槳式攪拌床快速熱解反應(yīng)裝置的設(shè)計

0熱解反應(yīng)器的概念21世紀，由于缺乏固定能源，污染日益增長，世界上有兩個主要問題?？芍淠茉吹哪芰σ呀?jīng)提高到前所未有的水平。其中，替代石油、天然氣、天然氣等石化燃料的理想能源之一。生物質(zhì)快速熱解是指在貧氧或無氧環(huán)境及適中的溫度(450~600℃)下,生物質(zhì)高分子在快速升溫過程中斷裂成小分子的過程,因其液體產(chǎn)率較高,因此被認為是最有前景的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化利用手段之一?？焖贌峤夥磻?yīng)器是快速熱解工藝的核心設(shè)備,根據(jù)已有的文獻報道,熱解反應(yīng)器主要有旋轉(zhuǎn)錐熱解反應(yīng)器、下落床熱解反應(yīng)器、流化床熱解反應(yīng)器、移動床熱解反應(yīng)器、燒蝕熱解反應(yīng)器等類型~。在分析各種反應(yīng)器的特點及前期對流化床反應(yīng)器開發(fā)的工作基礎(chǔ)上,本文開發(fā)了一種新型快速熱解反應(yīng)裝置,該裝置具有傳熱速率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作費用低等特點,同時,本文在3kg/h進料量的小試樣機上進行了不同條件下生物油的產(chǎn)率及物質(zhì)含量的研究。1冷凝系統(tǒng)及小試系統(tǒng)本文中的新型槳式攪拌床快速熱解反應(yīng)裝置由北京林業(yè)大學生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化實驗室設(shè)計,研究生導師李瑞為主要設(shè)計者,該裝置及工藝流程如圖1所示,主要由反應(yīng)器及冷凝系統(tǒng)兩部分組成。其中反應(yīng)器(圖1,1~7)采用創(chuàng)新設(shè)計的攪拌式熱解體系,設(shè)計思路如下。(1)用固態(tài)顆粒填充反應(yīng)器形成固體顆粒床層,顆粒為載熱性能優(yōu)異的陶瓷球或強度好的金屬鋼珠,直徑為3~10mm,作為熱載體提供生物質(zhì)顆粒的熱解反應(yīng)空間,小試樣機選擇直徑為8mm的金屬鋼珠作為床層粒子,理論計算可知,1m3床層可提供450m2左右的接觸面積。(2)利用單層或多層攪拌槳實現(xiàn)床層的運動,床層內(nèi)顆粒的運動在強化載熱粒子與生物質(zhì)顆粒的傳熱過程的同時,也將生物質(zhì)顆粒表面熱解后的炭層磨掉,加速熱解反應(yīng)過程,減少產(chǎn)物在擴散過程中的二次裂解;床層的運動不斷清除反應(yīng)空間的熱解產(chǎn)物,使之向下運動直至排出;同時,床層的運動使得粒子不停地在熱源及熱解區(qū)域之間“流動”,維持了均勻、穩(wěn)定的床層溫度。(3)由于是小試設(shè)備,因此采用反應(yīng)器邊壁纏繞電加熱絲作為供熱熱源,中試或大型的快速熱解反應(yīng)器可以考慮利用煙氣或自熱形式加熱,反應(yīng)器可以在常壓或真空下操作,真空操作可以縮短反應(yīng)產(chǎn)物高溫停留時間,進而有效減少二次裂解,但同時對于設(shè)備的高溫密封性提出較高要求。冷凝系統(tǒng)是熱解流程中另一關(guān)鍵部分,合理的設(shè)計可以有效降低熱解油的二次裂解,并避免焦油在高溫下冷凝發(fā)生的結(jié)焦,使得生產(chǎn)穩(wěn)定、高效地運行。本裝置采用直接冷卻和間接冷卻結(jié)合的三級冷凝系統(tǒng)(圖1,8~14),簡述如下。(1)噴淋泵將集液罐中的熱解液噴射到噴射冷凝器中,與溫度為500~550℃的來自熱解反應(yīng)器的反應(yīng)產(chǎn)物充分接觸,高溫氣相迅速降溫,其中的焦油、部分生物油冷凝成液體,過程放出的熱量可由設(shè)在循環(huán)管路上的冷卻器或噴射冷凝器外的冷卻介質(zhì)帶走(本小試為了簡化流程選擇了后者),直接接觸及高速噴射模式有效地解決了利用間壁式換熱器時冷凝出來的焦油被高溫氣相“烤焦”而造成的堵塞等狀況。