固體熱載體加熱下降管式生物質(zhì)熱解揮發(fā)實驗研究

固體熱載體加熱下降管式生物質(zhì)熱解揮發(fā)實驗研究

生物質(zhì)熱解機(jī)理在中溫、絕氧、高加熱和短距離宰相停留的條件下，利用能耗將死刑的高分子分裂為低分子產(chǎn)品，并迅速冷卻得到產(chǎn)品的可冷成分。生物油溶菌酶。熱解是生物質(zhì)材料進(jìn)行熱化學(xué)轉(zhuǎn)換的第一步,它受如生物質(zhì)的組分、粒徑、熱解溫度及加熱速率等諸多因素的影響[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。生物質(zhì)熱解機(jī)理在熱解工藝的制定和熱解設(shè)備的設(shè)計中起著重要作用。利用固體熱載體與生物質(zhì)顆粒之間溫差實現(xiàn)生物質(zhì)顆粒的快速升溫?zé)峤?這種典型工藝具有較高的傳熱效率和液體轉(zhuǎn)化率。相對于流化床工藝,該工藝無需引入其他惰性氣體介質(zhì),不但節(jié)約成本,而且大大降低了冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷,節(jié)約了能耗。為了研究固體熱載體加熱工藝條件下生物質(zhì)的熱解機(jī)理,設(shè)計固體熱載體加熱下降管式生物質(zhì)熱解揮發(fā)特性實驗裝置,分別對不同熱解溫度和固相顆粒在不同下降距離處的玉米秸稈粉熱解揮發(fā)特性進(jìn)行實驗研究。1陶瓷球加熱器下降管生物質(zhì)快速熱解特性實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要組成部分包括:陶瓷球加熱器、溫度測控系統(tǒng)、顆粒喂料器、下降管、陶瓷球與殘?zhí)糠蛛x箱、陶瓷球收集箱、冷卻系統(tǒng)、熱解碳粉取樣系統(tǒng)。1.1加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng)包括:采用硅碳棒加熱陶瓷球加熱器;采用電阻絲加熱下降管保溫系統(tǒng)。1.1.1陶瓷管夾層的安裝作為熱解主熱源的陶瓷球采用硅碳棒加熱,每根2.3Ψ,3根串聯(lián)為一相,加熱方式為380V三相星型。溫度采用溫控儀表可控硅三相半控調(diào)壓方式控制。硅碳棒插放在陶瓷球加熱器內(nèi)部均勻布置套管和硅碳棒間使用耐高溫絕緣陶瓷管絕緣,結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。陶瓷球加熱器中間有螺旋攪拌器,加熱過程中緩慢轉(zhuǎn)動,將中心區(qū)域陶瓷球向上提升,外側(cè)陶瓷球在重力作用下向下滾動,保證陶瓷球受熱均勻,避免因局部溫度過高,導(dǎo)致陶瓷球融化結(jié)渣,影響陶瓷球下料。陶瓷球加熱器外壁包有保溫材料,以減少熱量的散失。1.1.2分離系統(tǒng)內(nèi)的壓力和密度陶瓷球和生物質(zhì)粉末在反應(yīng)器中發(fā)生熱解反應(yīng),因為整個反應(yīng)過程是吸熱反應(yīng),為了保證下降管反應(yīng)器內(nèi)部溫度場的穩(wěn)定,所以在下降管外壁用電阻絲加熱輔助保溫,電爐絲選用鎳鎘材料,直徑為1.5mm,電爐絲上穿有直徑為2mm的絕緣陶瓷珠。