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

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(guò)程

裝置組成及各部分功用

主要由以下五部分組成。

(1)

惰性載氣供應部分

該部分由空氣壓縮機、貧氧氣體發(fā)生器(炭箱)和氣體緩沖罐組成。空氣壓縮機可將氣體壓縮，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，消耗掉空氣中的氧氣。氣體緩沖罐可儲存一定壓力的貧氧氣體，以供試驗用。

(2)

物料喂入部分

該部分主要包括料倉、螺旋器及調壓器、電機和減速器等輔助設備。料倉內設有攪拌器和惰性氣體入口。螺旋進(jìn)料器由電機帶動(dòng)。因生物質(zhì)顆粒的表面不光滑且形狀不規則，顆粒之間容易搭接或黏著(zhù)，會(huì )造成螺旋進(jìn)料器空轉而無(wú)物料進(jìn)入反應器，因此，在料倉內設有攪拌器，防止物料搭接形成空隙，保證連續給料。同時(shí)，試驗中為了防止反應器內的高壓、高溫氣體反竄回料倉，通過(guò)料倉頂部的進(jìn)氣口通往調壓器，使料倉內也具有一定的壓力。使物料能靠重力和惰性氣體的輸送作用及電動(dòng)機的旋轉順利進(jìn)入反府器。通過(guò)調節調壓器電壓，改變電動(dòng)機的速度，從而改變進(jìn)料率。調壓器型號為T(mén)DGC110.5的接觸調壓器，電動(dòng)機為單相串激電動(dòng)機，減速器為WDH型渦輪減速器。

由于螺旋進(jìn)料器與反應器密聯(lián)成一體，為防止接口處過(guò)早地發(fā)生熱裂解反應，產(chǎn)生的少量生物油和炭集結于此阻礙進(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)

反應器部分

反應器主體是由4段內徑為100 mm的不銹鋼管由螺栓密封連接而成的。整體反應器高600 mm。反應器最高設計溫度為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(guò)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(guò)濾器將附著(zhù)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、轉子流量計、壓力表、穩壓器和臺秤。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)生器和流化床反應器的溫度。溫度顯示控制區為Eurotherm91型，它與熱電偶相連，顯示貧氧氣體發(fā)生器及反應器的溫度。通過(guò)加熱元件的電路控制貧氧氣體發(fā)生器及反應器溫度達到設定值。

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

工藝流程

生物質(zhì)熱裂解液化的工藝過(guò)程如下。

生物質(zhì)原料經(jīng)粉碎、烘干后放入料倉中備用。空氣由空氣壓縮機導入貧氧氣體發(fā)生器，產(chǎn)生的貧氧氣體被壓入緩沖罐，隨著(zhù)氣體量的增加，緩沖罐內壓力不斷增大直到以滿(mǎn)足反應所需的正壓需要。從氣體緩沖罐出來(lái)的氣體經(jīng)轉子流量計分成兩路：流量較大的主路進(jìn)入液化床反應器，在反應器底部預熱，經(jīng)氣體分布板進(jìn)入上部的液化床反應器；流量較小的一路由料倉頂部通人，并順著(zhù)物料一同進(jìn)人流化床反應器。兩路氣體在液化床內一起液化沙子和物料的混合物，因反應器被加熱到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)入反應器的惰性載氣生成物一起離開(kāi)反應器，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(lái)，由集炭箱收集。氣體則通過(guò)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(guò)濾器和轉子流量計流出，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

冷態(tài)試驗的目的

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

冷態(tài)試驗將得出以下結論。

液化床

液化床

(1)

曲線(xiàn)

曲線(xiàn)(流化床壓降-流化速度曲線(xiàn))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(xiàn)的波動(dòng)情況判定流化狀態(tài)的好壞。若曲線(xiàn)中壓力脈動(dòng)的幅值小、頻率高，則液化均勻，標志著(zhù)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)化的基本參數之一。確定 的最好方法莫過(guò)于由試驗得到的 曲線(xiàn)測定。

(3)

選出適當粒徑的流化介質(zhì)

根據流化曲線(xiàn)反映的流化情況，選擇適當粒徑的石英砂作為加熱試驗的流化介質(zhì)。

試驗參數的選取

(1)流化沙量

若沙與物料相比過(guò)小，加熱試驗的傳熱就會(huì )變差，影響物料的熱裂解過(guò)程，降低油產(chǎn)率。而沙量過(guò)多，又會(huì )使流化氣速增大，影響對滯留期的控制。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(lèi)顆粒混合物的液化。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粒混合物在流化時(shí)，能達到顆粒的均勻流化狀態(tài)。

2)

完全分層體系

當兩種密度或顆粒徑相差較大的顆粒流化時(shí)，體系將會(huì )出現完全分層現象。

3)

部分混合體系

當粒度相差較大而密度相差較小，或者情況正好相反的兩類(lèi)顆粒混合物流化時(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)試驗和熱裂解試驗采用的是德國松木屑(后文簡(jiǎn)稱(chēng)為德木)、中國松木屑(后文簡(jiǎn)稱(chēng)為中木)和秸稈三個(gè)物料作為物質(zhì)反應物料。

取冷態(tài)試驗的物料量為60 g。沙子單獨流化(屬同類(lèi)顆粒流化)要比沙子與生物質(zhì)物料混合流化(屬異類(lèi)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)際反應中液化床瞬時(shí)進(jìn)料速率為60 g/min。所以，冷態(tài)試驗在60 g物料量下得到的結果可應用于實(shí)際流化床加熱反應中。

液化床

(4)

最大進(jìn)氣流量(流化床帶出速度)

當流化風(fēng)速增大到某一值，可看到微小顆粒飛出時(shí)，即達到了最大進(jìn)氣流量。此時(shí)，開(kāi)始降低流量，進(jìn)行冷態(tài)試驗讀數。

(5)

床高

為了使試驗測得的結果更準確，先選擇1 m床高進(jìn)行試驗，這樣可以增大流化風(fēng)速的范圍，使獲得的流態(tài)化過(guò)程曲線(xiàn)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。最后，以1 m床高的結果為主，0.3 m床高結果作為實(shí)際流化反應的參考依據。

試驗方法及原理

液化床

液化床

液化床

通常用床層壓降一流化速度曲線(xiàn)圖( 曲線(xiàn)圖)來(lái)表示顆粒的流化狀況和大致判斷床層的流化質(zhì)量，尤其是應用于看不到設備內部的情況。同時(shí)，通過(guò)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原至固定床，同時(shí)，記下相應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，在停止試驗后觀(guān)察床面情況。所測得的 數據用直角坐標標繪。由于固定床段和流化床段的壓降特點(diǎn)不同，可以通過(guò)固定床區和流化床區的點(diǎn)各自劃線(xiàn)(中間數據敞開(kāi)不計)，這兩條直線(xiàn)的交點(diǎn)即為臨界流態(tài)化點(diǎn)，對應的橫坐標即為臨界流態(tài)化速度。

液化床

液化床

選用降低流速的方法是因為壓降-流速曲線(xiàn)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。這主要是因為沒(méi)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(kāi)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(guò)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。