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典型生物质热裂解液化设备的应用实例分析
发布时间: 2018-8-22 9:07:33
  生物质颗粒燃料热裂解液化的各种工艺技术中,反应器是工艺过程的核心,反应器的类型及其加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布,所以反应器类型的选择和加热方法的选择是各种技术路线的关键。目前国内外达到工业示范规模的生物质热裂解液化反应器主要有流化床、循环流化床、烧蚀床、旋转锥、引流床和真空移动床等。
  1.引流床
  引流床技术由美国GTRI公司研制开发。此工艺主要基于生物质颗粒在旋转管式炉中以运动状态获得的生物油产率高于在固定反应床中的静止状态的结论基础上开发出来的。该工艺在20世纪80年代开发,并建成小规模试验厂。1983年,工艺设备建立并完成。为了能在小规模试验厂的运转中更加深入地研究如何获得最佳产量的生物油,1985年建立了几个示范点,并对设备进行了一些较大的改进。直到1989年左右,这个反应器才成功运转,虽然运转非常成功,但是从没有扩大生产规模。
  (2)工作原理及反应过程
  引流床反应器工艺流程如图1所示。
  
  图1 引流床反应器工艺流程
  物料干燥后粉碎至粒径为1.5mm左右,通过一个旋转阀门的控制,在重力作用下用56.8kg/h的进料速率进入到反应器中。反应器是一个直径为152.4mm(6英寸)的不锈钢垂直管,物料喂入点是位于反应器下部的填有耐火材料的混合室,在这里物料与吹入的气体充分混合。减小反应器的高度可以有效降低滞留期。丙烷与空气燃烧,产生的高温气体(927度)与木屑混合,向上流动穿过反应器,在反应器中发生热裂解反应。反应生成的混合物包括不可冷凝气体、水蒸气(包括物料中的水和反应生成的水)、生物油和木炭。
  旋风分离器分离掉大部分的炭颗粒,剩余气体包括不可冷凝气体、水蒸气、生物油蒸浮和一些炭粒。高温的生成物进入到水喷式冷凝器中快速冷却,随后再进入空气冷凝器中冷凝,冷凝下来的部分由水箱和接收器接收。气体产物经过两个相连的去雾器后,燃烧排放。
  (3)产物
  生物油产率可达60wt%,没有分离提纯的生物油是高度氧化的有机物,具有热不稳定性,温度高于185~195度就会分解。
  2.真空移动床
  (1)介绍
  真空移动床反应器工艺最早是由Christian Roy博士和他的研究小组最初在Sherbrooke大学(1981~1985),之后在Laval大学(1985年至今)开展的。1988年,Christian Roy博士建立了Pyrovac学会,旨在发展这一工艺和改良由各种工业废弃物获得的热裂解产品。1996年,加拿大Pyrosystems工程公司成立,负责这项工艺的放大。
  Pyrocyling工艺正在被Pyrovac国际公司投入商业化运行。2012年,青岛科技大学教授李建隆团队与吉林颐民宝新能源开发有限公司改进了真空移动床反应器在长春建设和生产了我国规模最大的生物质热裂解液化自动化生产装置,年处理生物质原料1万t。
  (2)工作原理及反应过程
  真空移动床反应器工艺流程如图2所示。
  
  图2真空移动床反应器工艺流程
  反应在温度450度和总压力为15kPa的条件下进行,可以获得大量的生物油和具有良好表面活性的含碳固体产物。物料干燥和粉碎后在真空下导入Pyrocycler整体反应系统。物料在两个加热的水平平板上传递。融盐混合物加热平板并使其温度维持在530度。由热裂解生成的不可冷凝气体供入燃烧室燃烧,燃烧放出的热量用于加热盐。电感应加热器可以选择性地用于维持反应器的温度。
  加热时,生物质物料中的有机物部分分解为蒸汽,真空泵提供的真空状态迅速使其离开反应器。这些蒸汽导入两个冷凝设备,重油和轻油一同凝结为液态,剩余的固体产物在反应器出口冷却。
  (3)严物
  反应生成35wt%生物油、20wt%Lk(ff、34Wt%木炭和11wt%气体。
  3.烧蚀反应器
  (1)介绍
  烧蚀热裂解是对快速热裂解研究最深入的方法之一。英国Aston大学和美国国家可再生能源实验室分别开发了各自的烧蚀反应器工艺和不可冷凝气体入收集装置。
  (2)工作原理及反应过程
  烧蚀反应器工艺流程如图3所示。
  
