进行合理的布置 5 进行经济预算分析 计算成本回收和预测未来发展 1 6 本章小结 本章的主要内容是介绍生物质能的特点 介绍生物质快速热裂解制取生物油的加 热方式状况以及一些特别的加热途径 并提出本课题的选题背景及其主要研究内容 6 2 生物质热裂解热能供给方案确定 2 1 热量传递过程 生物质热裂解是指在隔绝空气或者通入少量空气的条件下 利用热能切断生物质 大分子的化学键 使之转化为低分子物质的过程 生物质加热进行热裂解时 热量首 先传递到生物质颗粒表面 并由表面传递到颗粒的内部 热解过程由外向内逐层进行 生物质颗粒被加热成分迅速分解成木炭和挥发分 生物质热裂解过程如图 2 1 所示 生物质生物油生物油 颗粒边界层 气体 炭 气体 图 2 1 生物质热裂解过程示意图 脱水阶段 室温 100 在这一阶段生物质只是发生物理变化 依赖外部的热能供 给使生物质失去水分 热解阶段 100 380 在这一阶段生物质在缺氧的条件下受热 分解 并随着温度的不断升高 各种挥发组分相应析出 原料发生大部分的质量损失 炭化阶段 400 在这一阶段发生的分解反应非常慢 产生的质量损失比第二阶段小 得多 该阶段 C C 键和 C H 键的进一步裂解需要大量的热量 2 2 生物质热裂解热能供给速率生物质热裂解加热速率 相对于传统裂解 生物质快速热裂解采用超高加热速率 102 104K s 本设计采用 的加热方式 要求达到 10500 s 的加热速率 2 3 加热系统的确定 鉴于前面所述的几种加热方式的优缺点 结合生物质快速裂解所要求的无氧环境 和快速升温要求 总结已使用的生物质热裂解加热方式状况 本设计确定以等离子为 主要加热源和电阻丝辅助加热源组成的加热系统 该加热系统的等离子是等离子机对气体进行电离得到的能够由自由运动并相互作 用的正离子和电子组成的混合物 在实际的热等离子体发生装置中 阴极和阳极间的 电弧放电作用使得流入的工作气体发生电离 输出的等离子体呈喷射状 调节电流可 得到 900 1900 的 N2气流 加热速率从 1000 10000 s 连续可调 高温的 N2气 7 流从反应管底部通入 不但提供了热解需要的热量 而且 N2又可作为流化气体 因此 无须对流化气体进行预热 简化了结构 热电阻丝作为辅助热源在反应器外螺旋状缠 绕供热 通过温控仪的通断控制保持反应区恒温 8 3 热能供给系统的基本构成 3 1 生物质热裂解工艺流程 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 本设计的热能供给系统的核心部分就是流化床的热能供给系统 其流程图如 下 FI FI P P T PT P T P P 1 2 3 4 5 6 7 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 去 回 收 罐 图 3 1 生物质闪速热裂解系统 1 氮气储罐 2 5 11 16 19 29 压力表 3 6 9 22 25 26 阀门 10 15 27 玻璃温度 计 4 气体缓冲罐 7 螺旋进料器 12 24 转子流量计 13 流化床反应器 14 控温仪 17 集炭器 18 气固分离器 20 金属管冷凝器 21 生物油收集器 23 过滤器 3 2 加热系统的基本构成 加热系统在整个装置中看似简单 但因为流化床反应器是生物质快速热裂解装置 的关键设备 而加热系统集成在流化床反应器上 它的技术含量很高 可以说没有高 性能的加热系统就无法获得生物油 通常其基本构成有四个部分 等离子加热部分 电阻丝加热部分 保温部分 控温部分 其简单结构图如下图 3 2 9 图 3 2 等离子体加热流化床反应器结构示意图 3 2 1 等离子体加热部分 该部分由惰性气体供应和等离子机组成 而惰性气体供应由氮气储罐和气体缓冲 罐组成 氮气储罐和缓冲罐的容积大小则是自行设计并由制造商生产 