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王紹慶，李志合，吳厚凱，李寧，柏雪源
（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院/山東省清潔能源工程技術(shù)研究中心，淄博255049）
摘要：固體熱載體加熱生物質(zhì)是生物質(zhì)熱解制取生物油的工藝手段之一。為解決固體熱載體間接加熱方式升溫慢、效率低問題，設(shè)計了一種流化床生物質(zhì)燃燒的熱煙氣直接加熱固體熱載體裝置，分析了其結(jié)構(gòu)與原理，開展了固體熱載體升溫性能和流化床燃燒器的燃燒特性試驗研究，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了熱平衡分析。結(jié)果表明：流化床高溫?zé)煔饧訜崽沾汕驘彷d體的平均熱能利用率為66.3%，流化床燃燒生物質(zhì)粉產(chǎn)生的高溫?zé)煔饽軌驖M足熱載體加熱裝置對熱源的需求，熱載體加熱器內(nèi)的熱量傳遞方式主要是對流換熱。陶瓷球熱載體與加熱器內(nèi)高溫?zé)煔獾膶α鱾鳠嵯禂?shù)為475W/(m2·℃)。研究對結(jié)果對解決生物質(zhì)熱解液化技術(shù)中的固體熱載體加熱升溫關(guān)鍵問題具有重要指導(dǎo)意義。
0引言
生物質(zhì)具有環(huán)境友好，資源可再生等特點，是理想的清潔能源之一[1-2]。生物質(zhì)能的開發(fā)利用，旨在把諸如農(nóng)林廢棄物等固體生物質(zhì)通過物理或化學(xué)方法，使之成為高能量密度的氣體、固體或液體燃料[3-5]。生物質(zhì)熱解液化技術(shù)是一種熱化學(xué)手段，利用高溫固體介質(zhì)加熱粉狀生物質(zhì)實現(xiàn)生物質(zhì)快速熱解液化，是生產(chǎn)生物油的工藝之一，具有冷卻負(fù)載小、載體余熱回收容易等優(yōu)點，有著較好的發(fā)展前景[6-11]。山東省清潔能源工程技術(shù)研究中心開發(fā)的陶瓷球熱載體加熱生物質(zhì)熱解液化工藝技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)[12]。在生物油的生產(chǎn)中，熱載體作為制備生物油的傳熱介質(zhì)，其加熱時間長，耗能高，然而目前采用的熱載體間接加熱技術(shù)還存在著熱載體升溫速率慢、效率低、耗能高的問題，因此生產(chǎn)的連續(xù)性和規(guī)模性受到限制，也嚴(yán)重制約了生物油的低能耗、規(guī)模化生產(chǎn)[13-16]。李志合等設(shè)計的固體熱載體換熱器殼體內(nèi)設(shè)有多組換熱管，煙氣發(fā)生爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入殼體內(nèi)，實現(xiàn)陶瓷球的間接換熱，同時硅碳棒與保護(hù)套管與換熱管垂直布置，作為加熱熱載體的輔助熱源，換熱器換熱面積大，熱效率較高，但能耗過高[17]。曹有為等研究的串聯(lián)熱載體加熱裝置將2個不同加熱方式的加熱裝置串聯(lián)在一起，上爐體主要是熱載體在列管內(nèi)間接換熱，換熱后的熱載體進(jìn)入下爐體與高溫?zé)煔庵苯訐Q熱，加熱裝置具有高效率和傳熱效率[18]。本文最初采用明火直接加熱陶瓷球，加熱試驗表明陶瓷球會產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象；同時，生物質(zhì)熱裂解是在缺氧條件下進(jìn)行的，熱解反應(yīng)器內(nèi)部要和外部環(huán)境隔絕，生物質(zhì)粉通過燃燒消耗了空氣中的氧氣，生成的高溫?zé)煔庠倥c陶瓷球進(jìn)行換熱，可以保證熱解反應(yīng)系統(tǒng)與外界的獨立性。
本文針對“固體熱載體加熱下降管式裂解液化系統(tǒng)”中的陶瓷球固體熱載體加熱問題，在原有陶瓷球固體熱載體加熱研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計制造了流化床高溫?zé)煔庵苯蛹訜崽沾汕驘彷d體的試驗裝置，利用流化床高溫?zé)煔鉄彷d體加熱系統(tǒng)研究高溫?zé)煔饧訜崽沾汕驘彷d體的規(guī)律及最佳工藝參數(shù)，以期解決陶瓷球加熱生物質(zhì)裂解液化技術(shù)中固體熱載體加熱升溫困難的技術(shù)難題，對各部件作深入研究和參數(shù)優(yōu)化等工作。
