生物质热解范文（精选8篇）
生物质热解 第1篇
在诸多生物质利用方法中, 生物质气化以其高效率、低成本、使用和运输方便等诸多优点越来越受到人们的关注。由于气化过程是复杂的物理和化学变化过程, 生物质原料的物理性质、形状的复杂性决定了生物质在气化过程中热传导和不完全燃烧过程的复杂多变[1]。气化过程的复杂性使得生物质气化技术的开发、后续气化设备设计和制造等存在一定的困难。为深入研究生物质气化机理, 为生产和制造生物质气化设备提供参考, 文中对我国典型生物质的气化特性进行分析研究。
1实验内容
1. 1生物质基本燃料特性分析
1. 1. 1工业分析
实验用生物质选择我国华北地区主要的农作物秸秆、木屑、杂草等为研究对象, 各种生物质工业分析的结果如表1所示。
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1. 1. 2元素分析
研究中实验物料的C、H、N、S、O含量采用元素分析仪测定。华北地区典型生物质的元素分析结果如表2所示。
1. 2热重 - 差热实验
实验前, 将样品在自然条件下风干, 然后用粉碎机粉碎。粉碎后的原料颗粒直径小于20μm。 实验所用的仪器是德国耐驰仪器制造有限公司生产的STA 499C型常压热重分析仪。
1. 3生物质气化实验
实验原料采用粉碎机粉碎成小于10mm, 在105℃ 温度下烘干2h后备用。生物质气化反应器为实验室规模的加压气化装置, 如图1所示。
实验前, 先将鼓风干燥箱中的温度设定为 ( 105 ±2) ℃, 并将物料放入其中干燥2h。实验过程中, 在气化装置达到设定的温度和压力后, 进料器开始进料。当进料相对平稳后在反应器出口处用气袋收集气体, 此时的反应参数等由计算机读取。实验考察温度在400 ~900℃对气态产物组成的影响, 以50℃为增量, 气化剂为空气, 并考察在温度不变 ( 800℃) , 压力分别为0.5MPa、0. 8MPa、1MPa和1. 7MPa时, 气态产物组成的变化规律。
2生物质气化过程动力学研究
2. 1生物质的热失重特性
2. 1. 1热重分析
采用锯末、小麦秆、棉花秆和玉米秆4种生物质进行热重分析。4种不同生物质各自的热重TG曲线和微商热重DTG曲线分别如图2、图3所示。
根据热重实验曲线与数据, 可以将生物质的热分解过程分为3个进程:
1) 第一进程主要是将生物质外的外在水分吸出, 发生在150℃前, 在此过程中, 试样均有一较大的失重过程, 并在DTG图上形成一个小的失重峰。
2) 温度达到170℃ 后开始进入第二进程, 一直持续到400℃, 此进程主要为生物质中挥发分的析出过程, 是热解气化过程失重最为强烈的进程, 也是热解过程的主要进程; 由于生物质的90% 为纤维素、半纤维素、木质素3种主要高聚物, 它们在该进程发生裂解生成气体造成试样质量损失, 因此, 与第一进程相比失重分解反应更加强烈, 表现在DTG图上为失重峰更高。
3) 第三进程, 温度超过400℃ 以后, 由于生物质试样已经失去了70% ~80%的质量, 之后是一缓慢地失重过程。这热失重过程中, 玉米秆的重量变化最小, 而锯末的重量变化则最大, 棉花秆和小麦秆居中。
2. 1. 2差热分析
为研究生物质气化过程中吸热或放热现象对原有的升温或降温速率的影响, 对锯末、小麦秆、棉花秆和玉米秆等生物质气化过程进行了综合热分析, 结果表明: 生物质失重的第一阶段即外在水分的脱除, 在100℃左右差热曲线存在较明显的吸热峰。第二阶段为150 ~240℃, 生物质中的纤维素大分子中某些葡萄糖基开始脱水; 240 ~ 400℃之间, 葡萄糖糖苷键开始断裂, 一些碳氧键和碳碳键也开始断裂, 并产生一些新的产物和低分子的挥发性化合物; 在此阶段, 木质素也开始发生分解, 形成小分子挥发性物质。在320℃左右4种生物质都有明显的分解反应。第三阶段大分子分解及小分子的聚合阶段, 接近600℃差热曲线上有吸热峰, 为结构水的脱除。
2. 2生物质气化表观动力学参数
生物质热解过程是复杂的反应过程。对其进行动力学参数计算, 需要建立动力学模型, 对热解动力学进行基本假设。假定炉内气氛对热裂解反应无影响, 且忽略温度对活化能的影响。则运用阿伦尼乌斯 ( Arrhenius) 方程, 反应速率可表示为:
式中:α—反应物质的转化率; f ( α) —反应物与反应速率的函数关系;K—阿伦尼乌斯速率常数。
式中: A—频率因子; E—反应活化能, kJ/mol; R—气体常数, T—热力学温度。
函数f ( α) 取决于反应机理, f ( α) 一般可用下式表示:
在恒定的程序升温速率下, 则:
式中: φ—升温速率; n—反应级数, 生物质热解反应通常为一级反应, 取n =1。
用积分法求动力学参数, 积分法由Doyle据下列方程式提出。将上式分离变量后积分, 得:
积分方程两边取对数并整理后得:
对于一般反应远小于1, 因此, 可以将看作常数。对作图, 得一条直线, 根据直线的斜率和截距可求得反应的活化能和频率因子[2], 结果如表3所示。
2. 3生物质气化过程机理
可以将生物质气化分为4个过程, 即: 固体燃料干燥、热分解反应、还原反应、氧化反应。但这些反应过程并不是相对独立的, 而是相互渗透, 交错分布的。物质进行反应的难易程度可以用该物质的活化能的大小表示, 活化能越大反应越容易, 反之越难。研究表明, 纤维素、半纤维素和木质素的反应活化能分别为165 ~198 kJ/mol、122 ~143kJ/mol和54 ~95kJ/mol。因此, 3种组成物质进行反应的难易程度为: 纤维素 >半纤维素 >木质素。而且失重过程也与生物质中各主要化学组分含量有关。
生物质的峰值温度与其纤维素的含量有关, 实验采用的4种试样中, 锯末的纤维素含量最高, 接近50%, 因此其木质素含量较低, 所以锯末在热重实验中, 其DTG曲线中的峰值温度最高, 而且与其它试样相比, 锯末挥发分析出所形成的失重峰温度趋于略窄。
半纤维素是一群穿插于纤维素和木质素之间, 组成结构复杂的高聚糖。多数实验者研究半纤维素的热解特性用木聚糖作为半纤维素的模化物。 一般来说, 半纤维素的化学性质与纤维素相似, 但半纤维素基本上为无定形结构, 它比纤维素更容易发生化学反应。
木质素是在生物质中含量仅次于纤维素的一种丰富且重要的大分子有机聚合物。木质素失重温度区域分布较广, 生物质的热解过程中, 木质素首先进行缓慢分解。低温时木质素的分解主要为木质素结构中支链上的脂肪类羟基断裂生成水而导致生物质热解DTG曲线在300℃时出现一个肩状峰。锯末, 棉花秆, 小麦秆, 玉米秆中木质素含量依次增大。其中玉米秆含有木质素最多, 而其纤维素含量却小于锯末。所以在挥发分析出阶段, 玉米秆首先出现失重峰, 即峰值温度最低[3,4]。
