内循环串行床快速热解制取生物油试验研究

摘要

近年来，生物质热解液化制取生物油技术迅速发展，被认为是本世纪最具发展潜力的生物质利用技术之一。与生物质原料相比，生物油具有能量密度高、易储存和运输方便等显著优点，可以应用于工业锅炉、燃气轮机等设备，精制后还可以用来代替燃油、制备化学品。
　　 本文研究围绕专有技术“单床自热式热解气化燃烧反应器及热解气化燃烧方法”所提出的新型内循环串行流化床(IIFB)反应器展开。该新型反应器原理为：利用导向管和漏斗形料腿将床分隔为两个区域—热解区和燃烧区，两个区域通过导向管底部的孔进行物质与热量传递，实现自热式热解液化。从冷态试验、热态试验和数值模拟三方面对基于IIFB反应器的快速热解液化工艺进行了系统的研究，获得了反应器的流动特性、热解产物分布及生物油特性，为今后的工业应用提供依据。
　　 在高1.5m，直径0.1m的IIFB半圆柱形有机玻璃试验装置上，采用CCD摄像、气体示踪、颗粒示踪等研究手段，对床内流型、压降、颗粒循环量、气体旁路特性进行了冷态试验研究。试验观测获得了六种典型流型：固定床(FB)、周期喷动(PS/B)、充气喷动(SA)、喷动流化(SF)、节涌喷动(SFS)、返流喷动(SBJ)，其中SA、SF情况下，床内颗粒循环特性好，流动状况稳定，最适合快速热解反应。流型转变取决于两个区域的气量大小，各个操作区域的大小受静止床高、颗粒直径、上出口开度等因素影响。床层压降特性研究表明，喷动区压降小于流化区压降，压降随着床内流型转变而变化的规律性较强，可用于判断床内流动状况。SA与SF两个区域的颗粒循环量在40～100kg/h范围内，总体上，随着气量的增大而增大。流化气的加入对喷动气的旁路具有抑制作用，喷动区向环形区的串混率随着喷动气速的增大呈上升趋势，随着流化气速的增大而减小。
　　 在冷态试验研究结果的基础上，以颗粒动力学为理论基础，采用双欧拉气固流体动力学模型，建立了IIFB流体动力学数学模型，对典型工况条件下进行了冷态数值模拟。模拟结果较准确地反映了床内颗粒速度与浓度分布、床内压力分布及颗粒循环量特性，具有一定的可信度，计算结果可以为该类反应器放大设计与操作提供参考。
　　 在上述研究基础上，自行设计建造了处理量为0.2kg/h的IIFB快速热解制油热态装置，主要包括加料系统、热解反应器、产物收集与分析三大部分。热解反应器本体高1.2m，外径60mm。试验研究表明床内温度分布状况良好，易于调控，符合快速热解反应要求。试验以木屑为原料，石英砂为热载体考察了反应温度对热解产物分布的影响，结果表明温度为515℃时油的收率最高。以HZSM-5催化剂与石英砂混合物为床料的催化热解试验结果表明，HZSM-5的加入促进了气体以及焦炭的生成，使得油的收率降低，且催化剂量越大影响越显著。BET分析及SEM表征表明，催化剂表面的积炭经燃烧反应后被及时除去，催化剂的稳定性得到改善。生物油的含水率较高（30％左右），热值相对较低，约为16MJ/kg；含水率随温度升高而增大，催化剂的加入使得水分增加。对气体产物成分分析结果表明，主要热解不可冷凝气体成分为CO和C02.随着热解温度的升高，C02产量下降，CO、CH4气体增加；由于燃烧温度低，烟气产物中CO含量较高。对IIFB反应器能量平衡分析分析结果表明，热解获得的焦炭燃烧后产生的热量足以提供热解反应，可以实现自热。对试验获取的生物油GC-MS分析结果表明HZSM-5催化热解后油中的酸、醛、酮类物质含量明显减小，而小分子的烃类与酚类物质明显增加。