噴動(dòng)流化床在生物質(zhì)快速熱解技術(shù)中的應(yīng)用

摘要：生物質(zhì)快速熱解技術(shù)是國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)資源高效利用的重點(diǎn)研究課題。介紹了目前快速熱解反應(yīng)器的主要類(lèi)型,并對(duì)生物質(zhì)快速熱解技術(shù)進(jìn)行了歸納,重點(diǎn)總結(jié)了噴動(dòng)流化床快速熱解反應(yīng)器的特點(diǎn)和在生物質(zhì)快速熱解方面的應(yīng)用狀況,指出噴動(dòng)流化床快速熱解反應(yīng)器具有操作靈活、工作穩(wěn)定、環(huán)隙區(qū)無(wú)死區(qū)、介質(zhì)間傳熱效果好、易于工業(yè)放大等優(yōu)點(diǎn),在快速熱解領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。 　　隨著石油、天然氣等不可再生資源的逐漸枯竭以及過(guò)度利用所帶來(lái)的日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題的出現(xiàn)，開(kāi)發(fā)利用可再生的生物質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國(guó)的重要發(fā)展戰(zhàn)略。綠色能源、綠色化工原料、生態(tài)環(huán)境材料、生物資源高效利用技術(shù)已經(jīng)成為全世界所關(guān)注的研究課題。 　　生物質(zhì)快速熱解技術(shù)是開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能源的有效途徑?？焖贌峤馐侵冈谥袦?500℃左右)、高加熱速率(可達(dá)1000℃/s)和極短的氣體停留時(shí)間(約2s)的條件下發(fā)生的熱解反應(yīng)。生成的氣體經(jīng)快速冷卻后可獲得熱解油，所得到的熱解油基本上不含硫、氮和金屬成分，是1種綠色能源。其生產(chǎn)過(guò)程在常壓和中溫下進(jìn)行，工藝簡(jiǎn)單，成本低，裝置容易小型化，產(chǎn)品便于運(yùn)輸、存儲(chǔ)。因此，獲得高品質(zhì)熱解油將是生物質(zhì)快速熱解技術(shù)發(fā)展方向。 　　在生物質(zhì)快速熱解過(guò)程中，目標(biāo)產(chǎn)品——熱解油的產(chǎn)率和質(zhì)量主要取決于反應(yīng)器類(lèi)型和傳熱方法。目前，用于生物質(zhì)快速熱解的反應(yīng)器有很多種，包括載流床、旋轉(zhuǎn)爐、真空移動(dòng)床、旋轉(zhuǎn)錐、流化床以及噴動(dòng)流化床等。傳熱方法主要有:氣體熱載體、氣體熱載體結(jié)合壁傳熱、壁加熱、固體熱載體、氣體熱載體結(jié)合固體熱載體等。其中，噴動(dòng)流化床反應(yīng)器以其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、良好的傳熱傳質(zhì)性能及易操作、易于工業(yè)放大等特點(diǎn)將會(huì)越來(lái)越受到眾多研究者的關(guān)注。 　　1快速熱解技術(shù)研究進(jìn)展 　　由于礦物燃料資源的逐漸減少，以熱解油為主要產(chǎn)物的快速熱解技術(shù)研究在國(guó)際上引起了高度重視。20世紀(jì)80年代初期，加拿大滑鐵盧大學(xué)研制出了流化床快速熱解反應(yīng)器，隨后，美國(guó)國(guó)家可再生能源研究室開(kāi)發(fā)出渦動(dòng)燒蝕熱解反應(yīng)器，對(duì)快速熱解技術(shù)的研究起到了推動(dòng)作用。80年代后期，加拿大Ensyn公司將開(kāi)發(fā)出循環(huán)流化床反應(yīng)器用于生產(chǎn)食品調(diào)味劑。從此，歐洲對(duì)生物質(zhì)快速熱解技術(shù)的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，發(fā)展較快。 　　在過(guò)去的20a里，用于生產(chǎn)熱解油的熱解反應(yīng)器有多種類(lèi)型，有些反應(yīng)器已達(dá)到中試規(guī)模(10kg/h)或示范規(guī)模(100kg/h)。