第31卷,總第179期節(jié)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)熱裂解過程的節(jié)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(zhǎng)春130062;2.中國(guó)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、氮含量低,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(duì)國(guó)內(nèi)生物質(zhì)熱裂解節(jié)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(jié)能;優(yōu)化中圖分類號(hào):TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào):1002-6339(2013)03-0239-04The Energy -saving and Optimization of Biomass Pyrolysis ProcessWANG Xiao-ying, WANG Yu-guang, LIU Ying, GU Xin-chun(1. Food engineering branch of Jilin Industry and commerce college, Chang Chun 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 promising future. The article simply introduced the process of pyrolysis and research review onth technolo-hent direction of energy-saving and optimization of biomass pyrolysis process were put towan evelop.gy, 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(fèi)。0引言目前生物質(zhì)秸稈資源利用已成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者生物質(zhì)是一切有生命的,可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)研究的焦點(diǎn),生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)已被認(rèn)為是最的通稱,是一種分布于世界各地的普遍的年年再具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)能技術(shù)之一,這一技術(shù)存在的生的無限產(chǎn)品。秸稈是生物質(zhì)的一種,是潔凈的問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,它的開發(fā)利用越來越受到人們的關(guān)注。因此,高效、綜合地提高熱裂解過程中的熱能利用我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)生物質(zhì)資源十分豐富每年農(nóng)作率,是生物質(zhì)熱裂解中急待解決的難題之物秸稈產(chǎn)量達(dá)7億多噸,其中大部分被廢棄燃燒,不1生物質(zhì)熱裂解過程收稿日期2013-10-23修訂稿日期2012-12-23生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)是在無氧或者缺氧的條作者簡(jiǎn)介:王曉英(92-),女,副教授,研究方向?yàn)槭称贩治?、件?以103=14/的加熱讀率將生物質(zhì)加熱至食品檢驗(yàn)。450~600℃C中國(guó)煤化工、異化和小分CNMHG子聚合等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),生成小分子氣體(生物分布,從中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)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)。“瓶頸”的一種方法。夾點(diǎn)技術(shù)以整個(gè)系統(tǒng)為出發(fā)因?yàn)楣滔嘣跓崃呀鉅t停留時(shí)間較長(zhǎng),二次、三次甚至點(diǎn),同以前只著眼于局部,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(shè)備或車間的改造的節(jié)能技術(shù)相比,節(jié)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(jì)效益要顯著得多。應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)可以方便十分苛刻,要求嚴(yán)格控制加熱速率、反應(yīng)溫度以及固地找出換熱網(wǎng)絡(luò)中不合理的用能設(shè)備,對(duì)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(dǎo),使能量達(dá)到最大回收6。夾點(diǎn)分析在生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化工藝中,生物質(zhì)熱裂解技術(shù)是時(shí),將物流數(shù)據(jù)輸入到夾點(diǎn)分析軟件 Aspen Energy最具發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)之一。該技術(shù)能以連續(xù)的 Analyzer中進(jìn)行處理,得到組合曲線夾點(diǎn)圖。從圖工藝和工廠化的生產(chǎn)方式將以農(nóng)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(zhuǎn)化為高品質(zhì)的易儲(chǔ)存易運(yùn)輸能量密度度、最小傳熱溫差等參數(shù),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。生物油能問題。不僅可直接用于現(xiàn)有鍋爐和燃?xì)馔钙降仍O(shè)備的燃胡愛娟等利用夾點(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(yīng)特性,預(yù)質(zhì)接近于柴油或汽油等常規(guī)動(dòng)力燃料的品質(zhì)。相比測(cè)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(guī)的化石燃料,生物油因其所含的硫氮等有害解過程的能量?jī)?yōu)化分析提供了基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)。成分極其微小,可視為21世紀(jì)的綠色燃料。同時(shí)生物質(zhì)熱裂解是一個(gè)吸熱過程,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(yīng)器內(nèi)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的研究得見圖14。出,生物質(zhì)快速熱裂解所需的能量?jī)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(zhuǎn)化技術(shù)主要產(chǎn)物加工技術(shù)二次產(chǎn)物773K過程的升溫和熱裂解所需的總熱量為化學(xué)品558kJ/kg8; Dynamotive公司在流化床小試裝置上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熱裂解一液體甲醇乙醇熱量為2.5M”。