液化床反应器生物质闪速热裂解液化装置是以流化床反应器为主体的系统。

外文名

fluidizedbed

所属领域

工程技术

装置组成及热裂解工艺过程

装置组成及各部分功用

主要由以下五部分组成。

(1)

惰性载气供应部分

该部分由空气压缩机、贫氧气体发生器(炭箱)和气体缓冲罐组成。空气压缩机可将气体压缩，获得一定压力的气体流量。贫氧气体发生器为一不锈钢圆柱体，外部包有加热元件。在这里发生木炭燃烧反应，消耗掉空气中的氧气。气体缓冲罐可储存一定压力的贫氧气体，以供试验用。

(2)

物料喂入部分

该部分主要包括料仓、螺旋器及调压器、电机和减速器等辅助设备。料仓内设有搅拌器和惰性气体入口。螺旋进料器由电机带动。因生物质颗粒的表面不光滑且形状不规则，颗粒之间容易搭接或黏着，会造成螺旋进料器空转而无物料进入反应器，因此，在料仓内设有搅拌器，防止物料搭接形成空隙，保证连续给料。同时，试验中为了防止反应器内的高压、高温气体反窜回料仓，通过料仓顶部的进气口通往调压器，使料仓内也具有一定的压力。使物料能靠重力和惰性气体的输送作用及电动机的旋转顺利进入反府器。通过调节调压器电压，改变电动机的速度，从而改变进料率。调压器型号为TDGC110.5的接触调压器，电动机为单相串激电动机，减速器为WDH型涡轮减速器。

由于螺旋进料器与反应器密联成一体，为防止接口处过早地发生热裂解反应，产生的少量生物油和炭集结于此阻碍进料，在螺旋进料器接近于液化床部分焊接了一段冷却套管，通往循环的自然水降低该部分的温度。

(3)

反应器部分

反应器主体是由4段内径为100 mm的不锈钢管由螺栓密封连接而成的。整体反应器高600 mm。反应器最高设计温度为1000℃，钢管外部绕有电阻丝作为加热元件，加热元件外部覆盖耐高温和保温材料。加热元件分为上、中、下三部分，总功率为6 kW。下部电阻丝预热惰性载气，中部和上部电阻丝用于加热流化床并维持床内恒温。

(4)

产物收集部分

该部分由旋风分离器、冷凝器和过滤器组成。生物质炭由旋风分离器和集炭箱收集。裂解气中冷凝的部分由金属管冷凝器和球形玻璃冷凝器冷凝，收集于集油瓶中。过滤器将附着在气体分子表面的焦油滤掉，使得干净的气体流出，用胶皮质气袋收集后进行分析。剩余气体排空燃烧。

(5)

测量控制部分

包括热电偶、温度显示控制器、玻璃管温度计、转子流量计、压力表、稳压器和台秤。热电偶为Cr-Al(k)型，测量范围为250~1372℃，热电偶用于测量贫氧气体发生器和流化床反应器的温度。温度显示控制区为Eurotherm91型，它与热电偶相连，显示贫氧气体发生器及反应器的温度。通过加热元件的电路控制贫氧气体发生器及反应器温度达到设定值。

玻璃管温度计、转子流量和压力表分别测量贫氧气体进口和反应器出口气体的温度、流量和压力；稳定器控制气体流量在所需要范围内，台秤用于测量反应前后的生物质物料、集炭箱、集油瓶和过滤器的质量。

工艺流程

生物质热裂解液化的工艺过程如下。

生物质原料经粉碎、烘干后放入料仓中备用。空气由空气压缩机导入贫氧气体发生器，产生的贫氧气体被压入缓冲罐，随着气体量的增加，缓冲罐内压力不断增大直到以满足反应所需的正压需要。从气体缓冲罐出来的气体经转子流量计分成两路：流量较大的主路进入液化床反应器，在反应器底部预热，经气体分布板进入上部的液化床反应器；流量较小的一路由料仓顶部通人，并顺着物料一同进人流化床反应器。两路气体在液化床内一起液化沙子和物料的混合物，因反应器被加热到400~600℃之间，生物质在高温及缺氧条件下发生热降解，生成热裂解蒸气和木炭，进入反应器的惰性载气生成物一起离开反应器，切向进入旋风分离器，靠巨大的离心作用，生物质炭被分离出来，由集炭箱收集。气体则通过两排四个球形玻璃管冷凝器，气体中可冷凝的部分形成生物油，收集在集油瓶中。余下的不可冷凝气体经过滤器和转子流量计流出，从气体取样口取出气体分析，其他气体排空燃烧。

冷态试验

冷态试验的目的

用液化床进行生物质热裂解液化的关键问题之一是生物质进入流化床反应器后能否处于稳定的流化状态，这关系到流化床反应器所独有的反应强度大、传热传质速率高、温度场均匀等优点能否充分发挥出来。冷态试验就是为高温流化床反应正常流化提供必需的参数。

冷态试验将得出以下结论。

液化床

液化床

(1)

