第24卷第1期佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol 24 No. 12006年01月Journal of Jiamusi University(Natural Science EditionJar2006文章編號(hào):1008-1402(20601-0046-03生物質(zhì)裂解旋轉(zhuǎn)錐式熱解液化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)研究朱聰玲12,王述洋1,李濱,張姝玉(1東北林業(yè)大學(xué)黑龍江哈爾濱15000;2佳木斯大學(xué)黑龍江佳木斯154007)摘要:近年來(lái)科技界對(duì)生物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化生物燃油技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,并且取得了很大的成就,本文就該技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備錐式熱解液化反應(yīng)器的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析,建立了力學(xué)模型,并且得出熱載體和生物質(zhì)混合顆粒的運(yùn)動(dòng)方程,利用該結(jié)論可以進(jìn)一步對(duì)旋轉(zhuǎn)錐體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞:生物質(zhì);錐式熱解液化反應(yīng)器;動(dòng)力學(xué);模型中圖分類(lèi)號(hào):X941文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言各種工業(yè)燃油鍋爐的燃料,也可通過(guò)對(duì)現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)供油系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝,直接作為各種內(nèi)燃機(jī)、引能源短缺是當(dāng)前中國(guó)所面臨的重大問(wèn)題,近擎的燃料,并且不含硫,不會(huì)造成酸雨,其它排放物年來(lái)生物質(zhì)利用技術(shù)有了很大突破,一些新技術(shù)已均在可接受的范圍內(nèi)來(lái)生產(chǎn)運(yùn)載工具用柴油對(duì)生能夠?qū)⑸镔|(zhì)經(jīng)濟(jì)快速地轉(zhuǎn)化成生物燃油(一種新物原油進(jìn)行催化和品位升級(jí)處理,可獲得高質(zhì)量的型液體燃料).生物質(zhì)液化燃油(Bio-oil,Bio-fuel汽油或柴油生物原油經(jīng)這種處理后所得到的產(chǎn)物-ol, Liquid-bio-ol)是一種以廢棄生物質(zhì),如各分別稱(chēng)為生物汽油和生物柴油,可同石化汽油和柴種廢棄農(nóng)業(yè)秸稈、廢棄木本植物、草本植物及城市油一樣直接用于汽車(chē)、拖拉機(jī)和各種內(nèi)燃機(jī)和動(dòng)力有機(jī)垃圾等)為原料,在特定的熱裂解工藝條件下,機(jī)械,是物美廉價(jià)的石化柴油、汽油的替代品經(jīng)快速分離、轉(zhuǎn)化所獲得的新型、綠色可再生的生現(xiàn)在,英國(guó)、荷蘭和加拿大等幾個(gè)國(guó)家已經(jīng)完物質(zhì)液體燃料.生物質(zhì)液化燃油能替代石油已成為成中試,加拿大已開(kāi)始向商業(yè)化的方向邁進(jìn)(產(chǎn)油當(dāng)今國(guó)際能源與環(huán)保領(lǐng)域的重大課題25噸/日),荷蘭完成的中試設(shè)備能力為200kg/h廢1國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)棄生物質(zhì),目前正在上馬一套200kg/h生物質(zhì)生產(chǎn)工廠(chǎng),英國(guó)則在研制生物燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)獍l(fā)電90年代中期開(kāi)始到現(xiàn)在,國(guó)外已經(jīng)有少量的機(jī)方面遙遙領(lǐng)先研究表明生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)換為液體燃料.英國(guó)、荷蘭、意大利、加拿大等國(guó)相繼在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生物燃油技2關(guān)鍵設(shè)備錐式熱解液化反應(yīng)器的術(shù)方面取得突破.國(guó)內(nèi)的一些高校和科研院所也已設(shè)計(jì)研究問(wèn)題開(kāi)始研制用廢棄物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化生物燃油的工藝與設(shè)備如,山東理工大學(xué)易唯明教授領(lǐng)導(dǎo)的生物質(zhì)目前,生物質(zhì)裂解液體燃料尚處于研發(fā)的初級(jí)能研發(fā)團(tuán)隊(duì),東北林業(yè)大學(xué)王述洋院長(zhǎng)組建的研發(fā)階段,尚未形成高轉(zhuǎn)化率的規(guī)?