生物質(zhì)細粉加料技術的改進

楊昌炎1，2，3，姚建中1，林偉剛1

　　(1.中國科學院過程工程研究所多相反應重點實驗室，北京100080；2.武漢工程大學新型反應器與綠色化工重點實驗室，湖北武漢430073；3.中國科學院研究生院，北京100039)

　　摘要:在生物質(zhì)快速熱解的研究中，生物質(zhì)細粉的穩(wěn)定加料問題非常重要。通過對不同加料方式的加料特性對比，提出了適合生物質(zhì)細粉的加料裝置——旋流式氣力輸送加料器。研究表明，該加料裝置具有連續(xù)穩(wěn)定的特點，解決了生物質(zhì)快速熱解中小料率實驗所要求的加料精度難題，且該加料裝置也適合于其他粘性粉料(如細煤粉、超細粉)的連續(xù)均勻加料。

　　生物質(zhì)是一種可再生的綠色能源，具有貯量大、污染小、CO2零排放等優(yōu)點[1，2]。快速熱解能將生物質(zhì)轉變?yōu)楸阌谳斔?、具有替代石油潛力的液體燃料，正日益受到重視。當前生物質(zhì)快速熱解還處在實驗、示范研究階段，在加料穩(wěn)定性、操作參數(shù)優(yōu)化、焦油分析等諸多方面有待進一步研究。作為生物質(zhì)快速熱解技術中的一個重要組成部分——生物質(zhì)細粉加料，是一個需要解決的重要問題，生物質(zhì)加料的連續(xù)性、穩(wěn)定性，直接影響著熱解過程的穩(wěn)定操作和產(chǎn)品組成，并影響到生物質(zhì)熱解過程的正確分析。

　　綜觀國內(nèi)外的生物質(zhì)加料方法，主要有螺旋加料技術[3]、流化床加料技術[4，5]、活塞式加料技術[6]、噴吹式氣力輸送加料技術[7]等，然而這些加料方法在實驗室規(guī)模研究中存在不少問題，主要表現(xiàn)為料率不穩(wěn)定、物料結塊和堵塞管道、系統(tǒng)壓力波動等。本文結合幾種加料技術的對比，設計了一種加料裝置，研究了生物質(zhì)細粉的加料特性和加料的穩(wěn)定性。

　　1生物質(zhì)細粉的流動特性

　　生物質(zhì)顆粒形狀不規(guī)則、表面不光滑且存在許多毛刺，顆粒間往往存在著較強的粘附力，同時生物質(zhì)一般濕含量較高，易團聚、結塊，這些都導致了其流動性能差[7—8]。表征生物質(zhì)流動特性的重要參數(shù)，主要有休止角、Carr流動性等，具體定義和測量方法參見文獻[4，9]。表1示出了不同散體物料的流動特性[4，8，10]?？梢钥闯觯镔|(zhì)細粉的休止角比細砂、煤粉的要大，其Carr流動性低。

　　2現(xiàn)有生物質(zhì)加料方法的特點及存在問題

　　生物質(zhì)密度小、休止角大、流動性差，致使其在料倉中形成架橋、搭拱，從而引起加料不穩(wěn)定或停料等問題。因此，要解決生物質(zhì)加料問題，關鍵在于采取合適的加料方式。生物質(zhì)的加料方式有多種[3-7]。表2示出了主要幾種加料方式的輸送能力及運行特點。

　　由于生物質(zhì)物理特性的限制，重力下落加料會使生物質(zhì)在下降管處形成堵塞；脈沖加料因生物質(zhì)的輸料不均勻而導致后續(xù)管道堵塞；流化床加料會在流化器中形成溝流、物料失流，或堵塞加料出口；活塞加料存在著不連續(xù)性。