1固體熱載體高溫?zé)煔饧訜嵫b置設(shè)計
1.1設(shè)計依據(jù)
生物質(zhì)熱解液化過程中，熱載體與生物質(zhì)混合質(zhì)量比為10:1，為滿足生物質(zhì)處理量為30kg/h的熱解液化裝置的熱解需求，熱載體的需求量應(yīng)大于300kg/h，同時生物油生產(chǎn)過程中固體熱載體加熱一般需要專用的熱載體加熱爐，為提高固體熱載體的換熱效率，同時考慮經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境保護(hù)的需求，固體熱載體加熱裝置的設(shè)計應(yīng)考慮以下幾個方面：
1）爐膛容積熱負(fù)荷（qv）。其大小主要取決于燃料的揮發(fā)分含量高低，揮發(fā)分低的無煙煤，不易著火燃燒，qv值應(yīng)取小一些，爐膛容積可大一些，延長燃料在爐內(nèi)的停留時間。而生物質(zhì)揮發(fā)分含量較高，在爐膛內(nèi)燃燒方式介于層燃與懸浮燃燒之間，qv值可比煤粉爐大，一般取值范圍為180～250kW/m3。
2）加熱器出口煙溫。其主要取決于生物質(zhì)燃燒特性和生物質(zhì)灰熔融特性，一般加熱器出口煙溫控制在1050～1100℃[19]。
3）受熱面積。加熱器內(nèi)置擋板增加了熱載體的滯留時間，進(jìn)而增加了單位時間內(nèi)的受熱面積，加強(qiáng)了熱載體與高溫?zé)煔獾膶α鲹Q熱。
4）經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。流化床燃燒器通過燃燒生物質(zhì)粉體燃料產(chǎn)生高溫?zé)煔猓瑴p少污染物的排放，節(jié)省能源成本。
1.2整體方案設(shè)計
本文設(shè)計制造的固體熱載體高溫?zé)煔饧訜嵫b置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由：高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置、熱載體喂料器、熱載體加熱器、旋風(fēng)分離系統(tǒng)及溫度檢測系統(tǒng)等組成，加熱裝置整體尺寸3.1m×1.5m×4.7m。
1.3高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置設(shè)計
高溫?zé)煔馐怯闪骰踩紵鳟a(chǎn)生，主要由生物質(zhì)粉喂料器、流化床燃燒爐、進(jìn)風(fēng)裝備以及溫度監(jiān)控系統(tǒng)等組成，如圖2所示。
高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置的原理就是利用生物質(zhì)粉（產(chǎn)熱量可達(dá)15550kJ/kg）在流化床燃燒器內(nèi)的燃燒產(chǎn)生用于熱載體加熱。生物質(zhì)粉喂料器采用的是刮板式和螺旋進(jìn)料相結(jié)合的兩級喂料裝置[20]，能夠確保生物質(zhì)粉連續(xù)、穩(wěn)定、快速的喂入流化床燃燒器。流化床燃燒爐類似于鼓泡流化床燃燒器，主要包括風(fēng)室、燃燒室、布風(fēng)板、煙氣凈化層等組成，試驗時打開生物質(zhì)粉體燃料喂料器和羅茨風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)娘L(fēng)料比，燃燒室密相區(qū)是生物質(zhì)粉著火和燃燒的主要區(qū)域，燃燒室上部為稀相區(qū)，生物質(zhì)粉濃度較低，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過煙氣凈化層后，通過燃燒爐上部的煙氣管道進(jìn)入熱載體加熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換。
1.4陶瓷球喂料器結(jié)構(gòu)設(shè)計