3生物质热解气化特性
3. 1温度对气化产物的影响
在保持其他条件恒定的情况下, 考察反应温度对产物气组成的影响, 实验结果如图4所示。
根据研究, 热解过程包含有许多复杂的反应。 低温时 ( <250℃) 的主要产物是CO、CO2、H2O及焦炭等; 温度升高到400℃以上时, 产物中出现焦油; 温度继续升高至700℃ 并有足够的停留时间时, 出现二次裂解反应, 焦油裂解为H2、轻烃和炭等产物。裂解的主要产物是乙烯, 温度升高有助于以上反应的发生。当温度高于800℃时, 生成的焦油大部分分解, 仅剩下难以裂解的重碳氢化合物。 所以此后焦油产率趋于稳定, 几乎不随温度的变化而变化。而焦油分解生成轻烃CnHm的产量, 也从800℃ 之前的迅速增加变化到800℃ 以后上升变化率减小并逐渐趋于稳定。
3. 2压力对气化产物的影响
在不同压力下产物气各个组成占产物气总组成的体积分数如图5所示。
当反应器内压力增加, 除CH4外烃类气体CnHm的分压也有所增加, 从而抑制了焦油受热分解形成轻质碳氢化合物。但总的CnHm含量非常少, 体积分数也很低, 所以它的变化趋势不很明显。
3. 3水蒸气加入量对气化产物的影响
在800℃、不同的MS/MB的条件下产物气各个组成占气体总组成的体积分数如图6所示。
水蒸气的含量增加, 可能促进某些焦油组分的裂解, 生成CO、CH4、H2和低级烃类小分子化合物, 使CH4和CnHm等含量呈缓慢增加的趋势。对于大部分焦油成分来说, 水蒸气在裂解过程中起到关键作用。因为它能和某些焦油成分发生反应, 生成CO、H2等气体, 既可以减少炭黑的产生, 又提高可燃气的产量[5]。
4结论
生物质气化过程是一个复杂的物理和化学变化过程。通过研究生物质特性, 可为生物质气化技术和工艺提供基础理论依据。
生物质热重实验得出: 生物质中气化过程可分为3个主要阶段, 生物质中不同化学组分在热解过程对失重的贡献大小各异。经过生物质热解特性研究, 棉花秆、小麦秆、木屑等主要热解失重规律是一个一级反应, 不同种类的生物质的活化能和频率因子不同。
生物质气化实验得出: 气化温度对生物质气化产气成分影响巨大, 在所研究的实验范围内, 随着气化温度的升高气化产气量逐渐增大, CO2、H2、 CH4以及烃类气体含量都有不同程度的增加, 尤其是可燃组分浓度增大, 改善了燃气的质量。压力对气体组成的影响复杂, 其中对CO和CO2的影响最大, 对H2、CH4和CnHm影响甚微。相对于其他气化剂, 空气 -水蒸气气化剂能使H2和CO2的体积分数明显上升。水蒸气能促进生物质气化生成的焦油进一步裂解, 生成CH4和CnHm等气体产物。
摘要：通过对玉米秆、小麦秆、棉花秆、稻草、松木屑等生物质进行热重分析和差热分析, 分析了生物质气化过程的裂解机理。研究中采用松木屑作为气化原料, 得出了气化温度、压力、水蒸气加入量等反应条件对气化产物的产率、组成成分及焦油产率的影响规律, 研究结果表明, 温度对生物质气化的影响最大, 当温度为800℃时气体的产率最高。
关键词：生物质气化,热解特性,动力学
参考文献
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垃圾热解气化 第2篇
【关键词】垃圾热解气化；重金属迁移；水蒸气气化
热解气化技术是一种新兴的垃圾处理方法。它将有机物在无氧和缺氧状态下加热，使之分解为可燃气体、可燃油和炭黑。热解气化所产生的气体、固体和水都能经过处理回收，垃圾处理后的排放量大幅度降低。垃圾热解气化是固体废物处理的一个新方向，我国的学者也在这方面展开了大量的研究。
1. 研究进展
1.1二噁英
垃圾直接焚烧易产生二噁英类物质，作为一级致癌物，还具有生殖毒性和遗传毒性。这也是垃圾焚烧调来的负面影响中最为严重的一种。2011年的“北京六里屯垃圾焚烧厂事件”凸显了垃圾焚烧对于人们生活的影响[1]。热解气化技术从二噁英的形成源头解决了这一问题。二噁英的形成需要四个基本条件：氯、氧、较低温度和催化剂存在。热解气化反应过程中的高温和缺氧条件都遏制了二噁英的生成。为避免生产过程中存在的人为操作错误以及设备故障等原因导致问题的发生，对二噁英的研究仍在开展。倪余文等[2]将研发的二噁英连续采样装置与G4型常规烟道气等速采样器同步采样，通过示范运行，考察该连续采样装置的长期采样性能。试验表明，2种采样设备同步采集的样品具有一致性，其二噁英指纹、二噁英浓度和毒性当量相符合。李煜婷等[3]研究表明垃圾烟气从出口到大气环境二噁英类气-固分配存在动态平衡。
1.2 重金属迁移的研究
热解处理对固体废弃物的资源化利用程度更高，污染小，能有效控制二噁英等有毒物质的排放。但是由于固体废弃物组分复杂，废弃物热解后产生的灰渣含有一定量的重金属等污染物，为了使采用热解处理固体废弃物的达到无害化的目的，了解热解过程中重金属的迁移特性十分必要。董隽等[4]的研究结果表明，高温及还原性条件促进了Cd、Pb及Zn的挥发，而氧化性气氛有利于Cu的迁移；大部分以气相形式挥发的重金属易在降温过程中冷凝并富集于飞灰。于洁[5]对武汉市某一流化床垃圾焚烧炉产生的底灰和飞灰的物理化学特性的研究表明，重金属主要富含在较细的底灰以及飞灰中；随着底灰粒径的增加，元素镉、铅和锌的析出率大幅增加，而铜的析出率则小幅降低，铅主要存在于残留态中，从而不易析出到自然环境中，而镉则容易析出到自然环境中；根据飞灰的重金属含量分析得出，底灰可以直接填埋并不会对环境造成大的危害，飞灰在填埋前必须进行预处理。
1.3 水蒸气气化对垃圾热解气化特性的影响
由于我国的垃圾收集政策及人们生活习惯的影响，生活垃圾中的水分含量较高，一般都能达到50%～60%，研究水分对生活垃圾热解气化的影响十分有必要。王晶博等[6]在固定床反应器中对城市生活垃圾进行原位水蒸气气化制氢研究，结果表明，快加热方式有利于提高燃气品质和降低焦油含量；随着反应温度的增加，气体产物含量增加，焦油含量和半焦含量下降，气体组分中H2和CO含量升高，碳转化率从30.49%增加到56.79%；当城市生活垃圾含水率为39.45%时，产气品质最高，气体成分中H2含量达到最高值25.8%，气体的低位热值达到17.02 MJ/m3。冯国珍[7]在医疗垃圾高温热解气化气中CaO脱除复合气源的实验中得出如下结论：实际高温蒸汽气化气成分范围（CO2含量在20%，水蒸汽含量在40～50%范围内，HCl浓度5%）条件下，各因素取值采用优化组合时，脱氯率可达到95%以上，能够满足气化气净化需求。
2.政策引导
目前人们对垃圾热处理行业有抵触心理，主要是由于它所带来的二次污染引起的。在技术上可以克服这些难题，日常的运营管理也是需要关注的。
2.1信息及时公开