　　在生物質(zhì)熱轉化過程中采用較多的螺旋加料和噴吹式氣力輸送加料，也存在諸多問題。下面就此2種加料方法做較為詳細的討論。

　　對于螺旋加料，螺旋的擠壓、填充率和螺旋轉速都會影響到加料的連續(xù)性和穩(wěn)定性。首先，生物質(zhì)堆密度小，受擠壓時堆密度增大[11]，產(chǎn)生結塊，造成螺旋出料口堵塞；其次，螺旋加料的穩(wěn)定性與填充率、螺旋直徑等有關。螺旋填充率的不均勻，會直接導致螺旋加料的不穩(wěn)定，其加料率隨時間的變化幅度為40%以上[12，13]；最后，螺旋轉速也影響著加料的變化，加料率隨著螺旋轉速增加而呈非線性增加[14]，圖1示出了2種木粉的加料速率與螺旋轉速的變化關系。

　　噴吹式氣力輸送加料方法[15，16]如圖2所示。噴吹式氣力輸送加料原理是由料倉中細管頂端的噴嘴噴出高速氣流，吹掃料層頂面的物料，同時氣流攜帶物料送出料倉。加料速率通過調(diào)節(jié)電機轉速達到控制細管的轉速和下移速度來實現(xiàn)。該方法優(yōu)點在于利用了生物質(zhì)密度小、易于輸送等特點，來實現(xiàn)輸送物料；然而該加料裝置的輸送能力與載氣的攜帶能力、生物質(zhì)物性、物料顆粒的終端速度存在很大關系，需要根據(jù)實驗中生物質(zhì)物料的粒徑、密度等參數(shù)來合理選擇管徑。

　　采用此類加料裝置(管內(nèi)徑為0.02m，氣量為0.6m3/h)對麥秸發(fā)酵殘渣細粉進行了加料試驗，其加料特性如圖3所示。圖3的加料特性曲線表明，預測輸出料率應隨電機頻率增大即轉速增加而增加，但實際輸出料率卻越來越低于預測的輸出料率，原因是噴嘴的下移，料倉上端空間變大，氣流攜帶能力降低，滯留的物料增多。因此，該加料方法也不能很好地實現(xiàn)生物質(zhì)加料的穩(wěn)定性和加料率線性可調(diào)的要求。

　　3旋流式氣力輸送加料器的設計及其加料特性

　　一個加料器的好壞主要是看能否向后續(xù)反應系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定、均勻供料，這直接影響著反應系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的準確性等。因此，在實際連續(xù)生產(chǎn)過程中進料穩(wěn)定，對于小型或微型實驗很重要。由上述討論可知，采用普通螺旋加料裝置和簡易的噴吹式氣力輸送加料裝置均難以滿足穩(wěn)定加料要求。

　　中國科學院過程工程研究所設計出了一種適用于小料率的旋流式氣力輸送加料裝置——粘性粉料定量連續(xù)加料裝置[17]，其結構如圖4所示。進氣管與輸料管采用夾套結構，降低了輸送物料時所需要的高氣速；導管底端的氣體噴嘴由導流螺紋錐及其外圍套筒形成，氣體通過螺紋槽形成下旋氣流吹掃其下面的料層，吹掃起的物料在氣流攜帶下迅速通過縮口，進入導管，向后續(xù)反應系統(tǒng)供料。導管和導流螺紋錐一起下移，其下移速度通過調(diào)節(jié)電機的頻率來控制。由于縮口底端與導流螺紋錐頂?shù)目臻g距離小(<2cm)，經(jīng)過螺紋導流噴嘴的旋轉氣流吹掃起物料迅速穿過此空間，通過縮口而進入輸料導管。該加料裝置擺脫了料倉直徑的限制和消除了料倉空間物料滯留，同時也增加了裝置的輸料能力。