比如荷蘭Twente大學(xué)于1989～1993年研制出的旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器;西班牙的UnionFenosa電力公司(1993年)建立的生物質(zhì)進(jìn)料率為200kg/h的熱解示范廠是基于加拿大滑鐵盧大學(xué)流化床反應(yīng)器技術(shù);意大利ENEL(1996年)引進(jìn)了加拿大Ensyn公司循環(huán)流化床反應(yīng)器快速熱解設(shè)備建成了500kg/h的示范裝置;荷蘭Twente大學(xué)的生物質(zhì)技術(shù)集團(tuán)(BTG)(2000年)研制出進(jìn)料量為200kg/h的改進(jìn)型旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器;在北美，一些規(guī)模達(dá)到200kg/h的快速熱解商業(yè)與示范工廠正在運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，已成為當(dāng)今世界生物質(zhì)快速熱解技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 　　我國(guó)關(guān)于生物質(zhì)快速熱解技術(shù)研究較為薄弱，近幾年，已有不少科研院所在這方面開(kāi)展了工作，但大多數(shù)研究都集中在快速熱解技術(shù)的探索和反應(yīng)器類(lèi)型上。國(guó)內(nèi)的研究主要以接觸式和混合式反應(yīng)器為主，其中沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)于1995年從荷蘭BTG集團(tuán)引進(jìn)了1套規(guī)模為10kg/h的裝置，以德國(guó)松木粉為原料，在反應(yīng)溫度600℃，進(jìn)料速率34。8kg/h的條件下，出油率為58。6%;浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所、河北省環(huán)境科學(xué)院等單位近年來(lái)進(jìn)行了生物質(zhì)流化床快速熱解實(shí)驗(yàn);中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所(GIEC)戴先文等對(duì)循環(huán)流化床熱解反應(yīng)器的流體力學(xué)性能進(jìn)行了研究，考察了循環(huán)量與氣速、儲(chǔ)料量、吹風(fēng)量、吹風(fēng)口位置及物料間的關(guān)系;上海理工大學(xué)曾忠等設(shè)計(jì)了1套小型旋轉(zhuǎn)錐式閃速熱解液化系統(tǒng)，并以松木屑為原料，對(duì)生產(chǎn)熱解油相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了研究;安徽理工大學(xué)的陳明強(qiáng)等對(duì)噴動(dòng)流化床生物質(zhì)熱解反應(yīng)器進(jìn)行了研究，建立了1個(gè)內(nèi)徑為150mm的有機(jī)玻璃冷模實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了生物質(zhì)(木屑)和石英砂混合物在噴動(dòng)流化床內(nèi)的流動(dòng)特性研究;北京林業(yè)大學(xué)2004年開(kāi)始對(duì)噴動(dòng)流化床進(jìn)行了熱解實(shí)驗(yàn)研究，并將所得到的熱解油用于制備熱解油酚醛樹(shù)脂膠粘劑。 　　2快速熱解反應(yīng)器主要類(lèi)型及分析比較 　　2．1　快速熱解反應(yīng)器主要類(lèi)型 　　2．1．1　攜帶床反應(yīng)器 　　該反應(yīng)器由美國(guó)佐治亞理工學(xué)院研發(fā)。工作原理:空氣與丙烷按化學(xué)計(jì)量比引入反應(yīng)管的下部燃燒。把0。3～0。4mm的生物質(zhì)顆粒帶入到反應(yīng)器中，最后得到液體產(chǎn)物。當(dāng)進(jìn)料量為15kg/h，停留時(shí)間1～2s，745℃時(shí)，可得最大產(chǎn)油率為58%。該工藝的缺點(diǎn)是需要大量的熱煙氣，且會(huì)造成不可冷凝氣體熱值低，這一缺點(diǎn)限制了它的使用。 　　2．1．2　循環(huán)流化床反應(yīng)器 　　該反應(yīng)器出自加拿大Ensyn工程協(xié)會(huì)。工作原理:生物質(zhì)顆粒與沙子先混合預(yù)熱，然后被循環(huán)的產(chǎn)物氣體吹進(jìn)反應(yīng)器中，其產(chǎn)物經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器過(guò)濾出沙子和焦炭。氣體產(chǎn)物進(jìn)入冷凝器中冷凝成熱解油，不可冷凝氣體作為載氣循環(huán)使用。該工藝主反應(yīng)器設(shè)計(jì)處理能力為625kg/h，熱解油原料為硬渣木，出油率70%左右，物料最大粒度6mm。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是采用了沙子作為載熱體，設(shè)備小巧，難點(diǎn)是如何使生物質(zhì)和沙子良好混合。 　　2．1．3　真空熱解磨 　　該反應(yīng)器由加拿大拉瓦爾大學(xué)研發(fā)。工作原理:木屑在頂部加入，依靠重力和每層刮板的作用逐漸下落。頂層床開(kāi)始的溫度是200℃，逐漸加熱到底層床的400℃。