对于引起公众恐慌的二噁英污染，穆乃花等[8]对广东省某生活垃圾焚烧厂周围环境空气、土壤、植物等进行二噁英监测的研究结果表明，在该区域垃圾焚烧厂并非唯一污染源；垃圾焚烧厂正常运营期间对周围土壤的二噁英含量影响较小，垃圾焚烧厂周围介质中二噁英是多方面、复杂的。垃圾热解气化工艺在源头遏制了二噁英的生成，所以二噁英不应成为垃圾热处理行业发展的禁锢。但是对于国内情况来看，信息的及时公布应加强，有调查表明国内一些省份对二噁英的监测并没有达到国家要求的至少一年一测的要求，就无法认识到当前的污染状况。不仅仅是二噁英，包括酸性气体、重金属、PM2.5的等都应具备并实施监测，及时公开。
2.2 加强垃圾分类，从源头控制
我国人口众多，垃圾产量大。以洛阳市为例，预计到2020年洛阳市人口将达到285万，日人均生活垃圾产量将达到1千克至1.2千克。照此综合计算，2020年每日将产生生活垃圾2810吨。洛阳市的垃圾分类状况为未分类，这就给后续的垃圾处理造成压力。针对我国国情，可以先实现干湿分类，减少垃圾的含水率，到垃圾综合处理中心再进行详细分类，可以循环利用的要实现循环利用。逐渐引导公众在生活中增加可重复利用物品的利用率，从生成垃圾的源头进行“减负”，每个人都应为保护生存环境做出贡献。
3. 结束语
垃圾热解气化处理有污染物排放少、产生的高热值的气体可以用来发电或者供热等优点，实现了废物处理和能源利用的双赢局面。目前我国的研究学者也展开了对其机理的研究，不断的提高技术水平，对于这一技术的推广应用也要及时开展，逐渐实现信息公开透明，使公众逐渐接受并信任垃圾热解气化。
参考文献：
[1] 钱睿， 韩建. 北京城市生活垃圾处理转型新思路—垃圾热解气化技术[J]. 环境工程， 2014， 32： 689-692.
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生物质热解液化技术研究现状 第3篇
生物质可转化为常规的固态、液态和气态燃料,是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源,同时也是唯一一种可再生碳源。同时生物质的燃烧具有CO2零排放的特点,且其SO2、NOx和灰尘排放量比化石燃料要小得多,是一种环境友好型的“绿色能源”。
我国生物质资源丰富,全国每年可生产生物质约50亿t,其中农业生产的生物质约7亿t。目前除少量生物质被用于农村家庭燃料或饲料外,绝大多数被露天焚烧、填埋,或直接丢弃在田间地头,利用率极低。因此很有必要加强对生物质利用的研究。
目前,通过生物质热解液化技术制取生物油液体燃料,是生物质利用的一种高效途径。制成的生物油可作为燃料直接在燃油锅炉和工业窑炉中燃烧使用,精制提炼后可作为汽车燃料使用,还可以分离提取高附加值的化学产品。不仅可以缓解我国特别是农村能源短缺的现状,增加农民收入,还可以减少焚烧造成的环境污染,改善生态环境,对我国可持续发展战略具有重大意义。
1 生物质热解液化技术
1.1 热解液化原理
生物质热解是指生物质在完全没有氧或缺氧的条件下热解,最终生成液态生物油、可燃气体和焦炭3个组成部分的过程,同时也是利用热能切断生物质大分子键,使之转变为小分子物质的过程[1]。生物质热解液化技术是指在450～600℃左右,103～104K/s的高加热速率和小于2s的极短气体停留时间下,将生物质直接热解,且快速冷却其产物,使中间液态产物分子在进一步断裂生成气体之前冷凝,从而得到高产量生物油的过程。其产油率高达50%～60%以上,所得油品基本上不含硫、氮和金属成分,是一种绿色燃料,且其副产物焦炭和可燃气燃烧后可为生物质热解提供热源。此生产过程在常压和中温下进行,工艺简单,成本低,装置容易小型化,产品便于运输、存储。
生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组成物组成。相对于纤维素和半纤维素而言,木质素的降解发生在一个较宽的温度区间,而纤维素和半纤维素的降解则发生在一个较窄的温度区间。孔晓英等[2]研究了这三种组成物的液化机理。
纤维素在325K时,开始降解,随着温度升高,降解加剧,到623～643K时,降解为低分子碎片,其降解过程如下:
而半纤维素结构上带有支链,比纤维素更易降解,其降解机制与纤维素相似。木质素结构比纤维素、半纤维素要复杂得多,木质素的热化学液化反应首先是烷基醚键的断裂反应。木质素大分子在高温、供氢溶剂存在下,通过自由基反应,首先断裂成低分子碎片,其基本反应如下:
木质素→2R· R··+DH2→RH+DH·
R·+MH→RH+M· R··+DH·→RH+D·
M+M→2M DH2:供氢溶剂
通过以上过程,木质素形成小分子碎片,这些碎片进一步通过侧链C—O键、C—C键及芳环C—O 键断裂形成低分子量化合物。
1.2 热解液化工艺流程
生物质热解液化的一般工艺流程包括原料的预处理、热解以及热解产物的分离与收集,其工艺流程如图1所示。
1-氧气供给设备;2-加热炉;3-喂入装置;4-旋风分离器;5-集炭箱;6-冷凝器;7-过滤器。
预处理包括干燥和粉碎。原料中的水分是生物油中水分的主要来源之一,因而干燥生物质能有效降低生物油中水分含量,一般含水量应控制在10%以下[1],从而改善生物油的粘度、pH值、稳定性和存储期。而粉碎到适合的粒度则有利于热质传递和热解产物的形成。当生物质粒径小于1mm时,影响反应的主要因素是反应动力学,因此此时粒径变化对生物油没有明显影响,所以应用时可选小于1mm的生物质作为制油原料。此外,预处理阶段还可按需要添加催化剂等,以达到生产某些特定化学品的目的。
热解的关键在于要有合适的反应温度(一般为425～525℃)、很高的加热速率、短的气体停留时间(小于2s)。同时要严格控制温度以及热解挥发分的快速冷却,只有满足这样的要求,才能获得最大生物油产率。
热解产物的分离与收集包括气相中焦炭灰分的分离和焦油的分离收集。生物质在热解过程产生的一些小颗粒的焦炭会在热解蒸汽的二次热解中起催化作用,并对生物油稳定、储存和燃烧带来很多不利影响,因此,应采用过滤设备对气相中焦炭进行分离,目前一般采用高温热解气过滤的方法。生物油的收集主要利用冷凝器快速冷凝来实现[1]。
2 生物质热解液化反应器的研究现状
在生物质热解的各种工艺中,如何选择反应器类型和加热方式是各种技术路线的关键环节,其在很大程度上决定了产物的最终分布。常用的制取生物油的反应器都具有加热速率快、热量转化率高、反应温度中等和气相停留时间极短等共同特征。
2.1 国外生物质热解液化反应器的研究现状
综合国外现有的热解液化反应器,主要可分为流化床反应器、烧蚀反应器、旋转锥反应器、涡流反应器、真空移动床反应器等,此外还有携带床反应器、循环流化床反应器、引流床反应器、传输床反应器、热辐射反应器等等。