陶瓷球喂料器（如圖3）采用螺旋式開關(guān)，試驗過程中通過把手控制調(diào)節(jié)桿，逆時針旋轉(zhuǎn)把手，通過調(diào)節(jié)桿的控制，錐形塊向上移動，利用錐形塊與斜壁間相對運動來改變他們之間的間隙，進(jìn)而控制陶瓷球的流量，儲料罐的容量為40L，完全保證換熱試驗陶瓷球用量。陶瓷球喂料試驗表明，從料筒出來的陶瓷球流體呈細(xì)流狀，在陶瓷球出料口50mm處設(shè)置篩網(wǎng)，篩網(wǎng)孔徑為8mm，保證陶瓷球下料均勻[21]。
1.5熱載體加熱器設(shè)計
熱載體加熱器內(nèi)陶瓷球吸熱量主要由高溫?zé)煔馓峁瑹彷d體加熱器的爐膛截面積計算公式為
圖4表示的是陶瓷球熱載體加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，該加熱器是由豎直管和內(nèi)置擋板組成，整個加熱器分布3個測溫點，從上往下分布在600、1000、1400mm共3點；內(nèi)置擋板是由3根外徑為5mm的螺桿相連接，擋板壁厚為10mm，用一對M12的緊固螺釘固定在加熱器內(nèi)部，同時為了降低熱量損失，提高換熱效果，采用50mm厚的含鋯陶瓷噴絲毯對加熱器進(jìn)行保溫處理。
流化床燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入熱載體加熱器底部向上流動，與加熱器內(nèi)下落的固體熱載體進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱，同時內(nèi)置擋板的存在改變了熱載體流動速度的大小和方向，增加了固體熱載體的換熱時間，加熱后的固體熱載體從加熱器底部排出進(jìn)入儲料器。
1.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
測溫元件采用大連雷爾達(dá)儀表有限公式生產(chǎn)的型號為WRN-130的K型熱電偶(測溫范圍為0～1300℃)，熱響應(yīng)相應(yīng)時間約為20s，測溫精度為1%，測溫準(zhǔn)確且靈敏度高。數(shù)據(jù)采集采用的是阿爾泰高級檢測系統(tǒng)，可以實時對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)測，主要包括DAM-3038熱電偶輸入模塊、DAM-3058R遠(yuǎn)端壓力輸入模塊、DAM-3210數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，DAM-3000M測試系統(tǒng)等。
2性能試驗
2.1試驗原料
本文所用的生物質(zhì)燃料選自淄博市張店區(qū)的玉米秸稈、小麥秸稈和棉花秸稈，秸稈原料來源廣泛，能降低燃料原料的供應(yīng)成本。試驗物料經(jīng)自然風(fēng)干、粉碎、篩分后，選取平均粒徑為0.177mm（80目）左右的物料放于空氣干燥箱中，在105℃下干燥4h備用。
陶瓷球選用山東省淄博市宇邦陶瓷廠生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷球顆粒，陶瓷球直徑為3mm，主要成分為Al2O3和SiO2，密度為2000～2400kg/m3，吸水率小于0.5%，抗壓強(qiáng)度為28.13MPa。
2.2試驗條件與方法
首先啟動流化床燃燒器預(yù)熱整個系統(tǒng)，待系統(tǒng)溫度趨于穩(wěn)定后，打開陶瓷球喂料器，將陶瓷球定量、勻速的送入加熱管內(nèi)，陶瓷球和高溫?zé)煔庠诠軆?nèi)充分接觸，進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱，換熱結(jié)束后，陶瓷球落入熱載體儲存管中，煙氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器，整個試驗過程溫度實時記錄，以便于陶瓷球的熱平衡分析。
陶瓷球在熱載體加熱器內(nèi)的流動與換熱過程十分復(fù)雜，屬于氣固兩相流動與傳熱現(xiàn)象[22-24]，傳熱模型如圖5所示。存在顆粒間、顆粒與擋板之間、顆粒與壁面之間、顆粒與高溫?zé)煔庵g的對流換熱以及加熱器內(nèi)壁對顆粒的輻射等傳熱方式。通過陶瓷球在豎直管內(nèi)的可視化研究，除了邊壁和擋板處，陶瓷球下落過程中顆粒之間、顆粒與壁面間不存在相互接觸，而管壁富有絕熱型材料，因此可以忽略顆粒碰撞壁面時的熱傳導(dǎo)；在加熱器內(nèi)壁溫度低于600℃時，對管內(nèi)輻射傳熱很小，可以忽略不計；熱電偶具有熱慣性小，靈敏度高，熱容小等特點，可以忽略熱電偶吸收的熱量。因此為了簡化計算，在進(jìn)行熱量分析時只考慮陶瓷球與高溫?zé)煔獾膶α鲹Q熱。
