生物质热解液化装置的改进设计

李　慧，马新辉

(1.黄河科技学院，河南 郑州 450063；2.西安航天华威化工生物工程有限公司，陕西 西安 710100)

生物质热解液化装置的改进设计

李慧1，马新辉2

(1.黄河科技学院，河南 郑州 450063；2.西安航天华威化工生物工程有限公司，陕西 西安 710100)

摘要：针对当前生物质热解装置常见问题，设计了一套进料量为10/h的生物质热解液化改进装置，该装置共包含旋风分离系统、进料系统、流化床、冷凝系统4部分，主要解决了当前生物质热解装置旋风分离器分离效率不高，进料系统密封性不好，进料管物料堵塞，进料罐盲拱现象，热解时砂粒易带出流化床以及冷凝速度过慢等问题。

关键词：生物质；热解液化；改进装置

能源在人类生存与社会发展过程中起着决定性作用，但由于人类不合理的利用及石油、煤炭和天燃气等能源的有限性，很多资源面临着即将枯竭的威胁。生物质能源是可再生能源的一种，能源利用仅次于石油、煤炭和天然气，占世界总能耗的14 % ，位居各种能源使用量的第4 位[1-3]。该能源的开发与应用符合我国当前资源节约型、环境友好型的社会建设目标，因此，开发利用与之相应的生物质热解装置具有重要意义。本文针对以往生物质热解装置中常出现的问题，对生物质热解液化装置进行了改进设计。

1生物质快速热解液化机理

广义上来讲，有机物中全部来源于动植物可再生的物质(除化石燃料外)就是生物质。纤维素、半纤维素、木质素是生物质燃料中的主要可燃成分，是一种低灰份和低硫份的燃料，首先释放出挥发分物质的是热解过程中的纤维素和半纤维素，木质素最后转变为碳。在传统裂解基础上逐渐成熟的一种技术就是生物质快速热解液化，它采用102～104K/s超高加热速率，500 ℃左右的适中裂解温度，0.2～3 s的产物超短停留时间，在隔绝空气的环境中使焦炭和产物气降到最低限度，生物质中的有机高聚物分子迅速断裂为短链分子，最终获得更多的液体产品，呈现热值达20～22 MJ/kg的棕黑色黏性液体，即生物质油(bio-oil)，它可经精制成为化石燃料的替代物，也可直接作为燃料使用。

2生物质热解液化装置

2.1整体结构设计

针对热解时常见问题，研究设计了一套生物质热解液化优化装置，进料(锯末)量为10/h，该装置共包含4个组成部分，其结构图如图1所示。通过双螺旋进料系统可以将锯末快速送入流化床，锯末在流化床中可以快速热解为乙酸、丙酮等可凝气体以及一氧化碳等不可凝气和生物炭，快速增加温度到约500 ℃，并在0.2～3 s送入旋风分离器，生物炭通过旋风分离器被分离出来，将其收集在集灰斗中。在冷凝器中，可凝气体和不凝气体实现冷凝，其中，前者冷凝成生物油后被收集，后者最终被燃烧利用或者直接排出。

图1　生物质热解装置

2.2进料系统

如图2所示，本装置进料系统由进料筒、一级螺杆和二级螺杆3部分组成。进料筒由铸钢外壳以及锥形底座与输送螺旋相连，它的主要作用是储存固体原料，同时可以将其均匀送入输送螺旋的罐体，而一级螺杆与二级螺杆的主要作用分别是进行定量进料和快速进料。本装置的创新之处在于：首先改进了进料罐结构，对于解决生物质热解进料时的盲拱现象具有一定作用；其次改进了一、二级进料管衔接处和螺杆头部密封结构，对于解决进料堵塞和进料管漏气等情况具有重要作用。

图2　进料系统简图

2.3流化床反应器

图3　流化床结构

流化床反应器主要由布风板和流化床床体组成，通过固体颗粒层，利用气体或液体自下而上的使固体颗粒处于悬浮运动状态,其结构图如图3所示，它可以实现气固相反应或液固相反应。其中，热态中一般利用的是侧孔式锥帽分布板，在流化床出口附近设计了一个膨胀节，以解决热解过程中砂粒容易带出床体的问题，冷凝的热解产物不便于在流化床出口处清理解决，为此在出口结构处进行了相应改进。

2.4旋风分离系统

旋风分离器是目前最常用的一种分离、除尘设备，它使固体颗粒在离心力的作用下从气流中分离出来，利用的是气固两相流体的旋转运动。该设备结构不复杂，无相对运动部件，设备相对紧凑，价格不高，便于操作与维修，并且能够实现各种生产的特殊要求；因此，该设备目前在各个相关领域中得到了普遍认可与具体应用。本设计中旋风分离器的主要作用是实现热解后的固体炭和少量带出的床料砂粒分离，通常旋风分离器结构包含旋风分离器和集灰斗2部分，如图4所示。本研究中所设计的旋风分离系统根据原旋风分离器结构进行了一定的改进，主要集中在调整其进出口尺寸，从而有效地提升了旋风分离器效率。

图4　旋风分离系统

2.5冷凝系统

冷凝器一般包含2种类型：一种是间接式冷凝器，也叫表面式冷凝器；另一种是直接式冷凝器。其中，前者主要包括盘管式冷凝器、列管式冷凝器和板式冷凝器，由于列管式冷凝器不同于大气式冷凝器受在空间高度上的束缚，摆脱了空间高度方面的限制，并且便于自控；因此，目前应用较多的是列管式冷凝器，它可以立式安装也可以卧式安装，冷却效果比较好，并不次于直接式冷凝器。本文所设计的冷凝系统如图5示，主要选用4级列管式冷凝器，从而快速实现了生物质热解气冷凝。

图5　冷凝系统

3结语

本文所设计的生物质热解液化改进装置已被郑州大学化工机械实验室采用，实践证明其效果良好。

参考文献

[1] 吴伟烽. 生物质能利用技术介绍[J].研究与开发,2003(11):11-12.

[2] 马经国. 新能源技术[M].南京: 江苏科学技术出版社,1992.

[3] 郭艳, 王矗,魏飞.生物质快速裂解液化技术的研究进展[J].化工进展, 2001(8):13-15.

责任编辑李思文

Improved Design for the Biomass Pyrolysis Liquefaction Device

LI Hui1, MA Xinhui2

(1.Huanghe Science and Technology College, Zhengzhou 450063, China; 2.Xi’an Spaceflight Huawei Chemical biologic Engineering Co., Ltd, Xi’an 710100, China)

Abstract:Focused on the common problems of the current device of biomass pyrolysis liquefaction, designed a kind of improved device of feed weight with 10 kg /h. The device consists of a cyclone separation system, feeding system, fluidized bed, the condensation system, which can mainly solve the problems of current biomass pyrolysis device cyclone separation efficiency not high, poor sealing feed system, feeding pipe jammed, feed tank blind arch phenomenon, easy to be carried out when the sand fluidized bed pyrolysis the problem of condensation, and too slow.

Key words:biomass, pyrolysis liquefaction, improved device

收稿日期：2014-12-04

作者简介：李慧(1980-)，女，硕士，副教授，主要从事化工机械设计等方面的研究。

中图分类号：TQ 433.4

文献标志码：A