生物質(zhì)快速熱解裝置主反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀

摘要：闡述了現(xiàn)有的生物質(zhì)熱解液化技術(shù)中主反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀，分析了相應(yīng)的優(yōu)勢與不足。介紹了在以轉(zhuǎn)錐式快速熱解液化設(shè)備所做的實(shí)驗(yàn)中所總結(jié)的問題及經(jīng)驗(yàn)，提出了未來需要研究的問題，并預(yù)測了今后的研究方向，為生物質(zhì)新能源的研究開發(fā)及生產(chǎn)探索了新的途徑。 　　生物質(zhì)能作為一種可再生能源，在能源結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的地位越來越重要。由于化石燃料的不可再生性和使用過程對環(huán)境的影響，生物質(zhì)能將成為本世紀(jì)的主要能源之一。生物質(zhì)快速熱解液化是生物質(zhì)能源化利用的一條有效途徑。生物質(zhì)快速熱解液化產(chǎn)物——生物油不僅可以作為燃料使用，還可通過進(jìn)一步改性加工使液體燃料的品質(zhì)接近柴油或汽油等常規(guī)動力燃料的品質(zhì)，同時(shí)也是一些重要化工產(chǎn)品的原料，可以從中提取具有商業(yè)價(jià)值的化工產(chǎn)品。 　　1生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器的研究概況 　　20世紀(jì)70年代末80年代初，生物質(zhì)快速熱解液化技術(shù)在歐美的一些國家得到高度重視，到20世紀(jì)90年代，將固體生物質(zhì)熱解液化轉(zhuǎn)化成可供鍋爐和燃?xì)馔钙降仁褂玫娜剂?mdash;生物燃油(Bio-oil或Bio-fuel-oil)的研究在歐洲及北美有了突破性進(jìn)展，研究比較先進(jìn)的主要有加拿大、荷蘭、英國、美國、瑞士、意大利等國家，而且研究開發(fā)出了很多種快速熱解裝置及相應(yīng)的技術(shù)。 　　目前世界上生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器主要有固定床反應(yīng)器、旋風(fēng)反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、輻射爐、攜帶流動式反應(yīng)器、循環(huán)流化床反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)葉片反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、多爐膛反應(yīng)器等多種形式，但每種設(shè)備都有它的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)簡述如下。 　?、倭骰玻浩涮攸c(diǎn)是設(shè)備小巧，氣相停留時(shí)間很短，可以防止熱解蒸汽的二次裂解，效率很高，并容易工業(yè)放大，但原料顆粒尺寸要求較小，這就大大增加了原料的加工成本，而且規(guī)模大時(shí)熱效率較低。 　?、谡婵找苿哟玻浩鋬?yōu)點(diǎn)是熱解蒸汽停留時(shí)間很短，減少了二次裂解，但反應(yīng)器要有非常好的真空度，這就對真空泵和密封材料提高了要求，因此增大了制造成本和運(yùn)行難度。 　?、坌D(zhuǎn)錐反應(yīng)器：其有可以壓實(shí)物料、隔絕流動氣體的優(yōu)勢，而且升溫速度快，固相滯留期短，氣相滯留期小，反應(yīng)過程不需要載氣體，不需要很大的裝置體積和高成本，但設(shè)備的某些結(jié)構(gòu)還不夠完善，還處在研究探索階段。 　?、軣g反應(yīng)器：該設(shè)備相對于其他系統(tǒng)可以用粒徑為2~6.35mm的大顆粒生物質(zhì)作為原料，但生產(chǎn)的油中氧的含量比較高。 　?、菀鞔玻涸撛O(shè)備的缺點(diǎn)是需要大量高溫燃燒氣，并產(chǎn)生大量低熱值的不凝氣，這個(gè)缺點(diǎn)造成此技術(shù)的發(fā)展前景不大。 　?、扪h(huán)流化床和輸運(yùn)床：此兩種設(shè)備雖然可以解決熱量轉(zhuǎn)化問題，但不易于大型化使用，而且還有焦渣磨損設(shè)備的問題。 　　在生物質(zhì)快速熱裂解的各種工藝中，反應(yīng)器的類型及其加熱方式的選擇在很大程度上決定了產(chǎn)物的最終分布，所以反應(yīng)器類型和加熱方式的選擇是各種技術(shù)路線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。常用的制取生物質(zhì)液體燃料的反應(yīng)器都具有加熱速率快和很高的熱量轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)溫度中等、氣相停留時(shí)間短等共同特征。 　　筆者所在團(tuán)隊(duì)即由東北林業(yè)大學(xué)王述洋教授領(lǐng)導(dǎo)的生物質(zhì)能工程中心，現(xiàn)正在從事旋轉(zhuǎn)錐式生物質(zhì)閃速熱裂解液化裝置的研究，目前已經(jīng)取得了非?？上驳难芯砍晒?，正在進(jìn)行工業(yè)示范設(shè)備研究。通過對各反應(yīng)器優(yōu)缺點(diǎn)的比較，筆者認(rèn)為旋轉(zhuǎn)錐式生物質(zhì)閃速熱裂解液化裝置工藝技術(shù)先進(jìn)、反應(yīng)速度快、處理量大、得率高、造價(jià)低、生產(chǎn)過程無污染，適宜于工業(yè)化生產(chǎn)。 　　其工藝簡要流程見圖1。 　　