移動式生物質快速熱裂解裝置設計與性能研究

王娜娜 李 萍 司 慧

(北京林業大學工學院， 北京 100083)

0 引言

快速熱裂解液化技術能將農林廢棄物等固態生物質轉化為液體燃料——熱解油，提高了燃料的品質和遠距離輸送利用的便利性。熱解油具有良好的應用前景，可用于鍋爐、發動機、渦輪機等[1-2]。國內外許多學者利用固定式熱裂解裝置如流化床[3-6]、旋轉錐[7-8]、燒蝕反應器[1-9]、下降管[10-11]等進行了熱裂解液化研究。生物質具有資源分散、能量密度低、季節性強等特點，采用固定式的熱裂解液化設備，會導致收集和運輸成本過高。而移動式快速熱裂解液化設備可進入生物質資源豐富區域，把生物質就地轉化為高品質的熱解油。這種移動的作業方式降低了生物質收集、運輸、貯存等成本，提高了設備的利用率和運行經濟性。

能源工廠被認為是移動式熱裂解設備的雛形，其概念最早出現于1993年[12]。隨后，國際可再生燃油公司(ROI)[13]、美國BSI公司[14]、加拿大西安大略大學[15]等開展了移動式熱裂解裝置的研究。國內，文獻[16-17]報道了第一代和第二代移動式生物質熱裂解液化系統。WANG等[18]開展了移動式熱裂解裝置的研究。此外還有一些國內外學者在移動式熱解系統的移動路線[19]、經濟性[20-21]等方面進行了研究。

國內外移動式生物質熱裂解裝備需進一步解決結構復雜、換熱效率低、對電能依賴大等問題。為此，本文設計進料率為50 kg/h的移動式生物質熱解液化系統，并對其主要部件的性能進行測試。

1 工藝原理

圖1 熱裂解裝置工藝流程圖Fig.1 Schematic process of mobile pyrolysis device1.緩沖罐 2.進料裝置 3.套管流化床反應器 4.旋風分離器 5.集炭箱 6.燃燒爐 7.氣罐 8.水箱 9.冷凝器 10.儲油箱 11.循環油泵 12.尾氣凈化器 13、14.風機

移動式生物質快速熱裂解液化反應裝置的工藝原理如圖1所示，主要由套管流化床反應器、流化床氣力輸送進料裝置、噴射噴淋組合式冷凝器等部分組成。其工藝原理為：液化石油氣和熱裂解產生的不可冷凝氣燃燒產生高溫煙氣切向進入固定床環形區(固定床內填充鮑爾環，用于增強氣固傳熱)，使環形區溫度升高，進而加熱內管流化床反應區，當溫度升高到450～600℃時，流化床氣力輸送進料裝置把生物質粉喂入到套管流化床反應器內并發生熱裂解反應，生成的熱解氣、流化載氣以及固體產物依次通過并聯旋風分離器、冷凝器后，可冷凝的氣體冷凝成熱解油儲存在儲油箱中。不可冷凝氣體通過尾氣除焦凈化裝置后，利用羅茨風機實現氣路循環。不可冷凝氣分成3部分進行利用：a路作為流化床氣力輸送進料裝置動力氣體；b路作為流化載氣；c路作為燃燒爐燃料。

2 關鍵部件設計

2.1 流化床氣力輸送進料裝置

生物質熱裂解設備的進料方式主要有螺旋進料器和氣力輸送進料器。相比較而言，氣力輸送進料裝置由于對電能的依賴小、磨損小而更適合移動作業。因此，采用氣力輸送的進料方式，流化床氣力輸送進料裝置結構示意圖如圖2所示。考慮料倉之間通過蝶閥連接，料倉直徑d應該等于蝶閥的內徑，取d=200 mm。給定進料率和進料時間，可估算出進料倉高度，公式為

(1)

式中ρ——生物質粉堆密度，kg/m3

h——進料倉高度，mm

m——生物質進料率，kg/h

t——進料時間，s

圖2 流化床氣力輸送進料裝置結構示意圖Fig.2 Schematic of fluidized pneumatic conveying feeder system1.料斗 2.擾動管 3.過渡倉 4.進料倉 5.噴動管 6.布風板 7.流化載氣入口 8.返噴管 9.輸料管 10、12.光敏傳感器 11、13.電動蝶閥

選取落葉松木屑為試驗原料，其堆密度為152 kg/m3，進料率設定為50 kg/h，進料倉中物料能持續進料時間設為0.5 h，經計算進料倉的高度為260 mm。實際設計中考慮通入氣體后物料會發生膨脹，取進料倉高度為300 mm。基于同樣的原理，取過渡倉的高度為280 mm。

2.2 套管流化床反應器

流化床反應器的內徑是反應器設計中最重要的尺寸之一，它取決于流化床的氣體總流量和操作氣速，公式為

(2)

