淺談生物質快速熱解反應器應用研究進展

朱晨

摘 要 隨著新能源的推廣應用，特別是生物質能源在替代傳統(tǒng)能源和改善環(huán)境質量方面發(fā)揮著重大作用。生物油制備系統(tǒng)的核心設備是熱解反應器，在生物質快速熱裂解的各種工藝中， 反應器類型和加熱方式的選擇是各種技術路線的關鍵環(huán)節(jié)。本文介紹了生物質快速熱解液化反應器的應用現(xiàn)狀，指出依然存在關鍵技術問題未解決，尤其是管道結焦問題。

關鍵詞 生物質快速熱解;反應器;管道結焦

生物質快速熱解是當今世界可再生能源利用中前沿技術之一，其主產物是棕黑色的生物質油，熱值20-22MJ/kg，在旋轉燃燒器里可直接作為燃料使用，也可經精制成為化石燃料的替代物;副產物為焦炭和可燃不凝性氣體，焦炭可作為肥料使用，不凝性氣體可作為熱解反應的熱量來源。隨著化石燃料資源的逐漸減少，生物質快速熱解液化技術的研究在國際上引起了廣泛的興趣。在生物質快速熱裂解的各種工藝中， 反應器的類型及其加熱方式的選擇在很大程度上決定了生物油的產率和熱值。目前生物質熱裂解反應器有旋轉錐反應器、循環(huán)流化床反應器、燒蝕式反應器、內膽式雙熱型生物質熱解反應器、多級熱解反應器、蓄熱式生物質熱解反應器和斜板槽式生物質裂解反應器等形式。下文將分別介紹其應用現(xiàn)狀。

1主要反應器應用情況

（1）旋轉錐反應器。轉錐式生物質閃速熱裂解液化裝置主要由旋轉的外錐、靜止的內錐和絕熱密閉的外殼組成。其工作原理是主軸帶動外錐旋轉，生物質顆粒與過量的惰性載熱體顆粒一起進給到外錐的底部，在離心力的作用下，生物質顆粒一邊沿著外錐內壁面作螺旋上升運動，一邊被惰性熱載體顆粒以很高的加熱速率加熱升到發(fā)生熱解氣化的溫度，熱解氣化成生物燃油蒸氣，并在一定的條件下進行冷凝處理即可得到生物質油。王述洋[1]設計了錐式生物質閃速熱解反應器，為經濟、高效、環(huán)保地利用每年被巨量浪費的農業(yè)秸稈、谷物殼皮和林業(yè)剩余物等廢棄生物質，提供了科學的依據和可行的技術方法和模式。

（2）循環(huán)流化床反應器。循環(huán)流化床由提升管、氣固分離器、伴床及顆粒循環(huán)控制設備等部分構成，其結構簡單，傳熱效率很高，床層溫度均勻，床內氣固壓力場和速度場穩(wěn)定，適于大規(guī)模連續(xù)操作，是生物質熱解轉化的優(yōu)良反應器。馬新輝[2]從實際操作工況出發(fā)對循環(huán)流化床進行三維密相多相流數(shù)值模擬，其中結構包括流化床、旋風分離器和回料閥等;對流化床生物質熱解液化裝置做了改進。蔣琳[3]總結了適用于以流化床位代表的稠密兩相流動模型以及子模型，包括控制方程的建立、封閉模型方法、氣固曳力模型和顆粒相黏度模型等。

（3）燒蝕式反應器。燒蝕式反應器[4]利用過熱蒸汽或氮氣帶動生物質顆粒做旋流運動，利用產生的高速離心作用使物料顆粒與反應器高溫壁面緊密接觸，從而完成燒蝕和熱解反應，生成的氣體產物經管道進入旋風分離器，而未完全反應的生物質顆粒經過循環(huán)回路進入反應器重新熱解。由于該反應器特有的工作特點，物料顆粒在熱解過程中粒徑不斷縮小，因此燒蝕反應器具有處理物料粒徑范圍廣的優(yōu)點。

