生物质能开发与利用第6次课.ppt

1 生物质能开发与利用 山东科技大学热能工程系王建伟 2 山东科技大学热能工程系王建伟 1 国内外的闪速热裂解装置现状2 典型的生物质闪速热裂解液化装置2 1引流床2 2真空移动床2 3烧蚀反应器2 4流化床2 5循环流化床2 6旋转锥 第6次课主要内容 3 1 国内外的闪速热裂解装置现状 国外 生物质闪速热解制取生物油技术的蓬勃发展从20世纪90年代初开始 随着试验规模大小的反应装置逐渐完善 示范性和商业化运行的快速热解装置不断地得到开发和建造 目前国外已研究开发出常规 快速 真空 闪速 流化床 固定床等十几种热解装置及相应的技术 有的已达到商业化生产阶段 表1 3比较详细地列出了欧美地区闪速热解技术正常运行的反应器类型 4 5 20世纪90年代中期 沈阳农业大学开展了国家科委 八五 重点攻关项目 生物质热解液化技术 的研究工作 引进荷兰Twente大学生产能力50kg h的旋转锥型热解反应器 浙江大学 中科院化工冶金研究所 河北环境科学院等近年来也进行了生物质流化床实验的研究 并取得了一定的成果 山东理工大学于1999年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 华东理工大学开发的循环流化床快速热解装置 处理量为5kg h 并对木屑材料进行了试验研究 1 国内外的闪速热裂解装置现状 国内 6 河南农业大学 可再生能源重点开放实验室 承担了国家计委项目 生物质能转换关键技术研究 并采用平行反应管热解微量原料制取液体油 东北林业大学生物质能工程中心 承担了十五国家863计划 集成式生物质多重闪速热解液化生产生物燃油新技术 和国家948项目 用废弃生物质快速生产生物燃油关键技术引进 自行设计了ZKR系列旋转锥式闪速热解反应器 并利用各种废弃生物质为原料在该装置上进行了热解实验 在理论分析方面和实验研究都做了很有成效的工作 此外 近几年中科院山西煤化所 清华大学 哈尔滨工业大学 上海理工大学也开展了实验室规模的相关研究 表1一4列举了近年来我国研究的几种主要反应器 1 国内外的闪速热裂解装置现状 国内 7 8 2 1引流床反应器早期的一些研究得出 要想获得较高的生物油产率 需要生物质颗粒呈旋转管式炉中的运动状态而不是呈固定反应床中的静止状态 此工艺就是建立在这一结论基础上于1980年开发出来的 1983年 工艺设备建立并完成 为了能在小规模试验厂的运转中更加深人地研究如何获得最佳产量的生物油 1985年建立了几个示范点 并对设备进行了一些较大的改进 直到1989年左右 这个反应器才成功运转 2 典型的生物质热裂解液化装置 9 丙烷与空气燃烧 产生的高温气体 927 与木屑混合 向上流动穿过反应器 在反应器中发生热裂解反应 反应生成的混合物包括不可冷凝气体 水蒸气 包括物料中的水和反应生成的水 生物油和木炭 引流床反应器工艺流程如图所示 物料干燥后粉碎至粒径为1 5mm左右 通过一个旋转阀门在重力作用下进入反应器 反应器是一个直径为152 4mm的不锈钢垂直管 物料喂入点是位于反应器下部的填有耐火材料的混合室 在这里 物料与吹入的气体充分混合 10 旋风分离器分离掉大部分的炭颗粒 剩余气体包括不可冷凝气体 水蒸气 生物油蒸汽和一些炭粒 高温的生成物进人到水喷式冷凝器中快速冷却 随后再进人空气冷凝器中冷凝 冷凝一下来的部分由水箱和接收器接收 气体产物经过两个相连的去雾器后 燃烧排放 生物油产率可达60 没有分离提纯的生物油是高度氧化的有机物 具有热不稳定性 温度高于185 195就会分解 11 2 2真空移动床真空移动床反应器工艺流程如图所示 反应在450 和总压力为15kPa的条件下进行 可以获得大量的生物油和具有良好表面活性的含碳固体产物 物料干燥和粉碎后在真空下导入反应系统 物料在两个加热的水平平板上传递 融盐混合物加热平板并使其温度维持在530 由热裂解生成的不可冷凝气体通人燃烧室燃烧 燃烧放出的热量用于加热盐 电感应加热器可以选择性地用于维持反应器的温度 12 加热时 生物质物料中的有机物部分分解为蒸汽 真空泵提供的真空状态迅速使其离开反应器 这些蒸汽导人两个冷凝设备 重油和轻油一同凝结为液态 剩余的固体产物在反应器出口冷却 反应生成35 生物油 20 水分 34 木炭和11 气体 13 2 3烧蚀反应床烧蚀热裂解是快速热裂解研究最深入的方法之一 Aston大学的这个烧蚀反应器结构新颖 进料速率为3kg h 已成功地由干物料生产出80 的生物油 现正在进行设备的放大烧蚀反应器工艺流程如图9 8所示 14 图9 8是实验室规模用于研发的烧蚀反应器简化设备 旨在用于研究反应机理和构思新设计 设备的主要工作原理是用外界提供的高压使生物质颗粒以相对于反应器表面的高速率 1 2m s 在不高于600 的反应器表面移动并裂解 生物质颗粒由一些成角度的叶片压入到加热的金属平面 并在热反应器表面水平运动 15 粒径达6 35mm的干燥的生物质颗粒通过密封的螺旋给料器 喂人到氮气清扫的反应器中 四个不对称的叶片以200转 min的速率旋转 产生了传递给生物质的机械压力 将颗粒送人加热到600 的反应器底部表面 叶片的机械运动使颗粒相对于热反应器表面高速运动并发生热裂解反应 产物随着氮气离开反应器进入旋风分离器 然后通过逆流冷凝塔将最初挥发产物冷凝 其余的可冷凝部分通过静电沉积器从不可冷凝气体中沉积下来 