等离子机包括 等离子主机和等离子枪 氮气经过等离子主机的电离成为高温的等离子气体 从等离 子枪喷出 作为流化气体的等离子氮气 可以直接与硫化床内的木屑接触 进行加热 3 2 2 电阻丝加热部分 该部分的组成是电阻丝 它均匀地绕在流化床反应器反应区段的外壁上 作为辅 助加热源 电阻丝加热能保持反应区内的温度 让反应器内加热均匀 而且在一定程 度上可以补充流化床反应器的热损失 3 2 3 保温部分 该部分是由保温材料制成的两个半圆柱壁膜 两个半圆柱壁膜边缘装有组合扣子 扣上扣子后两个壁膜就形成一个完整的圆柱筒 圆柱筒的内径就是加上电阻丝后整个 反应器的外径 装上保温膜后 保温膜完全围住反应器 3 2 4 控温部分 该部分由感应热电偶 温度显示仪表 40 段程序温度控制器 玻璃温度计组成 10 4 工艺计算及主要设备计算与选型 4 1 工艺计算 设计的基础数据 单台流化床年处理松木屑 800 吨 设计年工作天数为 300 天 每天 24 个小时 计算得单位时间处理量 hkgw 1 111 24300 1000800 产品方案 生物油产率为 55 年产量kgB4400001000800 55 主要原材料来自木材加工企业 要求木屑干基含水率小于 10 粉碎细度 80 目 4 1 1 物料衡算 物料衡算范围 松木屑 氮气 不可冷凝气 可冷凝气 硫化床 反应器 氮气 图 4 1 反应工段物料衡算示意图 生物质在流化床反应器中所发生的化学反应 19 如下 生物质热裂解反应 即是指固体燃料在初始加热阶段的脱挥发分或者热分解 反 应从 100 左右开始 在几秒内完成 高温热裂解条件下时间甚至更短 20 在 500 600 内热裂解反应最为剧烈 裂解出生物油 生物质和 CO CO2 CH4 H2 11 等气体 19 其化学反应方程式如下 22 500 HHCCOCO yx 生物质炭生物油生物质 贫氧 氧化反应 主要是流化气体中少量的氧和生物质中的碳发生的反应 并放出热量 供给干燥 热裂解和还原反应 21 其化学反应式如下 22 COOC COOC22 2 还原反应 在没有或者贫氧的条件下 在氧化反应中生成的 CO2与碳和水蒸气发 生还原反应 并吸收一部分热量 其化学反应式如下 2COCOC 2 22 HCOCOH 222 2HCOCO2H 反应工段物料衡算计算 经计算得 木屑的输入量 hkgw 1 111 流化气体 氮气的输出量 12 51 kg h 可凝气体的输出量为 111 1 55 61 11 kg h 生物质炭的输出量为 111 1 25 27 78 kg h 由于不可凝气体的组成难以确定 在计算不可凝气体输出量时可按含量最高的组 分估算 而不可凝气体中 CO2的含量最高 因此 不可凝气体的输出量为 111 1 20 22 22kg h 反应工段物料平衡表 如表 3 5 所示 表 4 1 反应工段物料平衡表 输入物料量 kg h 1输出物料量 kg h 1 竹粉木粉111 1 流化气体 氮气12 5112 51 可凝气体61 10 不可凝气体22 22 生物质炭27 78 总计123 61123 61 4 1 2 能量衡算 根据能量守恒定律可知 木屑从常温加热到裂解时所需热能等于等离子气体加热 提供的热能与电阻丝加热提供的热能之和减去所损失的热能 木屑从常温加热到裂解所需热能为 Q 根据升温热量计算公式 22 2111 TTcmQ ps 式中 松木屑的质量流量 1s mhkg 常温下松木屑的比热容 1p c kkgkJ 常温下松木屑的温度 1 TK 裂解反应的温度 2 TK 12 取常温温度为 25 裂解反应温度为 500 代入数据计算 kwTTcmQ ps 79 36 2111 等离子带进热量为 Qs 等离子机的工作功率为 28 kwKw 等离子带入热量 pQs 式中 为等离子气体带入的热量 s Qkw 为等离子机的工作功率 