生物質熱解液化裝置的改進設計

李　慧，馬新輝

(1.黃河科技學院，河南 鄭州 450063；2.西安航天華威化工生物工程有限公司，陜西 西安 710100)

生物質熱解液化裝置的改進設計

李慧1，馬新輝2

(1.黃河科技學院，河南 鄭州 450063；2.西安航天華威化工生物工程有限公司，陜西 西安 710100)

摘要：針對當前生物質熱解裝置常見問題，設計了一套進料量為10/h的生物質熱解液化改進裝置，該裝置共包含旋風分離系統、進料系統、流化床、冷凝系統4部分，主要解決了當前生物質熱解裝置旋風分離器分離效率不高，進料系統密封性不好，進料管物料堵塞，進料罐盲拱現象，熱解時砂粒易帶出流化床以及冷凝速度過慢等問題。

關鍵詞：生物質；熱解液化；改進裝置

能源在人類生存與社會發展過程中起著決定性作用，但由于人類不合理的利用及石油、煤炭和天燃氣等能源的有限性，很多資源面臨著即將枯竭的威脅。生物質能源是可再生能源的一種，能源利用僅次于石油、煤炭和天然氣，占世界總能耗的14 % ，位居各種能源使用量的第4 位[1-3]。該能源的開發與應用符合我國當前資源節約型、環境友好型的社會建設目標，因此，開發利用與之相應的生物質熱解裝置具有重要意義。本文針對以往生物質熱解裝置中常出現的問題，對生物質熱解液化裝置進行了改進設計。

1生物質快速熱解液化機理

廣義上來講，有機物中全部來源于動植物可再生的物質(除化石燃料外)就是生物質。纖維素、半纖維素、木質素是生物質燃料中的主要可燃成分，是一種低灰份和低硫份的燃料，首先釋放出揮發分物質的是熱解過程中的纖維素和半纖維素，木質素最后轉變為碳。在傳統裂解基礎上逐漸成熟的一種技術就是生物質快速熱解液化，它采用102～104K/s超高加熱速率，500 ℃左右的適中裂解溫度，0.2～3 s的產物超短停留時間，在隔絕空氣的環境中使焦炭和產物氣降到最低限度，生物質中的有機高聚物分子迅速斷裂為短鏈分子，最終獲得更多的液體產品，呈現熱值達20～22 MJ/kg的棕黑色黏性液體，即生物質油(bio-oil)，它可經精制成為化石燃料的替代物，也可直接作為燃料使用。

2生物質熱解液化裝置

2.1整體結構設計

針對熱解時常見問題，研究設計了一套生物質熱解液化優化裝置，進料(鋸末)量為10/h，該裝置共包含4個組成部分，其結構圖如圖1所示。通過雙螺旋進料系統可以將鋸末快速送入流化床，鋸末在流化床中可以快速熱解為乙酸、丙酮等可凝氣體以及一氧化碳等不可凝氣和生物炭，快速增加溫度到約500 ℃，并在0.2～3 s送入旋風分離器，生物炭通過旋風分離器被分離出來，將其收集在集灰斗中。在冷凝器中，可凝氣體和不凝氣體實現冷凝，其中，前者冷凝成生物油后被收集，后者最終被燃燒利用或者直接排出。

圖1　生物質熱解裝置

2.2進料系統

如圖2所示，本裝置進料系統由進料筒、一級螺桿和二級螺桿3部分組成。進料筒由鑄鋼外殼以及錐形底座與輸送螺旋相連，它的主要作用是儲存固體原料，同時可以將其均勻送入輸送螺旋的罐體，而一級螺桿與二級螺桿的主要作用分別是進行定量進料和快速進料。本裝置的創新之處在于：首先改進了進料罐結構，對于解決生物質熱解進料時的盲拱現象具有一定作用；其次改進了一、二級進料管銜接處和螺桿頭部密封結構，對于解決進料堵塞和進料管漏氣等情況具有重要作用。

圖2　進料系統簡圖

2.3流化床反應器

圖3　流化床結構

流化床反應器主要由布風板和流化床床體組成，通過固體顆粒層，利用氣體或液體自下而上的使固體顆粒處于懸浮運動狀態,其結構圖如圖3所示，它可以實現氣固相反應或液固相反應。其中，熱態中一般利用的是側孔式錐帽分布板，在流化床出口附近設計了一個膨脹節，以解決熱解過程中砂粒容易帶出床體的問題，冷凝的熱解產物不便于在流化床出口處清理解決，為此在出口結構處進行了相應改進。

2.4旋風分離系統

旋風分離器是目前最常用的一種分離、除塵設備，它使固體顆粒在離心力的作用下從氣流中分離出來，利用的是氣固兩相流體的旋轉運動。該設備結構不復雜，無相對運動部件，設備相對緊湊，價格不高，便于操作與維修，并且能夠實現各種生產的特殊要求；因此，該設備目前在各個相關領域中得到了普遍認可與具體應用。本設計中旋風分離器的主要作用是實現熱解后的固體炭和少量帶出的床料砂粒分離，通常旋風分離器結構包含旋風分離器和集灰斗2部分，如圖4所示。本研究中所設計的旋風分離系統根據原旋風分離器結構進行了一定的改進，主要集中在調整其進出口尺寸，從而有效地提升了旋風分離器效率。

圖4　旋風分離系統

2.5冷凝系統

冷凝器一般包含2種類型：一種是間接式冷凝器，也叫表面式冷凝器；另一種是直接式冷凝器。其中，前者主要包括盤管式冷凝器、列管式冷凝器和板式冷凝器，由于列管式冷凝器不同于大氣式冷凝器受在空間高度上的束縛，擺脫了空間高度方面的限制，并且便于自控；因此，目前應用較多的是列管式冷凝器，它可以立式安裝也可以臥式安裝，冷卻效果比較好，并不次于直接式冷凝器。本文所設計的冷凝系統如圖5示，主要選用4級列管式冷凝器，從而快速實現了生物質熱解氣冷凝。

圖5　冷凝系統

3結語

本文所設計的生物質熱解液化改進裝置已被鄭州大學化工機械實驗室采用，實踐證明其效果良好。

參考文獻

[1] 吳偉烽. 生物質能利用技術介紹[J].研究與開發,2003(11):11-12.

[2] 馬經國. 新能源技術[M].南京: 江蘇科學技術出版社,1992.

[3] 郭艷, 王矗,魏飛.生物質快速裂解液化技術的研究進展[J].化工進展, 2001(8):13-15.

責任編輯李思文

Improved Design for the Biomass Pyrolysis Liquefaction Device

LI Hui1, MA Xinhui2

(1.Huanghe Science and Technology College, Zhengzhou 450063, China; 2.Xi’an Spaceflight Huawei Chemical biologic Engineering Co., Ltd, Xi’an 710100, China)

Abstract:Focused on the common problems of the current device of biomass pyrolysis liquefaction, designed a kind of improved device of feed weight with 10 kg /h. The device consists of a cyclone separation system, feeding system, fluidized bed, the condensation system, which can mainly solve the problems of current biomass pyrolysis device cyclone separation efficiency not high, poor sealing feed system, feeding pipe jammed, feed tank blind arch phenomenon, easy to be carried out when the sand fluidized bed pyrolysis the problem of condensation, and too slow.

Key words:biomass, pyrolysis liquefaction, improved device

收稿日期：2014-12-04

作者簡介：李慧(1980-)，女，碩士，副教授，主要從事化工機械設計等方面的研究。

中圖分類號：TQ 433.4

文獻標志碼：A