最后剩余的气体通过流量计排出 16 在600 下 可得到77 6 的液态热裂解产物 6 2 气体产物和15 7 的烧蚀炭 用这种方法生产的热裂解液体产物更加稳定 也就是说其物理性质并不像其他一些快速热裂解的液态产物一样变化得很快 液体产物样品保存两年后 仅出现微小的外观上的变化 17 另外 美国国家可再生能源实验室在1984年就建造了以生产生物油为目的的烧蚀涡流反应器 烧蚀涡流反应器工艺流程如图9 9所示 1995年进行了改进 反应器外部环绕的三段圆柱体电加热炉用于加热反应器 反应器内壁是 螺距为25mm 宽和厚为3mrn的螺旋筋 可以使颗粒在严格限定的螺旋轨道上而不是以自由的离心方式在反应器壁上螺旋旋转 在反应器出口有一个独立的循环回路连到反应器物料进口处 使没有完全反应的物料和大的炭粒回到反应器循环反应 反应可生成67 液态产物和1 的生物质炭 18 2 4流化床流化床反应器工艺流程如图9一12所示 木质材料经风干 磨碎 筛分出小于595 m的颗粒进行反应 木屑通过可调速的螺旋进料器把由循环吹人料斗的热裂解生成的气体送人反应器 物料喂入点在反应床中 反应器床料是砂子 流化介质为热裂解生成气体 它们在可控的电加热器中预热后吹入床内 另外 砂子提供的热量不够时 反应器外部的加热线圈可以为床中的砂子和床内自由空间提供所需热量 19 流化床的设计是要从反应器中吹走反应生成的炭而保留床料砂子 这就需要仔细地选择砂子和生物质的粒径 反应床流化速度和反应器参数 反应器温度用热电偶控制在425 625 之间 反应压力大约为1 25kPa 使用的进料率为1 5 3kg h 反应产物通过旋风分离器分离掉炭 油蒸汽和气体产物通过两个连接的冷凝器 这两个冷凝器是垂直的 每个冷凝器顶部都有一个用塞子塞住的清洁口 底部为冷凝物收集罐 第一个冷凝器温度维持在60 第二个使用大约为0 的冷水作为冷凝介质 生物油在冷凝器中冷凝并收集 生成的气体通过过滤器滤掉雾状焦油 一部分送入循环气体压缩机中用于使反应器中的砂子流化和将物料送人反应器 另一部分气体通过气体分析仪和流量计徘出 20 大约500 的反应温度 可以得到高产率的液体产物 因为在这个温度二次裂解反应被有效地抑制 液态产物在没有相分离时被氧化 油含水率为10 20 在室温下贮存1个月仍十分稳定 21 2 5循环流化床循环流化床反应器是由加拿大因森公司Ensyn开发的 循环流化床的具体尺寸参数没有报道 其工作原理为生物质颗粒与砂子先混合预热 然后被循环的产物气体吹进反应器中 其产物经过旋风分离器过滤出砂子和焦炭 气体产物进入冷凝器中冷凝成生物油 不可冷凝气体作为载气循环利用 该工艺主反应器设计处理能力为10kg h和40kg h两种 生物油原料为硬渣木 出油率70 物料最大粒度6mm 该装置的优点是采用了砂子作为热载体且床内炭气化后热量还可传给热载体 难点是如何使生物质和砂子良好混合 其工艺流程图见图1 5 22 2 6旋转锥转锥式生物质闪速热解液化装置主要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 其具体工作过程如图2 1所示 23 生物质颗粒喂入到外加的惰性颗粒流中 如砂子或具有催化活性的颗粒流 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 沿着高温的锥壁螺旋上升 其工作原理如图2 2所示 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 最终的炭和灰从锥的顶端排出 热裂解产生的炽热气体被快速导出 流出反应器后经旋风分离器进人冷凝器 在旋风分离器中 生物质在热解中产生的炭在分离过程中从分离器下部排出 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 气体中的生物油组分被冷的液体生物油喷雾冷凝下来 生物油在换热器中冷却后进入喷雾冷凝器中循环冷凝 可冷凝气体转化成液体生物燃油 不可冷凝气体通人燃烧器燃烧 24 旋转锥反应器结构如图9 11所示 实验结果表明 在1s滞留期和600 的加热温度下 旋转锥反应器生成60 液态产物 25 气态产物和15 的炭 物质平衡分析的结果是大约90 的生物质参加了反应 25 由转锥式生物质热解液化装置的工作过程及转锥的工作原理不难看出 在热解过程中 转锥的转速和热载体的温度是决定生物质热解程度的重要因素 其中 热载体控制着生物质热解温度 转锥控制着热解时间 在热载体温度一定的情况下 转锥的转速对热解效果起到关键性的作用 热载体和生物质颗粒是在转锥的带动下充分混合接触 完成了热交换 生物质颗粒热解 闪速热解要求的热解速度特别快 一般不超过0 5秒 这个热解时间就是生物质颗粒和热载体从在转锥底部混合到被抛出转锥的时间 如何匹配热解时间和转锥的转速 才能使生物质更充分的热解 这是其关键问题 26 转锥式生物质闪速热解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 必须对原料进行干燥处理 一般将原料的含水量控制在 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 27 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