曲线

曲线(流化床压降-流化速度曲线)表示了颗粒流化状况，而颗粒的液化状况反映了流化床流态化质量，所以，可以由曲线的波动情况判定流化状态的好坏。若曲线中压力脉动的幅值小、频率高，则液化均匀，标志着流化床具有良好的流化性特性。

液化床

液化床

液化床

(2)

临界流化速度

临界流化速度( )是流态化操作的最低速度，也是描述流态化的基本参数之一。确定 的最好方法莫过于由试验得到的 曲线测定。

(3)

选出适当粒径的流化介质

根据流化曲线反映的流化情况，选择适当粒径的石英砂作为加热试验的流化介质。

试验参数的选取

(1)流化沙量

若沙与物料相比过小，加热试验的传热就会变差，影响物料的热裂解过程，降低油产率。而沙量过多，又会使流化气速增大，影响对滞留期的控制。所以综合考虑进料量与流化气速，选取沙量为1.5 kg。

(2)石英砂粒径

石英砂与生物质物料的混合物是颗粒大小不等和密度有明显差异的异类颗粒混合物的液化。两元混合颗粒的混合情况可分为下列三种情况。

1)

完全混合体系

密度和粒度相差不大的颗粒混合物在流化时，能达到颗粒的均匀流化状态。

2)

完全分层体系

当两种密度或颗粒径相差较大的颗粒流化时，体系将会出现完全分层现象。

3)

部分混合体系

当粒度相差较大而密度相差较小，或者情况正好相反的两类颗粒混合物流化时，就会在床层上部有较多的上浮颗粒，下部有较多的下沉颗粒。

沙子与生物质物料的密度相差较大，所以如果让它们的粒度相差较小，就易于达到更好的混合。考虑到小粒径沙子的比表面积大，利于传热，同时，也为了使沙子粒径更接近于生物质物料粒径，利于二者混合体系达到比较完全的混合，将沙子粒径取为小于0.2 m/n和0.2～0.45 mm两种范围。

(3) 物料量

冷态试验和热裂解试验采用的是德国松木屑(后文简称为德木)、中国松木屑(后文简称为中木)和秸秆三个物料作为物质反应物料。

取冷态试验的物料量为60 g。沙子单独流化(属同类颗粒流化)要比沙子与生物质物料混合流化(属异类颗粒流化)效果好，即生物质物料越少，流化效果越好。本研究流化床的进料速率为17~53 g/min，而实际反应中液化床瞬时进料速率为60 g/min。所以，冷态试验在60 g物料量下得到的结果可应用于实际流化床加热反应中。

液化床

(4)

最大进气流量(流化床带出速度)

当流化风速增大到某一值，可看到微小颗粒飞出时，即达到了最大进气流量。此时，开始降低流量，进行冷态试验读数。

(5)

床高

为了使试验测得的结果更准确，先选择1 m床高进行试验，这样可以增大流化风速的范围，使获得的流态化过程曲线更具有参考价值。另外，为了得到与实际床高更加吻合的流化情况，又选择了0.3 m的床高进行试验。最后，以1 m床高的结果为主，0.3 m床高结果作为实际流化反应的参考依据。

试验方法及原理

液化床

液化床

液化床

通常用床层压降一流化速度曲线图( 曲线图)来表示颗粒的流化状况和大致判断床层的流化质量，尤其是应用于看不到设备内部的情况。同时，通过绘制 流化状态图还可以实际测定临界流化速度，这样就为加热反应流化风速的选取提供了最低参考下限。

液化床

液化床

实际的做法是：先把流化风速升高至使流化床流化的状态，这时的流速要达到一定的值以确保床层处于流化状态且有一个速度变化阈度。然后用降低流速的方法使流化床缓慢地复原至固定床，同时，记下相应的流体流速及床层压降。由于流化后床面形状可部分反映流化情况，在停止试验后观察床面情况。所测得的 数据用直角坐标标绘。由于固定床段和流化床段的压降特点不同，可以通过固定床区和流化床区的点各自划线(中间数据敞开不计)，这两条直线的交点即为临界流态化点，对应的横坐标即为临界流态化速度。

液化床

液化床

选用降低流速的方法是因为压降-流速曲线在流速上升和下降时不一致，通常逐步减小流速将比逐步增大流速得到的固定床阶段的流化速度小。这主要是因为没有振动的情况下，流速下降后的固定床床层空隙率近似等于起始流态化点的空隙率，处于自然填充状态。而开充填时的固定填充床，由于人为因素的影响，往往造成填充不匀或致充填，以至于摩擦阻力增大，压降值变大。由此，降低流速可消除因人为充填因素造成的影响。此外，由于颗粒之间联锁、颗粒与器壁之间相互摩擦等现象造成部分颗粒架桥，摩擦阻力加大，使升高流速时测定的压降值在固定床向流化床过渡时大于降低流速时测定的压降值。因此，临界流态化速，就采用降低流速法测定。