3結(jié)果與分析
3.1流化床燃燒器燃燒性能分析
生物質(zhì)燃料中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素是其主要的易燃部分，生物質(zhì)在燃燒過程中纖維素和半纖維素會首先釋放出揮發(fā)分物質(zhì)，木質(zhì)素最后轉(zhuǎn)化成炭[25-26]。生物質(zhì)粉體燃料燃燒過程中沒有污染物排放，是一種清潔能源。根據(jù)生物質(zhì)揮發(fā)分含量高、析出迅速的特點[27]，生物質(zhì)粉體燃料在流化床燃燒器內(nèi)燃燒主要分為3個階段。
第1階段：生物質(zhì)粉在燃燒室密相區(qū)下部被點燃，同時析出所有揮發(fā)分；第2階段：揮發(fā)分在燃燒室密相區(qū)上部充分燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔猓坏?階段：燃燒室稀相區(qū)顆粒濃度變小，氣流攜帶的高溫?zé)煔馔ㄟ^燃燒室稀相區(qū)，然后經(jīng)過煙氣凈化層，通過煙氣管道進(jìn)入熱載體加熱器進(jìn)行換熱，其中燃燒室密相區(qū)、稀相區(qū)、煙氣凈化層分別對應(yīng)于圖2中的10、9、8部件。
流化床燃燒的基本原理是燃料顆粒在流態(tài)化狀態(tài)下進(jìn)行燃燒，是一種介于層燃和懸浮燃燒之間的燃燒方式。風(fēng)粉溶度（即粉體質(zhì)量與進(jìn)風(fēng)量之比，g/m3）是燃燒效果的關(guān)鍵參數(shù)[28]。為了研究風(fēng)粉濃度對生物質(zhì)粉體燃燒的影響，在進(jìn)風(fēng)量不變的前提下，改變生物質(zhì)喂料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，尋找適宜的風(fēng)粉濃度，保證流化床燃燒器產(chǎn)生穩(wěn)定的高溫?zé)煔狻?/p>
圖6是風(fēng)粉濃度與流化床燃燒器不同位置的最高溫度的關(guān)系。可知風(fēng)粉質(zhì)量濃度低于220g/m3時，燃燒器內(nèi)不能保持連續(xù)穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，且整個系統(tǒng)溫度較低；當(dāng)粉體質(zhì)量濃度在280g/m3以上時，排煙口出現(xiàn)深黃色的濃煙，表明燃燒器內(nèi)空氣供氧不足，生物質(zhì)粉體燃燒不充分，還很容易在點火時出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象，爐內(nèi)瞬間壓強(qiáng)增大，不利于整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定；當(dāng)風(fēng)粉質(zhì)量濃度為240g/m3時，主燃室溫度能達(dá)到1021℃，排煙口為淺白色的清煙，表明粉體燃料燃燒效果理想。通過燃燒性能試驗研究，確定燃燒爐的最佳風(fēng)粉質(zhì)量濃度為240g/m3。
圖7給出了在最佳風(fēng)粉濃度下，粉體在燃燒過程中溫度場的分布變化關(guān)系。從圖7中可以看出，燃燒室密相區(qū)下部的溫度最高，整個燃燒器內(nèi)的溫度由下至上依次降低，溫度梯度逐漸增大，但密相區(qū)的溫度梯度較小，表明生物質(zhì)粉體燃料主要以體積式懸浮燃燒為主；粉體燃燒15min左右，爐內(nèi)的溫度達(dá)到穩(wěn)定，在達(dá)到穩(wěn)定之前各測試點溫度均有所上升，但溫升速率會隨著時間的增加而有所減少。在整個燃燒過程中，粉體燃燒非常迅猛，在喂料5min后燃燒器內(nèi)溫度迅速升高，15min爐內(nèi)溫度場達(dá)到平衡，整個燃燒過程持續(xù)穩(wěn)定，且排煙口為淺白色的清煙，表明生物質(zhì)粉體燃燒效果理想，燃燒器能連續(xù)、穩(wěn)定的產(chǎn)生高溫?zé)煔狻?/p>
3.2加熱器內(nèi)溫度變化分析