式中D——流化床反應器內徑，m

u——操作氣速，m/s

Q——反應器內氣體總流量，為流化氣流量和熱解氣流量之和，m3/h

經計算取流化床反應器內徑D為170 mm，外徑為180 mm。

流化床的高度是反應器設計中另一個重要參數，為保證生物質熱裂解充分，又避免一定程度上的二次熱裂解，氣相停留時間需小于2 s。流化床高度H由3段組成：密相段高度Hs、緩沖段高度Ha和流化床揚析夾帶高度Tdh。經計算流化床密相段高度Hs為216 mm[22]，緩沖段高度Ha取200 mm。流化床揚析夾帶高度[23]計算公式為

Tdh=D(2.7D0.36-0.7)exp(0.74D0.23u)=1 172 mm

(3)

則H=Hs+Tdh+Ha=216+1 172+200=1 588 mm，將計算結果圓整，流化床高度定為1 600 mm。

外套管根據熱量平衡確定為內徑273 mm，外徑283 mm，固定床高450 mm，固定床填充尺寸為25 mm×25 mm×0.6 mm的不銹鋼鮑爾環。套管流化床反應器[24]結構如圖3所示。

圖3 套管流化床反應器結構示意圖Fig.3 Schematic of annular tube fluidized bed reactor1.流化床 2.環形煙氣通道 3.煙氣管 4.環形布風板 5.喂料口 6.螺旋板換熱器 7.混合室 8.支路不可冷凝氣管 9.燃燒爐 10.固定床 11.液化石油氣罐

套管流化床反應器內管為流化床反應區，外套管為環形加熱區，環形加熱區被環形布風板分割為上、下兩部分，下部為固定床區域，上部為環形煙氣通道，固定床內填充鮑爾環，用于增強換熱。工作過程為：燃燒液化石油氣和不可冷凝氣產生的熱煙氣依次流經環形區固定床、環形煙氣通道，使得外套管區溫度升高，進而加熱內管流化床，為生物質熱裂解提供熱量。熱煙氣從環形區排出后約為300℃，為了充分利用這部分熱量，在套管流化床反應器底部安裝螺旋板換熱器，將熱煙氣引入后，與常溫反應區流化載氣(指循環利用的不可冷凝氣)進行換熱，充分利用熱煙氣余熱，之后將熱煙氣排空，排空溫度低于100℃。在應用外部換熱器時，其出口溫度需要嚴格控制，給螺旋板換熱器增設側路是控制出口溫度的有效方法。圖3中通入支路不可冷凝氣正是起到這一作用，套管流化床內氣路如圖中箭頭所示。

2.3 噴射噴淋組合式冷凝器

該冷凝器是在復合式冷凝器[25]基礎上，進行了結構創新設計，具有冷凝和換熱的雙重作用。其中，氣液混合器是熱解氣冷卻的主要裝置，具有文丘里混合器和旋風分離器的特點。氣液混合器參考噴射式換熱器設計方法[26]。

冷凝器的換熱功能主要是通過冷卻盤管和噴淋功能實現。冷卻盤管及噴淋裝置屬于間壁式傳熱，其效率低于氣、液直接接觸換熱，為了適應冷凝器內部空間，冷卻盤管設計為等螺距螺旋體，噴淋器設計為傘形，其上開有內外兩圈溝槽，使熱解油均勻地噴灑在內外盤管上。冷凝器的結構示意圖如圖4所示。

圖4 噴射噴淋組合式冷凝器結構示意圖Fig.4 Schematic of multiple vapor condenser1.混合器 2.熱解氣入口 3.殼體 4.冷卻盤管 5.卸污口 6.循環油泵 7.導流管 8.噴淋器 9.氣體出口

冷卻盤管設計為旋向相反并在底部串聯的內外雙螺旋式，設外側螺旋半徑rw、內側螺旋半徑rn、螺距p、管子組數a、圈數n、管子間距b，則可求得每圈管子長度及盤管總高度。

(4)

式中lw——單圈外管長度，m

式中ln——單圈內管長度，m

定義單根管子長度l為單圈外管和內管長度之和，即：l=lw+ln。

h=pn+(a-1)b

(5)

式中h——管子總高度，m

盤管的傳熱面積

(6)

式中do——管外徑，m

理論計算所需換熱面積

(7)

式中Q——總傳熱量，W

tm——平均溫差，℃

k——綜合傳熱系數，W/(m2·K)

換熱面積需滿足A1≥A2，在滿足換熱面積基礎上綜合考慮冷凝器整體尺寸、流速限制等要求。經計算定為：盤管外徑25 mm，壁厚2 mm，3排并聯，每排螺距均為135 mm；內、外側盤管螺旋直徑分別為290、360 mm，螺旋圈數均為4圈。冷卻管出、入水口均位于頂端，分別由一直管將3排并聯的盤管匯總。