(1)流化床反应器。
其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。其特点是设备小巧,气相停留时间很短,可以防止热解蒸汽的二次裂解[3],效率很高,并容易工业放大,但原料颗粒尺寸要求较小,增加了原料的加工成本,而且较大规模时热效率较低。
(2)烧蚀反应器。
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反应器来说较大颗粒(2～6.35mm)的生物质[3]。在烧蚀热解过程中,热量通过热反应器壁面来“融化”与其接触的处于压力下的生物质,这样,热解前锋就可通过生物质颗粒单向地向前移动。生物质被机械装置移走后,残留的油膜可以给后继的生物质提供润滑,蒸发后即成为可凝结的生物质热解蒸汽。其反应速率的影响因素有压力、反应器表面温度和生物质在换热表面的相对速率[4]等。
(3)旋转锥反应器。
其工作原理是将生物质颗粒与过量的惰性热载体一道喂入反应器的底部,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。该反应器的优点是升温速率高、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油收集系统的体积和成本。反应器结构紧凑而且有很高的固体传输能力,但整套装置能耗较高。
(4)涡流反应器。
它是典型的机械接触式反应器,生物质颗粒在高速氮气或过热蒸汽引射流作用下沿切线方向进入反应器管,并由高速离心力作用在高温反应器壁上烧蚀,从而在反应器壁上留下生物油膜,并迅速蒸发,未完全转化的生物质颗粒则通过特殊的固体循环回路循环反应。美国可再生能源实验室研制的最新涡流反应器的生物油产量能达到67%左右,但其氧含量较高[5]。
(5)真空移动床反应器。
真空移动床以溶盐为传热介质,并采用电子感应调温,容易实现严格中温控制条件下的热解,且从反应器中出来的残渣可直接与水接触进行冷却处理。其优点是热解蒸汽停留时间很短,减少了二次裂解,提高了液体产率。但反应器要有非常好的真空度,这就对真空泵和密封材料提高了要求,因此增大了制造成本和运行难度。由加拿大Laval大学开发的多层真空热解反应器是在1kPa的负压下操作的,反应原料由顶部加入,当木屑加入量为30kg/h时,液体产率约为65%[3]。
(6)携带床反应器。
由美国Georgia工学院(GIT) 开发的携带床反应器,把丙烷和空气按照化学计量比引入反应管下部的燃烧区,由高温燃烧气将生物质快速加热分解。其液体产率高达60%左右,但需要大量高温燃烧气,且产生大量低热值的不凝气体,这一缺点限制了其使用[3]。
2.2 国内生物质热解装置的研究现状
虽然我国在生物质热解液化方面的研究起步较晚,但近年来,沈阳农业大学、中国科学院广州能源研究所、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、中国科技大学等一批高校都开展了这方面的研究工作,并取得了一定的成绩。沈阳农业大学从1993年起与荷兰合作,并于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/h的旋转锥反应器生物质闪速热解装置。东北林业大学于近年获国家“863计划”、“948项目”资助,完成设计制作了加工干生物质能力分别为50kg/h、200kg/h的两代转锥式生物质闪速热解装置,其中200kg/h的装置已通过了试验阶段[4]。
近几年,我国关于热解反应器的研究受到更多的关注:任铮伟等[6]在流化床反应器内进行了生物质快速裂解制液体燃料的研究,在适当的裂解条件下液体产率可达70%;王述洋等[7]在旋转锥式生物质闪速热裂解液化装置的研究中已经取得了可喜的研究成果,目前正在进行工业示范设备研究;姚福生等[8]运用等离子体加热生物质快速热解液化装置研究了以玉米秸秆粉为原料的液化技术,用等离子体加热部分将生物质中的长分子链击碎,变成短分子结构从而得到液化;朱锡锋等[9]自主研制出自热式生物质热解液化工业小试装置,该装置的关键技术在于采用两级螺旋进料和大流量喷雾直接冷凝收集生物油。表1列举了近几年我国研究的几种主要反应器,其中流化床反应器由于运行简单,结构紧凑,适合放大而得到越来越多的重视。
3 生物质热解液化过程的影响因素
为了尽可能多地提高产物中油的比例,热解液化的关键在于要有很高的加热速率和热传导速率,严格控制温度以及热解蒸汽的快速冷却,因而影响因素对热解液化而言至关重要。
3.1 反应温度
反应温度在生物质热解中起主导作用。对大多数的生物质而言,温度在425～525℃范围内时,生物油的产量最高,同时其质量也接近最优化。有研究[10]指出在450～550℃范围内,固体产率变化不大,呈缓慢下降趋势;气体产率变化较大,呈上升趋势;而液体产率在475℃左右有一个最高值。大量试验表明,对农林废弃物等生物质而言热解温度一般控制在500℃左右。
3.2 升温速率
慢升温过程会使焦炭的产量达到最高,同时产生一定量的副产物,因而要获得高产量生物油,必须提高升温速率,缩短反应时间。
3.3 气相滞留时间
如果气相滞留时间长,则会导致二次反应的发生,如焦油裂解、焦炭与CO2、H2O等发生反应,导致液体产物产率减少,气体产物产率升高。因此为了保证油产率,应尽可能缩短二次反应时间,一般要求小于1s且快速冷却。有研究[11]表明当气相滞留期为0.80s时,生物油产率可达到最大值。
3.4 纤维原料种类
一般情况下,纤维素含量高的物质在快速热解时更易得到液体产物,因此需选择纤维素含量高的物质来制取生物油。
3.5 原料粒径
原料粒径的大小是影响升温速率的决定性因素。当生物质粒径小于1mm时,反应动力学是热解的主要影响因素,因此粒径变化对生物油没有明显影响,所以应用时可选小于1mm的生物质作为制油原料。有研究表明,木屑粒径在0.45～0.60mm范围内时生物油产率最大。
3.6 进料速率
进料速率的变化影响气相产物的停留时间。进料速率的增大使得单位时间内挥发分生成量的增加,从而气相停留时间缩短。这主要可归结为气相产物在密相区这一较高温度区域停留时间的降低,从而抑制气相生物油二次裂解成小分子气体。
3.7 灰分
生物质中灰分的存在对热解特性和产物分配都有强烈影响,灰分中含有碳酸盐等,这些化合物起催化剂的作用,硅是灰分中最主要的成分,不起催化作用,但它可改变焦炭的热化学性和多孔结构,降低生物质的反应活性。因此,脱灰可提高热解速率和液体产量,降低气体产量,同时优化焦油和炭的性质。
3.8 催化剂
