生物质快速热解液化技术的研究_董治国

第17卷 第1期 林 业 劳 动 安 全2004年

2月

F OREST RY LA BOU R SAFET Y

Vol 17, No 1 Feb, 2004

文章编号:1006-5091(2004) 01-0012-03研究与技术

生物质快速热解液化技术的研究

董治国, 王述洋

(东北林业大学, 黑龙江哈尔滨150040)

摘 要:在介绍了生物质热解机理的基础上, 论述了生物质快速热解液化技术的一般工艺流程及国内外的研究进展, 并详述了自行研制的转锥式生物质热解液化装置的反应器结构。关键词:生物质; 热解液化; 生物油中图分类号:X 937 文献标识码:A

Study on Technology of Flash Pyrolysis of Biomass into Liquid

DONG Zh-i guo, WANG Shu -yang

(Northeast Forestry University, H arbin 150040, China)

Abstract:The article introduces the mechanism of pyrolyzing biomass rapidly and states general tech -nological process of the technolog y of flash pyrolysis of biomass into liquid and its research and develop -ment home and abroad and spells out the reactor of rotary cone -style system for pyrolyzing biomass into liquid.

Key words:biomass; pyrolyze and liquefy; biofuel

生物质, 从广义上讲是指有机物中除石化燃料

以外的所有来源于动植物可再生的物质。生物质能则是直接或间接通过绿色植物的光合作用, 把太阳能转化为化学能后固定和储藏在生物体内的能量。生物质主要包括农作物、林业作物、水生植物及城市垃圾等[2]。随着石化燃料的日益枯竭, 生物质能作为一种可再生的清洁能源日渐为世界各国所重视。

[1]

的条件下热降解为液体生物油、可燃气体和固体生物质炭三个组成部分的过程。控制热解的条件(主要是反应速度和升温速率) 可以得到不同的热解产品[3]。

从物质、能量传递的角度分析, 首先, 热量传递到生物质颗粒表面, 并由表面传递到颗粒的内部。热解过程由外向内逐层进行, 生物质颗粒被加热的成分迅速分解成木炭和挥发分。其中, 挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成, 可冷凝气体经过快速冷凝得到生物油。一次裂解反应生成了生物质

1 生物质热解机理

生物质热解是生物质在完全缺氧或有限氧供给

收稿日期:2003-12-10

基金项目: 863 计划项目(2001AA514060) 、 948 引进先进农业技术项目(2001-28) 、国家自然科学基金项目

(30170758) 、省自然科学基金项目(C00-23) 。

第一作者简介:董治国(1979-) , 男, 2002年毕业于东北林业大学, 工学学士, 现为东北林业大学(哈尔滨市动力区和兴

路26号) 在读硕士研究生。

炭、一次生物油和不可冷凝气体。在多孔生物质颗粒内部的挥发分将进一步热解, 称为二次热解反应。生物质热解过程最终形成生物油、不可冷凝气体和

[3]

生物质炭(如图1) 。反应器内的温度越高且气态产物的停留时间越长, 二次裂解反应则越为严重。为了得到高产率的生物油, 需快速移走一次热解产

生的气态产物, 以抑制二次裂解反应的发生[3-5]。快速热解则就很好地解决了停留时间问题, 在极短的时间内使生物质颗粒迅速热解, 又在极短的时间内把热解产物骤冷, 所以在很大程度上不但抑制了中间产物的发生, 而且避免了二次裂解, 从而最大限度地增加了液态生物燃油的产量[3]

。

图1 生物质热解过程示意图

2 一般工艺流程

从上面的生物质热解机理的分析中不难看出, 无论采用何种方式热解液化, 它们的工艺流程应该具有相似性。一般工艺流程如下:

破碎 为便于输送和提高干燥效率, 干燥前需先将各种农业秸秆、废木材、枝丫等较大的固体生物质破碎至类似工艺木片的尺度。

干燥 为减少最终产物 生物油中的含水量, 必须对原料进行干燥处理。一般将原料的含水量控制在10%以下。

粉碎 为提高加热速率, 获得高的产油率, 原料的进一步粉碎和细化是十分必要的。对于不同的反应器有不同的粒径要求。

热解 将原料送入特制的反应器中进行高速热解气化。该工艺的技术关键在于原料须在有严格温度控制的特制反应器中以很短的滞留时间, 在极快的加热和热传导速率下迅速转变成热解蒸气。 分离 热解蒸气含有一定量的炭和灰份, 由于碳在热解蒸气的二次裂解中起催化作用, 会在生物原油中产生不稳定因素, 而灰份也是不需要的成分, 因此, 对从热解反应器引出来的热解蒸气必须快速、彻底地予以分离。

冷凝 热解产生的气体由产生到冷却阶段的时间及温度对液体产物的质量和成分有很大的影响, 此段时间越长, 二次裂解生成不可冷凝气体的可能性越大。为防止二次裂解、减少不凝气的比例, 提高