；a(chǎn)受設(shè)備裝團(tuán)隊(duì),浙江大學(xué)朱清石校長(zhǎng)領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)等都在置的限制,尤其是錐式反應(yīng)器,它的內(nèi)部涂層、錐奮力研究和發(fā)展生物質(zhì)液化燃油制造和應(yīng)用技術(shù),角、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)、角速度等眾多設(shè)計(jì)參數(shù)都并且均已取得了技術(shù)性突破生物原油可直接用作有中國(guó)煤化工常是影響產(chǎn)油率和擴(kuò)CNMHG①收稿日期:2005-11-07金項(xiàng)1:2:232然金5(號(hào)33頂項(xiàng)1(編9:310389進(jìn)國(guó)際先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)項(xiàng)目(輸號(hào)作者介:奎選澤(332龍江結(jié)杰頂人北業(yè)夫?qū)W機(jī)餐查形奇被工程學(xué)院教投,第1期朱聰玲,等:生物質(zhì)裂解旋轉(zhuǎn)錐式熱解液化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)研究大生產(chǎn)的關(guān)鍵如果用實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置或設(shè)備優(yōu)化這運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)微分方程,對(duì)深入研究錐體的結(jié)構(gòu)尺些參數(shù),又實(shí)驗(yàn)量太大、造價(jià)太高,經(jīng)濟(jì)上難以承寸設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)能夠起到關(guān)鍵的作受即使經(jīng)濟(jì)上可行,其實(shí)驗(yàn)測(cè)試也常常無(wú)法實(shí)現(xiàn),用4因?yàn)樵诟邷睾透咚俚那闆r下,普通測(cè)試儀器無(wú)法進(jìn)行測(cè)試.為解決這一技術(shù)性問(wèn)題,采取仿真實(shí)驗(yàn)3.2動(dòng)力學(xué)方程的建立來(lái)解決3.21建立空間坐標(biāo)系從分析可以看出,“產(chǎn)油率”的提高是目前生產(chǎn)建立空間直角慣性坐標(biāo)系(Ox0y)作為大關(guān)鍵難題錐式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)內(nèi)部涂層、地坐標(biāo)坐標(biāo)原點(diǎn)O建立在旋轉(zhuǎn)錐體圓形錐底的旋轉(zhuǎn)的角速度以及物料的顆粒大小和其他的參數(shù)圓心上,Z0與錐體軸線(xiàn)重合建立空間直角非慣性對(duì)“產(chǎn)油率”都有極大的影響,而這些參數(shù)的優(yōu)化,坐標(biāo)系(Oxy)隨錐體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),(A)是該坐標(biāo)通過(guò)真實(shí)實(shí)驗(yàn)是無(wú)法獲得的只有利用虛擬仿真技系的基矢量,熱載體顆?？梢宰鰹橘|(zhì)點(diǎn)建立其空術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)這對(duì)深人研究與更廣泛地推廣應(yīng)用間柱坐標(biāo)系(p6)作為連體坐標(biāo)則正交的單位生物質(zhì)液化燃油具有重要意義矢量(eeae)組成連體坐標(biāo)基,矢徑r用于推導(dǎo)計(jì)通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)錐式快速裂解液化反應(yīng)器的仿真研算,其關(guān)系表達(dá)式如下究,能夠方便的獲得該機(jī)構(gòu)在整個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能,以及各種受力情況,結(jié)合歷遍計(jì)算機(jī)優(yōu)化方法,可以對(duì)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化cosei sin aj進(jìn)行虛擬仿真,其結(jié)果形象和直觀(guān),便于理解和優(yōu)ea = sindi cosB化可以較好的解決轉(zhuǎn)錐式快速裂解液化反應(yīng)器的3.22建立模型建模、控制錐內(nèi)熱載體的運(yùn)動(dòng),控制生物質(zhì)在錐內(nèi)該機(jī)構(gòu)由喉管原理的氣力裝置和旋風(fēng)分離器的滯留時(shí)間,也可以為再次開(kāi)發(fā)較大型的快速裂解的作用下進(jìn)行熱載體的循環(huán),錐式熱解液化反應(yīng)器反應(yīng)器提供較好的設(shè)計(jì)手段,以便進(jìn)行擴(kuò)大再生即是主反應(yīng)器,該反應(yīng)器有內(nèi)外錐體,進(jìn)料系統(tǒng),分產(chǎn)1以往的仿真試驗(yàn)表明利用該技術(shù)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)離器接口保溫裝置動(dòng)力輸入軸等組成對(duì)該機(jī)構(gòu)品形象直觀(guān)結(jié)構(gòu)合理精度較高,可以節(jié)約大量進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化以抓住主要矛盾進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,的真實(shí)試驗(yàn)研究費(fèi)用,并且可以縮短設(shè)計(jì)周期,降所建立的簡(jiǎn)化模型如圖1所示低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本,是適用、方便的最優(yōu)設(shè)計(jì)手段歲妮人3錐式熱解液化反應(yīng)器設(shè)計(jì)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題3.1錐式熱解液化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)關(guān)系錐體的各種設(shè)計(jì)參數(shù)與轉(zhuǎn)錐內(nèi)的熱載體的動(dòng)圖1旋轉(zhuǎn)錐體模型圖力學(xué)問(wèn)題密切相關(guān),適當(dāng)控制熱載體在轉(zhuǎn)錐內(nèi)的運(yùn)3.23