溫度采用溫控儀表可控硅單項調(diào)壓方式控制,下降管反應(yīng)器外壁包有保溫材料,以減少熱解過程中溫度的變化對實驗的影響。1.2喂料器的設(shè)計實驗要求陶瓷球和生物質(zhì)粉能夠準(zhǔn)確、可控、連續(xù)、均勻、穩(wěn)定地喂料,因此根據(jù)陶瓷球和生物質(zhì)粉各自的物性特性,分別設(shè)計陶瓷球喂料器和生物質(zhì)粉喂料器。1.2.1流量控制困難陶瓷球直徑1~2mm、流動性較好的球形體,具有絕緣好、熱慣性大等特點(diǎn),但受到強(qiáng)力擠壓易破碎,流量控制困難。實驗中設(shè)計了陶瓷球喂料器,如圖3所示。陶瓷球流量由陶瓷球流量開關(guān)和流量控制板控制,陶瓷球流量開關(guān)控制喂料與否,而陶瓷球流量大小由陶瓷球流量控制板控制。1.2.2控制喂料均勻性由于生物質(zhì)粉料的特殊性質(zhì),使得生物質(zhì)粉在喂料箱里容易發(fā)生架橋現(xiàn)象,從而使得喂料不均、甚至中斷,難以保證喂料的準(zhǔn)確、可控、連續(xù)、均勻、穩(wěn)定性。實驗中生物質(zhì)粉喂料器采用兩級螺旋加氣力輸送式喂料。兩級螺旋減速變速電動機(jī)由變頻器控制,第1級喂料器實現(xiàn)喂料量的精確控制,第2級喂料器保證把第1級落料能快速、連續(xù)地輸送到反應(yīng)器中,因此,第2級喂料器的轉(zhuǎn)速要高于第1級,以保證不產(chǎn)生積料,堵塞管道。1.3下料離上料口和測溫傳感器反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。反應(yīng)器長1500mm內(nèi)徑61mm,壁厚3mm在反應(yīng)器上生物質(zhì)下料離為150、550、850、1150mm處分別留有殘?zhí)咳涌?并且在管壁另一側(cè)有4個間隔200mm均勻分布的溫度測控孔,用來安放測溫和控溫傳感器。各殘?zhí)咳涌诓捎盟鋮s,終止取樣殘?zhí)窟M(jìn)一步熱解。1.4氣調(diào)和過濾器樣品的采集是整個實驗的關(guān)鍵,根據(jù)實驗要求,實驗專門設(shè)計了熱解殘?zhí)坎蓸酉到y(tǒng)。熱解殘?zhí)坎蓸酉到y(tǒng)的原理是利用旋風(fēng)分離器的分離作用把在某種工況下發(fā)生熱解的生物質(zhì)殘?zhí)渴占诜e炭器里。抽氣風(fēng)機(jī)的抽氣量可調(diào)節(jié),實驗中抽氣量為1.5m3/h;流量計顯示抽氣量大小;過濾器的作用是過濾生物質(zhì)熱解過程中產(chǎn)生的生物油和部分殘?zhí)?避免生物油和殘?zhí)窟M(jìn)入流量計,影響流量計精度;穩(wěn)壓管起到穩(wěn)定氣壓的作用。1.5殘?zhí)康难h(huán)利用和實驗過程陶瓷球殘?zhí)糠蛛x箱的作用是把解熱后的陶瓷球和殘?zhí)窟M(jìn)行分離,以使陶瓷球熱載體中不會大量混入炭粉,以保證熱載體的循環(huán)利用和實驗中殘?zhí)繕悠返募兌取Ｔ诜蛛x箱內(nèi)斜放一篩網(wǎng),篩網(wǎng)的孔徑大小可以透過生物質(zhì)殘?zhí)?而不能透過陶瓷球。當(dāng)陶瓷球和反應(yīng)后的殘?zhí)炕旌项w粒從下降管落到篩網(wǎng)上時,在重力作用下沿篩網(wǎng)向下流動,流動過程中殘?zhí)柯淙牒Y網(wǎng)下面,而陶瓷球則沿著分離箱的出口流入陶瓷球收集箱。