液化床反應(yīng)器生物質(zhì)閃速熱裂解液化裝置是以流化床反應(yīng)器為主體的系統(tǒng)。

外文名

fluidizedbed

所屬領(lǐng)域

工程技術(shù)

裝置組成及熱裂解工藝過程

裝置組成及各部分功用

主要由以下五部分組成。

(1)

惰性載氣供應(yīng)部分

該部分由空氣壓縮機(jī)、貧氧氣體發(fā)生器(炭箱)和氣體緩沖罐組成。空氣壓縮機(jī)可將氣體壓縮，獲得一定壓力的氣體流量。貧氧氣體發(fā)生器為一不銹鋼圓柱體，外部包有加熱元件。在這里發(fā)生木炭燃燒反應(yīng)，消耗掉空氣中的氧氣。氣體緩沖罐可儲(chǔ)存一定壓力的貧氧氣體，以供試驗(yàn)用。

(2)

物料喂入部分

該部分主要包括料倉、螺旋器及調(diào)壓器、電機(jī)和減速器等輔助設(shè)備。料倉內(nèi)設(shè)有攪拌器和惰性氣體入口。螺旋進(jìn)料器由電機(jī)帶動(dòng)。因生物質(zhì)顆粒的表面不光滑且形狀不規(guī)則，顆粒之間容易搭接或黏著，會(huì)造成螺旋進(jìn)料器空轉(zhuǎn)而無物料進(jìn)入反應(yīng)器，因此，在料倉內(nèi)設(shè)有攪拌器，防止物料搭接形成空隙，保證連續(xù)給料。同時(shí)，試驗(yàn)中為了防止反應(yīng)器內(nèi)的高壓、高溫氣體反竄回料倉，通過料倉頂部的進(jìn)氣口通往調(diào)壓器，使料倉內(nèi)也具有一定的壓力。使物料能靠重力和惰性氣體的輸送作用及電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)順利進(jìn)入反府器。通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器電壓，改變電動(dòng)機(jī)的速度，從而改變進(jìn)料率。調(diào)壓器型號(hào)為TDGC110.5的接觸調(diào)壓器，電動(dòng)機(jī)為單相串激電動(dòng)機(jī)，減速器為WDH型渦輪減速器。

由于螺旋進(jìn)料器與反應(yīng)器密聯(lián)成一體，為防止接口處過早地發(fā)生熱裂解反應(yīng)，產(chǎn)生的少量生物油和炭集結(jié)于此阻礙進(jìn)料，在螺旋進(jìn)料器接近于液化床部分焊接了一段冷卻套管，通往循環(huán)的自然水降低該部分的溫度。

(3)

反應(yīng)器部分

反應(yīng)器主體是由4段內(nèi)徑為100 mm的不銹鋼管由螺栓密封連接而成的。整體反應(yīng)器高600 mm。反應(yīng)器最高設(shè)計(jì)溫度為1000℃，鋼管外部繞有電阻絲作為加熱元件，加熱元件外部覆蓋耐高溫和保溫材料。加熱元件分為上、中、下三部分，總功率為6 kW。下部電阻絲預(yù)熱惰性載氣，中部和上部電阻絲用于加熱流化床并維持床內(nèi)恒溫。

(4)

產(chǎn)物收集部分

該部分由旋風(fēng)分離器、冷凝器和過濾器組成。生物質(zhì)炭由旋風(fēng)分離器和集炭箱收集。裂解氣中冷凝的部分由金屬管冷凝器和球形玻璃冷凝器冷凝，收集于集油瓶中。過濾器將附著在氣體分子表面的焦油濾掉，使得干凈的氣體流出，用膠皮質(zhì)氣袋收集后進(jìn)行分析。剩余氣體排空燃燒。

(5)

測量控制部分

包括熱電偶、溫度顯示控制器、玻璃管溫度計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、壓力表、穩(wěn)壓器和臺(tái)秤。熱電偶為Cr-Al(k)型，測量范圍為250~1372℃，熱電偶用于測量貧氧氣體發(fā)生器和流化床反應(yīng)器的溫度。溫度顯示控制區(qū)為Eurotherm91型，它與熱電偶相連，顯示貧氧氣體發(fā)生器及反應(yīng)器的溫度。通過加熱元件的電路控制貧氧氣體發(fā)生器及反應(yīng)器溫度達(dá)到設(shè)定值。

玻璃管溫度計(jì)、轉(zhuǎn)子流量和壓力表分別測量貧氧氣體進(jìn)口和反應(yīng)器出口氣體的溫度、流量和壓力；穩(wěn)定器控制氣體流量在所需要范圍內(nèi)，臺(tái)秤用于測量反應(yīng)前后的生物質(zhì)物料、集炭箱、集油瓶和過濾器的質(zhì)量。

