【摘要】：生物質(zhì)熱裂解技術(shù)是通過生物質(zhì)能源制取生物油的主要途徑,關(guān)鍵環(huán)節(jié)是熱裂解反應(yīng)器的設(shè)計,故開發(fā)更加優(yōu)異的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對生物質(zhì)能源的有效利用具有重要意義。本文在流化床反應(yīng)器的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種內(nèi)部設(shè)有開口和導(dǎo)流板的多倉室流化床生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器。數(shù)值模擬中使用軟件FLUENT 16.0對冷態(tài)條件下反應(yīng)器內(nèi)的氣固兩相流動進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算,研究了反應(yīng)器的運行效果和流態(tài)化特性。多相流模型選用歐拉雙流體模型,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-?模型,氣固相間交換系數(shù)選用Syamlal-O'Brien模型。使用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散,選擇基于壓力的分離式求解器。動量、湍流動能和湍動耗散率采用MUSCL格式,體積分?jǐn)?shù)采用QUICK格式。采用PC-SIMPLE算法對相間壓力和速度耦合。(1)研究了進(jìn)料速度對物料輸送時長的影響,結(jié)果表明:進(jìn)料速度為0.04 kg/s時反應(yīng)器內(nèi)的物料輸送時長約30 s,能夠保證顆粒充分裂解;(2)研究了開口尺寸對物料輸送時長、密相床高度變化規(guī)律的影響,結(jié)果表明:開口尺寸為5 cm時,物料輸送順暢快速,各室床高基本穩(wěn)定在0.2 m的高度;(3)研究了導(dǎo)流板仰角對物料輸送時長、內(nèi)部流場的影響,結(jié)果表明:導(dǎo)流板對開口處的顆粒有明顯引流作用,仰角為45°時最有利于顆粒依序單向流動;(4)研究了粒徑和氣速條件對顆粒流態(tài)化特性、物料輸送時長、密相床高度變化規(guī)律的影響,結(jié)果表明:粒徑為300μm、氣速為0.3 m/s時流化質(zhì)量最好,反應(yīng)器運行最穩(wěn)定。模擬優(yōu)化后確定了反應(yīng)器的最佳進(jìn)料濃度約為4.4 kg/m~3,開口尺寸為倉室高度(30 cm)的1/6,導(dǎo)流板仰角為45°,最優(yōu)物性和操作條件為顆粒粒徑300μm、流化氣速0.3 m/s。冷態(tài)實驗中設(shè)計了反應(yīng)器并搭建系統(tǒng),固相選取木屑顆粒,氣相選用空氣。(1)對比模擬與實驗中反應(yīng)器第三倉室不同高度位置的壓力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):在不同粒徑和氣速條件下,兩者數(shù)據(jù)均吻合較好。在15 cm(開口的下邊緣)以下的位置,兩者誤差在10%以內(nèi);(2)對比模擬與實驗中反應(yīng)器內(nèi)的床高變化規(guī)律發(fā)現(xiàn):兩者趨勢基本一致,數(shù)值誤差在15%以內(nèi)。實驗中床高的最終穩(wěn)定值約為23 cm(模擬值為20 cm);(3)設(shè)計顆粒分布實驗,利用三組粒徑范圍的物料來近似代替三種不同停留時間的顆粒。結(jié)果表明:連續(xù)進(jìn)料時約50%的顆粒可以進(jìn)入預(yù)期對應(yīng)的倉室。實驗驗證了模擬的正確性和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。綜合模擬與實驗的研究結(jié)果表明:多倉室流化床反應(yīng)器在保證裂解氣及時移出反應(yīng)器減少二次裂解的同時,確保固體顆粒有足夠的停留時間充分裂解。該反應(yīng)器可以實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn),通過改變進(jìn)料速度可控制物料的平均停留時間。多倉室設(shè)計可以達(dá)到物料逐級輸送的運行效果,把顆粒裂解過程人為地分為若干階段,可明顯改善物料停留時間分布,抑制顆粒返混現(xiàn)象。
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK6
【圖文】：

.3.1 燒蝕渦流反應(yīng)器美國可再生能源實驗室（NREL）開發(fā)了一套產(chǎn)量約為 36 kg/h 的燒蝕渦流器工藝[30-34]，其流程如圖 1-1[27]所示。反應(yīng)器的圓筒形壁面被加熱到 625 ℃，生物質(zhì)顆粒通過溫度約為 700 ℃、速度為 400 m/s 的過熱蒸汽或氮氣引射切線方向進(jìn)入反應(yīng)器。隨后顆粒在反應(yīng)器壁面上沿螺旋線滑行，高速運動的在離心力作用下與壁面摩擦產(chǎn)生極高的傳熱速率，受到高度燒蝕后顆粒在反壁面上留下生物油膜，隨后液膜迅速蒸發(fā)，產(chǎn)生的裂解氣離開反應(yīng)器進(jìn)入后旋風(fēng)分離器。未完全裂解的顆粒沿切線方向離開反應(yīng)器，通過循環(huán)回路與新的物料混合后開始新一輪循環(huán)。該工藝的生物油產(chǎn)率約為 67 wt%，灰分含量低至 0.01 wt%以下。獲得的液物是高度氧化的，呈深棕色和酸性（pH 為 2~3）。該工藝中對生物質(zhì)顆粒粒要求并不苛刻（約為 5 mm），反應(yīng)器底部的循環(huán)回路減少了物料損失。但由顆粒與壁面之間的接觸面積有限，導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低，此外其結(jié)構(gòu)和運行較雜，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。

蘭 Twente 大學(xué)及生物質(zhì)技術(shù)集團(tuán)（BTG）共同研制了一種旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)圖 1-2[27]所示。物料與熱沙混合后進(jìn)入反應(yīng)器底部，通過旋轉(zhuǎn)錐旋轉(zhuǎn)和摩擦力的共同作用下，混合物沿著內(nèi)外錐間隙螺旋向上運動，在此質(zhì)顆粒受熱迅速發(fā)生裂解。產(chǎn)生的裂解氣移出反應(yīng)器后進(jìn)入后續(xù)的旋與炭分離后被冷凝為液態(tài)生物油。沙子和焦炭一起被移出反應(yīng)器，其掉，沙子作為熱載體被循環(huán)返回至反應(yīng)器入口與新物料混合。通過控轉(zhuǎn)速度可控制傳熱速率，通過調(diào)節(jié)燃料量和配風(fēng)比可控制反應(yīng)器溫度內(nèi)外錐間隙大小可改變反應(yīng)器容積，從而控制氣相停留時間。工藝可得到 60 wt%的液體，25 wt%的氣體，以及 15 wt%的焦炭。該器的創(chuàng)新之處在于利用離心力將裂解得到的氣相產(chǎn)物與固體顆粒分離裂解過程中沒有用到載氣，故降低了工藝后續(xù)液態(tài)生物油收集的裝置個旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，加熱速率快，氣相停留時間短，物料輸送達(dá) 3 kg/s。但該反應(yīng)器要求顆粒粒徑較小，裂解過程能耗較高，且旋件容易故障，運行和維護(hù)較為復(fù)雜。

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1 本報記者 傅sヶ

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