分離箱外壁包有保溫材料,以減少熱量損失對反應(yīng)器管溫度的影響。2實驗2.1玉米秸稈的干燥、堆積、穩(wěn)定性和耐久性實驗所用樣品是40~46目的玉米秸稈粉,具體制備過程如下:把自然干燥的玉米秸稈用高性能粉碎機(jī)磨成很細(xì)的粉末,粒度達(dá)到120目。用標(biāo)準(zhǔn)分樣篩篩分玉米秸稈粉,取40~46目的0.5kg生物質(zhì)粉末在105℃鼓風(fēng)干燥箱干燥24h后待用。40~46目玉米秸稈的堆積密度為157.5kg/m3,含水率為8.19%。實驗所用陶瓷球顆粒:直徑為2~3mm;形狀球形;實堆積密度2000~2400kg/m3;吸水率小于0.5%;耐酸度大于99%;耐堿度大于95%。2.2玉米秸稈的喂料量控制陶瓷球和生物質(zhì)粉連續(xù)準(zhǔn)確喂料,是研究生物質(zhì)熱解特性的重要條件,只有生物質(zhì)和陶瓷球連續(xù)均勻準(zhǔn)確下料,實驗才有可能順利進(jìn)行。通過設(shè)定第一級喂料電動機(jī)的頻率來控制喂料器的喂料量,通過實驗得到玉米秸稈的喂料量與時間的關(guān)系曲線,如圖5所示。電動機(jī)喂料量與電動機(jī)頻率的關(guān)系曲線,如圖6所示。2.3陶瓷球飼料的實驗陶瓷球喂料量由陶瓷球流量控制板決定,通過實驗得到14號流量控制板與喂料時間的關(guān)系曲線,如圖7所示。3熱分解性能實驗3.1生物質(zhì)熱裂解揮發(fā)油的檢測方法分別對450、500、550℃溫度和150、550、850、1150mm反應(yīng)距離處的玉米秸稈粉的熱解揮發(fā)特性進(jìn)行實驗。實驗過程以500℃、150mm為例:開冷凝水,預(yù)熱陶瓷球和下降管,當(dāng)溫度穩(wěn)定在500℃時,旋轉(zhuǎn)陶瓷球流量開關(guān)喂入陶瓷球,通過溫度采集系統(tǒng)觀察下降管溫度,當(dāng)下降管溫度場均勻穩(wěn)定后,通氬氣,啟動二級喂料電動機(jī)、一級喂料電動機(jī),生物質(zhì)粉和熱的陶瓷球在下降管反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生快速熱解反應(yīng),啟動抽氣風(fēng)機(jī),氣相和熱解殘?zhí)吭跉執(zhí)坎蓸涌诒怀槌?經(jīng)過旋風(fēng)分離器的分離作用把殘?zhí)渴占诜e炭器里,直到收集足夠的殘?zhí)?再進(jìn)行下一個位置取樣,而氣相先后還要經(jīng)過濾器、轉(zhuǎn)子流量計、穩(wěn)壓灌和抽氣風(fēng)機(jī)。把得到的殘?zhí)侩S機(jī)取樣,利用灰分示蹤法得到生物質(zhì)在不同工況下熱裂解揮發(fā)率。按照上述實驗設(shè)計進(jìn)行了實驗,結(jié)果如圖8所示3.2反應(yīng)距離對揮發(fā)油率的影響從實驗結(jié)果可以看出,在同一反應(yīng)距離的條件下,隨著反應(yīng)溫度的增加,生物質(zhì)熱解揮發(fā)率呈非線性升高;在同一反應(yīng)溫度條件下,隨著反應(yīng)距離的增加,揮發(fā)率也呈非線性增大趨勢。其中反應(yīng)溫度為450℃、反應(yīng)距離為150mm時揮發(fā)分析出量最低為34.5%,當(dāng)反應(yīng)溫度為550℃、反應(yīng)距離為1150mm時揮發(fā)分析出量最高為65.2%。因