催化剂能够降低生物质快速热解温度,选择合理的催化剂有利于提高生物油的产率。这主要是由于催化剂能够通过与木质生物质分子络合作用降低木质生物质的热解活化能,从而降低木质生物质的快速热解温度,这样就增加了木质生物质分子快速热解过程中的断裂部位,减少了焦炭形成的几率,提高了气相产物的产量,从而提高了生物油的产率[12]。
4 结论
由于生物质本身结构和性质非常复杂,且生物质的热解液化涉及许多物理过程与化学过程,因此现有的各种简化热解动力学模型和生物质热解液化理论研究严重滞后。因此,建立一个比较完善合理的物理、数学模型来定性、定量地描述生物质的热解液化过程,将是未来生物质热解液化技术研究的主要方向之一。同时应加强相关数值模拟方面的研究,实现大规模的工业化生产。
生物质热解液化技术的深入研究、开发和应用,不但可以缓解能源危机和环境污染,而且可以优化农村能源消费结构,实现了资源、能源和环境的高效统一,具有广泛的应用前景。
参考文献
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生物质热解利用系统的实验研究 第4篇
生物质能是唯一可以运输的可再生能源, 在能源利用中占有重要的地位。预计到21世纪中叶, 采用新技术生产的生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上[1]。我国生物质资源中每年可作燃料利用的农作物秸秆和林木废弃物折合约3.5亿t标准煤, 加上能源作物、工农业有机废料等, 我国生物质资源约5.5亿t标准煤[2]。生物质能的高效综合利用是能源利用和发展的重要方向。生物质中的农作物秸秆和林木废弃物等热解能够产生热值较高的生物质燃气, 可用于多种动力设备的发电[3]或炊事等, 同时产生具有较高利用价值的生物质炭。本文结合生物质热解炉、焦油裂解装置、燃气发电机等设备, 分析了以玉米秸秆颗粒为原料的生物质热解利用系统, 以探索农林废弃物的资源化、能源化综合利用途径。
1 实验装置
1.1 热解及利用系统主要装置
1.1.1 生物质热解炉
本实验所利用的主要生物质转化装置是自行设计的产气量为20m3/h的生物质连续热解炉。通过螺旋进料器将生物质压缩颗粒、小木块、木屑等原料送进热解炉, 根据不同生物质的热解特性提供不同的热解温度, 以产生生物质燃气和生物质炭等。热启动时利用天然气供热解所需热量, 热解气稳定产出后切换利用生物质燃气。该装置实现自动化控制, 运行稳定。该设备主要由加热器、热解炉体、螺旋进料器、热解气管道、排炭口等组成。
1.1.2 生物质焦油裂解装置
自行设计的焦油催化裂解反应器采用固定床式, 内径为60mm, 外径为200mm, 高为1 400mm, 上段装煅烧的白云石, 占固定床容积的40%, 下段装镍基催化剂, 占固定床容积的60%。镍基催化剂具有很好的催化裂解焦油特性[4]。煅烧的白云石相比镍基催化剂较便宜, 在镍基催化剂的上游, 装填煅烧的白云石能够有效地减少镍基催化剂的积碳。裂解器前后有取气孔, 中部是加热器。生物质焦油裂解装置, 如图1所示。
1.1.3 生物质燃气发电机
该生物质燃气发电机是额定功率为10kW的内燃式燃气发电机, 可满足热值在3MJ/m3以上的生物质气的发电, 发电效率可以在18%以上。该设备主要由发动机、发电机、蓄电池、冷凝循环水箱等组成。本发电系统的电力不外输, 因此配备的负载装置由可以调节功率大小的电热取暖器6台 (额定功率1.5kW) , 灯泡20只 (0.1 kW10只, 0.06 kW10只) 。
1.2 分析仪器装置
1.2.1 气相色谱分析仪
生物质热解气的产物采用 2 台GC-9800气相色谱分析。一台色谱采用 TDX-01分离柱, 氦气为载气, TCD检测器, 分离 H2, O2, N2, CO, CH4, CO2等气体组分;另一台色谱采用PQ分离柱, 氮气为载气, FID检测器, 分离CH4, C2H4, C2H6及C3+气体组分。
1.2.2 全自动元素分析仪
生物质颗粒及其颗粒炭的元素分析采用EA3000元素分析仪。该设备利用封闭式燃烧系统, 使样品在其中完全燃烧, 燃烧的产物被氦气送入色谱填充柱中得到分离, 利用TCD检测器检测的燃烧产物的浓度, 从而计算样品中的C, N, H, S, O元素的含量。
1.2.3 全自动工业分析仪
生物质颗粒及其颗粒炭的工业分析采用5E全自动工业分析仪。基于热重分析方法, 将远红外加热设备与称量电子天平相结合, 在特定的气体条件下、规定的温度和时间内对受热过程中的样品进行称重, 计算出试样的水分、灰分、挥发份等指标。
1.2.4 快速量热仪
生物质颗粒及其颗粒炭的热值采用5E快速量热仪。该设备利用恒温式外筒, 氧弹置于内筒水中, 将样品置于密闭的氧弹中, 在充分氧气的条件下燃烧, 根据燃烧后内筒中水温的上升等测出样品的弹筒热值, 结合元素分析数据计算出样品的低位热值。
1.2.5 焦油含量测试装置
焦油测量装置主要包含湿式气体流量计、取样器、分析天平、干燥箱等。将干燥箱处理好的玻璃滤膜和聚乙烯薄膜装入取样器, 结合湿式气体流量计进行焦油的捕集, 利用分析天平进行称重和比较。计算公式为
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式中 G1—取样前玻璃滤膜和聚乙烯薄膜的质量 (g) ;
G2—取样后玻璃滤膜和聚乙烯薄膜的质量 (g) ;
V0—换算至标准状态下的取样体积 (L) ;
c—焦油的浓度 (g/m3) 。
2 结果分析
2.1 原料物性分析
热解原料为玉米秸秆颗粒 (直径为8mm) , 玉米秸秆采自郑州市郊区, 用全自动元素分析仪、工业分析仪及快速量热仪分析得出物性, 如表1所示。
2.2 热解气净化及焦油裂解
热解气中含有的尘粒杂质及焦油, 是其利用的重要障碍, 因此需要净化处理。热解气被罗茨风机抽出热解炉后, 先经过旋风分离器。旋风分离器上部为圆筒形, 下部为圆锥形。含尘气体由圆筒上部的进气管沿切向进入旋风分离器。受器壁约束而旋转向下做螺旋形运动, 在惯性离心力的作用下, 尘粒被甩向器壁与气流分离, 再沿壁面落至锥底的排灰口[6]。净化后的燃气由顶部排气管排出, 并且进入焦油催化裂解系统。
焦油是生物质热解的产物, 也是生物质燃气利用的重要障碍。利用自行设计的焦油催化裂解固定床反应器进行焦油催化裂解, 在取样流量为210～240L/h, 催化裂解温度恒定在850℃的条件下分析焦油的裂解情况 (基于此前做过的相关实验, 在850℃左右焦油裂解较大, 温度升高裂解率增加不明显) 。焦油的裂解计算采取公式[7], 即
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式中 ξ—焦油裂解率 (%) ;
c1—裂解前焦油含量 (g/m3) ;
c2—裂解后焦油含量 (g/m3) ;
