王娜娜，李萍，司慧

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

　　摘要：設(shè)計(jì)了一套移動式套管流化床生物質(zhì)快速熱裂解反應(yīng)裝置。闡述了套管流化床反應(yīng)器、流化床氣力輸送進(jìn)料裝置、噴射噴淋組合式冷凝器等主要組成部件的結(jié)構(gòu)，并對各部件的性能進(jìn)行試驗(yàn)測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，流化床氣力輸送進(jìn)料裝置受噴動氣速的影響較大，在流化氣速為0.02m/s時，隨著噴動氣速的增加，進(jìn)料率快速增加，當(dāng)噴動氣速超過8m/s時，這一趨勢趨緩并且進(jìn)料率波動范圍變大；利用燃燒液化石油氣和不可冷凝氣方式加熱套管流化床，流化床反應(yīng)器內(nèi)部溫度場穩(wěn)定，滿足生物質(zhì)熱裂解的需要；噴射噴淋組合式冷凝器適用于熱裂解氣體產(chǎn)物的冷卻，為提高熱解油凈產(chǎn)量，在給定的溫度下，需要較大的噴淋流量和噴射流量。在反應(yīng)溫度為500℃時，落葉松木屑的熱解油產(chǎn)率最高可達(dá)68.6%。

　　0引言

　　快速熱裂解液化技術(shù)能將農(nóng)林廢棄物等固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料——熱解油，提高了燃料的品質(zhì)和遠(yuǎn)距離輸送利用的便利性。熱解油具有良好的應(yīng)用前景，可用于鍋爐、發(fā)動機(jī)、渦輪機(jī)等[1-2]。國內(nèi)外許多學(xué)者利用固定式熱裂解裝置如流化床[3-6]、旋轉(zhuǎn)錐[7-8]、燒蝕反應(yīng)器[1-9]、下降管[10-11]等進(jìn)行了熱裂解液化研究。生物質(zhì)具有資源分散、能量密度低、季節(jié)性強(qiáng)等特點(diǎn)，采用固定式的熱裂解液化設(shè)備，會導(dǎo)致收集和運(yùn)輸成本過高。而移動式快速熱裂解液化設(shè)備可進(jìn)入生物質(zhì)資源豐富區(qū)域，把生物質(zhì)就地轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的熱解油。這種移動的作業(yè)方式降低了生物質(zhì)收集、運(yùn)輸、貯存等成本，提高了設(shè)備的利用率和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

　　能源工廠被認(rèn)為是移動式熱裂解設(shè)備的雛形，其概念最早出現(xiàn)于1993年[12]。隨后，國際可再生燃油公司（ＲOI）[13]、美國BSI公司[14]、加拿大西安大略大學(xué)[15]等開展了移動式熱裂解裝置的研究。國內(nèi)，文獻(xiàn)[16-17]報(bào)道了第一代和第二代移動式生物質(zhì)熱裂解液化系統(tǒng)。WANG等[18]開展了移動式熱裂解裝置的研究。此外還有一些國內(nèi)外學(xué)者在移動式熱解系統(tǒng)的移動路線[19]、經(jīng)濟(jì)性[20-21]等方面進(jìn)行了研究。

　　國內(nèi)外移動式生物質(zhì)熱裂解裝備需進(jìn)一步解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、換熱效率低、對電能依賴大等問題。為此，本文設(shè)計(jì)進(jìn)料率為50kg/h的移動式生物質(zhì)熱解液化系統(tǒng)，并對其主要部件的性能進(jìn)行測試。