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中壓力很小，熱解氣體的停留時(shí)間短，有效地阻止了二次裂解，這時(shí)產(chǎn)油率最高。當(dāng)入料量為30kg/h時(shí)，熱解油得率是65%左右。真空熱解磨反應(yīng)器需要大功率的真空泵，使這1設(shè)備的擴(kuò)大化比較困難，并且這種泵的價(jià)格高，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能量消耗大。 　　2．1．4　渦旋反應(yīng)器 　　該反應(yīng)器是由美國(guó)太陽(yáng)能研究所研發(fā)的。工作原理:生物質(zhì)顆粒用速度400m/s的氮?dú)饣驘嵴羝?，沿切線方向進(jìn)入反應(yīng)器。由于離心力的作用，物料在反應(yīng)器壁上發(fā)生燒灼，留在反應(yīng)器壁上的生物燃油膜迅速蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)濾器、旋風(fēng)分離器后冷凝得到熱解油，產(chǎn)油率為55%。該工藝的缺點(diǎn)是油中氧的含量較高，并且實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)比較困難。 　　2．1．5　旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器 　　該反應(yīng)器是由荷蘭Twente大學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程系研發(fā)的。工作原理:生物質(zhì)顆粒和熱載體喂入反應(yīng)錐的底部，在此兩者充分混合。由于轉(zhuǎn)錐的旋轉(zhuǎn)使生物質(zhì)顆粒和熱載體沿螺旋曲線上升，并迅速熱解經(jīng)導(dǎo)出管進(jìn)入旋風(fēng)分離器過(guò)濾，在經(jīng)過(guò)冷凝后得到熱解油。 5種熱解液化裝置性能對(duì)比見(jiàn)表1。 　　2．2　快速熱解反應(yīng)器性能分析比較 　　快速熱解反應(yīng)器的類(lèi)型和傳熱傳質(zhì)的方法直接影響熱解產(chǎn)物中的熱解油成分及得率。經(jīng)過(guò)分析比較，攜帶流動(dòng)式反應(yīng)器和渦旋反應(yīng)器在工作過(guò)程中都需要大量的載氣，這就導(dǎo)致其設(shè)備龐大，加大了隨后的熱解油收集系統(tǒng)的體積和成本，并且渦旋反應(yīng)器產(chǎn)出的熱解油中氧的含量高，只能產(chǎn)出低質(zhì)燃油。循環(huán)流化床反應(yīng)器設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，采用沙子作為熱載體，具有很好的傳熱性能，反應(yīng)器中的溫度升高較快，熱解氣在反應(yīng)器中的停留時(shí)間較短，可有效地抑制二次裂解，使液相產(chǎn)物增加，但很難使生物質(zhì)和沙子良好混合。真空熱解磨反應(yīng)器在運(yùn)行中，整個(gè)裝置的真空度需要性能優(yōu)良的真空泵及很好的密封性來(lái)保證，這就加大了制造成本和運(yùn)行的難度。 　　綜上所述，生物質(zhì)熱解反應(yīng)器的類(lèi)型多樣，大部分熱解工藝能夠達(dá)到55%～70%的產(chǎn)油率，但至今還沒(méi)有普遍公認(rèn)為比較理想的熱解反應(yīng)器。近幾年，一些學(xué)者對(duì)噴動(dòng)流化床快速熱解反應(yīng)器進(jìn)行了研究，該反應(yīng)器具有環(huán)隙區(qū)無(wú)死區(qū)、可避免易粘顆粒在環(huán)隙區(qū)團(tuán)聚、傳熱傳質(zhì)效果好、介質(zhì)循環(huán)速度快、操作靈活、易于工業(yè)放大等特點(diǎn)，從研究初步結(jié)果可以看出，噴動(dòng)流化床快速熱解反應(yīng)器是1種很有發(fā)展前途的熱解設(shè)備。 　　3噴動(dòng)流化床特性及應(yīng)用 　　噴動(dòng)流化床是集噴動(dòng)床和流化床為一體的新型流態(tài)化反應(yīng)器，該反應(yīng)器產(chǎn)物蒸汽可連續(xù)流出，而固體粒子則在床內(nèi)循環(huán)，直到熱解完全。這種反應(yīng)器使粒子的停留時(shí)間脫離了蒸汽停留時(shí)間的制約，大粒子將獲得足夠的停留時(shí)間，顯然這對(duì)提高生物質(zhì)的快速熱解效率是十分有利的。 　　20世紀(jì)50年代以來(lái)，噴動(dòng)床技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，近年來(lái)隨著噴動(dòng)床應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了多種改進(jìn)形式的噴動(dòng)床，最為成功的改進(jìn)是開(kāi)發(fā)了噴動(dòng)流化床。