生物質(zhì)熱裂解過(guò)程的節能與優(yōu)化

第31卷,總第179期《節能技術(shù)》Vol 31 Sum. No. 1792013年5月,第3期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMay.2013,No.3生物質(zhì)熱裂解過(guò)程的節能與優(yōu)化王曉英,王宇光2,劉穎2,谷新春1.吉林工商學(xué)院食品工程分院,吉林長(cháng)春1300622.中國化學(xué)賽鼎寧波工程有限公司,浙江寧波315040)摘要:生物質(zhì)秸稈是一種潔凈的新能源,具有硫、氦含量低,環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。生物質(zhì)熱裂解是一種很有前景的生物質(zhì)高效利用方式。本文簡(jiǎn)要介紹了生物質(zhì)熱裂解過(guò)程,介紹了夾點(diǎn)技術(shù)、自熱式熱裂解以及移動(dòng)床閃速熱裂解的研究進(jìn)展情況,并對國內生物質(zhì)熱裂解節能與優(yōu)化的發(fā)展方向提出了建議。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);熱裂解;夾點(diǎn);節能;優(yōu)化中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1002-6339(2013)03-0239-04The Energy -saving and Optimization of Biomass Pyrolysis ProcessWANG Xiao-ying, WANG Yu-guang, LIU Ying, GU Xin-chun2(1. Food engineering branch of Jilin Industry and commerce college, ChangChun 130062, China2. China National Chemical Second Design Institute Ningbo Engineering Co, Ltd, Ningbo 315040, China)Abstract: Biomass straw is a type of new clean energy. It has some advantages, such as low levels of sulfur and nitrogen, minor environmental pollution, etc. Biomass pyrolysis is a use pattems which has prorsing future. The article simply introduced the process of pyrolysis and research review on pinch technolo-ment direction of energy-saving and optimization of biomass pyrolysis process were put forward velopgy, pyrolysis thermal cycle process and flash pyrolysis moving bed process. Some suggestions on deKey words: biomass; pyrolysis; pinch-piont; energy-saving; optimization僅污染環(huán)境,而且由于熱效率低造成能源的浪費。0引言目前生物質(zhì)秸稈資源利用已成為國內外眾多學(xué)者生物質(zhì)是一切有生命的,可以生長(cháng)的有機物質(zhì)研究的焦點(diǎn),生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)已被認為是最的通稱(chēng),是一種分布于世界各地的、普遍的年年再具發(fā)展潛力的生物質(zhì)能技術(shù)之一,這一技術(shù)存在的生的無(wú)限產(chǎn)品l。秸稈是生物質(zhì)的一種,是潔凈的問(wèn)題是快速裂解的條件較難控制熱能利用率較低可再生能源,它的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到人們的關(guān)注。