生物質(zhì)快速熱裂解一般得到燃燒氣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(xiàn)生物質(zhì)的自熱式熱裂解,達(dá)到節(jié)能的目的。2生物質(zhì)熱裂解的節(jié)能與優(yōu)化研究圖2為自熱式生物質(zhì)熱裂解工藝流程。裂解爐出來的煙氣在空氣預(yù)熱器中與冷空氣換熱,冷空氣近年來,由于能源逐漸匱乏,環(huán)境污染日趨嚴(yán)被加熱后送人裂解爐,空氣預(yù)熱器中排出的煙氣,經(jīng)重,節(jié)能減排越來越受到人們的重視。因此,工業(yè)的煙氣冷卻器冷卻至150℃以下后,送入地槽對(duì)物料節(jié)能降耗具有重要的經(jīng)濟(jì)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,降低人們紛紛從各種途徑尋找降低生產(chǎn)過程能耗的辦氧的含量,避免氫原子與氧原子結(jié)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(yīng)用解爐出來的裂解產(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(tǒng)工程相結(jié)合,對(duì)工程系統(tǒng)的能量進(jìn)行優(yōu)化配置提塵器分離,夾帶炭粉的燃?xì)馑突亓呀鉅t以調(diào)整裂解高系統(tǒng)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(guó)學(xué)者 Linhof于20世紀(jì)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(jié)前人研究基礎(chǔ)之上提出的,并逐漸發(fā)展成人油水分離器,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(shè)計(jì)法。該技術(shù)是以熱力學(xué)為重油經(jīng)冷卻后得到重沖產(chǎn)品基礎(chǔ),從宏觀角度分析過程系統(tǒng)中能量流沿溫度的中國(guó)煤化工CNMHG裂解爐旋風(fēng)分離器精餾洗滌塔冷凝器煙氣冷卻器氣預(yù)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ig 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?xì)饧訜?不需要任何化石燃料;流程。熱量被充分利用,可通過調(diào)節(jié)裂解溫度,調(diào)整所產(chǎn)生燃?xì)獾谋嚷?一方面滿足生產(chǎn)過程用熱,方面使裝式反應(yīng)哥風(fēng)分離圓位很冷圈-[熱交換器置的產(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,該工藝流程能髙效、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?xì)怏w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2),該工藝結(jié)合了自熱式裝置對(duì)生物質(zhì)熱裂解氣液化冷凝技術(shù)進(jìn)行了深入研生物質(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(yīng)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?xì)庾鳛榱呀鉅t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(duì)噴冷凝塔使得從旋風(fēng)分離器分離出來的熱裂時(shí)對(duì)原料進(jìn)行預(yù)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(dá)到節(jié)能目的。目前,該2s內(nèi)迅速冷凝成生物油。這種直接接觸式工藝已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,沒有間接換熱熱阻,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(jié)能效果明顯等特點(diǎn)。流程。廢氣排放燃?xì)馍镔|(zhì)生物油物料干燥空氣脫出熱裂解爐旋風(fēng)除塵洗滌冷凝生物油循環(huán)圖4下吸式移動(dòng)床生物質(zhì)閃速熱裂解工藝流程Fig 4 Biomass nash pyrolysis moving bed process3結(jié)束語點(diǎn)。生物質(zhì)熱裂解過程依靠自身產(chǎn)生的熱量進(jìn)行供熱,沒有外界能量的輸入,真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減前,世界各國(guó)都在對(duì)可再生能源進(jìn)行研究,生排。隨著技術(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。中國(guó)煤化工CNMHG參考文獻(xiàn)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)比較不同傾角對(duì)熱管傳熱性能的影響,可以得出,當(dāng)能也不同。可以做如下解釋:當(dāng)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(duì)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33%的復(fù)合中空熱管的總傳熱系數(shù)隨時(shí)傳熱性能其次,傾角為60°時(shí)的傳熱性能最差。著管外冷卻水雷諾數(shù)的增大,呈現(xiàn)先變大后減小再這可能是因?yàn)閮A角較小時(shí),蒸汽流動(dòng)不會(huì)太順暢使增大的變化趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí),復(fù)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(dǎo)致傳的外管側(cè)先通冷卻水,內(nèi)管內(nèi)側(cè)后通蒸汽加熱,此時(shí)熱系數(shù)減小;另外傾角越小,液膜所受重力在熱管軸熱管內(nèi)部的工質(zhì)在真空狀態(tài)下,吸收加熱蒸汽熱源線方向上的分力越小,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(shù)減小,同時(shí)傾角越小,蒸汽對(duì)液膜的剪切力也會(huì)減側(cè)的冷卻水冷卻冷凝放出熱量熱管內(nèi)部的給熱系小,導(dǎo)致液膜的厚度變大傳熱系數(shù)也會(huì)降低;綜合數(shù)高,加上熱管外管側(cè)冷卻水雷諾數(shù)的增大,管外給比較不同傾角對(duì)熱管傳熱性能的影響,可以得出,當(dāng)熱系數(shù)也不斷變大,故總傳熱系數(shù)迅速變大;但是隨傾角為90°時(shí),傳熱性能最優(yōu)著管內(nèi)蒸汽的集聚,蒸汽流動(dòng)阻力變大,蒸汽的流動(dòng)速度慢慢下降,導(dǎo)致熱管內(nèi)的給熱系數(shù)減小,故總傳3結(jié)論熱系數(shù)也下降;但是隨著熱管外管側(cè)冷卻水雷諾數(shù)對(duì)于充液比為33%,工質(zhì)為純水和乙醇的復(fù)合的不斷增大,管外給熱系數(shù)也不斷增加,使熱管總傳中空熱管傾角對(duì)其傳熱性能有影響,其中當(dāng)傾角為熱系數(shù)又有所增加。90°時(shí),熱管的傳熱性能最佳。22無水乙醇工質(zhì)下傾角對(duì)復(fù)合中空熱管傳熱性參考文獻(xiàn)能的影響[]陳礪我國(guó)高速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)所面臨的能源現(xiàn)狀及問題[J].西部資源,2012(3):098-101[2 ZHUANG Lin, DU Ming-zhao, Hu ai-ping, et al. 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