　　1工藝原理

　　移動式生物質(zhì)快速熱裂解液化反應(yīng)裝置的工藝原理如圖1所示，主要由套管流化床反應(yīng)器、流化床氣力輸送進(jìn)料裝置、噴射噴淋組合式冷凝器等部分組成。其工藝原理為：液化石油氣和熱裂解產(chǎn)生的不可冷凝氣燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔馇邢蜻M(jìn)入固定床環(huán)形區(qū)（固定床內(nèi)填充鮑爾環(huán)，用于增強(qiáng)氣固傳熱），使環(huán)形區(qū)溫度升高，進(jìn)而加熱內(nèi)管流化床反應(yīng)區(qū)，當(dāng)溫度升高到450～600℃時，流化床氣力輸送進(jìn)料裝置把生物質(zhì)粉喂入到套管流化床反應(yīng)器內(nèi)并發(fā)生熱裂解反應(yīng)，生成的熱解氣、流化載氣以及固體產(chǎn)物依次通過并聯(lián)旋風(fēng)分離器、冷凝器后，可冷凝的氣體冷凝成熱解油儲存在儲油箱中。不可冷凝氣體通過尾氣除焦凈化裝置后，利用羅茨風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)氣路循環(huán)。不可冷凝氣分成3部分進(jìn)行利用：a路作為流化床氣力輸送進(jìn)料裝置動力氣體；b路作為流化載氣；c路作為燃燒爐燃料。

　　2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

　　2.1流化床氣力輸送進(jìn)料裝置

　　生物質(zhì)熱裂解設(shè)備的進(jìn)料方式主要有螺旋進(jìn)料器和氣力輸送進(jìn)料器。相比較而言，氣力輸送進(jìn)料裝置由于對電能的依賴小、磨損小而更適合移動作業(yè)。因此，采用氣力輸送的進(jìn)料方式，流化床氣力輸送進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。考慮料倉之間通過蝶閥連接，料倉直徑d應(yīng)該等于蝶閥的內(nèi)徑，取d=200mm。給定進(jìn)料率和進(jìn)料時間，可估算出進(jìn)料倉高度，公式為

　　選取落葉松木屑為試驗(yàn)原料，其堆密度為152kg/m³，進(jìn)料率設(shè)定為50kg/h，進(jìn)料倉中物料能持續(xù)進(jìn)料時間設(shè)為0.5h，經(jīng)計(jì)算進(jìn)料倉的高度為260mm。實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮通入氣體后物料會發(fā)生膨脹，取進(jìn)料倉高度為300mm?；谕瑯拥脑?，取過渡倉的高度為280mm。

　　2.2套管流化床反應(yīng)器

　　流化床反應(yīng)器的內(nèi)徑是反應(yīng)器設(shè)計(jì)中最重要的尺寸之一，它取決于流化床的氣體總流量和操作氣速，公式為

　　外套管根據(jù)熱量平衡確定為內(nèi)徑273mm，外徑283mm，固定床高450mm，固定床填充尺寸為25mm×25mm×0.6mm的不銹鋼鮑爾環(huán)。套管流化床反應(yīng)器[24]結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　套管流化床反應(yīng)器內(nèi)管為流化床反應(yīng)區(qū)，外套管為環(huán)形加熱區(qū)，環(huán)形加熱區(qū)被環(huán)形布風(fēng)板分割為上、下兩部分，下部為固定床區(qū)域，上部為環(huán)形煙氣通道，固定床內(nèi)填充鮑爾環(huán)，用于增強(qiáng)換熱。工作過程為：燃燒液化石油氣和不可冷凝氣產(chǎn)生的熱煙氣依次流經(jīng)環(huán)形區(qū)固定床、環(huán)形煙氣通道，使得外套管區(qū)溫度升高，進(jìn)而加熱內(nèi)管流化床，為生物質(zhì)熱裂解提供熱量。熱煙氣從環(huán)形區(qū)排出后約為300℃，為了充分利用這部分熱量，在套管流化床反應(yīng)器底部安裝螺旋板換熱器，將熱煙氣引入后，與常溫反應(yīng)區(qū)流化載氣（指循環(huán)利用的不可冷凝氣）進(jìn)行換熱，充分利用熱煙氣余熱，之后將熱煙氣排空，排空溫度低于100℃。在應(yīng)用外部換熱器時，其出口溫度需要嚴(yán)格控制，給螺旋板換熱器增設(shè)側(cè)路是控制出口溫度的有效方法。圖3中通入支路不可冷凝氣正是起到這一作用，套管流化床內(nèi)氣路如圖中箭頭所示。

