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典型生物質熱裂解液化設備的應用實例分析
發布時間: 2018-8-22 9:07:33
  生物質顆粒燃料熱裂解液化的各種工藝技術中,反應器是工藝過程的核心,反應器的類型及其加熱方式的選擇在很大程度上決定了產物的最終分布,所以反應器類型的選擇和加熱方法的選擇是各種技術路線的關鍵。目前國內外達到工業示范規模的生物質熱裂解液化反應器主要有流化床、循環流化床、燒蝕床、旋轉錐、引流床和真空移動床等。
  1.引流床
  引流床技術由美國GTRI公司研制開發。此工藝主要基于生物質顆粒在旋轉管式爐中以運動狀態獲得的生物油產率高于在固定反應床中的靜止狀態的結論基礎上開發出來的。該工藝在20世紀80年代開發,并建成小規模試驗廠。1983年,工藝設備建立并完成。為了能在小規模試驗廠的運轉中更加深入地研究如何獲得最佳產量的生物油,1985年建立了幾個示范點,并對設備進行了一些較大的改進。直到1989年左右,這個反應器才成功運轉,雖然運轉非常成功,但是從沒有擴大生產規模。
  (2)工作原理及反應過程
  引流床反應器工藝流程如圖1所示。
  
  圖1 引流床反應器工藝流程
  物料干燥后粉碎至粒徑為1.5mm左右,通過一個旋轉閥門的控制,在重力作用下用56.8kg/h的進料速率進入到反應器中。反應器是一個直徑為152.4mm(6英寸)的不銹鋼垂直管,物料喂入點是位于反應器下部的填有耐火材料的混合室,在這里物料與吹入的氣體充分混合。減小反應器的高度可以有效降低滯留期。丙烷與空氣燃燒,產生的高溫氣體(927度)與木屑混合,向上流動穿過反應器,在反應器中發生熱裂解反應。反應生成的混合物包括不可冷凝氣體、水蒸氣(包括物料中的水和反應生成的水)、生物油和木炭。
  旋風分離器分離掉大部分的炭顆粒,剩余氣體包括不可冷凝氣體、水蒸氣、生物油蒸浮和一些炭粒。高溫的生成物進入到水噴式冷凝器中快速冷卻,隨后再進入空氣冷凝器中冷凝,冷凝下來的部分由水箱和接收器接收。氣體產物經過兩個相連的去霧器后,燃燒排放。
  (3)產物
  生物油產率可達60wt%,沒有分離提純的生物油是高度氧化的有機物,具有熱不穩定性,溫度高于185~195度就會分解。
  2.真空移動床
  (1)介紹
  真空移動床反應器工藝最早是由Christian Roy博士和他的研究小組最初在Sherbrooke大學(1981~1985),之后在Laval大學(1985年至今)開展的。1988年,Christian Roy博士建立了Pyrovac學會,旨在發展這一工藝和改良由各種工業廢棄物獲得的熱裂解產品。1996年,加拿大Pyrosystems工程公司成立,負責這項工藝的放大。
  Pyrocyling工藝正在被Pyrovac國際公司投入商業化運行。2012年,青島科技大學教授李建隆團隊與吉林頤民寶新能源開發有限公司改進了真空移動床反應器在長春建設和生產了我國規模最大的生物質熱裂解液化自動化生產裝置,年處理生物質原料1萬t。
  (2)工作原理及反應過程
  真空移動床反應器工藝流程如圖2所示。
  
  圖2真空移動床反應器工藝流程
  反應在溫度450度和總壓力為15kPa的條件下進行,可以獲得大量的生物油和具有良好表面活性的含碳固體產物。物料干燥和粉碎后在真空下導入Pyrocycler整體反應系統。物料在兩個加熱的水平平板上傳遞。融鹽混合物加熱平板并使其溫度維持在530度。由熱裂解生成的不可冷凝氣體供入燃燒室燃燒,燃燒放出的熱量用于加熱鹽。電感應加熱器可以選擇性地用于維持反應器的溫度。
  加熱時,生物質物料中的有機物部分分解為蒸汽,真空泵提供的真空狀態迅速使其離開反應器。這些蒸汽導入兩個冷凝設備,重油和輕油一同凝結為液態,剩余的固體產物在反應器出口冷卻。
  (3)嚴物
  反應生成35wt%生物油、20wt%Lk(ff、34Wt%木炭和11wt%氣體。
  3.燒蝕反應器
  (1)介紹
  燒蝕熱裂解是對快速熱裂解研究最深入的方法之一。英國Aston大學和美國國家可再生能源實驗室分別開發了各自的燒蝕反應器工藝和不可冷凝氣體入收集裝置。
  (2)工作原理及反應過程
  燒蝕反應器工藝流程如圖3所示。
  