工藝流程

生物質(zhì)熱裂解液化的工藝過程如下。

生物質(zhì)原料經(jīng)粉碎、烘干后放入料倉中備用。空氣由空氣壓縮機(jī)導(dǎo)入貧氧氣體發(fā)生器，產(chǎn)生的貧氧氣體被壓入緩沖罐，隨著氣體量的增加，緩沖罐內(nèi)壓力不斷增大直到以滿足反應(yīng)所需的正壓需要。從氣體緩沖罐出來的氣體經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)分成兩路：流量較大的主路進(jìn)入液化床反應(yīng)器，在反應(yīng)器底部預(yù)熱，經(jīng)氣體分布板進(jìn)入上部的液化床反應(yīng)器；流量較小的一路由料倉頂部通人，并順著物料一同進(jìn)人流化床反應(yīng)器。兩路氣體在液化床內(nèi)一起液化沙子和物料的混合物，因反應(yīng)器被加熱到400~600℃之間，生物質(zhì)在高溫及缺氧條件下發(fā)生熱降解，生成熱裂解蒸氣和木炭，進(jìn)入反應(yīng)器的惰性載氣生成物一起離開反應(yīng)器，切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器，靠巨大的離心作用，生物質(zhì)炭被分離出來，由集炭箱收集。氣體則通過兩排四個(gè)球形玻璃管冷凝器，氣體中可冷凝的部分形成生物油，收集在集油瓶中。余下的不可冷凝氣體經(jīng)過濾器和轉(zhuǎn)子流量計(jì)流出，從氣體取樣口取出氣體分析，其他氣體排空燃燒。

冷態(tài)試驗(yàn)

冷態(tài)試驗(yàn)的目的

用液化床進(jìn)行生物質(zhì)熱裂解液化的關(guān)鍵問題之一是生物質(zhì)進(jìn)入流化床反應(yīng)器后能否處于穩(wěn)定的流化狀態(tài)，這關(guān)系到流化床反應(yīng)器所獨(dú)有的反應(yīng)強(qiáng)度大、傳熱傳質(zhì)速率高、溫度場均勻等優(yōu)點(diǎn)能否充分發(fā)揮出來。冷態(tài)試驗(yàn)就是為高溫流化床反應(yīng)正常流化提供必需的參數(shù)。

冷態(tài)試驗(yàn)將得出以下結(jié)論。

液化床

液化床

(1)

曲線

曲線(流化床壓降-流化速度曲線)表示了顆粒流化狀況，而顆粒的液化狀況反映了流化床流態(tài)化質(zhì)量，所以，可以由曲線的波動(dòng)情況判定流化狀態(tài)的好壞。若曲線中壓力脈動(dòng)的幅值小、頻率高，則液化均勻，標(biāo)志著流化床具有良好的流化性特性。

液化床

液化床

液化床

(2)

臨界流化速度

臨界流化速度( )是流態(tài)化操作的最低速度，也是描述流態(tài)化的基本參數(shù)之一。確定 的最好方法莫過于由試驗(yàn)得到的 曲線測定。

(3)

選出適當(dāng)粒徑的流化介質(zhì)

根據(jù)流化曲線反映的流化情況，選擇適當(dāng)粒徑的石英砂作為加熱試驗(yàn)的流化介質(zhì)。

試驗(yàn)參數(shù)的選取

(1)流化沙量

若沙與物料相比過小，加熱試驗(yàn)的傳熱就會(huì)變差，影響物料的熱裂解過程，降低油產(chǎn)率。而沙量過多，又會(huì)使流化氣速增大，影響對(duì)滯留期的控制。所以綜合考慮進(jìn)料量與流化氣速，選取沙量為1.5 kg。

(2)石英砂粒徑

石英砂與生物質(zhì)物料的混合物是顆粒大小不等和密度有明顯差異的異類顆?；旌衔锏囊夯?。兩元混合顆粒的混合情況可分為下列三種情況。

1)

完全混合體系

密度和粒度相差不大的顆?；旌衔镌诹骰瘯r(shí)，能達(dá)到顆粒的均勻流化狀態(tài)。

2)

完全分層體系

當(dāng)兩種密度或顆粒徑相差較大的顆粒流化時(shí)，體系將會(huì)出現(xiàn)完全分層現(xiàn)象。

3)

