固體熱載體加熱下降管式生物質(zhì)熱解揮發(fā)實(shí)驗(yàn)研究

固體熱載體加熱下降管式生物質(zhì)熱解揮發(fā)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)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(duì)于流化床工藝,該工藝無(wú)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(jì)固體熱載體加熱下降管式生物質(zhì)熱解揮發(fā)特性實(shí)驗(yàn)裝置,分別對(duì)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(shí)驗(yàn)研究。1陶瓷球加熱器下降管生物質(zhì)快速熱解特性實(shí)驗(yàn)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(cè)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(guò)程中緩慢轉(zhuǎn)動(dòng),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(dòng),保證陶瓷球受熱均勻,避免因局部溫度過(guò)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?yàn)檎麄€(gè)反應(yīng)過(guò)程是吸熱反應(yīng),為了保證下降管反應(yīng)器內(nèi)部溫度場(chǎng)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(xiàng)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(guò)程中溫度的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。1.2喂料器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了陶瓷球喂料器,如圖3所示。陶瓷球流量由陶瓷球流量開(kāi)關(guān)和流量控制板控制,陶瓷球流量開(kāi)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(shí)驗(yàn)中生物質(zhì)粉喂料器采用兩級(jí)螺旋加氣力輸送式喂料。兩級(jí)螺旋減速變速電動(dòng)機(jī)由變頻器控制,第1級(jí)喂料器實(shí)現(xiàn)喂料量的精確控制,第2級(jí)喂料器保證把第1級(jí)落料能快速、連續(xù)地輸送到反應(yīng)器中,因此,第2級(jí)喂料器的轉(zhuǎn)速要高于第1級(jí),以保證不產(chǎn)生積料,堵塞管道。1.3下料離上料口和測(cè)溫傳感器反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。反應(yīng)器長(zhǎng)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(gè)間隔200mm均勻分布的溫度測(cè)控孔,用來(lái)安放測(cè)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(guò)濾器樣品的采集是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,實(shí)驗(yàn)專門設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)中抽氣量為1.5m3/h;流量計(jì)顯示抽氣量大小;過(guò)濾器的作用是過(guò)濾生物質(zhì)熱解過(guò)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(jì),影響流量計(jì)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(huì)大量混入炭粉,以保證熱載體的循環(huán)利用和實(shí)驗(yàn)中殘?zhí)繕悠返募兌?。在分離箱內(nèi)斜放一篩網(wǎng),篩網(wǎng)的孔徑大小可以透過(guò)生物質(zhì)殘?zhí)?而不能透過(guò)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(shí),在重力作用下沿篩網(wǎng)向下流動(dòng),流動(dòng)過(guò)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(duì)反應(yīng)器管溫度的影響。2實(shí)驗(yàn)2.1玉米秸稈的干燥、堆積、穩(wěn)定性和耐久性實(shí)驗(yàn)所用樣品是40~46目的玉米秸稈粉,具體制備過(guò)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(shí)驗(yàn)所用陶瓷球顆粒:直徑為2~3mm;形狀球形;實(shí)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(shí)驗(yàn)才有可能順利進(jìn)行。通過(guò)設(shè)定第一級(jí)喂料電動(dòng)機(jī)的頻率來(lái)控制喂料器的喂料量,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到玉米秸稈的喂料量與時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖5所示。電動(dòng)機(jī)喂料量與電動(dòng)機(jī)頻率的關(guān)系曲線,如圖6所示。2.3陶瓷球飼料的實(shí)驗(yàn)陶瓷球喂料量由陶瓷球流量控制板決定,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到14號(hào)流量控制板與喂料時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖7所示。3熱分解性能實(shí)驗(yàn)3.1生物質(zhì)熱裂解揮發(fā)油的檢測(cè)方法分別對(duì)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程以500℃、150mm為例:開(kāi)冷凝水,預(yù)熱陶瓷球和下降管,當(dāng)溫度穩(wěn)定在500℃時(shí),旋轉(zhuǎn)陶瓷球流量開(kāi)關(guān)喂入陶瓷球,通過(guò)溫度采集系統(tǒng)觀察下降管溫度,當(dāng)下降管溫度場(chǎng)均勻穩(wěn)定后,通氬氣,啟動(dòng)二級(jí)喂料電動(dòng)機(jī)、一級(jí)喂料電動(dòng)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(dòng)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(guò)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(gè)位置取樣,而氣相先后還要經(jīng)過(guò)濾器、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖8所示3.2反應(yīng)距離對(duì)揮發(fā)油率的影響從實(shí)驗(yàn)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(shì)。其中反應(yīng)溫度為450℃、反應(yīng)距離為150mm時(shí)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(shí)揮發(fā)分析出量最高為65.2%。因