  圖3燒蝕反應器工藝流程
  圖3是實驗室規模用于研發的燒蝕反應器簡化設備,旨在用于研究反應機理和構思新設計。設備的主要工作原理是用外界提供的高壓使生物質顆粒以相對于反應器表面的高速率(>1.2mJs),在不高于溫度為600"C的反應器表面移動并裂解。生物質顆粒由一些成角度的葉片壓入到加熱的金屬平面,并在熱反應器表面水平運動。
  粒徑達6.35mm的干燥的生物質顆粒通過密封的螺旋進料器喂入到氮氣清掃的反應器中,4個不對稱的葉片以200r/min的速率旋轉,產生了傳遞給生物質的機械壓力,將顆粒送入加熱到600度的反應器底部表面。葉片的機械運動使顆粒相對于熱反應器表面高速運動并發生熱裂解反應。產物隨著氮氣離開反應器進入旋風分離器,然后通過逆流冷凝塔將最初揮發產物冷凝,其余的可冷凝部分通過靜電沉積器從不可冷凝氣體中沉積下來。最后剩余的氣體通過流量計排出。
  (3)產物
  在600度下,可得到77.6wt%液態熱裂解產物,6.2wt%氣體產物和15.7wt%燒蝕炭。用這種方法生產的熱裂解液體產物更加穩定,也就是說其物理性質并不像其他一些快速熱裂解的液態產物一樣變化得很快。液體產物樣品保存兩年后,僅出現微小的外觀上的變化。
  另外,美國國家可再生能源實驗室在1984年就建造了以生產生物油為目的的燒蝕渦流反應器。燒蝕渦流反應器工藝流程如圖4.24所示。1995年進行了改進。反應器外部環繞的三段圓柱體電加熱爐用于加熱反應器,反應器內壁是螺距為25mm、寬和厚為3mm的螺旋肋,可以使顆粒在嚴格限定的螺旋軌道上而不是以自由的離心方式在反應器壁上螺旋旋轉。在反應器出口有一個獨立的循環回路連到反應器物料進121處,使沒有完全反應的物料和大的炭粒回到反應器循環反應。反應可生成67wt%液態產物和13wt%生物質炭。
  (2)工作原理及反應過程
  生物質顆粒喂入至惰性顆粒流中(如砂子或具有催化活性的顆粒流)。生物質在隨惰性顆粒被拋到加熱的反應器表面發生熱裂解的同時,沿著高溫的錐壁螺旋上升,其工作原理如圖所示,最終的炭和灰從錐的頂端排出。熱裂解產生的熾熱氣體流出反應器后經旋風分離器進入冷凝器。在旋風分離器中,氣流中的炭、砂子在離心力作用下被拋向器壁落入集炭箱,氣體中的生物油組分被冷的液體生物油噴霧冷凝下來,生物油在換熱器中冷卻后進入噴霧冷凝器中循環冷凝,t生成新的油蒸汽。不可冷凝氣體通入燃燒器燃燒。因為不需要載氣,從而極大地縮小了反應器尺寸和油第二級收集系統的費用。反應器結構緊密,可以達到3kg/s的非常高的固體傳輸能力。
  
  4.旋轉錐量
  圖5旋轉錐反應器工作原理
  試驗在溫度600度和旋轉速率900r/min下進行。后來對反應器內部進行了改造,旋轉錐反應器工藝流程如  圖6所示。反應器容積由0.25m3減小到了0.003m3,否則氣相滯留期為80s左右,從而導致生物油蒸汽發生顯著的二次裂解。
  