部分混合體系

當(dāng)粒度相差較大而密度相差較小，或者情況正好相反的兩類顆?；旌衔锪骰瘯r(shí)，就會(huì)在床層上部有較多的上浮顆粒，下部有較多的下沉顆粒。

沙子與生物質(zhì)物料的密度相差較大，所以如果讓它們的粒度相差較小，就易于達(dá)到更好的混合。考慮到小粒徑沙子的比表面積大，利于傳熱，同時(shí)，也為了使沙子粒徑更接近于生物質(zhì)物料粒徑，利于二者混合體系達(dá)到比較完全的混合，將沙子粒徑取為小于0.2 m/n和0.2～0.45 mm兩種范圍。

(3) 物料量

冷態(tài)試驗(yàn)和熱裂解試驗(yàn)采用的是德國松木屑(后文簡稱為德木)、中國松木屑(后文簡稱為中木)和秸稈三個(gè)物料作為物質(zhì)反應(yīng)物料。

取冷態(tài)試驗(yàn)的物料量為60 g。沙子單獨(dú)流化(屬同類顆粒流化)要比沙子與生物質(zhì)物料混合流化(屬異類顆粒流化)效果好，即生物質(zhì)物料越少，流化效果越好。本研究流化床的進(jìn)料速率為17~53 g/min，而實(shí)際反應(yīng)中液化床瞬時(shí)進(jìn)料速率為60 g/min。所以，冷態(tài)試驗(yàn)在60 g物料量下得到的結(jié)果可應(yīng)用于實(shí)際流化床加熱反應(yīng)中。

液化床

(4)

最大進(jìn)氣流量(流化床帶出速度)

當(dāng)流化風(fēng)速增大到某一值，可看到微小顆粒飛出時(shí)，即達(dá)到了最大進(jìn)氣流量。此時(shí)，開始降低流量，進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)讀數(shù)。

(5)

床高

為了使試驗(yàn)測得的結(jié)果更準(zhǔn)確，先選擇1 m床高進(jìn)行試驗(yàn)，這樣可以增大流化風(fēng)速的范圍，使獲得的流態(tài)化過程曲線更具有參考價(jià)值。另外，為了得到與實(shí)際床高更加吻合的流化情況，又選擇了0.3 m的床高進(jìn)行試驗(yàn)。最后，以1 m床高的結(jié)果為主，0.3 m床高結(jié)果作為實(shí)際流化反應(yīng)的參考依據(jù)。

試驗(yàn)方法及原理

液化床

液化床

液化床

通常用床層壓降一流化速度曲線圖( 曲線圖)來表示顆粒的流化狀況和大致判斷床層的流化質(zhì)量，尤其是應(yīng)用于看不到設(shè)備內(nèi)部的情況。同時(shí)，通過繪制 流化狀態(tài)圖還可以實(shí)際測定臨界流化速度，這樣就為加熱反應(yīng)流化風(fēng)速的選取提供了最低參考下限。

液化床

液化床

實(shí)際的做法是：先把流化風(fēng)速升高至使流化床流化的狀態(tài)，這時(shí)的流速要達(dá)到一定的值以確保床層處于流化狀態(tài)且有一個(gè)速度變化閾度。然后用降低流速的方法使流化床緩慢地復(fù)原至固定床，同時(shí)，記下相應(yīng)的流體流速及床層壓降。由于流化后床面形狀可部分反映流化情況，在停止試驗(yàn)后觀察床面情況。所測得的 數(shù)據(jù)用直角坐標(biāo)標(biāo)繪。由于固定床段和流化床段的壓降特點(diǎn)不同，可以通過固定床區(qū)和流化床區(qū)的點(diǎn)各自劃線(中間數(shù)據(jù)敞開不計(jì))，這兩條直線的交點(diǎn)即為臨界流態(tài)化點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為臨界流態(tài)化速度。

液化床

液化床

選用降低流速的方法是因?yàn)閴航?流速曲線在流速上升和下降時(shí)不一致，通常逐步減小流速將比逐步增大流速得到的固定床階段的流化速度小。這主要是因?yàn)闆]有振動(dòng)的情況下，流速下降后的固定床床層空隙率近似等于起始流態(tài)化點(diǎn)的空隙率，處于自然填充狀態(tài)。而開充填時(shí)的固定填充床，由于人為因素的影響，往往造成填充不勻或致充填，以至于摩擦阻力增大，壓降值變大。由此，降低流速可消除因人為充填因素造成的影響。此外，由于顆粒之間聯(lián)鎖、顆粒與器壁之間相互摩擦等現(xiàn)象造成部分顆粒架橋，摩擦阻力加大，使升高流速時(shí)測定的壓降值在固定床向流化床過渡時(shí)大于降低流速時(shí)測定的壓降值。因此，臨界流態(tài)化速，就采用降低流速法測定。