循环流化床反应器固体生物质的热解液化

文章编号:0254-0096(2001)02-0124-07

循环流化床反应器固体生物质的热解液化*

戴先文,吴创之,周肇秋,陈勇

(中国科学院广州能源研究所,广州510070)

摘要:介绍了以循环流化床反应器为主体的固体生物质热解液化装置,实验过程,实验结果及分析。通过对气体产物的比较及油产物一般物性和油成分的分析,得出如下结论:1)较高的温度和较长的停留时间会降低油的产率,生成过多的不凝气;过低的温度和加热速率导致严重的碳化,同样会降低油产率,本实验的最高油产率可达63%。

2)生物质热解油品的物性特点主要包括水分含量较高,p H值较低,粘度变化范围很大,热值与化石燃料相比为低,

并且油品中因含氧量很高而极不稳定,油品的组成成分非常复杂,烷烃和非烃占据了相当的比例,芳烃和沥青质含量相对较少。3)在循环流化床中的固体生物质热解液化可模化为热解区和还原裂解区。

关键词:固体生物质;循环流化床;热解液化

中图分类号:TK6文献标识码:A

0前言

随着石化燃料的日趋紧张和环境污染的日益严重,开发利用清洁可再生能源具有长远的意义。生物质是地球上量大面广、开发潜力巨大的可再生能源。而在中国,生物质主要用作农村生活燃料,甚至被当作废物烧掉,不仅造成了浪费,同时也污染了环境。固体生物质的热解液化是开发利用生物质能的有效途径[1)2],为生物质的清洁有效利用展示了一个广阔的前景。它是在中温500e左右,高加热速率(可达10000e/s)和极短气体停留时间(约2s)的条件下,将生物质直接热解,经快速冷却而得到液体油。其最大的优点就在于产品油的易存储和易输运[3],不存在产品的就地消费问题,因而得到了国内外的广泛关注。目前应用于热解液化的反应器有很多种,包括载流床、旋风床、真空移动床、旋转锥以及循环流化床等。考虑到循环流化床结构简单,并且具有良好的传热传质性能,本实验设计建造了一套以循环流化床为主体,集加热、反应、监测和控制于一体的中试装置,并为了降低运行成本,特采用部分热解气作为循环载气,同时对热解碳和热解气进行了热量回收利用。1实验研究

111实验物料

本实验在冷态实验的基础上,选用适当粒径的石英砂作为循环介质,以不同粒径的木粉作为物料进行实验。两种木粉样品的粒径分别为0138mm和0173mm,其化学分析特性如表1所示。由于木粉含有很高的挥发分(7017%),故对其采用热解液化是一种有效的回收手段。

表1木粉的化学分析特性

Table1Proxi mate and ultimate analysis of feedstock

工业分析元素分析(干基)挥发分7017%C4719%

固碳2112%H710%

灰分313%O4114%

水分418%N011%高位热值/kJ#kg-11803215S013%

灰分313%

第22卷第2期2001年4月太阳能学报

ACTA ENER GIAE SOLARIS SINICA

Vol122,No12

Apr1,2001

*收稿日期:1999-08-09

基金项目:广东省自然科学基金资助(960421)

112实验装置

本实验装置是一套以循环流化床为主体,集加热、反应、监测和控制于一体的中试装置,其处理量为5kg/h。图1是本装置的简图。

该系统主要由5部分组成:1)CFB反应器(包括两级旋风分离器);2)燃烧室;3)冷凝管;4)载流气循环泵及预热系统;5)在CFB不同高度设置的两个可调速螺旋加料器。CFB主床由直径为100mm的耐热不锈钢管构成,从分布板到床出口的高度为219m,其提供载流气的停留时间约为115s。CFB以L阀作为回料装置。燃料室被设计为流化床,内部布置了4根载流气预热管。沿床高布置有压差计和K型热电偶,根据冷态实验结果,可由压差计的读数来监测床内的循环状态,以便随时通过载流气量和L阀吹风量等进行调节。温度可以通过热电偶进行监控。

1燃烧室2CFB反应器3载气预热管4螺旋加料器5一级旋风分离器6二级旋风分离器

7冷凝管8L阀19L阀210收集

瓶11循环泵

图1热解液化实验装置简图

Fi g.1Schematic diagram of experimental apparatus

113实验过程

燃烧室是整个系统的主要热量来源,经粉碎后的碳粉在这里燃烧,为反应提供热量。载流气(开始为空气)由循环泵打入布置在燃烧室中的预热管进行预热,然后被导入循环流化床,携带由加料口输入的石英砂进行循环。当床温上升到适当的温度,物料木粉由螺旋加料器按一定的速度稳定的加入。在循环流化床内良好的传热传质条件下,物料被迅速热解为蒸气,并被立即携带出CFB。石英砂在第一级旋风分离器中分离下来,经L阀进入CFB循环;而热解产生的碳则被第二级旋风分离出来,经由L 阀2进入燃烧室燃烧。热解蒸气在通过冷凝管时被冷却,所得的液相即为油品,由收集瓶收集;不凝气则作为载流气进入循环。为了考察温度、加热速率和气体停留时间等因素对热解液化的影响,我们分别改变了床温、物料粒径和加料高度进行实验。

2结果和讨论

211热解产物的分布

在不同的热解条件下,热解产物气、液、固(热解残渣)的产率分布如表2所示。其中T代表温度(e),R代表停留时间(s),D代表木粉粒径(mm)。由于越小的物料粒径能够提供越大的受热表面积,所以粒径可以看作是加热速率的一个表征。

表2热解产物随操作条件的分布

Table2Dis tributi on of pyrolytic products at

various operation conditions

操作条件气体产率/%油产率/%固体产率/% D1T1R195437

D1T2R1126226

D1T3R1166321

D2T2R1115732

D1T2R2185923

注:D

1

=01038mm,D2=0173mm,T1=350e,T2=450e,T3= 550e,R1=018s,R2=115s

由表2可以看出,气产品随温度和加热速率的升高及停留时间的延长而增加,油产率则在高加热速率、短停留时间和中温500e左右时达到最大约63%,而较低的温度和加热速率会导致物料的碳化使固体产率增加。

212产品气的成分

尽管在热解液化中,气产品的产率并不高,也不是主要的考察对象,但是其成分的变化则有助于了解热解的机理。气体成分的比较如表3所示。

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2期戴先文等:循环流化床反应器固体生物质的热解液化