国内外生物质热解液化装置的研发进展_王黎明

文章编号:0254-0096(2006)11-1180-05

国内外生物质热解液化装置的研发进展

收稿日期:2005-10-08

基金项目:863国家高技术研究发展计划(2001AA514060);948

项目(2001-28)

王黎明1,2

,王述洋

1

(11东北林业大学,哈尔滨150040;21黑龙江八一农垦大学,大庆163309)

摘 要:生物质热解技术是最具有发展潜力的生物质能技术之一。而对其热解装置的研究又是热解技术研究的核心内容。该文针对国内外生物质热解液化装置的研发现状进行了较全面地介绍并提出了存在的问题及可能的解决方案,对发展我国的生物质液化技术有指导意义。关键词:生物质;热解装置;研发进展中图分类号:TK6 文献标识码:A

0 前 言

生物质快速热裂解制取生物油是目前世界上生物质能研究开发的前沿技术。许多国家都制定了相

应的开发研究计划。日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国能源农场和巴西的酒精能源计划等发展计划。其他诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国,多年来一直在进行各自的研究计划与开发,并形成了各具特色的生物质能源与开发体系,拥有各自的技术优势。本文针对国内外生物质热解液化装置的研发现状进行了较全面地介绍,并提出了存在的问题及可能的解决方案。

1 生物质热解液化技术简介

生物质热裂解是生物质在完全缺氧的条件下热裂解为液体生物油、可燃气体和固体生物质炭3个组成部分的过程。控制热裂解的条件(反应温度、升温速率)可以得到不同的热裂解产品。

热裂解液化的一般工艺流程包括物料的干燥、

粉碎、热裂解、产物炭和灰的分离、气态生物油的冷却和生物油的收集。

在生物质热裂解的各种工艺中,不同研究者采用了多种不同的试验装置,然而在所有热裂解系统中,反应器都是其主要设备,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。综合国外现有的反应器,主要可分为流化床、烧蚀反应器、携带床反应器、

旋转锥、真空移动床。

2 国外生物质热解液化装置的研发

211 流化床(F luid Bed)

这种反应器的工作原理是利用反应器底部的常规沸腾床内物料燃烧获得的热量加热砂子,加热的砂子随着高温燃烧的气体向上进入反应器与生物质混合并传递热量给生物质。生物质获得热量后发生热裂解反应。这一装置的优点之一是设备小巧。它的另一优点表现在很短的气相停留时间,可以防止热解蒸汽的二次裂解。

随着流化床工艺日渐成熟,一些公司选择了流化床作为进一步的发展,其中:Union Fenosa,在西班

牙有200kg P h 的控制设备[16]

(如图1);Dynamotive,在加拿大有一个基于RTI 设计的50kg P h 的设备[16]

(图2);Wellman,在英国建有一个250kg P h 的设备

[15]

(图

3)。循环流体床和传送床反应器已经发展到商业状

态,美国一些工厂使用它们生产食物调味料和相关的产品,生产量达到1~2t P h 。图4显示了650kg P h 的设备,是由Ensyn 提供给意大利E NEL 的。212 烧蚀反应器(Ablative Pyrolysis Reactor)

烧蚀反应器是快速热解研究最深入的方法之一,它能够热解相对于其他的反应器来说较大颗粒的生物质。关于烧蚀反应器的很多开拓工作是由NREL 和Nancy 的CNRS 完成的,其中NREL 是在涡旋反应器(见图5)里完成的。最近,Aston(阿斯顿)大学对其进行了进一步的发展,其反应器系统第二种方案见图6。

第27卷 第11期

2006年11月

太 阳 能 学 报

ACTA ENER GIAE SOLARIS SINICA

Vol 127,No 111

Nov.,2006

图1 Union Fenosa,200kg P h 快速热解控制厂Fig 11 200kg P h fast pyrolysis plant at Union

Fenosa

图2 Dynamotive,加拿大,50kg P h 流体床快速热解设备

Fi g 12 Dynamotive,Canada,50kg P h fluid

bed fast pyrolysis

unit

图3 在Wellman 的250kg P h 示范工厂Fig 13 250kg P h pilot plant at Wellman

213 携带床反应器(Entrained Flow Reactor)