因此高效、綜合地提高熱裂解過(guò)程中的熱能利用我國作為農業(yè)大國生物質(zhì)資源十分豐富每年農作率,是生物質(zhì)熱裂解中急待解決的難題之一2。物秸稈產(chǎn)量達7億多噸,其中大部分被廢棄燃燒,不1生物質(zhì)熱裂解過(guò)程收稿日期2013-10-23修訂稿日期2012-12-23生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)是在無(wú)氧或者缺氧的條作者簡(jiǎn)介:王曉英(1962-),女,副教授,研究方向為食品分析、件下,以103~104℃/s的加熱速率將生物質(zhì)加熱至食品檢驗。450~600℃,使生物質(zhì)發(fā)生分子鍵斷裂異化和小分239子聚合等復雜的化學(xué)反應,生成小分子氣體(生物分布,從中發(fā)現系統用能的“瓶頸”所在,并給以解氣)可凝性揮發(fā)組分(生物油)及固體產(chǎn)物(焦炭)?！捌款i”的一種方法。夾點(diǎn)技術(shù)以整個(gè)系統為出發(fā)因為固相在熱裂解爐停留時(shí)間較長(cháng),二次、三次甚至點(diǎn),同以前只著(zhù)眼于局部,只考慮某幾股熱流的回多次裂解不可避免,產(chǎn)生小分子氣體的量就越多,液收某個(gè)設備或車(chē)間的改造的節能技術(shù)相比,節能效體的量就越少。所以生物質(zhì)熱裂解液化工藝條件果和經(jīng)濟效益要顯著(zhù)得多。應用夾點(diǎn)技術(shù)可以方便十分苛刻,要求嚴格控制加熱速率反應溫度以及固地找出換熱網(wǎng)絡(luò )中不合理的用能設備,對優(yōu)化換熱相停留時(shí)間和氣相滯留時(shí)間3。網(wǎng)絡(luò )提供指導,使能量達到最大回收。夾點(diǎn)分析在生物質(zhì)的轉化工藝中,生物質(zhì)熱裂解技術(shù)是時(shí),將物流數據輸入到夾點(diǎn)分析軟件 Aspen Energy最具發(fā)展潛力的前沿技術(shù)之一。該技術(shù)能以連續的 Analyzer中進(jìn)行處理,得到組合曲線(xiàn)夾點(diǎn)圖。從圖工藝和工廠(chǎng)化的生產(chǎn)方式將以農作物秸稈為主的低中得到冷公用工程用量熱公用工程用量、夾點(diǎn)溫品位能源轉化為高品質(zhì)的易儲存、易運輸能量密度度最小傳熱溫差等參數,從圖中找出換熱網(wǎng)絡(luò )的用高且使用方便的代用液體燃料——生物油。生物油能問(wèn)題。不僅可直接用于現有鍋爐和燃氣透平等設備的燃胡愛(ài)娟等利用夾點(diǎn)技術(shù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法,研燒,而且可以通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)加工,使液體燃料的品究糠醛渣(玉米芯和植物纖維)熱裂解反應特性,預質(zhì)接近于柴油或汽油等常規動(dòng)力燃料的品質(zhì)。相比測生物質(zhì)熱裂解的產(chǎn)品分布和產(chǎn)量,為生物質(zhì)熱裂于常規的化石燃料,生物油因其所含的硫氮等有害解過(guò)程的能量?jì)?yōu)化分析提供了基礎性研究數據成分極其微小,可視為21世紀的綠色燃料。同時(shí)生物質(zhì)熱裂解是一個(gè)吸熱過(guò)程,需要源源不斷熱裂解產(chǎn)生的副產(chǎn)品還有同樣具有商業(yè)價(jià)值的中熱地向反應器內提供熱量。不同的研究表明,生物質(zhì)值的燃燒氣和炭。生物質(zhì)熱裂解加工及其產(chǎn)品熱裂解所需的熱量是比較少的,如NREL的研究得見(jiàn)圖14出,生物質(zhì)快速熱裂解所需的能量?jì)H為230kJ/kg何芳等利用同步熱分析儀確定小麥秸稈從303K到轉化技術(shù)主要產(chǎn)物加工技術(shù)二次產(chǎn)物773K過(guò)程的升溫和熱裂解所需的總熱量為化學(xué)品5s8kJ/kg;, Dynamotive公司在流化床小試裝置上改良汽油餾分的能量衡算表明,生產(chǎn)1kg生物油所需提供的全部透平液甲醇乙醇熱量為2.5MJ9。