內(nèi)循環(huán)串行床快速熱解制取生物油試驗研究.pdf

1、近年來，生物質(zhì)熱解液化制取生物油技術(shù)迅速發(fā)展，被認(rèn)為是本世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)利用技術(shù)之一。與生物質(zhì)原料相比，生物油具有能量密度高、易儲存和運(yùn)輸方便等顯著優(yōu)點，可以應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備，精制后還可以用來代替燃油、制備化學(xué)品。
　　 本文研究圍繞專有技術(shù)“單床自熱式熱解氣化燃燒反應(yīng)器及熱解氣化燃燒方法”所提出的新型內(nèi)循環(huán)串行流化床(IIFB)反應(yīng)器展開。該新型反應(yīng)器原理為：利用導(dǎo)向管和漏斗形料腿將床分隔為兩個區(qū)域—熱解

2、區(qū)和燃燒區(qū)，兩個區(qū)域通過導(dǎo)向管底部的孔進(jìn)行物質(zhì)與熱量傳遞，實現(xiàn)自熱式熱解液化。從冷態(tài)試驗、熱態(tài)試驗和數(shù)值模擬三方面對基于IIFB反應(yīng)器的快速熱解液化工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，獲得了反應(yīng)器的流動特性、熱解產(chǎn)物分布及生物油特性，為今后的工業(yè)應(yīng)用提供依據(jù)。
　　 在高1.5m，直徑0.1m的IIFB半圓柱形有機(jī)玻璃試驗裝置上，采用CCD攝像、氣體示蹤、顆粒示蹤等研究手段，對床內(nèi)流型、壓降、顆粒循環(huán)量、氣體旁路特性進(jìn)行了冷態(tài)試驗研究。試驗觀

3、測獲得了六種典型流型：固定床(FB)、周期噴動(PS/B)、充氣噴動(SA)、噴動流化(SF)、節(jié)涌噴動(SFS)、返流噴動(SBJ)，其中SA、SF情況下，床內(nèi)顆粒循環(huán)特性好，流動狀況穩(wěn)定，最適合快速熱解反應(yīng)。流型轉(zhuǎn)變?nèi)Q于兩個區(qū)域的氣量大小，各個操作區(qū)域的大小受靜止床高、顆粒直徑、上出口開度等因素影響。床層壓降特性研究表明，噴動區(qū)壓降小于流化區(qū)壓降，壓降隨著床內(nèi)流型轉(zhuǎn)變而變化的規(guī)律性較強(qiáng)，可用于判斷床內(nèi)流動狀況。SA與SF兩個區(qū)域的

4、顆粒循環(huán)量在40～100kg/h范圍內(nèi)，總體上，隨著氣量的增大而增大。流化氣的加入對噴動氣的旁路具有抑制作用，噴動區(qū)向環(huán)形區(qū)的串混率隨著噴動氣速的增大呈上升趨勢，隨著流化氣速的增大而減小。
　　 在冷態(tài)試驗研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，以顆粒動力學(xué)為理論基礎(chǔ)，采用雙歐拉氣固流體動力學(xué)模型，建立了IIFB流體動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，對典型工況條件下進(jìn)行了冷態(tài)數(shù)值模擬。模擬結(jié)果較準(zhǔn)確地反映了床內(nèi)顆粒速度與濃度分布、床內(nèi)壓力分布及顆粒循環(huán)量特性，具有一定

5、的可信度，計算結(jié)果可以為該類反應(yīng)器放大設(shè)計與操作提供參考。
　　 在上述研究基礎(chǔ)上，自行設(shè)計建造了處理量為0.2kg/h的IIFB快速熱解制油熱態(tài)裝置，主要包括加料系統(tǒng)、熱解反應(yīng)器、產(chǎn)物收集與分析三大部分。熱解反應(yīng)器本體高1.2m，外徑60mm。試驗研究表明床內(nèi)溫度分布狀況良好，易于調(diào)控，符合快速熱解反應(yīng)要求。試驗以木屑為原料，石英砂為熱載體考察了反應(yīng)溫度對熱解產(chǎn)物分布的影響，結(jié)果表明溫度為515℃時油的收率最高。以HZSM-5

6、催化劑與石英砂混合物為床料的催化熱解試驗結(jié)果表明，HZSM-5的加入促進(jìn)了氣體以及焦炭的生成，使得油的收率降低，且催化劑量越大影響越顯著。BET分析及SEM表征表明，催化劑表面的積炭經(jīng)燃燒反應(yīng)后被及時除去，催化劑的穩(wěn)定性得到改善。生物油的含水率較高（30％左右），熱值相對較低，約為16MJ/kg；含水率隨溫度升高而增大，催化劑的加入使得水分增加。對氣體產(chǎn)物成分分析結(jié)果表明，主要熱解不可冷凝氣體成分為CO和C02.隨著熱解溫度的升高，C0