（4）內膽式雙熱型生物質熱解反應器。李三平[5]在對自行設計的內膽式雙熱型生物質熱解反應器內熱量傳遞過程分析的基礎上，針對反應器內部傳熱復雜的特點，包括生物質顆粒與熱床料之間的熱傳導，也有生物質顆粒與熱載氣之間的對流換熱，還包括熱壁面對生物質顆粒及床料的輻射換熱等多種傳熱方式，建立了反應器的壁面?zhèn)鳠?、顆粒間傳熱和二維對流換熱的數(shù)學模型;并通過仿真分析對傳熱模型進行了驗證，得出該耦合仿真模型基本滿足生物質顆?？焖贌峤鈼l件。

（5）多級熱解反應器。多級熱解反應器是一種無須氣體流化介質、沒有額外動力裝置、利用重力自動分離，原料粒徑范圍大的生物質熱解反應器，其結構包括主副液化床，該液化裝置能實現(xiàn)不同粒徑原料的多級液化，且液化效率高。另外，該裝置依靠重力自動分離固體熱載體和熱解氣，解決了以往用旋風分離器分離時熱載體的磨損進入到產品生物油中的問題。

（6）蓄熱式生物質熱解反應器。李超[6]設計制造了一種新式的蓄熱式生物質熱解反應器，該反應器充分利用高爐渣?；a生的800℃的高溫空氣的熱量來裂解生物質，極大程度上降低了生物質熱解的燃料成本;該裝置以精細破碎后的玉米秸稈為實驗原料，高爐渣?；a生的800℃的高溫空氣作為外加熱源，在蓄熱式生物質熱解反應器進行中試實驗研究，得出生物油最高產率達41%。

（7）斜板槽式生物質裂解反應器。徐文輝[7]自主研制了斜板槽式生物質裂解液化裝置的主反應器，包括斜板槽主反應器、螺旋進料器、旋風分離裝置和收集箱，并建立了生物質裂解的動力學模型，在此基礎上對主反應器各部分進行了設計和計算，最后對斜板槽主反應器進行了傳熱學分析，得出了反應器溫度隨時間變化的情況;該液化裝置結構相對簡單、制造和維修成本相對較低，且方便進行大規(guī)模生產。

2結束語

相對于傳統(tǒng)裂解，生物質快速熱解反應具有如下特點：①超高加熱速率使生物質中的有機高聚物分子在隔絕空氣的條件下迅速斷裂為短鏈分子;②設置超短停留時間，以降低氣態(tài)產物發(fā)生二次裂解形成分子量過小的不凝或難凝氣態(tài)產物?？傮w來說，生物質快速裂解液化反應器需要控制的技術參數(shù)較多，要求過程加熱速率快、反應溫度中等、氣相停留時間短、物料快速分離，因此單純的理論設計和模擬計算還遠遠不夠，需要在實際生產中進行更多的技術驗證，特別是本文未提到的管道焦油堵塞問題，是影響反應器的關鍵問題，如何避免結焦將是生物質液化反應器今后的重點研究方向。

參考文獻

[1] 王述洋.生物質熱解動力學建模及錐式閃速熱解裝置設計理論研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2002.

[2] 馬新輝.生物質熱解液化裝置與流化床冷態(tài)模擬研究[D].鄭州：鄭州大學，2006.

[3] 蔣琳.生物質熱解液化流化床內流動特性的研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[4] 姬文心，曾鳴，叢宏斌，等.生物質熱解反應裝置研究現(xiàn)狀及展望[J].生物質化學工程，2019，53（3）：46-58.

[5] 李三平，孫雪，王述洋.內膽式雙熱型生物質熱解反應器內傳熱過程建模分析[J].林產化學與工業(yè)，2017，37（1）：73-80.

[6] 李超.蓄熱式生物質熱解反應器研究與開發(fā)[D].青島：青島理工大學，2011.

[7] 徐文輝.斜板槽式生物質裂解主反應器設計理論研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2012.