  图3烧蚀反应器工艺流程
  图3是实验室规模用于研发的烧蚀反应器简化设备,旨在用于研究反应机理和构思新设计。设备的主要工作原理是用外界提供的高压使生物质颗粒以相对于反应器表面的高速率(>1.2mJs),在不高于温度为600"C的反应器表面移动并裂解。生物质颗粒由一些成角度的叶片压入到加热的金属平面,并在热反应器表面水平运动。
  粒径达6.35mm的干燥的生物质颗粒通过密封的螺旋进料器喂入到氮气清扫的反应器中,4个不对称的叶片以200r/min的速率旋转,产生了传递给生物质的机械压力,将颗粒送入加热到600度的反应器底部表面。叶片的机械运动使颗粒相对于热反应器表面高速运动并发生热裂解反应。产物随着氮气离开反应器进入旋风分离器,然后通过逆流冷凝塔将最初挥发产物冷凝,其余的可冷凝部分通过静电沉积器从不可冷凝气体中沉积下来。最后剩余的气体通过流量计排出。
  (3)产物
  在600度下,可得到77.6wt%液态热裂解产物,6.2wt%气体产物和15.7wt%烧蚀炭。用这种方法生产的热裂解液体产物更加稳定,也就是说其物理性质并不像其他一些快速热裂解的液态产物一样变化得很快。液体产物样品保存两年后,仅出现微小的外观上的变化。
  另外,美国国家可再生能源实验室在1984年就建造了以生产生物油为目的的烧蚀涡流反应器。烧蚀涡流反应器工艺流程如图4.24所示。1995年进行了改进。反应器外部环绕的三段圆柱体电加热炉用于加热反应器,反应器内壁是螺距为25mm、宽和厚为3mm的螺旋肋,可以使颗粒在严格限定的螺旋轨道上而不是以自由的离心方式在反应器壁上螺旋旋转。在反应器出口有一个独立的循环回路连到反应器物料进121处,使没有完全反应的物料和大的炭粒回到反应器循环反应。反应可生成67wt%液态产物和13wt%生物质炭。
  (2)工作原理及反应过程
  生物质颗粒喂入至惰性颗粒流中(如砂子或具有催化活性的颗粒流)。生物质在随惰性颗粒被抛到加热的反应器表面发生热裂解的同时,沿着高温的锥壁螺旋上升,其工作原理如图所示,最终的炭和灰从锥的顶端排出。热裂解产生的炽热气体流出反应器后经旋风分离器进入冷凝器。在旋风分离器中,气流中的炭、砂子在离心力作用下被抛向器壁落入集炭箱,气体中的生物油组分被冷的液体生物油喷雾冷凝下来,生物油在换热器中冷却后进入喷雾冷凝器中循环冷凝,t生成新的油蒸汽。不可冷凝气体通入燃烧器燃烧。因为不需要载气,从而极大地缩小了反应器尺寸和油第二级收集系统的费用。反应器结构紧密,可以达到3kg/s的非常高的固体传输能力。
  
  4.旋转锥量
  图5旋转锥反应器工作原理
  试验在温度600度和旋转速率900r/min下进行。后来对反应器内部进行了改造,旋转锥反应器工艺流程如  图6所示。反应器容积由0.25m3减小到了0.003m3,否则气相滞留期为80s左右,从而导致生物油蒸汽发生显著的二次裂解。
  
