《生物质专题》PPT课件.ppt

生物质热解液化及其应用（之二）,第四节生物质热解液化典型技术,一、液化技术分类与比较,生物质热解液化机组一般应包括原料破碎和烘干用的预处理设备、生物质进料装置、液化反应器、气固分离装置、快速冷却装置和气体输送设备等，其中液化反应器是核心部件，它的运行方式决定了液化技术的种类。,热解液化,有气体载体,流化床,循环流化床,喷动流化床,旋转锥式,真空移动床式,烧蚀式,无气体载体,根据生物质颗粒与热载体(如石英砂)运动方式的不同，可以将热解液化反应器分为两大类：,流化床式反应器非流化床式的反应器,流化床式反应器,在这类反应器中生物质颗粒和热载体主要依靠气体运动所产生的曳力进行碰撞和混合，以实现动量和热量的交换；优点主要是不含运动部件，结构较为简单，工作可靠性大，运行寿命长等；缺点是流化气体的引入提高了系统的运行能耗，因为这部分外加气体也会经历加热和冷却的工艺过程，此外，流化气体还稀释了热解产生的不可冷凝气体，使其热值大为降低，为其应用带来了困难。,流化床概念,流化床是指在一个设备中，将颗粒物料堆放在分布板上，当气流由设备下部通入床层，随着气流速度加大到某种程度，固体颗粒在床内会产生沸腾状态，这种床层称为流化床。,流化过程及原理,1第一阶段固定床,湿物料进入床层，先落在设备底部设有金属制的多孔板（又分布板）上，在热气流未足以使其运动时，物料颗粒层虽与气流接触，但固体颗粒不发生相对位置的变动，称之固定床。,流体空塔速度v0,2.第二阶段流化床阶段,当通入的气流速度进一步增大，增大到足以把物料颗粒吹起，使颗粒悬浮在气流中自由运动，物料颗粒间相互碰撞、混合，床层高度上升，整个床层呈现出类似液体般的流态，这时，再增加流速，压力降亦保持不变。,G:颗粒的平均重量；A:床层横截面的面积。,流化床阶段的特征,1、流化床层有一个不太稳定的上界面，界面以每秒钟数次的频率上下波动。2、床层中出现一部分气体以鼓泡的形式高速流过床层，另一部分则以渗流的形式流过颗粒较为密集的乳化相。3、床层中固体颗粒相互之间作剧烈的相对运动，发生强烈的混合和搅拌。4、整个床层具有象流体一样的特性：,（1）密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面。（2）床层倾斜，床层表面仍能保持水平；（3）床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式表示（p=gL,其中和L分别为床层的密度和高度）（4）有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出；（5）联通两个高度不同的床层时，床层能自动调整平衡。,流化床类似液体的特性,气流流速继续增加，当气流速度大于固体颗粒的沉降速度，这时，床层高度大于容器高度，固体颗粒被气流带走，空隙度增加，床层压力减少。这种当流速增大到某一数值，使流速对物料的阻力和物料的实际重量相平衡的流速，称为“悬浮速度”、“最大流化速度”、“带出速度”，当气流速度稍高于“带出速度”，被干燥物料则被气流带走，这一阶段称之为气流输送阶段。,3第三阶段气流输送,非流化床式的反应器：,在这类反应器中生物质颗粒和加热载体主要依靠自身的位移运动进行碰撞和混合，以实现动量和热量的交换；优点是极少或不需要外加气体，因而降低了系统的运行能耗，避免了可燃气体的稀释；缺点是反应器含有运动构件(如旋转锥等)，而运动构件一般又都需要在高温和高粉尘环境下作悬臂旋转，故而对材料和轴承的耐热性、耐磨性、密封性等要求相当高。,二、热解液化典型技术介绍,1.流化床式,如图所示为采用外部电加热提供热解热源的一种流化床式生物质热解液化装置的工艺流程。,生物质经风干、磨碎、筛分预处理后成为粒径小于一定值（如1mm）的颗粒物料，然后通过可调速的螺旋进料器送入液化反应器，物料喂入点一般要伸入反应床的内部。