它是通過(guò)平板或倒錐分布器向噴動(dòng)床環(huán)隙區(qū)通入氣體，經(jīng)噴管?chē)娙氪仓械膰妱?dòng)氣和由分布板進(jìn)入床中的流化氣兩股氣體共同作用，使環(huán)隙區(qū)顆粒流態(tài)化，形成噴動(dòng)流化床。因此，噴動(dòng)流化床既克服了流化床分層或節(jié)涌的缺點(diǎn)，又能避免在噴動(dòng)床的環(huán)隙區(qū)內(nèi)氣、固兩相接觸差和高床層下噴動(dòng)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，基本消除了環(huán)隙區(qū)底部“死區(qū)”的出現(xiàn)及易粘結(jié)顆粒的團(tuán)聚。另外，該反應(yīng)器內(nèi)噴動(dòng)氣和流化氣需在一定的配比范圍內(nèi)才能形成良好的噴動(dòng)流化現(xiàn)象，隨著噴動(dòng)氣流量Us和流化氣流量Uf的不斷加大，噴動(dòng)流化床要經(jīng)過(guò)5個(gè)變化區(qū)，即固定床、流化床、噴動(dòng)流化床、騰涌床和噴動(dòng)床，可以根據(jù)不同需求，選擇合適的流化狀態(tài)。 　　噴動(dòng)流化床技術(shù)作為流態(tài)化技術(shù)的1個(gè)新應(yīng)用，具有如下特征: 　　1)有1個(gè)明顯的臨界(最小)噴動(dòng)速度Ums，當(dāng)流速達(dá)到Ums時(shí)，顆粒床層開(kāi)始噴動(dòng); 　　2)形成了穩(wěn)定的流化狀態(tài)，壓降將不再隨氣速變化而變化，保持不變; 　　3)噴動(dòng)流化床具有稀相噴射區(qū)、密相環(huán)隙區(qū)、噴泉區(qū)3區(qū)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，顆粒大部分存在于環(huán)隙區(qū); 　　4)如果物料直徑分布過(guò)廣或床層高度過(guò)高(如大于最大噴動(dòng)流化床高)，將產(chǎn)生環(huán)隙區(qū)的流化和噴射區(qū)的窒息，致使噴動(dòng)流化變得不穩(wěn)定，噴射速度足夠高時(shí)甚至出現(xiàn)噴動(dòng)流化床變聚式流化床或騰涌現(xiàn)象; 　　5)作為化學(xué)反應(yīng)器，具有物料可流動(dòng)、相對(duì)均勻的溫度分布及較好的傳熱等特性; 　　6)噴動(dòng)流化床能夠處理大顆粒物料，克服了流化床只能處理小顆粒物料的局限，同時(shí)，具有比傳統(tǒng)噴動(dòng)床更有效的氣、固接觸和混合，并且不會(huì)出現(xiàn)平底噴動(dòng)床底部存在的局部“死區(qū)”現(xiàn)象。 　　目前，盡管?chē)?guó)內(nèi)外研究者對(duì)噴動(dòng)流化床技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了很多研究成果，但對(duì)該技術(shù)的研究主要側(cè)重于基礎(chǔ)理論研究，應(yīng)用研究尚處于起步階段，并且應(yīng)用主要集中在谷物及漿狀物的干燥、離子交換吸附、無(wú)機(jī)顆粒的燒結(jié)、石油裂解、煤的熱裂解和氣化等方面。 　　由于能源與環(huán)境問(wèn)題的日益突出，生物質(zhì)快速熱解技術(shù)的發(fā)展，以及噴動(dòng)流化床反應(yīng)器應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，國(guó)內(nèi)外一些科研單位開(kāi)展了噴動(dòng)流化床生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器的研究，并取得了很好成效。在國(guó)外對(duì)流化床生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器的研究較多，并且已達(dá)到商業(yè)和示范規(guī)模，但對(duì)噴動(dòng)流化床生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器研究的相關(guān)報(bào)道并不多見(jiàn)。近年來(lái)，國(guó)外許多國(guó)家，如加拿大、美國(guó)、日本等科研單位對(duì)噴動(dòng)流化床應(yīng)用進(jìn)行了較深入研究，并且在煤的熱裂解和氣化等方面取得了很好效果。 　　在我國(guó)，安徽理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、華東理工大學(xué)和北京林業(yè)大學(xué)等科研單位，近幾年對(duì)噴動(dòng)流化床快速熱解技術(shù)進(jìn)行了研究。