Pkw 热能转换系数 0 915 代入数据计算 kWQs62 25915 0 28 加热电阻丝带入的热量为 Q 电阻丝加热功率为 15kw 以 0 为衡算基准 加热电 阻丝带入的热量为 PQl 式中 电阻丝带入的热量 l Qkw 电阻丝的加热功率 Pkw 有效传热系数 0 896 带入数据计算 kWQl44 13896 0 15 系统总供应热能为 Q总 kw06 39 ls QQQ总 加热系统损失的热量为 2 27kw36 79 06 39 吸总损 QQQ 表 4 2 反应器能量平衡表 项目供给能量 kW消耗能量 kW 等离子供应热量25 62 电阻丝供应热量13 44 设备损失热量2 27 过程吸热36 79 总计39 0639 06 4 2 设备计算及选型 如上所述 加热系统集成在流化床反应器上的 所以在进行加热系统计算时必需 同时考虑其相关设备 13 4 2 1 流化床选择 流化床反应器是热裂解装置中最重要的部件 生物质快速或闪速热裂解工艺能最 大化生物油的产量 在满足生物质较细颗粒直径和气相产物较高冷却速率的条件下 生物质如何运动通过反应器以及如何将导热性很差的生物质迅速的加热至反应温度和 将气相产物快速析出 是选择和设计反应器的关键问题 理论上计算得到的生物质裂解气化的热量需求量 合理的流化床反应器结构参数 是影响热能强度和密度的一个关键因素 由于流化床能实现高的加热速率 较短的气相停留时间 温度控制方便简捷 炭 回收方便 投资低而且设计方法较为成熟 是目前最有发展潜力的热裂解制取生物油 的反应器之一 因此本研究选择流化床作为生物质热裂解制取生物油的反应器 流化 床通常由一圆形管和安装在其下端的布风室组成 在床中装有 1 5kg 37 的床料 石英砂 具有一定流速的流化气由床底布风室通入 通过布风板及固定层向上流动 使床料流 态化 4 2 1 1 流化床反应器设计的基本参数及要求 流化介质 石英砂 石英砂颗粒密度 堆积密度 3 65 2 cmg s 3 0 5 1cmg 砂粒平均直径 根据以往研究者的成功经验 选定反应温度 500 反mdp 300 应压力 整个流化过程 1 atmbar 反应器的生物质加工能力 110 kg h 设计计算中留有一定的设计裕度 此时加工能力为 111 1kg h 木粉的 平均直径 80 目 干木粉的容重 气相停留时间 1 s md 178 3 500 0 cmg 流化床类型 根据实验的性质和相关数据 选择柱行床 又根据流体与固体两相 流动的特征性 我们选定鼓泡床 4 2 1 2 2 工艺设计 基础物性数据 选择氮气为气体流化气体 根据文献 化工原理 23 查得 在 100kPa 500 下氮 气的粘度 氮气的密度 常温常压下氮气的密度sPa 5 10616 3 3 450 0 mkg f 根据计算近似求得 500 下 二氧化碳的密度 3 251 1 mkg 3 684 0 mkg 与加热系统相关的流化床关键数据的确定 一般来说 进气管的最大进气速度 U 选取 10 m s 流量的最大值 V 取 10 m3 h 进气温度为常温 则 氮气进气的体积流量 ms 1 251 10 12 51 kg h 计算确定的进气管的直径 3600 A V U s 式中 U 进气管的最大气速 m s Vs 空气的体积流量 m3 h A 进气管的截 14 面积 m2 则 3600785 0 10 10 2 1 D D1 0 019 mm 本设计的进气管直径为 19 mm 根据 Geldart 提出的颗粒通用分类方法可知 本系统的石英砂属于 B 类颗粒 临界流态化速度 Umf可由 Leva 关联式 当 其中 10Re mf f smfp mf Ud Re smUmf 050 0 经检验 Remf 0 187 10 计算合理 终端吹出速度 Ut 石英砂颗粒属于非球形颗粒的物系 当 2000 