得油率, 必须对分离后的热解蒸气进行快速冷却。 生物油的收集 生物质热解反应器的设计除需要对温度进行严格控制外, 还应在生物油的收集过

程中避免由于生物油的多种重组成分的冷凝而导致反应器堵塞。

3 生物质快速热解液化技术的研究进展

3. 1 国外的研究进展

生物质快速热解液化技术在20世纪80年代以后取得了很大进展。国际能源署组织了加拿大、芬兰、意大利、瑞典、英国及美国的十余个研究小组, 包括麻省理工学院等国际知名大学及实验室, 进行了10余年的研究工作, 重点对这一过程发展的潜力、技术经济可行性以及参与国之间的技术交流进行了协调[1]。世界各地的研究机构相继开发了各式各样的快速热解液化工艺。在各种工艺中, 反应器都是其核心部分, 因为反应器的类型及其加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布, 所以, 反应器类型的选择和加热方式的选择是各种技术路线的关键环节[4-5]。目前的国外开发的反应器种类很多, 主要可分为如下几类:

机械接触式反应器 这类反应器的共同点是通过一灼热的反应器表面直接或间接与生物质接触, 将热量传递给生物质, 使其高速升温, 从而达到快速热解。其采用的热量传递方式主要为热传导, 常见的有烧蚀热解反应器、丝网热解反应器、旋转锥反应器等。

间接式反应器 这类反应器的主要特征是由一高温的表面或热源提供生物质热解的所需热量, 其主要通过热辐射进行热量传递, 常见的热天平可归属此类。

混合式反应器 混合式反应器主要是借助热气流或气固多相流对生物质进行快速加热, 起主导热量传递的方式主要为对流换热, 但热辐射和热传导也不可忽略, 常见的有流化床反应器、快速引射床反应器、循环流化床反应器等。

真空热解反应器 生物质颗粒进入反应器后被送到两个水平的恒温金属板间受热解, 裂解产生的挥发分依靠反应器的真空状态很快被带出反应器, 直接输入到两个冷凝系统, 一个收集重油, 一个收集轻油和水分。该系统最大的优点是, 真空下一次裂解产物能很快脱离反应器, 从而降低了二次反应的几率, 但需要真空泵的正常运转以及反应器极好的密封性来保证, 而这在实际应用时将会加大投资成本以及运行难度。

虽然热解液化反应器多种多样, 但是它们的工艺流程一般相似, 主要包括:物料的干燥、粉碎、热解、气态生物油的冷却和生物油的收集。

3. 2 国内的研究现状及旋转锥式反应器的结构 国内在生物质热解液化技术方面的研究起步较晚, 目前还没有达到象国外的那种成熟阶段。但是, 已有很多研究机构正在从事该技术的研究, 也开发了多种反应器, 主要以接触式和混合式为主, 具有代表性的是流化床式反应器和旋转锥反应器。 东北林业大学自行研制的旋转锥式反应器的结构如图2所示, 采用内加热和壁加热相结合的加热方式, 热载体在保温层的保护下进行外循环, 并且在反应器周围都进行了保温处理,

这对防止能量的损

失起到了很好的作用; 同时, 还进行了对热解气体的快速引导, 这对热解气体的二次裂解起到了很大的抑制作用。试验在550 和1000r/min 的旋转速率下进行, 收到了良好的效果。

4 开发前景

生物质能是地球上最普遍的一种洁净而又可再生的能源, 其原料资源量大而广, 可开发潜力巨大。生物质热解液化技术在此基础上发展, 不但能带来经济效益, 而且还能促进环保的发展, 前景非常看好。参考文献:

[1] 郭艳, 等. 生物质快速裂解液化技术的进展[J].化工

进展, 2002, (8) :13-17.

[2] 李炳焕. 生物质能源的开发利用与前景[J]. 唐山师范

学院学报, 2002, 24(2) :36-38.

[3] 吴创之, 马隆龙. 生物质能利用技术[M ].北京:化学

工业出版社, 2003.

[4] A V Br idgw ater , G V C Peacocke etc. F ast Pyrolysis

Pr ocesses for Biomass [J]. Renewable and Sustainable Energ y Reviews, 2000, (4) , 1-73.

[5] 廖艳芬, 王树荣, 等. 生物质热裂解制取液体燃料技术

的发展[J]. 能源工程, 2002, (2) :1-5.

2003年我国特种设备事故总数下降25%

2003年我国特种设备事故继续保持稳中有降的态势, 与上年同期相比, 事故总数下降了25%。这是国家质量监督检验检疫总局党组书记李传卿在2004年1月7日举行的全国质量技术监督局长会议上透露的。

李传卿说, 2003年全年没有发生特种设备特大事故, 与2002年同期相比, 重大事故下降了39%, 死亡人数下降了37%, 直接经济损失下降了15%, 特种设备安全状况步入良性轨道。

据李传卿介绍, 2004年要加强特种设备安全监察工作, 突出监管重点, 对发生事故可能造成群死群伤、恶劣社会影响的重大危险源实施重点监控, 确保设备定检率100%, 作业人员持证率100%, 防止重特大事故的发生。同时, 要建立完善各级领导责任

图2 旋转锥反应器结构示意图

制和安全监察部门、技术检验机构责任制。