當(dāng)整個熱載體加熱系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，陶瓷球以3種不同的流量通過加熱器，通過改變陶瓷球的質(zhì)量流量，來研究加熱器內(nèi)高溫?zé)煔鉁囟扰c陶瓷球流量的關(guān)系，進(jìn)而分析陶瓷球與高溫?zé)煔庠诩訜崞鲀?nèi)的對流換熱規(guī)律。加熱器內(nèi)高溫?zé)煔鉁囟茸兓?guī)律（陶瓷球質(zhì)量流量為6.4kg/min為例）如圖8所示。
根據(jù)陶瓷球在整個加熱器內(nèi)的溫度變化擬合曲線可以看出，高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣管道進(jìn)入加熱器時溫度在750℃左右，加熱器內(nèi)高溫?zé)煔忾_始時降溫速率較大，隨后迅速減小，最后在接近煙氣進(jìn)口處對流換熱較弱。主要是因為開始時陶瓷球和管內(nèi)高溫?zé)煔鉁夭畲螅沾汕蛲ㄟ^與高溫?zé)煔鈱α鲹Q熱得到大量的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致高溫?zé)煔鉁囟鹊慕档停浑S著下降距離的增加，陶瓷球溫度升高，兩者之間的溫差逐漸降低，對流換熱強(qiáng)度減弱，陶瓷球的吸熱量減少，高溫?zé)煔獾慕禍厮俾蕼p小；在接近煙口處，陶瓷球和高溫?zé)煔獾臏夭钭钚。瑢α鲹Q熱量較小。此外，加熱器存在邊界效應(yīng)，因為加熱器是開口系統(tǒng)，進(jìn)口處煙氣流動劇烈，會加強(qiáng)對流換熱的效果[29]。
3.3對流換熱系數(shù)的計算
不同質(zhì)量流量的陶瓷球在加熱器內(nèi)經(jīng)過換熱后落入陶瓷球收集管，在距加熱器出口100、550、1000mm3處布置熱電偶（如圖1），將溫控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時間設(shè)定為3000ms，實時檢測陶瓷球的溫度變化。
根據(jù)陶瓷球在加熱器內(nèi)的換熱理論分析可知，豎直管內(nèi)陶瓷球的總表面積就是陶瓷球與管內(nèi)高溫?zé)煔獾目倱Q熱面積，利用牛頓冷卻公式，豎直管內(nèi)的對流換熱量的計算公式
表1表示的是陶瓷球與高溫?zé)煔獾膿Q熱初終溫度及兩者間對數(shù)平均溫差，根據(jù)假設(shè)陶瓷球的吸熱量完全來自于高溫?zé)煔猓雎詿釗p失，依據(jù)能量平衡式（4），可以計算出陶瓷球質(zhì)量流量分別在6.2、6.4和6.6kg/min時的對流換熱系數(shù)h分別為481.8、468.2和476.5W/(m2·℃)，綜合3種流量下陶瓷球與高溫?zé)煔獾膶α鲹Q熱系數(shù)，可以得到平均對流換熱系數(shù)在475W/(m2·℃)左右。
3.4熱能利用率的計算
為檢測熱載體加熱裝置的熱能利用率，同一天分3個時間段檢測熱載體加熱系統(tǒng)能量的變化，進(jìn)而計算出裝置的熱能利用率，計算公式如下
檢測試驗過程中陶瓷球質(zhì)量流量為6.2kg/min，試驗陶瓷球初溫為20℃，每組采樣的觀測時段大約為10min，共3組，檢測的結(jié)果如表2。通過計算可知，流化床高溫?zé)煔饧訜崽沾汕驘彷d體的試驗裝置平均熱能利用率為66.3%，表明裝置有很好的節(jié)能特點。
4結(jié)論
1）通過開展生物質(zhì)粉在流化床燃燒器上的燃燒性能試驗，獲得了本燃燒爐最適合的風(fēng)粉質(zhì)量濃度在240g/m3左右。
2）固體熱載體高溫?zé)煔饧訜嵫b置實現(xiàn)了穩(wěn)定換熱，陶瓷球與高溫?zé)煔獾膶α鲹Q熱系數(shù)大約在475W/(m2·℃)左右；裝置平均熱能利用率為66.3%。實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，提高了換熱效率。
3）固體熱載體高溫?zé)煔饧訜嵫b置利用生物質(zhì)粉體燃料進(jìn)行熱載體加熱，節(jié)約了能源資源，為高溫固體熱載體加熱生物質(zhì)快速熱解液化制取生物油工藝的進(jìn)一步商業(yè)化和工業(yè)化提供技術(shù)支持。
[參 考 文 獻(xiàn)]
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