美国Georgia 工学院(GI T)开发的携带床反应器(Entrained flow reactor),以丙烷和空气按照化学计量比引入反应管下部的燃烧区,高温燃烧气将生物质快速加热分解。当进料量为15kg P h,反应温度745e 时,可得到58%的液体产物,但需要大量高温燃烧气,且产生大量低热值的不凝气是该装置的缺点,这

一缺点限制了其使用。

图4 Ensyn 提供给在意大利的E NEL 650kg P h 设备Fig 14 650kg P h unit at E NEL,Italy,supplied by Ensyn

图5 NREL,美国,20kg P h 烧蚀快速热解设备

Fi g 15 NREL,USA,20kg P h ablative vortex

fast pyrolysis uni t

图6 英国Aston(阿斯顿)大学的5kg P h 烧蚀反应器

Fig 16 5kg P h ablative reactor at Aston University,UK

214 旋转锥(Rotating Cone Reactor)

旋转锥反应器(在Twente 的大学发明的,由B TG 发展的)是一个最新的研制成果。生物质颗粒与过量的惰性热载体(砂子)一道喂入反应器转锥的底部,当生物质颗粒和热载体构成的混合物沿着炽热的锥壁螺旋向上传送时,生物质与热载体充分混合并快速热解。该反应器的特点是升温速率高、固相滞留期短。整个反应过程不需要载气体,从而减少了随后的生物燃油收集系统地体积和成本,反应器

11期王黎明等:国内外生物质热解液化装置的研发进展1181

结构紧凑而且有很高的固体传输能力。但整套装置

存在着能耗高的问题。图7[15]

显示了200kg P h B TG

设备图片。

图7 B TG,荷兰,200kg P h 旋转锥快速热解设备Fig 17 B TG,Holland,200kg P h rotating cone pilot plant

215 真空移动床(Vacuum Moving Bed)

注册商标为Pyrocycling 的工艺研究是Christian Roy 博士和他的研究小组最初在de Sherbrooke 大学,之后在Laval 大学开展的。1996年,Pyrosystems 工程公司成立,负责这项工艺的放大。Pyrocyling 工艺正在被Pyrovac 国际公司投入商业化运行。2000年在Jonquiere 合资建立规模为315t P h 的示范工厂(如图8所示

[15]

)

。

图8 315t P h 的Jonquiere 示范工厂Fig 18 315t P h pilot plant at Jonquiere

加拿大Laval 大学开发的多层真空热解磨反应器则是在1kPa 的负压下操作的,反应原料由顶部加

入,床顶层温度为200e ,底层温度400e ,由于热解蒸汽停留时间很短,大大减少了二次裂解,当木屑加入量为30kg P h 时,液体产率为65%。其缺点是需要大功率的真空泵,价格高、能耗大,放大困难。

3 国内生物质热解装置的研发情况

我国在这方面的研究起步较晚。近年来,沈阳

农业大学、中国科学院广州能源研究所、清华大学热

能工程系、浙江大学热能工程研究所、哈尔滨工业大

学动力工程系、华东理工大学能源化工系、河南农业大学机电工程学院、中国科学院化工冶金研究所、东北林业大学机电工程学院、山东理工大学、大连理工大学等单位在生物热裂解方面都开展了研究工作。沈阳农业大学从1993年起与荷兰合作,并与1995年从荷兰吞特大学生物质能技术集团引进一套生物质喂入率为50kg P h 的旋转锥反应器生物质闪速热解液化中试设备[14]

(详见表1[3]

)。东北林业大学于近年获国家/863计划0、/948项目0资助,完成设计制作了加工干生物质能力分别为50kg P h 、200kg P h 的两代转锥式生物质闪速热解装置。其中200kg P h 的装置已通过了小试阶段。装置如图9、10所示。

4 五种反应器特性评价

通过对几种反应器的研发现状进行分析比较,

总结出了每种反应器的主要特性(如表2[15]

