生物質(zhì)熱解液化裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

李　慧，馬新輝

(1.黃河科技學(xué)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(zhì)熱解液化裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

李慧1，馬新輝2

(1.黃河科技學(xué)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(duì)當(dāng)前生物質(zhì)熱解裝置常見問題，設(shè)計(jì)了一套進(jìn)料量為10/h的生物質(zhì)熱解液化改進(jìn)裝置，該裝置共包含旋風(fēng)分離系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、流化床、冷凝系統(tǒng)4部分，主要解決了當(dāng)前生物質(zhì)熱解裝置旋風(fēng)分離器分離效率不高，進(jìn)料系統(tǒng)密封性不好，進(jìn)料管物料堵塞，進(jìn)料罐盲拱現(xiàn)象，熱解時(shí)砂粒易帶出流化床以及冷凝速度過慢等問題。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；熱解液化；改進(jìn)裝置

能源在人類生存與社會(huì)發(fā)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?xì)獾饶茉吹挠邢扌?，很多資源面臨著即將枯竭的威脅。生物質(zhì)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(fā)與應(yīng)用符合我國(guó)當(dāng)前資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的社會(huì)建設(shè)目標(biāo)，因此，開發(fā)利用與之相應(yīng)的生物質(zhì)熱解裝置具有重要意義。本文針對(duì)以往生物質(zhì)熱解裝置中常出現(xiàn)的問題，對(duì)生物質(zhì)熱解液化裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1生物質(zhì)快速熱解液化機(jī)理

廣義上來講，有機(jī)物中全部來源于動(dòng)植物可再生的物質(zhì)(除化石燃料外)就是生物質(zhì)。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素是生物質(zhì)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(fā)分物質(zhì)的是熱解過程中的纖維素和半纖維素，木質(zhì)素最后轉(zhuǎn)變?yōu)樘?。在傳統(tǒng)裂解基礎(chǔ)上逐漸成熟的一種技術(shù)就是生物質(zhì)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(chǎn)物超短停留時(shí)間，在隔絕空氣的環(huán)境中使焦炭和產(chǎn)物氣降到最低限度，生物質(zhì)中的有機(jī)高聚物分子迅速斷裂為短鏈分子，最終獲得更多的液體產(chǎn)品，呈現(xiàn)熱值達(dá)20～22 MJ/kg的棕黑色黏性液體，即生物質(zhì)油(bio-oil)，它可經(jīng)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(zhì)熱解液化裝置

2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)熱解時(shí)常見問題，研究設(shè)計(jì)了一套生物質(zhì)熱解液化優(yōu)化裝置，進(jìn)料(鋸末)量為10/h，該裝置共包含4個(gè)組成部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過雙螺旋進(jìn)料系統(tǒng)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(fēng)分離器，生物炭通過旋風(fēng)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(shí)現(xiàn)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(zhì)熱解裝置

2.2進(jìn)料系統(tǒng)

如圖2所示，本裝置進(jìn)料系統(tǒng)由進(jìn)料筒、一級(jí)螺桿和二級(jí)螺桿3部分組成。進(jìn)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(chǔ)存固體原料，同時(shí)可以將其均勻送入輸送螺旋的罐體，而一級(jí)螺桿與二級(jí)螺桿的主要作用分別是進(jìn)行定量進(jìn)料和快速進(jìn)料。本裝置的創(chuàng)新之處在于：首先改進(jìn)了進(jìn)料罐結(jié)構(gòu)，對(duì)于解決生物質(zhì)熱解進(jìn)料時(shí)的盲拱現(xiàn)象具有一定作用；其次改進(jìn)了一、二級(jí)進(jìn)料管銜接處和螺桿頭部密封結(jié)構(gòu)，對(duì)于解決進(jìn)料堵塞和進(jìn)料管漏氣等情況具有重要作用。

圖2　進(jìn)料系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.3流化床反應(yīng)器

圖3　流化床結(jié)構(gòu)

流化床反應(yīng)器主要由布風(fēng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài),其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，它可以實(shí)現(xiàn)氣固相反應(yīng)或液固相反應(yīng)。其中，熱態(tài)中一般利用的是側(cè)孔式錐帽分布板，在流化床出口附近設(shè)計(jì)了一個(gè)膨脹節(jié)，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(chǎn)物不便于在流化床出口處清理解決，為此在出口結(jié)構(gòu)處進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。

2.4旋風(fēng)分離系統(tǒng)

旋風(fēng)分離器是目前最常用的一種分離、除塵設(shè)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該設(shè)備結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，無相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，設(shè)備相對(duì)緊湊，價(jià)格不高，便于操作與維修，并且能夠?qū)崿F(xiàn)各種生產(chǎn)的特殊要求；因此，該設(shè)備目前在各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域中得到了普遍認(rèn)可與具體應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中旋風(fēng)分離器的主要作用是實(shí)現(xiàn)熱解后的固體炭和少量帶出的床料砂粒分離，通常旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)包含旋風(fēng)分離器和集灰斗2部分，如圖4所示。本研究中所設(shè)計(jì)的旋風(fēng)分離系統(tǒng)根據(jù)原旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，主要集中在調(diào)整其進(jìn)出口尺寸，從而有效地提升了旋風(fēng)分離器效率。

圖4　旋風(fēng)分離系統(tǒng)

2.5冷凝系統(tǒng)

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(yīng)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(shè)計(jì)的冷凝系統(tǒng)如圖5示，主要選用4級(jí)列管式冷凝器，從而快速實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)熱解氣冷凝。

圖5　冷凝系統(tǒng)

3結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的生物質(zhì)熱解液化改進(jìn)裝置已被鄭州大學(xué)化工機(jī)械實(shí)驗(yàn)室采用，實(shí)踐證明其效果良好。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 馬經(jīng)國(guó). 新能源技術(shù)[M].南京: 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1992.

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

責(zé)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(jiǎn)介：李慧(1980-)，女，碩士，副教授，主要從事化工機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TQ 433.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A