3 結果與討論

3.1 進料裝置試驗

進料試驗時將流化床氣力輸送進料裝置與反應器相連，用空氣替代不可冷凝氣，氣體分4路進入流化床進料裝置：進入擾動管，防止生物質粉在過渡倉架橋；進入噴動管；作為流化氣通入進料倉底部；進入輸料管支路上的返噴管(此氣路只在停止進料時打開，防止反應器里的物料返噴進輸料管)。過渡倉和進料倉上下位置處分別設有兩對激光光敏傳感器作為料位計，其作用是檢測過渡倉和進料倉內物料位置，通過控制系統實現上下蝶閥的交替開關，從而實現連續進料。

結果表明，噴動氣速對進料率的影響較大，這主要因為噴動氣方向與輸料管一致，有效降低了壓力損失。而流化氣的主要作用是降低生物質架橋及堵塞，流化氣的引入有助于實現連續平穩進料。在流化氣速為0.02 m/s時，噴動氣速對進料率的影響如圖5所示。從圖5可以看出，隨著噴動氣速的增加，進料率快速增加，當噴動氣速超過8 m/s時，這一趨勢趨緩并且進料率標準差變大。

圖5 噴動氣速對進料率的影響Fig.5 Relation between feeding rate and injection gas velocity

3.2 反應器性能試驗

圖6 移動式生物質快速熱裂解裝置Fig.6 Picture of mobile biomass pyrolysis device

在設計加工的移動式熱裂解裝置開展了落葉松木屑熱裂解制取熱解油試驗，裝置如圖6所示。

采用粒徑0.6～1.2 mm的落葉松木屑為原料，在反應溫度分別為400、450、500、550℃時開展了熱裂解試驗。試驗時設定冷凝器的噴射、噴淋流量分別為1.5、3.0 m3/h。試驗結果表明，熱解油的產率在500℃達到最高值。

圖7 一個試驗周期內燃燒爐和反應器的溫度分布Fig.7 Temperature distribution through out a continuous pyrolysis run

圖7是當反應溫度設定為500℃時，一個試驗周期內的燃燒爐和反應器溫度分布。從圖7可以看出，在反應后60 min左右，燃燒爐的溫度快速升高至900℃，然后穩定在900℃左右。約在130 min以內，反應器的溫度也逐漸從室溫(20℃)開始升高并穩定到510℃左右。在140 min時，反應器溫度略有下降，這是因為此時有生物質粉加入到流化床反應器內，造成反應器內的溫度低。隨后提高燃燒爐出口溫度，反應器內的溫度開始升高，最后穩定在500℃左右。反應結束，燃燒爐停止加熱，反應器溫度開始降低。

3.3 冷凝器性能試驗

為了測試冷凝器的性能，開展了反應溫度為500℃時噴射和噴淋流量對熱解油產率試驗，結果如圖8所示。其中，圖8a為保持噴淋流量3 m3/h不變，熱解油產率隨噴射流量的變化曲線，可以看出熱解油產率隨著噴射流量增加而快速增加，當噴射流量大于2.0 m3/h，增速趨緩。這主要是由于噴射液直接與熱解氣接觸，為熱解氣降溫。噴射流量的增加有利于氣體快速降溫，縮短冷凝時間，提高冷凝效率。保持噴射流量為2 m3/h，噴淋流量對熱解油產率的影響如圖8b所示，隨著噴淋流量增加，熱解油產量也會增加，但并不顯著。這是因為噴淋液噴灑在冷卻盤管上，與盤管內冷卻水發生對流換熱，為熱解油降溫，以維持連續穩定的冷凝過程，并且噴淋液還與上升的氣體直接接觸，實現二次冷凝，進一步回收熱解油。因此，噴淋流量的增加有助于降溫及冷凝，同樣可提高液體產物收集率。當噴淋流量3 m3/h，噴射流量為2 m3/h時，落葉松木屑的熱解油產率最高，為68.6%。

圖8 噴射或噴淋流量對熱解油產率的影響Fig.8 Effect of jet flow rate or spray flow rate on bio-oil product

4 結束語

設計了移動式生物質快速熱裂解裝置，對該裝置主要組成部件的結構及性能進行了闡述。對進料裝置的測試結果表明，與流化氣速相比，噴動氣速對進料率的影響較大，這主要因為噴動氣方向與輸料管一致，而流化氣的主要作用是降低生物質架橋及堵塞。采用燃燒爐加熱方式，利用燃燒液化石油氣和熱解產生的不可冷凝氣為生物質熱裂解提供熱量，可降低能耗，降低設備對電能的依賴，適應移動作業的要求。利用該移動式裝置在反應溫度為400～550℃時進行落葉松木屑的熱裂解試驗，結果表明，流化床反應器內溫度場穩定，適于熱裂解反應。在設定的溫度下，為提高熱解油凈產量，需要較大的噴淋流量和噴射流量。熱解油產率在反應溫度500℃時達到最高，為68.6%。該套裝置可方便移動到生物質資源豐富的林場、農場、園林綠化等區域，以農業、林業、園林廢棄物等(如秸稈、稻殼、木屑、樹枝等)為原料，開展熱裂解反應，制取熱解油。