(2)一級未冷凝氣體進入二級冷凝器中,由于氣相已經(jīng)脫去絕大部分焦油,而且溫度較低,因此設(shè)計采用間壁式冷凝器,在此除不凝氣外的絕大部分氣相組分被冷凝成液體。(3)用0~5℃左右的冷阱將冷凝點低的熱解油冷凝成液體,未凝氣由真空泵排出反應(yīng)系統(tǒng)。這種3級冷凝系統(tǒng)能最大限度地將熱解產(chǎn)生的熱解油收集起來,減少損失。由上述可以看出,新型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單,無高速運動部件(攪拌轉(zhuǎn)速低于120r/min),因此相對旋轉(zhuǎn)錐熱解反應(yīng)器及燒蝕反應(yīng)器而言,反應(yīng)器制造和維護的費用較低;同時與各種流態(tài)化反應(yīng)器相比,新型反應(yīng)器節(jié)約了流化氣體加熱、冷卻的能量,同時避免了流化氣中所含焦油堵塞管路和輸送風機等問題。2熱解反應(yīng)裝置為考證新型反應(yīng)器的各項指標,本文對設(shè)計的槳式攪拌床快速熱解反應(yīng)裝置進行熱解油產(chǎn)率研究,尋找出符合該設(shè)備的最佳工藝參數(shù),以期為中試反應(yīng)器設(shè)計提供參考依據(jù);同時,對熱解油成分進行分析,以期為熱解油的進一步利用提供參考依據(jù)。2.1快速熱解試驗的樣品本試驗所用的快速熱解原料使用產(chǎn)自北京郊區(qū)的落葉松顆粒。將取來的原料顆粒進行干燥,并用標準篩進行篩分,選取粒徑在1mm以下的顆粒作為快速熱解試驗所用的樣品;將落葉松快速熱解油作為氣質(zhì)聯(lián)用儀所需試驗的樣品。2.2試驗設(shè)備本文設(shè)計的新型槳式攪拌床快速熱解反應(yīng)裝置(圖1)、北京林業(yè)大學氣質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS)QP2010Plus等。2.3測試方法2.3.1熱解反應(yīng)條件調(diào)整單次落葉松顆粒進料量為500g,設(shè)備運行時間為10min。根據(jù)影響熱解反應(yīng)的主要因素,對以下主要操作參數(shù)進行調(diào)整:(1)反應(yīng)溫度:350~650℃;(2)攪拌速度:35~95r/min;(3)進料速度:15~45r/min。2.3.2氣化室溫度及試驗條件北京林業(yè)大學氣質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS),型號QP2010Plus,對落葉松熱解油進行分析;色譜柱:30mm×0.32mm×0.5μm;氣化室溫度為280℃,氦氣載氣,流量為1mL/min,進樣量為0.2μL,分流比為1∶10;試驗條件:色譜柱起始溫度為50℃,保溫3min,以5℃/min升溫至280℃,保溫10min,GC-MS接口溫度為250℃;質(zhì)譜條件:電離源EI,電子能量70eV,離子源溫度200℃,掃描范圍:30~500D(道爾頓)。3結(jié)果與討論3.1反應(yīng)溫度對熱解油產(chǎn)率的影響在快速熱解反應(yīng)過程中,溫度對熱解油產(chǎn)率的影響非常重要。本試驗選取的落葉松顆粒的快速熱解反應(yīng)溫度分別為350,400,450,500,550,600,650℃,攪拌速度為55r/min,進料速度為25r/min,觀察熱解油產(chǎn)率變化(圖2)。