多仓室流化床生物质热裂解反应器的流态化特性研究

发布时间：2020-06-16 02:43

【摘要】：生物质热裂解技术是通过生物质能源制取生物油的主要途径,关键环节是热裂解反应器的设计,故开发更加优异的反应器结构对生物质能源的有效利用具有重要意义。本文在流化床反应器的基础上,设计了一种内部设有开口和导流板的多仓室流化床生物质热裂解反应器。数值模拟中使用软件FLUENT 16.0对冷态条件下反应器内的气固两相流动进行非稳态计算,研究了反应器的运行效果和流态化特性。多相流模型选用欧拉双流体模型,湍流模型采用标准k-?模型,气固相间交换系数选用Syamlal-O'Brien模型。使用有限体积法对控制方程进行离散,选择基于压力的分离式求解器。动量、湍流动能和湍动耗散率采用MUSCL格式,体积分数采用QUICK格式。采用PC-SIMPLE算法对相间压力和速度耦合。(1)研究了进料速度对物料输送时长的影响,结果表明:进料速度为0.04 kg/s时反应器内的物料输送时长约30 s,能够保证颗粒充分裂解;(2)研究了开口尺寸对物料输送时长、密相床高度变化规律的影响,结果表明:开口尺寸为5 cm时,物料输送顺畅快速,各室床高基本稳定在0.2 m的高度;(3)研究了导流板仰角对物料输送时长、内部流场的影响,结果表明:导流板对开口处的颗粒有明显引流作用,仰角为45°时最有利于颗粒依序单向流动;(4)研究了粒径和气速条件对颗粒流态化特性、物料输送时长、密相床高度变化规律的影响,结果表明:粒径为300μm、气速为0.3 m/s时流化质量最好,反应器运行最稳定。模拟优化后确定了反应器的最佳进料浓度约为4.4 kg/m~3,开口尺寸为仓室高度(30 cm)的1/6,导流板仰角为45°,最优物性和操作条件为颗粒粒径300μm、流化气速0.3 m/s。冷态实验中设计了反应器并搭建系统,固相选取木屑颗粒,气相选用空气。(1)对比模拟与实验中反应器第三仓室不同高度位置的压力数据发现:在不同粒径和气速条件下,两者数据均吻合较好。在15 cm(开口的下边缘)以下的位置,两者误差在10%以内;(2)对比模拟与实验中反应器内的床高变化规律发现:两者趋势基本一致,数值误差在15%以内。实验中床高的最终稳定值约为23 cm(模拟值为20 cm);(3)设计颗粒分布实验,利用三组粒径范围的物料来近似代替三种不同停留时间的颗粒。结果表明:连续进料时约50%的颗粒可以进入预期对应的仓室。实验验证了模拟的正确性和反应器结构设计的合理性。综合模拟与实验的研究结果表明:多仓室流化床反应器在保证裂解气及时移出反应器减少二次裂解的同时,确保固体颗粒有足够的停留时间充分裂解。该反应器可以实现连续化生产,通过改变进料速度可控制物料的平均停留时间。多仓室设计可以达到物料逐级输送的运行效果,把颗粒裂解过程人为地分为若干阶段,可明显改善物料停留时间分布,抑制颗粒返混现象。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK6
【图文】：

工艺流程图,烧蚀,工艺流程图,反应器

.3.1 烧蚀涡流反应器美国可再生能源实验室（NREL）开发了一套产量约为 36 kg/h 的烧蚀涡流器工艺[30-34]，其流程如图 1-1[27]所示。反应器的圆筒形壁面被加热到 625 ℃，生物质颗粒通过温度约为 700 ℃、速度为 400 m/s 的过热蒸汽或氮气引射切线方向进入反应器。随后颗粒在反应器壁面上沿螺旋线滑行，高速运动的在离心力作用下与壁面摩擦产生极高的传热速率，受到高度烧蚀后颗粒在反壁面上留下生物油膜，随后液膜迅速蒸发，产生的裂解气离开反应器进入后旋风分离器。未完全裂解的颗粒沿切线方向离开反应器，通过循环回路与新的物料混合后开始新一轮循环。该工艺的生物油产率约为 67 wt%，灰分含量低至 0.01 wt%以下。获得的液物是高度氧化的，呈深棕色和酸性（pH 为 2~3）。该工艺中对生物质颗粒粒要求并不苛刻（约为 5 mm），反应器底部的循环回路减少了物料损失。但由颗粒与壁面之间的接触面积有限，导致生产效率较低，此外其结构和运行较杂，不利于大规模生产。

旋转锥反应器,结构示意图

兰 Twente 大学及生物质技术集团（BTG）共同研制了一种旋转锥反应图 1-2[27]所示。物料与热沙混合后进入反应器底部，通过旋转锥旋转和摩擦力的共同作用下，混合物沿着内外锥间隙螺旋向上运动，在此质颗粒受热迅速发生裂解。产生的裂解气移出反应器后进入后续的旋与炭分离后被冷凝为液态生物油。沙子和焦炭一起被移出反应器，其掉，沙子作为热载体被循环返回至反应器入口与新物料混合。通过控转速度可控制传热速率，通过调节燃料量和配风比可控制反应器温度内外锥间隙大小可改变反应器容积，从而控制气相停留时间。工艺可得到 60 wt%的液体，25 wt%的气体，以及 15 wt%的焦炭。该器的创新之处在于利用离心力将裂解得到的气相产物与固体颗粒分离裂解过程中没有用到载气，故降低了工艺后续液态生物油收集的装置个旋转锥反应器结构紧凑，加热速率快，气相停留时间短，物料输送达 3 kg/s。但该反应器要求颗粒粒径较小，裂解过程能耗较高，且旋件容易故障，运行和维护较为复杂。

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