　　采用該加料裝置對麥秸細粉(粒徑<0.28mm)進行了加料實驗，料倉中一次性投料為150g麥秸細粉，載氣流量為0.6m3/h，擴縮口底端的氣速為0.53m/s，整個加料系統(tǒng)的壓降為4.0—6.7kPa。麥秸細粉的加料率與電機頻率及加料量與加料時間的關系如圖5所示。實驗表明，麥秸細粉的加料率與電機頻率以及加料總量與加料時間的關系均呈線性，其線性相關系數(shù)均大于0.99；另外，對細煤粉和木粉也進行了加料試驗，結果表明上述2種關系的線性相關系數(shù)也在0.99以上。因此，旋流式氣力輸送加料裝置能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、定量、連續(xù)加料，它不僅適合于生物質(zhì)粘性細粉，也適合流化性能較差的細煤粉和超細粉末的加料。

　　4　結論

　　(1)生物質(zhì)細粉的固有物性導致其流化性能差，應用現(xiàn)有的螺旋加料器和氣力輸送加料器存在物料結塊、架拱、不穩(wěn)定等問題。

　　(2)開發(fā)的旋流式氣力輸送加料裝置適于小料率的正壓加料，具有穩(wěn)定、定量、連續(xù)等優(yōu)點。不僅適于生物質(zhì)細粉加料，也適合于細煤粉、超細粉末等的穩(wěn)定加料。

　　參考文獻 :

　　[1] Garrett C W.On global cli mate change, carbon dioxide,and fossil fuel combustion [J].Progress in Energy and Combustion Science, 1992, 18(5)：369-407.

　　[2]吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質(zhì)能利用技術 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

　　[3]伊曉路，張曉東，郭東彥，等.循環(huán)流化床螺旋給料器料封裝置 [J].可再生能源，2004, (117)：41-43.

　　[4]《 化學工程手冊 》 編輯委員會.化學工程手冊，第五冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1989.

　　[5]崔麗杰，姚建中，林偉剛.噴動-載流床中粒徑對內(nèi)蒙霍林河褐煤快速熱解產(chǎn)物的影響 [J].過程工程學報，2003, 3(2)：103-108.

　　[6]曹金福.封閉隔離式動力推桿定量加料器[P].中國專利：ZL02261058.8, 2002-12-29.

　　[7]陳冠益，方夢祥，駱仲泱，等.生物質(zhì)流化床的試驗研究及設計要點 [J].熱力發(fā)電，1999, 29 (5)：19—23.

　　[8]王樹榮，駱仲泱，董良杰，等.生物質(zhì)閃速熱裂解制取生物油的試驗研究[J].太陽能學報，2002, 23(1)：4-10.

　　[9]趙義.水泥粉體流動性能的研究[J].山東建材，2000, 14(3)：12-13.

　　[10] 高春生，單利，崔光國，等.粉末直接壓片工藝主要輔料的流動性研究[J].科學技術與工程，2004, 4(5)：367-370.

　　[11] 劉靖，殷小榮.熱磨機螺旋進料器的設計 [J].林產(chǎn)工業(yè)，1990, 18 (5)：30-33.

　　[12] 夏宜順.對穩(wěn)流螺旋輸送機的分析及改進意見 [J].水泥，1996, (12)：35-37.

　　[13] Joppich A, Sal man H.Wood powder feeding, difficulties and solutions[J].Biomass & Bioenergy, 1999, 16(3)：191-198.

　　[14] White D H,Wolf D.Direct biomass liquefaction by an extruder-feeder system [J].Chemical Engineering Communications, 1995, 135: 1-19.

　　[15] Alman S, Stubington J F.The pyrolysis kinetics of bagasse at low heating rates [J].Biomass and Bioenergy,1993, 5(2)：113-120.

　　[16] 王昶，賈青竹，中川紳好，等.木材經(jīng)催化熱分解向BTX 和合成燃料的轉化[J].化工學報，2004, 55(8)：1 341-1 347.

　　[17] 楊昌炎，姚建中，林偉剛，等.粘性粉料定量連續(xù)加料裝置[P].中國專利：CN200420115359.5, 2004-11 223.