2轉(zhuǎn)錐式生物質(zhì)閃速熱裂解液化反應(yīng)器設(shè)計(jì) 　　2.1設(shè)計(jì)原理 　　轉(zhuǎn)錐式生物質(zhì)閃速熱裂解液化裝置是一種可將各種農(nóng)林廢棄物快速熱解、轉(zhuǎn)化成新型潔凈液體能源(生物燃油Bio-oil)的全新裝置。它巧妙地利用了離心力的原理成功地將反應(yīng)的熱裂解氣和固體產(chǎn)物分離開來。該裝置主要由旋轉(zhuǎn)的外錐、靜止的內(nèi)錐和絕熱密閉的外殼組成。該裝置的核心部件是旋轉(zhuǎn)錐。 　　工藝流程如下：主軸帶動轉(zhuǎn)錐旋轉(zhuǎn)，具有一定工藝尺度的生物質(zhì)顆粒與過量的惰性載熱體顆粒一起進(jìn)給到外錐的底部，在離心力的作用下，生物質(zhì)顆粒一邊沿著外錐內(nèi)壁面作螺旋上升運(yùn)動，一邊被惰性熱載體顆粒以很高的加熱速率加熱升到發(fā)生熱解氣化的溫度，熱解氣化成生物燃油蒸氣，將這種生物燃油蒸氣導(dǎo)出，并在一定的條件下進(jìn)行冷凝處理即可得到生物燃油。整個(gè)過程中不需要載氣體，從而減小了隨后的油收集系統(tǒng)的體積和成本，反應(yīng)器非常緊湊且有很高的固體傳輸能力，見圖2。 　　熱載體可以和焦炭一起被移出反應(yīng)器，之后焦炭燃燒掉，熱載體通過循環(huán)系統(tǒng)被加熱再次返回到反應(yīng)器中。該反應(yīng)器使用沙子作載熱體的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可避免生物質(zhì)顆粒和炭在錐壁上積累，另外通過改變轉(zhuǎn)錐上面靜錐的錐角，可以相應(yīng)調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)部空間的大小，改變旋轉(zhuǎn)錐內(nèi)的氣體容積，可減少反應(yīng)器的氣相滯留期并可抑制氣相中生物油的裂化反應(yīng)。 　　2.2設(shè)計(jì)改進(jìn) 　　研制的實(shí)驗(yàn)裝置已加工完成，并取得了可喜的成果，但在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)有些地方還需要改進(jìn)。今后應(yīng)繼續(xù)圍繞生物質(zhì)閃速熱解液化過程的設(shè)計(jì)思想來研究設(shè)備，根據(jù)生物質(zhì)閃速熱解液化機(jī)理及閃速熱解液化技術(shù)的特點(diǎn)，同時(shí)考慮現(xiàn)有的條件，以提高轉(zhuǎn)化率為前提，并重點(diǎn)考慮以下幾方面問題。 　?、賾?yīng)選用更好的耐熱、隔熱材料，改善反應(yīng)器內(nèi)的隔熱情況，以簡化制造工藝。在反應(yīng)器的外壁上增加燃燒器，增加反應(yīng)器內(nèi)溫度的提升速度。②研究主軸外置的可行性，改善主軸冷卻問題，以降低加工制造成本，并可減小反應(yīng)器的空間，減少能量浪費(fèi)。③采用固定間歇式擋沙罩，使熱載體回流再次參與熱解反應(yīng)。④利用仿真生物質(zhì)閃速熱解裝置模型，進(jìn)行改進(jìn)內(nèi)部回流、分流、溫度測試布置等大量實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)掌握相關(guān)數(shù)據(jù)，確定改進(jìn)的具體細(xì)節(jié)，制定改進(jìn)方案，便于以后進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，制造出能應(yīng)用于大中型規(guī)模生產(chǎn)實(shí)踐的新型設(shè)備，預(yù)計(jì)改進(jìn)后的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖3。 　　3小結(jié) 　　由于我國在生物質(zhì)熱裂解技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究剛剛起步，尚沒有成熟的理論和技術(shù)，本設(shè)備的研制，在國內(nèi)轉(zhuǎn)錐式生物質(zhì)熱裂解液化領(lǐng)域具有先進(jìn)性。在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)的大力支持下我們一直在做生產(chǎn)生物燃油新技術(shù)的研究，現(xiàn)在第一代及第二代樣機(jī)已經(jīng)先后制造出來并且實(shí)驗(yàn)成功，因此已經(jīng)具備了相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)。本文提出的固體生物質(zhì)快速液化生產(chǎn)生物質(zhì)液化燃油工藝及其設(shè)備，是一種關(guān)于新型液體能源開發(fā)與生產(chǎn)的全新技術(shù)和生產(chǎn)力，其技術(shù)本身市場廣闊，產(chǎn)業(yè)化容易，用戶建廠組線投資少、見效快，適合廣大農(nóng)林鄉(xiāng)鎮(zhèn)市縣推廣應(yīng)用，興辦企業(yè)進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀，生物質(zhì)熱解液化技術(shù)未來的研究目標(biāo)應(yīng)是在理論研究的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有設(shè)備改進(jìn)放大，降低生物油生產(chǎn)成本，逐漸向大規(guī)模生產(chǎn)過渡。姜年勇，王述洋，劉世鋒(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150040)