生物質(zhì)快速熱裂解一般得到燃燒氣電力50%~70%(wt)的生物油,其余產(chǎn)物為焦炭和燃燒合成氨氣,每kg生物質(zhì)熱裂解得到的焦炭和燃燒氣的總能量大于其熱裂解所需要的熱量,這表明完全可以利圖1生物質(zhì)熱裂解加工及其產(chǎn)品用熱裂解副產(chǎn)物來(lái)為生物質(zhì)熱裂解提供能量,從而Fig 1 Biomass pyrolysis processing and its products實(shí)現生物質(zhì)的自熱式熱裂解),達到節能的目的圖2為自熱式生物質(zhì)熱裂解工藝流程。裂解爐2生物質(zhì)熱裂解的節能與優(yōu)化研究出來(lái)的煙氣在空氣預熱器中與冷空氣換熱,冷空氣近年來(lái),由于能源逐漸匱乏,環(huán)境污染日趨嚴被加熱后送人裂解爐,空氣預熱器中排出的煙氣,經(jīng)重,節能減排越來(lái)越受到人們的重視。因此,工業(yè)的煙氣冷卻器冷卻至150℃以下后,送入地槽對物料節能降耗具有重要的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。目前,進(jìn)行干燥,同時(shí)將物料間隙中的空氣置換出來(lái),降低人們紛紛從各種途徑尋找降低生產(chǎn)過(guò)程能耗的辦氧的含量,避免氫原子與氧原子結合生成水。從裂法,并取得了很好的效果。夾點(diǎn)技術(shù)就是目前應用解爐出來(lái)的裂解產(chǎn)物在旋風(fēng)分離器中進(jìn)行氣固分最廣泛的熱集成技術(shù)之一,它是將熱力學(xué)原理和系離,炭粉送至炭粉冷卻器,冷卻后的炭粉進(jìn)入炭粉除統工程相結合,對工程系統的能量進(jìn)行優(yōu)化配置,提塵器分離,夾帶炭粉的燃氣送回裂解爐以調整裂解高系統的能量利用率從而降低能耗。爐用熱。從旋風(fēng)分離器中分離出的氣態(tài)生物質(zhì)送精夾點(diǎn)技術(shù)是英國學(xué)者 Linhof于20世紀70年餾洗滌塔洗滌,塔頂排出的氣體經(jīng)冷凝器冷凝后進(jìn)代在總結前人研究基礎之上提出的,并逐漸發(fā)展成入油水分離器,分離出輕質(zhì)油。精餾洗滌塔塔底的為一整套換熱網(wǎng)絡(luò )的設計法。該技術(shù)是以熱力學(xué)為重油經(jīng)冷卻后得到重油產(chǎn)品?；A,從宏觀(guān)角度分析過(guò)程系統中能量流沿溫度的240生物質(zhì)[]→升→一解旋風(fēng)分離器精餾洗滌塔煙氣冷卻器氣預熱器炭粉冷卻器冷卻器油水分離器空氣炭粉除塵器重油輕質(zhì)油圖2自熱式生物質(zhì)熱裂解工藝流程Fig 2 Biomass pyrolysis thermal cycle process自熱式生物質(zhì)熱裂解工藝的主要特點(diǎn)是熱裂圖3為ZRS200型錐式生物質(zhì)閃速熱裂解工藝解爐用自身產(chǎn)生的燃氣加熱,不需要任何化石燃料;流程。熱量被充分利用,可通過(guò)調節裂解溫度,調整所產(chǎn)生燃氣的比率,一方面滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程用熱,一方面使裝生物錐式反應器一旋風(fēng)分離姆根冷覆母+[熱交換器]轡置的產(chǎn)油率最高;整個(gè)裝置不排放任何污染物洗滌塔底流出的含渣高沸點(diǎn)產(chǎn)物量少,且可作為鍋爐燃生物油循環(huán)料油使用。因此,該工藝流程能高效、綜合地提高熱圖3ZRS200型錐式生物質(zhì)閃速熱裂解工藝流程裂解過(guò)程中的熱能利用率,從而降低生產(chǎn)成本,提高Fig 3 Biomass flash pyrolysis ZRS200Cone type process炭、可冷凝氣體和可燃氣體或生物質(zhì)燃料的產(chǎn)出率和質(zhì)量。青島科技大學(xué)丁赤民等研發(fā)了下吸式移動(dòng)床生李濱等利用ZRS200型錐式生物質(zhì)閃速熱裂解物質(zhì)秸稈閃速熱裂解工藝12),該工藝結合了自熱式裝置對生物質(zhì)熱裂解氣液化冷凝技術(shù)進(jìn)行了深人研生物質(zhì)熱裂解工藝和ZRS200型錐式生物質(zhì)閃速熱究該裝置由喂人、反應器和收集三個(gè)主要部分組裂解工藝特點(diǎn)采用裂解產(chǎn)生的燃氣作為裂解爐熱成,熱裂解溫度600℃。