),从表格中能清楚地看出每个反应器较理想的特性和有待改进的特性。

图9 东北林业大学第一代旋转锥快速热解设备Fig 19 Northeast Forestry Universi ty,first generation

图10 东北林业大学第二代旋转锥快速热解设备Fi g 110 Northeast Forestry University,second generati onrotating

cone fas t pyrolysis unitrotating cone fast pyrolysis unit

1182 太 阳 能 学 报27卷

表1 国内生物质液化技术的研发状况

Table 1 The progress on research and exploitage of

pyrolysis technology of biomass in domestic

反应器类型

主持研发机构

规模或尺寸

文献发表时间

旋转锥沈阳农业大学50kg P h 1997

上海理工大学10k P h 2002东北林业大学200kg P h 2005

热分解器清华大学2001回转窑浙江大学415L P 次2000固定床浙江大学D75mm L200m m 1999热解釜浙江农业大学1997平行反应管河南农业大学1995流化床哈尔滨工业大学内径32mm 高600mm 1997流化床浙江大学5kg P h 流化床沈阳农业大学1kg P h 2000流化床中科院广州能源所5kg P h 2001流化床上海理工大学5kg P h 2001流化床华东理工大学5kg P h 2002流化床浙江大学2002流化床山东理工大学50kg P h 20035 存在的问题及建议

虽然欧美等发达国家在生物质快速裂解的工业

化方面研究较多,但生物质快速热解液化理论研究始

终严重滞后,在很大程度上制约了该技术水平的提高与发展。在生物质热解机理研究方面,目前国内外对其主要组分纤维素的热解模型已进行了较深入的研究,并取得许多研究成果。但对其他主要组分半纤维素和木质素热解模型的研究还十分欠缺,对其过程机理还缺乏深入的认识,现有的各种简化热解动力学模型还远未能全面描述热解过程中各种产物的生成,离指导工程实际应用还有相当的距离。这是由于生物质本身的组成、结构和性质非常复杂,而生物质的快速热解更是一个异常复杂的反应过程,涉及许多的物理与化学过程及其相互影响。因此,建立一个比较完善和合理的物理、数学模型来定性、定量地描述生物质的快速热解过程,将是未来热解液化机理研究的主要目标。生物质热解液化在工艺以及产品、应用等方面也存在一些尚待解决的问题[3,7]

。

1)生物油生产成本偏高,难于推广。

2)多数装备在实验、示范生产阶段,没有实现工业化。

表2 生产生物燃油快速热解反应器特性评价

Table 2 Character remark of flash pyrolysis and liquefaction

reactor

3)生物油是高含氧量碳氢化合物,在物理、化学性质上存在不稳定因素,长时间储存会发生相分离、沉淀等现象,并具有腐蚀性,由于其物理、化学性质

的不稳定性,不能直接用于现有的动力设备,必须经过改性和精制后才可使用。

4)生物油制品的生产、使用还缺乏统一标准。

针对上述存在的问题,还需要开展深入的相关研究,包括研制新型大规模热解装置,探索热解工艺特性,优化过程控制因素,提高装置热解效率和生物油质量,降低生物油生产成本,完善生物油成分和物理特性的测定方法,制定统一的规范和标准,扩大生物油应用范围,开发出适合我国使用,并具有较大经

济效益的工业化实用装置。

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THE PROGRESS ON RESEARCH AND EXPLOITAGE OF PYROLYSIS EQUIPMENTS OF BIOMASS IN DO MESTIC AND ABROAD

Wang Liming1,2,Wang Shuyang1

(1.Northeast Fore stry U ni versity,Harbin150040,China;2.)

Abstract:Biomass-pyrolysis is a course that biomass is pyrolysed into liquid bio-oil,flammable gas and biomass char.Bio-mass-pyrolysis as one of the most potential biomass-energy technologies has been considered.The pyrolysis equipment is the key pyrolysis technology.The research status of biomass-pyrolysis equipments in domestic and abroad was introduced and the existing problems and the possible solution were given.

Keywords:biomass;pyrolysis equipments;research and exploitage;progress

联系人E-mail:dljdxy@https://www.360docs.net/doc/e713696883.html,

1184太阳能学报27卷