流化床反应器的床料兼热载体是沙子，流化介质为热解生成的气体(启闭阶段需要用氮气代替)，它由空气压缩机泵入可控的电加热器，经过预热后再均匀分布地吹入床内。,流化介质进入床内时的温度不能过高，一般应控制在600以内，否则部分生物质物料将会受到过热热解，不利于提高生物油的产率。但生物质热解过程又是一个不断吸热的过程，因此，仅靠电加热器预热后的流化介质的热焓难以连续为进入床内的生物质提供热解所需要的全部热源，同时也为了避免床身壁面温度梯度过大而导致可冷凝气体在反应床内壁凝结，所以，在流化床反应器的床身、联结管道和旋风分离器的外壁均需敷设一定功率的电加热元件。,流化床动力学设计的关键是要将反应器中热解生成的炭吹走，而热载体沙子则要保留在反应床内，以减少反应床内的热量损失这就需要仔细选择和匹配固体颗粒(沙子和生物质)的粒径、流化速度和床层结构参数。流化床内的反应温度由热电偶进行多点测量，并控制在最佳反应温度之内(如450 550)，反应压力为微正压(如1.05.0 kPa)。,反应产物流经旋风分离器首先分离掉炭，剩下的气体产物被送入冷凝器进行强制冷凝，其中可冷凝的气体则被冷凝为生物油而储集在冷凝器的下部，至一定程度后用专门的容器进行收集和储藏，而不可冷凝的气体则通过过滤器过滤后，一部分送入循环气体压缩机中用作流化床反应器的流化介质，另一部分或用作生物质原料烘干用的气体燃料，或作他用。,2循环流化床式,循环流化床式生物质热解液化装置的工艺流程,它与流化床式生物质热解液化装置的区别：,主要是将热解液化获得的炭粒送入流化床反应器底部的常规沸腾床，其燃烧后获得的高温烟气一部分作为流化介质均匀分布地吹入床内，基于上述同样的道理，作为流化介质的高温烟气进入床内时的温度也不能过高，一般控制在600以内，剩下的高温烟气则可以在特制的流化床反应器外壁空心夹套中流过，为热解反应补充提供所需要的热量。,理论和经验证明，只要反应器各个部分设计得巧妙，利用副产物热解焦炭和热解气体的燃烧热，完全可以为热解反应提供足够的热量。,循环流化床生物质热解液化装置的最大特点是将提供反应热量的燃烧室和发生热解反应的流化床反应器合为一体，充分利用了副产物热解焦炭和热解气，使生物质热解液化实现热量自给，从而有效降低了生物油的生产成本，提高了热解液化技术的市场竞争力。,3喷动流化床式,这种喷动流化床不同于传统的喷动流化床，其结构特点是在传统喷动床的中央位置放了一根导向管，强制将中央喷动区和环形流化区分开，从而避免喷动区和流化区之间的气固错流，避免在气流减小或床层高度增加时导致喷泉不稳定甚至消失现象的出现。这种喷动流化床的显著优点是：气固滑移速度增大，从而增强了气固相间的混合强度和传热传质效果，并进而改善了生物质热解液化的效果；颗粒运动更有规律，从而容易控制固相滞留时间；未反应完全的生物质半焦会在中央喷动区和环形流化区之间进行循环，从而提高了碳的转化率。,与流化床装置一样，喷动流化床也可以改造设计成循环喷动流化床，即在喷动流化床的下部设置一个燃烧室，利用焦炭燃烧获得的高温烟气作为流化介质，并为生物质热解提供所需的热量。,4旋转锥式,它主要由内外两个同心锥共同组成，内锥固定不动，外锥绕轴旋转。生物质颗粒和经外部加热的惰性热载体如沙子经由内锥中部的孔道喂入到两锥的底部后，由于旋转离心力的作用，它们均会沿着锥壁作螺旋上升运动。同时，又由于生物质和沙子的质量密度差异很大，所以，它们作离心运动时的速度也会相差很大，两者之间的动量交换和热量交换由此得以强烈进行，从而使得生物质颗粒在沿着锥壁作离心运动的同时也在不断地发生热解反应，当到达锥顶时刚好反应结束而成为炭粒，沙子和炭粒旋离锥壁后落入反应器底部，热解气引出反应器后立即进行淬冷而获得生物油。,旋转锥式热解反应器结构紧凑，因为它不需要惰性流化载体气，避免了载体气对热解气体的稀释，从而有效降低了工艺能耗和液化成本。