  圖6旋轉錐反應器工藝流程
  后來又進一步改進了反應器,為了使砂子與生物質炭分離,在錐外的燃燒室,燃燒捧出的炭、余下的熱砂重新喂入反應器,這樣就形成了一個內部的砂循環。
  (3)產物
  在ls滯留期和600度的加熱溫度下,生成60wt%液態產物,25wt%氣態產物和15wt%炭。物質平衡分析的結果是大約90wt%的生物質參加了反應。
  5.循環流化床
  (1)介紹
  循環流化床技術體系源自希臘可再生能源中心在1999年開始的生物質快速熱裂解的研究,且結果使得整個歐洲對生物質用于直接生產液體燃料的技術產生了極大的興趣。
  (2)工作原理及反應過程.
  循環流化床反應器工藝流程如圖7所示。
  
  圖7循環流化床反應器工藝流程
  工作原理是使熱裂解副產品炭用于提供反應所需熱量。利用反應器底部常規沸騰床內物料燃燒獲得的熱量加熱砂子,加熱的砂子隨著高溫燃燒生成的氣體向上穿過循環流化床進入反應器,與生物質混合并傳遞給生物質熱量。生物質獲得熱量后發生熱裂解反應,生成炭和揮發分。揮發分導出循環流化床,產物炭和氣體流帶出的砂子通過旋風分離器回到燃燒室。這個設備將提供反應熱量的燃燒室和發生反應的流化床兩個部分合為一整體。
  反應系統短時間工作良好,長時間工作就會出現問題,而且仍需進行反應器運行穩定性及系統的反應動力學研究。這一設備的優點在于結構的整合降低了反應器的制造成本和熱量的損失,但是這是以操作運行更加復雜為代價的。
  (3)產物
  液體產物產率可達61wt%。整體來看,液體產率比其他快速熱裂解工藝的液體產率低。
  6.流化床
  (1)介紹
  流化床反應器早在20世紀80年代由加拿大滑鐵盧大學為主研究開發,主要利用生物質特別是林業材料生產生物油,也為現代的快速及閃速熱裂解研究奠定了基礎。
  (2)工作原理及反應過程
  流化床反應器工藝流程如圖4所示。圖8是滑鐵盧大學生產規模為3kg/h的流化床反應器。木質材料經風干、磨碎,篩分出小于5959m的顆粒進行反應。生物質顆粒燃料通過可調速的螺旋進料器經循環吹入料斗由熱裂解生成的氣體送入反應器,物料喂入點在反應床中。反應器床料是砂子,流化介質為熱裂解生成氣體,它們在可控的電加熱器中預熱后吹入床內。另J'l-,砂子提供的熱量不夠時,反應器J'l-部的加熱線圈可以為床中的砂子和床內自由空間提供所需熱量。流化床的設計是要從反應器中吹走反應生成的炭而保留床料砂子,這就需要仔細地選擇砂子和生物質的粒徑、反應床流化速度和反應器參數。反應器溫度用熱電偶控制在425~625度,反應壓力大約為1.25kPa,使用的進料率為1.5~3kg/h。反應產物通過旋風分離器分離掉炭,油蒸汽和氣體產物通過兩個連接的冷凝器。這兩個冷凝器是垂直的,每個冷凝器項部都有一個用塞子塞住的清潔口,底部為冷凝物收集罐。第一個冷凝器溫度維持在60度,第二個使用溫度大約為0"C的冷水作為冷凝介質。生物油在冷凝器中冷凝并收集,生成的氣體通過過濾器濾掉霧狀焦油,一部分送入循環氣體壓縮機中用于使反應器中的砂子流化和將物料送入反應器,另一部分氣體通過氣體分析儀和流量計排出。
  
  氣體緩沖罐
  圖8流化床反應器工藝流程
  (3)產物
  大約500度的反應溫度,可以得到高產率的液體產物。因為在這個溫度二次裂解反應被有效地抑制。液態產物在沒有相分離時被氧化,油含水率為10wt%~20wt%,在室溫下儲存12個月仍十分穩定。
 
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