Ret 200000 smUt 800 1 式中 为颗粒当量体积球的表面积与颗粒实际表面积之65 1 88 4 31 5 3 v K v 比 其值为 0 75 24 经检验 终端吹出速度合理 20000039574Re f stp t Ud 最小鼓泡速度 Umb 当流化粒子 属于 B 类粒子 U mdp 300 mb Umf 0 050m s 最佳操作速度 U opt 计算阿基米德常数 Ar 278 241 2 3 f fsfp gd Ar 据此 Todes 的建议 23 911 2 22 58 1 Re f optfp opt Ud Ar Ar 经计算得 U opt 0 780m s 总的床层孔隙度 考查流化床起始孔隙度 对于大多数流化床系统来说 0 4 mf 0 5 故 本系统取 mf 0 5 那么总的床层孔隙度 90 0 1 05 1 mfmfmfopt mfopt UU U 气泡占据的份额 b 15 80 0 1 mf mf b 流化床直径的确定 D V 进入所选流化床的气体 氮气和热裂解气 其中不可冷凝气体按二氧化碳计算 流率 0 054m3 s 3600 2 co VVV V 裂解气氮气 总 3600 40 204125 43827 800 流化床直径 D 最佳操作速度的 opt U 209 93mm 780 0 141 3 2 054 0 4 2 4 opt U V D 总 圆整后 流化床直径为 210 mm 选用 108 6 高级热轧无缝钢管 扩大段直径的确定 扩 D 296 91 mm 780 0 141 3 054 0 44 opt U V D 总 扩 圆整后 取扩大段直径为 297 mm 选用 133 6 高级热轧无缝钢管 床高的确定 H 它是各段床高的加和 临界床高 Hmf 根据有关资料和试验研究规模 以床径为 210 00 mm 进行临界流 化床高的计算 Hmf Hmf 1 6D 336 mm 膨胀比 R 44 2 1 1 mf R 膨胀床高 Hf 819 84 mm mff RHH 圆整后 膨胀床高取为 820 00 mm 4 2 2 加热系统热强度计算 流化床加热段高度等于 Hf 820 mm 流化床直径为 210 mm 加热段外表面积 2 541 0 21 0 82 0 14 3 mdHA 颗粒直径 表面积 加热强度 A Q l 加热强度 l 16 总热量 Q 加热段表面积 A 代入数据得 2 13 68 541 0 79 36 mKJl 木粉的平均直径 80 目 木粉 Q A 颗粒的表面积为md 178 r A 28 2 2 10099 0 2 000178 0 14 3 44mrAr 每颗木粉颗粒接受的总热量为 rr AlQ 量为木粉颗粒接受的总热 r Q 加热强度 l 为木粉颗粒表面积 r A 又 21 TTcmQ prsrr 所以 rprsrr AlTTcmQ 21 代入数据可得木粉在流化床里的温度变化 s 600 21 TT Q Q A 表面积 2111 TTcmQ ps 由以上流化床选型计算可知 木粉颗粒在流化床里的停留时间为 1s 但实际上的 裂解时间比停留时间小得多 故取裂解时间为 0 5s 则流化床的加热速率为 s 加热速率 T1 T2 0 512005 0 600 tT 本设计得到的加热速率比木屑热裂解要求达到的加热速率大 完全符合设计要求 分离高度 TDH 根据 Horio 提出的关联式 74 0 exp 7 07 2 23 0 36 0 opt UDDDTDH 经计算得 TDH 为 1935 00mm 扩大段高度 H0 扩大段高度主要是根据过滤管或内旋风分离器的安装 检修的需要确定 对于本 设计中无需在反应器内安装这些部件 故扩大段高度取 150mm 流化床的总高 H H Hf TDH H0 2905 00mm 圆整后 流化床的总高取为 2905 00mm 气相停留时间 