v1—裂解前燃气流量 (m3/h) ;
v2—裂解后燃气流量 (m3/h) 。
利用焦油含量测试装置得出裂解前生物质焦油含量为19.5g/m3, 裂解后生物质焦油含量为0.46g/m3, 裂解前的燃气流量为20.10m3/h, 裂解后的燃气流量为20.09m3/h, 焦油裂解率为97.6%。
2.3 裂解后气体成分分析
裂解后的生物质燃气用 2 台GC-9800气相色谱分析仪分析产物的组成及热值随热解温度变化, 如表2和图2所示。
由图2可以看出气体成分随热解温度的变化, 热解温度在470℃时, 生物质热解燃气的热值最高。而在380～530℃间, 热解气低位热值均在12MJ/m3以上, 最高热值达到17.52 MJ/m3, 可以满足生物质燃气内燃机发电。
2.4 燃气内燃机发电
开启内燃机发电前, 稳定热解温度在470℃左右, 运行1h使20m3的贮气柜充满, 取气柜中少量气体测 得气体低位热值为15.91MJ/m3。燃气内燃机发电效 率计算式为
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式中 Vg—单位时间内燃气内燃机消耗的生物质燃气 (m3/s) ;
η—燃气内燃机发电效率 (%) ;
LHVg—生物质燃气的低位热值 (MJ/m3) ;
Pout—单位时间内燃气内燃机的输出电功率 (kW) 。
开启燃气发电机, 运行稳定后其最大输出功率为9.5kW, 发电效率最高可达20%。其中, 气柜中消耗的气体除开启和结束时外, 其余18m3均达到了输出功率9.5 kW和发电效率20%, 整个发电过程运行平稳。
2.5 热解气副产物的分析
玉米秸秆颗粒经过热解炉后获得生物质燃气, 同时可以得到玉米秸秆颗粒炭。在热解温度为470℃左右时, 每千克玉米秸秆颗粒经过热解炉后得到热值为15MJ/m3以上的生物质燃气0.69m3, 同时产出玉米秸秆颗粒炭0.159kg。玉米秸秆颗粒炭的物性分析如表3所示。玉米秸秆热解前后的变化, 如图3所示。秸秆颗粒形状基本不变, 尺寸有所缩小。
玉米秸秆颗粒热解利用系统的能量分布可由图4所示, 产生了生物质燃气, 约占输入的玉米秸秆颗粒能量的65%, 同时产生的玉米秸秆颗粒炭约占输入能量的20%, 整个能量转化损失约占输入能量的15%。
玉米秸秆颗粒炭等生物质炭可用于制药、食品、轻工、医药、冶金、化工等领域, 也逐渐用于环保、净水、空气分离、生物工程、高能电极材料、高效催化剂载体等领域[8]。随着热解技术和生物质炭转化技术的逐步成熟, 其具有越来越广的利用前景。
3 结论
1) 产气量为20m3/h的热解炉中, 玉米秸秆颗粒在热解温度为470℃左右时, 燃气的热值最高, 达到17.52 MJ/m3。在热解温度为380～530℃, 热解气低位热值均在12.85MJ/m3以上, 完全可以满足生物质燃气内燃机发电。例如, 10kW的燃气发电机以热值为15.91MJ/m3的生物质燃气为燃料, 运行稳定后最大输出功率可达9.5kW, 发电效率可达20%。该发电系统可为农林废弃物等生物质能的利用提供比较合理的途径。
2) 以40%的煅烧白云石和60%的镍基催化剂组成的焦油裂解装置, 在催化裂解温度为850℃水平段时, 可达97%以上的焦油裂解率。煅烧的白云石能有 效地减少镍基催化剂的积碳, 为焦油在镍基催化剂中 的进一步裂解提供有益条件。
3) 除去约占15%的转化能量损失, 玉米秸秆颗粒热解利用系统可产出约占能量65%的燃气和约占能量20%的颗粒炭。燃气可用于发电, 颗粒炭可用于工农业生产或空气净化环保等。
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生物质热解液化装置的改进设计 第5篇
1 生物质热解液化装置分析
1.1 加料系统
生物质热解液化过程中,加料系统供料均匀性会给热解液化效果产生重要影响。加料系统中,螺旋加料技术因具有易于工业化、输送能力大以及结构简单等优点而被广泛应用。本文分析两级螺旋加料系统。它主要有一、二级螺杆及电极变频调速电机、贮料筒等构成,其中贮料筒通过锥形底座、铸钢外科和一级加料螺杆连接。一、二级螺杆由变频调速电机控制器、电机驱动组成。生物质物料存放在贮料筒中,并由此进入一级螺旋罐体,而后进入二级螺杆,快速进入到流化床。其中,一级螺杆的作用在于对加料进行定量,二级螺杆的作用在于快速加料。
1.2 流化床反应器
反应器是热解的关键设备,其中气相停留时间、反应温度、加热速率是重要指标。流化床反应器是一种借助液体或气体由上而下经由固体颗粒层,使得处于悬浮状态的颗粒发生液固相或气固相反应的装置。
1.3 旋风分离系统
旋风分离器是借助气固两相流体旋转运动,在离心作用下实现固体颗粒从气流中分离的设备。文中旋风分离系统中的分离器作用,在于分离出生物质热解产生的固体炭粒。实践表明,影响气固分离效率的因素非常多,如分离器尺寸、结构、固体颗粒粒径等。文中旋风分离系统运用单级旋风分离器,器尺寸、结构合理,分离效率可达95%。
1.4 冷凝系统
冷凝器包括直接式冷凝器、间接式冷凝器。其中,间接式冷凝器有板式冷凝器、盘管式冷凝器列管式冷凝器等。尤其是列管式冷凝器,安装方便,受空间高度影响小,在实际生产中具有较高利用率。冷凝过程中,裂解气产物和非冷凝性气体形成烟雾状气溶胶形态,大大增加了液体收集难度。在规模较大的反应系统中,利用与冷液体接触的方式可提高冷凝收集效果。文中分析的冷凝器主要是四级列管式冷凝器,可获得较好的冷凝效果。
2 生物质热解液化装置优化
文中生物质热解液化装置经实验验证存在一些问题,主要体现在:料仓中生物质容易出现挂壁、悬料,使得加料均匀性较差;载气的高纯氮气与生物气未经处理直接排放,不仅增加成本,而且给环境造成较大污染;生物质软化过程中温度较低,而二级加料螺杆出口端具有较高温度,会因结焦阻塞出料口。因此,应对该生物质热解液化装置进行改进设计,以避免上述不良状况的发生。
2.1 加料系统的改进
为避免生物质在料仓中出现刮料、悬料的不良现象,做出如下设计改进:在贮料筒中安装弹簧杆构件,使用一级螺杆旋转为其提供动力,通过做往复振动搅拌、扰动生物质料,避免其在贮料筒中出现悬浮架桥,确保生物料进入一级螺杆罐体的连续性。
其中,弹簧杆构件包括两个星形支架、弹簧杆。每个星形支架由紧固螺栓、一个套筒、六根星形支架杆、六个触头构成。弹簧杆上端和一级螺杆相连,上端固定在贮料筒盖。加料期间,受一级加料螺杆旋转的影响,弹簧杆向前推进。达到一定程度后,弹簧杆下端和螺杆螺纹实现分离,弹簧杆便回到原始位置。同时,为进一步提高扰动效果,设计中在弹簧杆上设计两个星形支架,以有效阻止贮料筒中的物料产生架桥,尤其是贮料筒壁被星形支架触头多次撞击,从而避免物料挂壁现象出现。
2.2 生物质热解液化工艺的改进