(1)在反應(yīng)溫度較低(350~500℃)時,熱解油產(chǎn)率隨著反應(yīng)溫度的增高而逐漸增大,這是因為隨著溫度的升高,逐漸達到落葉松顆粒中高分子物質(zhì)的化學鍵斷裂溫度,使其充分地斷裂成可被冷凝的氣相產(chǎn)物,提高了熱解油產(chǎn)率;(2)在反應(yīng)溫度升高(500~650℃)時,熱解油產(chǎn)率隨著反應(yīng)溫度的繼續(xù)增高而逐漸下降,這是因為隨著反應(yīng)溫度升高,更多的能量將落葉松顆粒中的高分子物質(zhì)斷裂成難以被冷凝的氣相產(chǎn)物,使得氣體產(chǎn)率增加,液體產(chǎn)率減少;(3)在反應(yīng)溫度為500℃時,落葉松熱解油產(chǎn)率的達到最高,與文獻報道的最佳反應(yīng)溫度一致。3.2熱解油產(chǎn)率測試本裝置中的攪拌槳轉(zhuǎn)動速率會對熱解油產(chǎn)率產(chǎn)生影響。本試驗采用單層槳攪拌,攪拌速度分別為35,55,75,95r/min,反應(yīng)溫度為500℃,進料速度為25r/min,觀察熱解油產(chǎn)率(圖3)。在試驗攪拌速度范圍內(nèi),落葉松熱解油產(chǎn)率隨著攪拌速度的增加而線性增大,這是因為:(1)攪拌速度越快,床層內(nèi)不同溫度顆?；旌显匠浞?提高了顆粒間傳熱效率,維持均勻穩(wěn)定的床層溫度;(2)高攪拌速度使得床層顆粒與生物質(zhì)顆粒間的摩擦更加充分,熱解接觸面積更大;(3)快速熱解產(chǎn)生的固態(tài)產(chǎn)物經(jīng)快速攪拌排出反應(yīng)區(qū)域,降低了對熱解反應(yīng)的不利影響。若采用多層槳攪拌,會進一步提高熱解效率,提高熱解油產(chǎn)率。3.3進料速度對熱解油產(chǎn)率的影響本試驗采用的進料速度分別為15,25,35,45r/min,反應(yīng)溫度為500℃,電機轉(zhuǎn)速為95r/min,觀察熱解油產(chǎn)率變化(圖4)。(1)當進料速度為15~35r/min,熱解油產(chǎn)率隨著進料速度的增大而逐漸增加,這是因為進行快速反應(yīng)的落葉松顆粒逐漸增多;(2)當進料速度為35~45r/min,熱解油產(chǎn)率隨著進料速度的增大而逐漸降低,這是因為反應(yīng)區(qū)內(nèi)落葉松顆粒過多,所需熱解熱量逐漸高于系統(tǒng)所能提供的熱量,使得部分落葉松顆粒未參加反應(yīng)即被排放出反應(yīng)區(qū),造成落葉松熱解油產(chǎn)率下降;(3)當進料速度為35r/min時,反應(yīng)所需熱量與系統(tǒng)提供熱量保持平衡,達到最佳進料速度。3.4熱解油中主要化合物的物質(zhì)組成試驗使用的落葉松熱解油樣品由本文設(shè)計的新型槳式攪拌床快速熱解反應(yīng)裝置生產(chǎn)。生產(chǎn)條件:反應(yīng)溫度為500℃,電機轉(zhuǎn)速為95r/min,進料速度為35r/min。落葉松熱解油中的物質(zhì)含量非常復雜,通過氣質(zhì)聯(lián)用儀分析,多達140多種物質(zhì),這些物質(zhì)按照大類可分為酮類、醛類、酚類、酸類、醇類等。落葉松熱解油各類物質(zhì)的相對百分含量如表1所示,其中酚類物質(zhì)相對百分含量為15%~20%,酚類主要組分有苯酚、苯二酚、2-甲氧基苯酚3種。酚類化合物是重要的化工原料,其廣泛用于化學工業(yè)、木材加工、塑料加工和醫(yī)藥等行業(yè)?，F(xiàn)今酚類化合物的平均售價達上萬元/t,有效利用熱解油中的酚類化合物,可大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本,并實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。綜上所述,本文設(shè)計的小型快速熱解反應(yīng)裝置的熱解油產(chǎn)率為50%~60%,基本與報道的熱解反應(yīng)器產(chǎn)油率持平。驗證了在快速熱解反應(yīng)條件下,500℃是落葉松熱解油產(chǎn)率最高的反應(yīng)溫度;熱解油的產(chǎn)率會隨著傳熱效率