熱裂解氣的冷凝采用直混源,燃燒后的氣體用于脫除生物質(zhì)原料中的空氣,同式對噴冷凝塔使得從旋風(fēng)分離器分離出來(lái)的熱裂時(shí)對原料進(jìn)行預熱;部分生物油循環(huán),直接用于裂解解氣體,在冷凝塔中與冷的生物油直接接觸,并在氣的洗滌,提高熱利用率,達到節能目的。目前,該1-2s內迅速冷凝成生物油。這種直接接觸式工藝已實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)。換熱設備具有結構簡(jiǎn)單,沒(méi)有間接換熱熱阻,傳熱效圖4為下吸式移動(dòng)床生物質(zhì)閃速熱裂解工藝率高,節能效果明顯等特點(diǎn)。流程。廢氣排放燃氣生物質(zhì)物料干燥空氣脫出熱裂解爐-數風(fēng)全]一[冷門(mén)牛生物油循環(huán)圖4下吸式移動(dòng)床生物質(zhì)閃速熱裂解工藝流程ig. 4 Biomass flash pyrolysis moving bed process3結束語(yǔ)點(diǎn)1。生物質(zhì)熱裂解過(guò)程依靠自身產(chǎn)生的熱量進(jìn)行供熱,沒(méi)有外界能量的輸入,真正實(shí)現了節能減目前,世界各國都在對可再生能源進(jìn)行研究,生排。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步和秸稈清潔能源成本的降物質(zhì)秸稈作為一種潔凈能源,其利用時(shí)SO2、NO2等低,我們深信,清潔秸稈能源的利用具有美好的危害氣體排放量極小,而且具有CO2零排放的優(yōu)前景。參考文獻the viscosity of pyrolysis oils during storage. 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Additives to lower and stabilize I, 2005(10): 34(上接第222頁(yè))比較不同傾角對熱管傳熱性能的影響可以得出,當能也不同?？梢宰鋈缦陆忉?當傾角為90°,即熱管傾角為90°時(shí),傳熱性能最優(yōu)。從圖2還可分析,對豎直放置時(shí),熱管的傳熱性能較好,而傾角為75于充液比為3%的復合中空熱管的總傳熱系數隨時(shí)傳熱性能其次,傾角為60時(shí)的傳熱性能最差。著(zhù)管外冷卻水雷諾數的增大,呈現先變大后減小再這可能是因為傾角較小時(shí)蒸汽流動(dòng)不會(huì )太順暢,使增大的變化趨勢。在實(shí)驗剛開(kāi)始時(shí)復合真空熱管得較多的蒸汽層粘在壁面會(huì )造成熱阻的增大導致傳的外管側先通冷卻水,內管內側后通蒸汽加熱,此時(shí)熱系數減小;另外傾角越小,液膜所受重力在熱管軸熱管內部的工質(zhì)在真空狀態(tài)下吸收加熱蒸汽熱源線(xiàn)方向上的分力越小,使得液膜厚度增加,總傳熱系的熱量,迅速啟動(dòng),蒸汽流動(dòng)速度快,蒸汽被外管外數減小,同時(shí)傾角越小,蒸汽對液膜的剪切力也會(huì )減側的冷卻水冷卻冷凝放出熱量,熱管內部的給熱系小,導致液膜的厚度變大,傳熱系數也會(huì )降低;綜合數高加上熱管外管側冷卻水雷諾數的增大,管外給比較不同傾角對熱管傳熱性能的影響,可以得出,當熱系數也不斷變大,故總傳熱系數迅速變大;但是隨傾角為90°時(shí),傳熱性能最優(yōu)。著(zhù)管內蒸汽的集聚,蒸汽流動(dòng)阻力變大,蒸汽的流動(dòng)3結論速度慢慢下降,導致熱管內的給熱系數減小,故總傳熱系數也下降;但是隨著(zhù)熱管外管側冷卻水雷諾數對于充液比為33%,工質(zhì)為純水和乙醇的復合的不斷增大,管外給熱系數也不斷增加,使熱管總傳中空熱管,傾角對其傳熱性能有影響,其中當傾角為熱系數又有所增加。909時(shí),熱管的傳熱性能最佳。22無(wú)水乙醇工質(zhì)下傾角對復合中空熱管傳熱性參考文獻能的影響[]陳礪我國高速增長(cháng)的經(jīng)濟社會(huì )所面臨的能源現狀及問(wèn)題[J].西部資源,2012(3):098-101[2 ZHUANG Lin, DU Ming-zhao, Hu ai-ping, et al. 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