为降低高纯氮气使用量、载气加热冷却能耗,实现系统热量最大限度的回收,需对生物质热解液化工艺进行优化。
一方面,热解气循环设计。生物质热解液化系统中,流化床流出的载气与热解气混合气体温度在500℃左右。当对其中一部分混合气体进行处理,进而循环到回流床用作载气,在减少高纯氮气消耗的同时,可较好地降低能量消耗。生物质热解过程如图1所示,经过一次裂解后产生的物质有不可冷凝气体、一次生物油、生物炭,而后发生二次热解反应,使得部分生物油裂解为二次不可凝气体以及二次生物油。最终,生物质热解将产生生物炭、不可冷凝气体、生物油。经验证,气态产物在反应器中停留时间越长,反应器中温度越高,而二次裂解发生的越剧烈。热解气循环作为载气之前,延长其在高温条件下的停留时间,促进热解气更多的放生二次裂解,使得大分子焦油向小分子气体转化,以防止循环回流化床中粘结生物质颗粒,且增加的二次裂解产物可对热解气的二次裂解产生抑制作用,从而提高生物油的产率。
生物质气化过程中,尽量降低液体产物焦油产率。为充分利用热解气应做去焦油处理,尤其对用作载气的这部分热解气而言,可在参考生物质气化工艺中焦油去除方法。从旋风分离器中离开的热解气温度在500℃左右,尤其循环用作载气的热解气应保持较高温度。此时,可采用干法进行除焦,运用金属、陶瓷、织品过滤器将几乎干燥的可凝性焦油从热解气中清除。
另一方面,燃烧生物气实现对原料的加热。生物原料升温所需能耗占总能耗的40%,如燃烧生物气可满足该部分能耗要求。因此,对生物气进行燃烧设计用于生物质原料的加热,不仅能降低不必要的能耗,而且可避免直接向大气中排放污染大气。
另外,流化床和二级加料螺旋出口相连,具有较高温度,导致生物质原料进入流化床结焦情况的发生。针对这一问题,可在二级加料螺旋出口设计冷却水槽。
3 热解液化装置改进结果分析
一方面,对加料系统改进结果分析。首先,在加料速度方面。改进加料系统前,在相同转速条件下加料速度存在较大差别。当一级、二级转速分别为13.25r/min、300r/min,经测定加料速度分别为8.40、7.35、6.24、5.63kg/h。由此可知,加料速度均匀性较差。改进加料系统后,在加料转速相同条件下,加料速度差别较小。当一级、二级转速同样为13.25r/min、300r/min时,经测定加料速度为14.45、14.42、14.40、14.41kg/h。这表明对加料系统改进后,加料均匀性明显提升。其次,在加料均匀性方面。改进前一级加料分别为13.25、20.75、29.75、38.75r/min时,二级加料分别为300、400、500、600r/min时,不改变一级加料转速,加料速度产生较大波动;当一级加料转速达到38.75r/min时,最小、最大加料速度分别为19.54kg/h、26.40kg/h,平均加料量达23.6kg/h。改进后,在相同条件下,加料速度波动非常小。当为一级加料转速的转速为13.25r/min时,最小、最大加料量为14.87kg/h、14.61kg/h,平均加料量为14.60kg/h。改进前,加料速度出现较大波动的原因主要由悬料、挂壁引起,而改进后加料速度出现较小波动主要由误差引起,且误差满足相关规范要求。最后,在加料输送能力方面。当一级加料转速为38.75、29.75、20.75、13.25r/min时,改进后的平均加料速度较改进前有较大提高。同时,当转速、物料物性、设备尺寸未发生改变时,加料速度主要受填充系数影响,即当填充系数较大时,加料速度越大,反之则越小。由此不难发现,对装置进行改进,使得物料在螺旋内的填充度得以提高。尤其设计的弹簧杆,使得物料在贮料筒中的挂壁与架桥平衡得以破坏,相当于对螺旋输送器压缩段的有效长度得以延长,螺旋输送器中物料压实度得以提高,填充系数增加。在转速相同的条件下,改进后加料速度可达到改进前的两倍。
另一方面,对工艺改进结果分析。对改进的工艺进行分析发现,系统中可利用的热量得以很好的回收,降低了载气加热冷却能耗,尤其高纯氮的消耗量得以明显减少,降低了生产成本开支。同时,避免尾气尾气排放到空气中,对保护环境具有重要意义。此外,在二级加料螺旋出口设计冷却水槽,降低加料螺杆温度,以避免生物质物料结焦现象的发生。
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生物质热解焦油脱除方法研究进展 第6篇
生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用生成的各种有机体。目前可利用的生物质主要包括除粮食和果实外的农作物秸秆、树木、农林废弃物、农产品加工业下脚料及畜牧业生产过程中禽畜粪便和废弃物等物质[1]。生物质作为自然界中唯一的可再生碳源,也是唯一的可转化为气、炭、油的可再生资源,具有来源广泛、总量巨大、低污染与可再生等优点。据不完全统计,目前我国可利用的生物质资源总量约为700 Mt标准煤,预计2020年将达到900~1 000 Mt标准煤[2]。
目前,对于生物质的利用主要采用热化学转换法[3]。在热解、气化过程中将不可避免地产生焦油、木醋液等副产品,不仅降低了生物质资源的利用率,且过高的焦油含量还会造成设备的磨损、堵塞、腐蚀,严重的将影响设备的正常运行[4]。当前过高的焦油含量制约了生物质热解技术的商业化应用,如何有效地脱除焦油已成为当今研究的重点。
本文介绍了生物质热解焦油的特性、危害,对当前各种生物质热解焦油的脱除方法的优缺点进行了对比分析,为寻找更好的除焦方法提供了指导方向。
1 热解焦油的特性及危害
1.1 焦油的特性
生物质热解焦油的成分相当复杂。目前已确定的成分超过100种,但仍有许多成分难以确定,其中质量分数大于5%的约7种,分别是苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、萘、酚和茚[5]。对焦油的定义也未见统一的标准。吴娟等[6]将焦油定义为生物质在热解转化过程中,由芳烃及其衍生物组成的复杂有机混合物。周劲松等[7]则认为焦油是以苯的衍生物及其多环芳烃等较大的碳氢化合物组成的集合。Milne等[8]介绍了焦油的本质,即所有有机材料在热解作用下所产生的有机物。Evans等[9]采用分子束质谱检测技术将焦油产物分为一次、二次和三次产物。吴文广[10]基于GC-MS检测方法,将生物质热解焦油分为五大类:重焦油、杂环芳烃类焦油,轻芳香烃(1环)类焦油、轻多环芳烃(2~3环)类焦油、重多环芳烃(4~7环)类焦油。