動(dòng)力學(xué)微分方程的建立動(dòng)時(shí)間,即可以防止生物質(zhì)過(guò)熱碳化,又可以增加中國(guó)煤化衛(wèi)圖2,圖中其他細(xì)實(shí)氣體的生成比例,是錐式熱解液化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的難線(xiàn)CNMHG作用線(xiàn)其中重力G點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù),如何得到轉(zhuǎn)錐內(nèi)熱載體相對(duì)于錐體=mgm取體料生切組成的混合顆粒),摩的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就成為當(dāng)前的一個(gè)必須解決的問(wèn)題利擦力F=N,N為正壓力顆粒的牽連慣性力為用動(dòng)力學(xué)的分析和計(jì)算可以得到熱載體顆粒相對(duì)F,科氏慣性力為F由該機(jī)構(gòu)的整體動(dòng)能和48佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2006年功等動(dòng)力學(xué)分析可以得到下列關(guān)系式β-摩擦力和水平面的夾角4結(jié)論分析1)N的數(shù)值與F有較大關(guān)系,這個(gè)數(shù)值由轉(zhuǎn)錐的p和a決定,其數(shù)值越大錐體的正壓力越大,粒子獲得的能量越多,運(yùn)動(dòng)的越快2)由Z坐標(biāo)的有關(guān)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)微分方程,通過(guò)數(shù)值分析和計(jì)算得到粒子在旋轉(zhuǎn)錐體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)F時(shí)間,對(duì)該數(shù)值加以限制,獲得熱載體在錐體內(nèi)的最佳運(yùn)動(dòng)時(shí)間控制的條件,如錐體的角度選擇,內(nèi)部涂層材料的選擇,錐體的高度數(shù)值等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)3)對(duì)上述動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)一步求解,可以得到圖2熱載體真實(shí)受力分析粒子在錐體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡F.=-mamw(xi yj)4)對(duì)所建立的簡(jiǎn)化模型和粒子運(yùn)動(dòng)微分方程F.=20xv進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,可以模擬實(shí)驗(yàn),進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助號(hào)m(F+號(hào)m(+mG)-號(hào)m(mP+設(shè)計(jì),得到轉(zhuǎn)錐的物理樣機(jī)并進(jìn)行仿真結(jié)論的比較分析修正物理模型w(Po tana2(0)2-|mdr參考文獻(xiàn):r=√p2+2[1]王述洋,譚文英生物質(zhì)液化燃油的工業(yè)適用性及安全性探pdp zdz= rdr討[門(mén)].林業(yè)勞動(dòng)安全,2001,14(3):15-17v=(p)2+(0)2+(z)2[2]李濱,王述洋,譚文英轉(zhuǎn)錐式閃速熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的安全性Sina NsinB-mg = mz設(shè)計(jì)理論研究[J].林業(yè)勞動(dòng)安全,2002,15(2):26-273]朱俊生中國(guó)新能源和可再生能源發(fā)展?fàn)顩r[J]可再生能源p= Po stana2003,(2):30-32上述表達(dá)式中的部分參數(shù)的意義如下[4]曾忠生物質(zhì)熱解液化實(shí)驗(yàn)研究[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào),200,20顆粒初始相對(duì)錐體壁運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度(2):215-217a-錐體壁和垂直方向的夾角[5]鄭建榮 ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門(mén)與提[M].北京機(jī)械工p-錐底的半徑;業(yè)出版社,2002:5-120.Study and Design on BIo-FUEL-oiL Flash Pyrolysis Rotating Cone ReactorZHU COWANG Shu-Yang, L Bin, ZHANG Shu-Yu'(1. Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; 2. Jiam University, Jiamus 154007, China)Abstract: In recent years, the technology of Bio-fuel-oil conversion has been studied widely, and consider-able achievement has been gained. In this paper, the important equipment, rotating cone fast pyrolysis reator, hasbeen analyzed deeply. Mechanical model and dynamical equation have been established, with which we could analyzeand optimize design resultsbiomass; rotating cone fast pyrolysis reator;TYHa國(guó)煤化工NMHG