缺点是外旋转锥必须由一悬臂的外伸轴支撑作旋转运动，而支持外伸轴的轴承必须要能够在高温和高粉尘工况下长时间可靠地工作，困难相当大。此外，沙子等惰性热载体不停地在两锥壁面之间做螺旋运动，它对高温壁面的摩擦磨损也将非常严重。,该反应器也可以设计成自热式的，方法是将反应器底部的炭粒和砂子及时引出后导入一个流化床式的燃烧装置，沙子加热到所需要的温度后进行气固分离，然后再喂入到旋转锥反应器，从而构成热量循环。荷兰BTG生物质技术研究所研制了每小时可处理200公斤物料的自热式旋转锥热解液化装置。该装置由于没有流化载体气需要加热，故只要利用热解焦炭的燃烧热即可实现自供热式的热解液化。,5真空移动床式,物料干燥和粉碎后在真空下导入热解反应系统，反应系统由两个加热的水平夹板构成，采用融盐混合物进行加热并使温度维持在一定值(如530)将热解生成的不可冷凝气体通入燃烧室燃烧，燃烧放出的热量用于加热盐，采用电感应加热器对反应器的温度进行控制。试验研究表明：反应在450和总压力为15kPa的条件下进行，可以获得大量的生物油和具有良好表面活性的含碳固体产物。这种热解反应器与旋转锥式热解反应一样，也不需要流化载体气，故其工艺能耗较低，容易实现自热式液化，但缺点是存在移动部件，摩擦磨损比较严重，密封也较为困难。,8烧蚀式,粒径可达6.0mm的干燥的生物质颗粒通过密封的螺旋送料器，喂入到氮气清扫的反应器中，四个不对称的叶片以200rmin的速率旋转，产生了传递给生物质的机械压力，将颗粒送入加热到600的反应器底部表面。叶片的机械运动使颗粒紧贴反应器的高温表面作机械运动，并发生热解反应。热解产物随着氮气气流离开反应器并进入旋风分离器，固体焦炭将落入集炭箱，而气体产物将通过逆流冷凝塔进行快速冷凝，可冷凝气体通过静电沉积器沉积下来，不可冷凝气体通过流量计排出。烧蚀式热解液化既需要清扫用的惰性气体如氮气，反应器内又必须要有作旋转运动的部件，所以，这种液化反应器的优点不够明显。,第五节 热解辅助技术,一、气固热解产物分离,1.关键点：,应根据原料特点有针对性地选择热解产物气固分离设备,从反应器出来的高温热解产物在快速冷凝之前必须要进行气固分离。热解产物中的固体颗粒主要是炭粒和沙子。根据所用原料不同，炭粒形态和大小各异：当使用林木生物质时，由于原料灰分低和炭粒机械强度较高，炭粒较重较大，故而分离起来较为容易；而当使用秸秆一类的生物质时，由于原料灰分较高和炭粒机械强度较弱，炭粒较轻较细，故而分离起来相对困难一些。,在气固分离过程中如何不让有机蒸气出现凝结,热解产物离开反应器的温度一般为400500，其中液体产物均呈蒸气态。但在管道输送和气固分离过程中，温度一般总是要下降的，如果温度下降过多，或管壁和器壁温度梯度过大，则有机蒸气有可能在壁面冷凝，并进而与固体颗粒粘附形成结实的焦垢，严重时将会堵塞管道，很难清除，另一方面也影响生物油的产收率。,2.分离方法,气固分离方法可分为干式和湿式两大类，但对生物质热解液化而言，为保证获得清洁的生物油，只能采用干式方法对热解产物进行气固分离。,常用干式分离方法的技术特征,在各种气固分离设备中，以机械分离装置最为简单，分离效果不如静电方法和过滤方法，但静电方法一般适合大规模操作，且对热解产物的含氧量有很高限制，而过滤方法比静电方法相对要简单得多故设计热解装置时，可将旋风分离器作为第一级分离设备，而将过滤器作为第二级分离设备。,3.旋风分离器（1）旋风分离器的结构和工作原理：,它主要由一个下部为锥体的外旋风壳和一个内筒组成，进气管布置在旋风壳的切向上，热解气体夹带着固体颗粒热解焦炭和沙子进入旋风分离器后，产生了围绕内筒的强烈旋转运动，热解焦炭和沙子在离心力的作用下从气流中分离出来，贴着旋风壳内壁面旋转由于摩擦消耗了动量，热解焦炭和沙子顺沿着锥体内壁落入储集箱，而脱除了固体颗粒的热解气体折转进入内筒，由上部排出后被送入冷凝器进行冷凝。,固体颗粒旋转运动产生的离心力与颗粒直径、运动速度和旋转半径有关，即,式中，F为离心力，m为颗粒质量，v为旋转速度，R为旋转半径。