安徽理工大學(xué)為了開(kāi)發(fā)噴動(dòng)流化床生物質(zhì)熱解反應(yīng)器，建立了1套內(nèi)徑為150mm的有機(jī)玻璃冷模實(shí)驗(yàn)裝置，在室溫下考察了噴動(dòng)氣和流化氣在不同流速時(shí)，床錐底角對(duì)床層流動(dòng)特性的影響;2004年，華東理工大學(xué)在冷模試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研制了1套生物質(zhì)最大處理量為5kg/h的導(dǎo)向管?chē)妱?dòng)流化床生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器。該研究以木屑為生物質(zhì)原料，二氧化碳和氮?dú)鉃閲妱?dòng)氣或流化氣，沙子為流化介質(zhì)。結(jié)果表明，在400～480℃，液體產(chǎn)率隨溫度增加而上升，高于480℃時(shí)，二次反應(yīng)的加劇導(dǎo)致液體產(chǎn)品產(chǎn)率下降，固體和氣體的產(chǎn)率隨溫度的升高而減少，噴動(dòng)氣和流化氣流量的增加均強(qiáng)化了反應(yīng)器內(nèi)的傳熱，使生物質(zhì)初始熱解產(chǎn)物的停留時(shí)間減少，二次反應(yīng)進(jìn)行程度減弱。最高的熱解液體產(chǎn)率可達(dá)73.2%，此時(shí)氣體和炭產(chǎn)率分別為12.8%和14.0%。與流化床相比，噴動(dòng)流化床作為生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器可明顯提高液體產(chǎn)率;2005年，安徽理工大學(xué)在華東理工大學(xué)噴動(dòng)流化床快速熱解反應(yīng)器研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究，并對(duì)獲得的液體產(chǎn)物進(jìn)行了組成和燃燒特性的分析;華東理工大學(xué)郭曉亞等對(duì)生物質(zhì)噴動(dòng)流化床快速裂解油進(jìn)行催化裂解精制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:精制后的油，降低了燃燒所需的活化能，提高了油的可燃性;中國(guó)科學(xué)院楊昌炎等利用噴動(dòng)流化床快速熱解試驗(yàn)裝置，考察了熱解溫度對(duì)麥秸熱解氣、液、固3種產(chǎn)品的產(chǎn)率和熱解氣成分的影響，并采用色2質(zhì)譜聯(lián)用儀分析了熱解液成分。結(jié)果表明，熱解溫度為460～520℃時(shí)熱解油產(chǎn)率最大;2004年，北京林業(yè)大學(xué)開(kāi)展了國(guó)家林業(yè)局“948”項(xiàng)目——生物質(zhì)快速熱解技術(shù)的研究，于2005年建成了進(jìn)料量為5kg/h噴動(dòng)流化床快速熱解反應(yīng)器，并對(duì)木屑、石英砂、木屑和石英砂混合在噴動(dòng)流化床內(nèi)流化特性進(jìn)行了研究，采用電腦自動(dòng)控制系統(tǒng)，電加熱的加熱方式，通過(guò)調(diào)整不同進(jìn)料高度，不同加熱溫度，不同循環(huán)流量等快速熱解參數(shù)，以期找到高品質(zhì)、高產(chǎn)量熱解油最佳生物質(zhì)快速熱解工藝，目前正處在試驗(yàn)階段。 　　噴動(dòng)流化床作為生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器，可以較好地滿(mǎn)足生物質(zhì)快速裂解的3個(gè)基本原則，即高加熱速率、500℃左右的中等反應(yīng)溫度和短的氣相停留時(shí)間的要求，與傳統(tǒng)流化床相比，噴動(dòng)流化床作為生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器具有更廣闊的發(fā)展前景。 　　4小結(jié) 　　近幾年，生物質(zhì)快速熱解技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，出現(xiàn)了各種類(lèi)型的熱解反應(yīng)器，但由于噴動(dòng)流化床具有環(huán)隙區(qū)無(wú)死區(qū)、可避免易粘顆粒在環(huán)隙區(qū)團(tuán)聚、介質(zhì)之間傳熱傳質(zhì)效果好、介質(zhì)循環(huán)速度快及相對(duì)均勻的反應(yīng)溫度、操作靈活、工作穩(wěn)定、易于工業(yè)放大等特點(diǎn)，將成為快速熱解的理想設(shè)備。目前，此技術(shù)在生物質(zhì)快速熱解方面的應(yīng)用還處于初步研究階段，有一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步探索。隨著研究的深入，相信噴動(dòng)流化床在生物質(zhì)快速熱解方面的應(yīng)用將得到快速發(fā)展。王鵬起　常建民　杜洪雙　鄭凱