　　2.3噴射噴淋組合式冷凝器

　　該冷凝器是在復(fù)合式冷凝器[25]基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具有冷凝和換熱的雙重作用。其中，氣液混合器是熱解氣冷卻的主要裝置，具有文丘里混合器和旋風(fēng)分離器的特點(diǎn)。氣液混合器參考噴射式換熱器設(shè)計(jì)方法[26]。

　　冷凝器的換熱功能主要是通過冷卻盤管和噴淋功能實(shí)現(xiàn)。冷卻盤管及噴淋裝置屬于間壁式傳熱，其效率低于氣、液直接接觸換熱，為了適應(yīng)冷凝器內(nèi)部空間，冷卻盤管設(shè)計(jì)為等螺距螺旋體，噴淋器設(shè)計(jì)為傘形，其上開有內(nèi)外兩圈溝槽，使熱解油均勻地噴灑在內(nèi)外盤管上。冷凝器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

　　換熱面積需滿足A1≥A2，在滿足換熱面積基礎(chǔ)上綜合考慮冷凝器整體尺寸、流速限制等要求。經(jīng)計(jì)算定為：盤管外徑25mm，壁厚2mm，3排并聯(lián)，每排螺距均為135mm；內(nèi)、外側(cè)盤管螺旋直徑分別為290、360mm，螺旋圈數(shù)均為4圈。冷卻管出、入水口均位于頂端，分別由一直管將3排并聯(lián)的盤管匯總。

　　3結(jié)果與討論

　　3.1進(jìn)料裝置試驗(yàn)

　　進(jìn)料試驗(yàn)時將流化床氣力輸送進(jìn)料裝置與反應(yīng)器相連，用空氣替代不可冷凝氣，氣體分4路進(jìn)入流化床進(jìn)料裝置：進(jìn)入擾動管，防止生物質(zhì)粉在過渡倉架橋；進(jìn)入噴動管；作為流化氣通入進(jìn)料倉底部；進(jìn)入輸料管支路上的返噴管（此氣路只在停止進(jìn)料時打開，防止反應(yīng)器里的物料返噴進(jìn)輸料管）。過渡倉和進(jìn)料倉上下位置處分別設(shè)有兩對激光光敏傳感器作為料位計(jì)，其作用是檢測過渡倉和進(jìn)料倉內(nèi)物料位置，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上下蝶閥的交替開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料。

　　結(jié)果表明，噴動氣速對進(jìn)料率的影響較大，這主要因?yàn)閲妱託夥较蚺c輸料管一致，有效降低了壓力損失。而流化氣的主要作用是降低生物質(zhì)架橋及堵塞，流化氣的引入有助于實(shí)現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)進(jìn)料。在流化氣速為0.02m/s時，噴動氣速對進(jìn)料率的影響如圖5所示。從圖5可以看出，隨著噴動氣速的增加，進(jìn)料率快速增加，當(dāng)噴動氣速超過8m/s時，這一趨勢趨緩并且進(jìn)料率標(biāo)準(zhǔn)差變大。

　　3.2反應(yīng)器性能試驗(yàn)

　　在設(shè)計(jì)加工的移動式熱裂解裝置開展了落葉松木屑熱裂解制取熱解油試驗(yàn)，裝置如圖6所示。

　　采用粒徑0.6～1.2mm的落葉松木屑為原料，在反應(yīng)溫度分別為400、450、500、550℃時開展了熱裂解試驗(yàn)。試驗(yàn)時設(shè)定冷凝器的噴射、噴淋流量分別為1.5、3.0m³/h。試驗(yàn)結(jié)果表明，熱解油的產(chǎn)率在500℃達(dá)到最高值。