  图6旋转锥反应器工艺流程
  后来又进一步改进了反应器,为了使砂子与生物质炭分离,在锥外的燃烧室,燃烧捧出的炭、余下的热砂重新喂入反应器,这样就形成了一个内部的砂循环。
  (3)产物
  在ls滞留期和600度的加热温度下,生成60wt%液态产物,25wt%气态产物和15wt%炭。物质平衡分析的结果是大约90wt%的生物质参加了反应。
  5.循环流化床
  (1)介绍
  循环流化床技术体系源自希腊可再生能源中心在1999年开始的生物质快速热裂解的研究,且结果使得整个欧洲对生物质用于直接生产液体燃料的技术产生了极大的兴趣。
  (2)工作原理及反应过程.
  循环流化床反应器工艺流程如图7所示。
  
  图7循环流化床反应器工艺流程
  工作原理是使热裂解副产品炭用于提供反应所需热量。利用反应器底部常规沸腾床内物料燃烧获得的热量加热砂子,加热的砂子随着高温燃烧生成的气体向上穿过循环流化床进入反应器,与生物质混合并传递给生物质热量。生物质获得热量后发生热裂解反应,生成炭和挥发分。挥发分导出循环流化床,产物炭和气体流带出的砂子通过旋风分离器回到燃烧室。这个设备将提供反应热量的燃烧室和发生反应的流化床两个部分合为一整体。
  反应系统短时间工作良好,长时间工作就会出现问题,而且仍需进行反应器运行稳定性及系统的反应动力学研究。这一设备的优点在于结构的整合降低了反应器的制造成本和热量的损失,但是这是以操作运行更加复杂为代价的。
  (3)产物
  液体产物产率可达61wt%。整体来看,液体产率比其他快速热裂解工艺的液体产率低。
  6.流化床
  (1)介绍
  流化床反应器早在20世纪80年代由加拿大滑铁卢大学为主研究开发,主要利用生物质特别是林业材料生产生物油,也为现代的快速及闪速热裂解研究奠定了基础。
  (2)工作原理及反应过程
  流化床反应器工艺流程如图4所示。图8是滑铁卢大学生产规模为3kg/h的流化床反应器。木质材料经风干、磨碎,筛分出小于5959m的颗粒进行反应。生物质颗粒燃料通过可调速的螺旋进料器经循环吹入料斗由热裂解生成的气体送入反应器,物料喂入点在反应床中。反应器床料是砂子,流化介质为热裂解生成气体,它们在可控的电加热器中预热后吹入床内。另J'l-,砂子提供的热量不够时,反应器J'l-部的加热线圈可以为床中的砂子和床内自由空间提供所需热量。流化床的设计是要从反应器中吹走反应生成的炭而保留床料砂子,这就需要仔细地选择砂子和生物质的粒径、反应床流化速度和反应器参数。反应器温度用热电偶控制在425~625度,反应压力大约为1.25kPa,使用的进料率为1.5~3kg/h。反应产物通过旋风分离器分离掉炭,油蒸汽和气体产物通过两个连接的冷凝器。这两个冷凝器是垂直的,每个冷凝器项部都有一个用塞子塞住的清洁口,底部为冷凝物收集罐。第一个冷凝器温度维持在60度,第二个使用温度大约为0"C的冷水作为冷凝介质。生物油在冷凝器中冷凝并收集,生成的气体通过过滤器滤掉雾状焦油,一部分送入循环气体压缩机中用于使反应器中的砂子流化和将物料送入反应器,另一部分气体通过气体分析仪和流量计排出。
  
  气体缓冲罐
  图8流化床反应器工艺流程
  (3)产物
  大约500度的反应温度,可以得到高产率的液体产物。因为在这个温度二次裂解反应被有效地抑制。液态产物在没有相分离时被氧化,油含水率为10wt%~20wt%,在室温下储存12个月仍十分稳定。