t 在流化床内的气相停留时间可看作单位时间内通过的气体体积与 流化床内气相容积之比 流化床气相容积 V 17 3 0 2 2 099 0 4 4 mHDHTDHHDV mff 扩 单位时间内通过流化床的气体体积为两部分组成 一部分为外部送给的气体体积 Vf 一部分为反应产生的气体体积 V0 0 008m3 3 3600 8 27mVf 0 046m3 3 0 3600 204 40438 125 mV 估算 V0 流化床内气体可看作生物质气与气态生物油组成 其成分十分复杂 以 500 时柴油与汽油的蒸气估算 25 取混合气体的密度为 0 57kg m3 0 54s VVVt f 0 结果满足气相停留时间小于 1 秒的设计要求 4 2 23 等离子机 等离子机是等离子加热部分主要的设备 在它的作用下 惰性气体变成高温的等 离子气体 进入到流化床反应器内 成为高温的流化气体 直接加热生物质 结合本 设计加热系统热能供给的需要 所选择的等离子机是常州海特锐切等离子设备有限公 司生产的 LDK 120S 等离子机 其参数如下表格 表 4 3 等离子机的参数一览表 型号LDK 120S 电源三相 380v 50Hz 额定功率 kw 32 工作电压 V 140 180 可调电流范围 A 无级调节 40 120 工作气体氮气 工作气体压力 MPa 0 55 0 65 工作气体流量 L min 120 150 喷出气体可调温度 500 10000 外形尺寸 长 宽 高 mm 800 630 930 重量 kg 280 18 19 4 2 43 电阻丝 作为加热系统的辅助加热源 电阻丝加热主要起到一个保温控温的作用 本设计 选用江苏环亚电热仪表有限公司制造的材质为 0Cr25A15 功率为 15kw 的电阻丝 其基 本参数如下表格 表 4 4 电阻丝参数一览表 牌号0Cr25A15 额定功率 kw15 工作电压 v380 线径 mm4 0 重量 kg7 5 每千克线长 kg m0 08922 主要化学成分Cr23 0 26 0 Ai4 5 6 5 Fe 余量 Re 适量 元件最高使用温度 1250 熔点 1500 密度 g cm37 10 电阻率 m 20 1 42 0 07 抗拉强度 Mpa637 784 延伸率 12 快速寿命 h 80 1300 比热 J g 0 494 导热系数 KJ m h 46 1 线胀系数 a 10 6 20 1000 16 0 硬度 HB200 260 4 23 14 1 电阻丝加热高度的计算 本设计采用的电阻丝为 15kw 它的总重量为 7 5kg 每千克线长为 0 08922m 因 此电阻丝的长度为 l mml 8 8406108922 0 5 7 已知硫化床加热段的直径为 210mm 故可知道流化床加热段的周长 L mmdL 8 13182 采取无间隙方式把电阻丝直接绕在流化床反应器上 根据电阻丝长度和流化床周 长关系可以算出电阻丝可绕的圈数 n 64 8 1318 8 84061 n 20 因此可得电阻丝加热高度 h mmdnh 0 2640 464 4 2 54 控温器的选择 控温器是确保整个加热系统反应温度稳定的重要部分 它可以准确地显示反应器 里各个部分温度的变化 当反应温度偏离所设定温度时 控温器就会自动地调节加热 系统 让温度回到设定的温度 并保持稳定 起到控温的效果 本设计要求的设备使用最高温度为 1000 台湾巨诺牌 VT26 FUZZY 增强型智能 温度控制调节器 其测量温度范围是 50 1250 精度等级 0 2 0 5 测量误差 0 5 符合设计要求 故选用该设备为本设计的温度控制器 4 2 65 保温材料的选择 为了减少热量损失 防止加热设备外露 保证操作环境安全 对流化床外壳进行 保温隔热十分重要 本设计选择了济南火龙耐火材料有限责任公司生产的 HLGX 512 硅酸铝