　　圖7是當(dāng)反應(yīng)溫度設(shè)定為500℃時，一個試驗(yàn)周期內(nèi)的燃燒爐和反應(yīng)器溫度分布。從圖7可以看出，在反應(yīng)后60min左右，燃燒爐的溫度快速升高至900℃，然后穩(wěn)定在900℃左右。約在130min以內(nèi)，反應(yīng)器的溫度也逐漸從室溫（20℃）開始升高并穩(wěn)定到510℃左右。在140min時，反應(yīng)器溫度略有下降，這是因?yàn)榇藭r有生物質(zhì)粉加入到流化床反應(yīng)器內(nèi)，造成反應(yīng)器內(nèi)的溫度低。隨后提高燃燒爐出口溫度，反應(yīng)器內(nèi)的溫度開始升高，最后穩(wěn)定在500℃左右。反應(yīng)結(jié)束，燃燒爐停止加熱，反應(yīng)器溫度開始降低。

　　3.3冷凝器性能試驗(yàn)

　　為了測試?yán)淠鞯男阅?，開展了反應(yīng)溫度為500℃時噴射和噴淋流量對熱解油產(chǎn)率試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。其中，圖8a為保持噴淋流量3m³/h不變，熱解油產(chǎn)率隨噴射流量的變化曲線，可以看出熱解油產(chǎn)率隨著噴射流量增加而快速增加，當(dāng)噴射流量大于2.0m³/h，增速趨緩。這主要是由于噴射液直接與熱解氣接觸，為熱解氣降溫。噴射流量的增加有利于氣體快速降溫，縮短冷凝時間，提高冷凝效率。保持噴射流量為2m³/h，噴淋流量對熱解油產(chǎn)率的影響如圖8b所示，隨著噴淋流量增加，熱解油產(chǎn)量也會增加，但并不顯著。這是因?yàn)閲娏芤簢姙⒃诶鋮s盤管上，與盤管內(nèi)冷卻水發(fā)生對流換熱，為熱解油降溫，以維持連續(xù)穩(wěn)定的冷凝過程，并且噴淋液還與上升的氣體直接接觸，實(shí)現(xiàn)二次冷凝，進(jìn)一步回收熱解油。因此，噴淋流量的增加有助于降溫及冷凝，同樣可提高液體產(chǎn)物收集率。當(dāng)噴淋流量3m³/h，噴射流量為2m³/h時，落葉松木屑的熱解油產(chǎn)率最高，為68.6%。

　　4結(jié)束語

　　設(shè)計(jì)了移動式生物質(zhì)快速熱裂解裝置，對該裝置主要組成部件的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了闡述。對進(jìn)料裝置的測試結(jié)果表明，與流化氣速相比，噴動氣速對進(jìn)料率的影響較大，這主要因?yàn)閲妱託夥较蚺c輸料管一致，而流化氣的主要作用是降低生物質(zhì)架橋及堵塞。采用燃燒爐加熱方式，利用燃燒液化石油氣和熱解產(chǎn)生的不可冷凝氣為生物質(zhì)熱裂解提供熱量，可降低能耗，降低設(shè)備對電能的依賴，適應(yīng)移動作業(yè)的要求。利用該移動式裝置在反應(yīng)溫度為400～550℃時進(jìn)行落葉松木屑的熱裂解試驗(yàn)，結(jié)果表明，流化床反應(yīng)器內(nèi)溫度場穩(wěn)定，適于熱裂解反應(yīng)。在設(shè)定的溫度下，為提高熱解油凈產(chǎn)量，需要較大的噴淋流量和噴射流量。熱解油產(chǎn)率在反應(yīng)溫度500℃時達(dá)到最高，為68.6%。該套裝置可方便移動到生物質(zhì)資源豐富的林場、農(nóng)場、園林綠化等區(qū)域，以農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園林廢棄物等（如秸稈、稻殼、木屑、樹枝等）為原料，開展熱裂解反應(yīng)，制取熱解油。