,由上式可以看出，离心力与颗粒的质量和旋转速度的平方成正比，与旋转半径成反比。因此，旋风分离器对大粒径或质量密度高的颗粒有比较高的分离效率，一般用来分离粒径为10以上的固体颗粒。,提高旋风分离器分离效率的有效方法是提高气流旋转的速度，但气流压降与气流速度也成平方关系，提高分离效率的同时也提高了气流压降，故而增加了热解系统的动力消耗。因此，在设计旋风分离器时应综合考虑各个因素，一般而言，气流的入口速度设计为2030ms为好，这时分离器的压降为1 200Pa左右，对10m以上固体颗粒的除尘效率可达90左右。,（2）提高旋风分离器分离效率的有效方法,（3）影响旋风除尘器工作性能的主要因素：,外旋风壳的直径和高度；内筒的直径和插入外壳的长度；人口管的截面积和高宽比例；锥体的长度和与直筒长度的比例；人口蜗壳导流器的形状和尺寸,4.过滤器,（1）过滤器的形式,过滤器的形式主要有颗粒层过滤和袋式过滤两种，根据滤料或织物孔隙的大小，可以滤出0.1lm的小粒径杂质，同时很多滤料还有吸附作用。颗粒层过滤器结构简单，在一个简体中装上颗粒滤料就构成过滤器,（2）影响颗粒层过滤器性能的因素,影响颗粒层过滤器性能的因素主要是颗粒大小、过滤速度和颗粒层厚度。颗粒较小，过滤速度较低和过滤层较厚，分离效率提高，但阻力也明显加大。颗粒层过滤器的效率一般可达99，压力损失为8001200 Pa。,（3）袋式过滤器的结构,它的过滤效率可达99，可以有效地滤去0.1m以上的细小尘粒，设计阻力一般在3001200Pa范围内，随着运行的继续，阻力上升到一定值时需要清除织物表面的灰尘。由于过滤分离是依靠滤料的容积或滤布的表面来捕集颗粒，其容纳颗粒的能力有限，因此过滤材料的再生是一个难点。袋式过滤器采用脉冲气流反吹或机械扑打使之再生，而颗粒层过滤器则需定期更换滤料。,二、高温有机蒸气冷凝,评价生物质热解液化的一个重要指标是生物油的产收率，而影响生物油产收率的一个关键因素是经过气固分离后的高温有机蒸气的冷凝。,1.高温有机蒸汽的冷凝方式,不采用任何冷凝介质的冷凝管换热式冷凝 采用冷凝介质进行喷淋强制式冷凝,（1）不采用任何冷凝介质的冷凝管换热式冷凝,这种方法冷凝效果不是很好，但适于对以不同生物质为原料热解获得的生物油进行分别测量，故它比较适合于热解液化原理性试验。,（2）采用冷凝介质进行喷淋强制式冷凝,比较经济适用的一种冷凝介质就是生物油自身。生物油本身就是一种复杂的有机混合物，由于它具有较高的密度和比热，所以，经过雾化的生物油与高温有机蒸气直接接触后，能迅速吸收高温有机蒸气的热量而自身不会蒸发，同时，高温有机蒸气冷凝后又会迅速被雾化的生物油液粒所吸收，进而沉降到冷凝器的底部。中国科技大学生物质洁净能源实验室的研究经验表明，采用生物油雾化喷淋方式对热解高温有机蒸气进行强制冷凝，生物油的收集效率可以达到99以上。,2.常用的喷淋冷凝的形式,常用的喷淋冷凝的形式有多种，如洗涤塔式、鼓泡塔式、喷射式和文丘管式等，其中洗涤塔式是最常用也是最简单的一种。根据热解规模，洗涤塔可以是单层的，也可以是多层的，但很少有4层以上的单塔结构。为了增大有机蒸气与冷凝介质生物油的接触面积，可以在塔内充装填料，多层洗涤塔至少有一层应装填料，填料应采用耐腐蚀和高热容的材料制作洗涤塔内气体流速一般在1ms以下，停留时间不低于20s。有机蒸气在下降过程中，反复与液滴接触进行换热，并形成更大的液滴，落到下部集油器中，不可冷凝的热解气体则被引出冷凝器。,洗涤塔对生物油的冷凝收集效果取决于多种因素，除了前已述及的外，还与雾化液滴的大小有关。一般说来，较细的液滴会具有更好的冷却和捕集效果，但过细的雾滴沉降速度太小，容易被气流带走，反而降低了捕集效果。所以，设计洗涤塔时应综合考虑各种因素的影响。中国科技大学生物质洁净能源实验室的研究经验表明，设计良好的洗涤塔，生物油的捕集效率可以达到9599。,