生物质热解焦油是一种黑褐色的黏稠状液体,在温度高于300 ℃时以气体的形式存在[11];低于200 ℃时,焦油逐渐冷凝为液状,并且颜色随温度的降低而变浅[12]。生物质热解焦油的密度为1 560 kg/m3(15 ℃)。由于生物质的种类、含水量、反应温度、气化炉形式、加热时间、加热速率等不同,生物质热解过程中所产生的焦油成分也存在一定差异。一般在500 ℃左右产生的焦油量最多,高于或低于这一温度,焦油的产量都会减少。葛建等[13]分析了焦油馏分的闪点、燃点、密度、黏度、酸度以及焦油的热值与元素组成等理化性质。
1.2 焦油的危害
生物质在热解过程中产生的焦油在200 ℃以下逐渐冷凝成黏稠状的液体,极易与水、焦炭等结合,形成难以分离的液态混合物,附着在管道内壁上,堵塞管道,对设备造成损害。同时,焦油中还含有酚、醛、甲醇以及较高含量的多环芳烃等有毒有害物质,不仅危害人类健康,直接排放还会造成严重的环境污染[14]。
2 焦油的脱除技术分类
2.1 物理法
物理法即采用物理手段(如水洗、过滤、旋风分离、静电除焦等方法)将焦油由气相转移到冷凝相,但并未真正的脱除焦油。物理法又分为湿法与干法。
2.1.1 湿法
湿法除焦的原理是用水与燃气进行充分接触混合,将焦油捕捉脱除,其中加入适量的碱性物质可以提高酸性焦油的脱除效率。
文丘里作为除焦效果最佳的湿法洗涤器,是通过旋转喷嘴雾化分散洗涤液生成液滴、液膜或气泡,使燃气中含有的焦油与洗涤液发生碰撞拦截并被捕集分离的一种净化装置[15]。湿法除焦效率的高低主要取决于燃气与洗涤液之间的相对运动、接触面积和焦油与流体之间的相对速率。湿法除焦具有设备结构简单、经济、除焦率相对较高等优点,但存在二次污染、能量流失、资源浪费及效果不理想等不足。党玉春等[16]研究了文丘里的喉管长度、喉管直径、收缩角和扩散角等几何参数对除焦效率的影响,得到最佳的工艺参数为喉管长度70mm、喉管直径50 mm、收缩角6°、扩散角22°。Anchan等[17]在稻壳炭吸附床上结合植物油洗涤器进行除焦,除焦效率可达95.4%。
2.1.2 干法
2.1.2.1 过滤法
过滤法是将燃气通过装有具有较强吸附能力物质(如玉米芯、活性炭等)的容器,将焦油阻留在吸附材料上,从而达到脱除焦油的目的。但脱除效果不理想,常常需要与其他方法联合使用。
2.1.2.2 旋风分离法
旋风分离法是借助离心力的作用,使一定速率的焦油液滴碰撞旋风分离器壁,使焦油在重力作用下顺着壁面下移并得以分离。由于进入旋风分离器之前已经过降温处理,所以具有不同密度与黏度的焦油液滴与燃气以相同的速率进入旋风分离器时,在湍流运动中会表现出不同的离心力。离心力较大的焦油则会随着外湍流凝结在旋风分离器的内壁上,而燃气则随着内湍流流到设备外部。董玉平等[18]对水洗净化后残存的焦油进行处理,除焦效率不小于80%。付双成等[19]利用Fluent软件模拟分析了有无前置冷却降温装置对除焦效果的影响。实验结果表明,降温有助于焦油的脱除。
2.1.2.3 静电除焦法
与静电除尘类似,电捕焦器的工作原理是在金属导线与金属管(或极板)间施加高压电场,将二者之间的空气电离,燃气中吸附了负离子的杂质在电场力的作用下吸附沉淀于阳极,当沉淀的杂质的重力大于附着力时,将会自动向下从底部流出,从而达到净化除焦的目的。郭东彦等[20]在严格控制氧气体积分数(≤1.5%)的情况下进行实验,焦油的去除率高达99%。静电除焦法具有的设备能耗高、操作复杂、费用高、寿命短等缺点成为了制约其推广与应用的瓶颈。
2.1.3 干湿结合法
干湿结合法先利用旋风分离器去除热解气中的飞灰,再利用吸附法脱除其中的焦油,最后利用湿法脱除残余焦油。相比干法和湿法,干湿结合法焦油去除率显著提高,并且用水量较湿法明显减少[21]。
2.2 热化学法
热化学法是指在一定的反应条件(如温度、催化剂等)下使焦油发生热化学转化,将焦油进一步分解为更小的气体分子,提高了焦油的转化率。不仅回收了绝大部分焦油所携带的能量,避免了能量流失;也提高了焦油脱除率,消除了焦油对设备的影响与破坏,是目前广泛研究的焦油脱除方法之一。热化学法主要包括热裂解法和催化裂解法两大类。
2.2.1 高温裂解法
高温裂解法即在高温条件下使焦油发生深度裂解,生成小分子的气态化合物。郭瑞轲等[22]研究了不同预处理方式(水洗、酸洗、碱处理、微波和超声处理等)对麦秸热解起始温度和最大热解速率等的影响。实验结果表明:水洗和酸洗均可提高热解产物中挥发分的含量;碱处理能够使麦秸热解起始温度和最大热解速率向低温区域移动,并能显著降低最大热解速率;超声处理也能提高最大热解速率。吴文广等[23]通过两段式固定床反应器脱除焦油。实验结果表明,随反应温度的升高,焦油的含量降低,化合物种类也发生相应的变化。Houben[24]以苯为焦油模型时,在反应温度为900 ℃、过量空气系数为0.5的条件下,除焦效率可达到98%~99%。石海波等[25]比较了传统土窑、三段式生物质热解窑、上吸式固定床炭化炉的气化效果,结果表明传统土窑具有技术成熟、制造成本低、无地区限制等优点,但适用范围小、污染大、生产周期长、难以保证产炭质量;另两种窑炉具有生产周期短、制炭效果好等优点,但成本较高,更适用于规模化生产。
2.2.2 催化裂解法
催化裂解法是指在热解过程中加入合适的催化剂,在700~900 ℃下促使焦油更彻底地转化成小分子化合物。催化裂解法被认为是最佳的除焦方式之一[26]。目前催化剂主要分为天然催化剂与非天然(合成)催化剂两种。生物质焦油催化裂解常用催化剂见表1。
虽然催化剂的使用提高了生物质热解焦油的转化效率,但大多研究只针对焦油中的某一成分,存在一定的局限性;且催化剂在使用过程中易积碳、烧结、中毒失活,严重影响了催化剂的使用寿命及焦油脱除效率。
3 焦油脱除方法比较与评价
各种焦油处理方法的优缺点及应用前景见表2。目前,除焦方法多种多样,不同除焦方法的焦油净化效率不同,其中电捕焦法和催化裂解法的除焦效率较高,最高可达99%。
4 结语与展望
生物质热解焦油的产生制约着热解技术的发展与应用,已引起人们的重视。目前所使用的除焦方法主要包括物理法和热化学法。两种方法各有优势,但也存在不同程度的弊端。如,物理法本质上是将焦油由气相转化成液相并将其捕捉,但并未真正的脱除,存在焦油黏附设备内壁、焦油难以回收利用、设备需清洗等问题;热化学法可实现焦油的分解转化,能有效清除焦油,且催化裂解法被认为是最具发展潜力的除焦方法之一,但仍存在催化剂昂贵、易失活、适用性差等问题。
我国生物质热解特性及工艺研究进展 第7篇
近年来, 一些国内外学者研究以高温热解秸秆、木屑、树皮等生物质的方法制得生物炭、生物油以及热解气作为燃料, 替代石油以及煤。我国是一个农业和畜牧业十分丰富的国家。据统计, 2010 年全国各种秸秆产量9 亿多t, 约合5 亿多t标准煤[1,2], 而畜禽粪便的产量达45 亿t[1]; 大量的畜禽粪便严重占用和污染农田、污染水体、产生恶臭并造成生物污染。表1 为我国2010 年主要的农作物秸秆产量, 由此可见, 秸秆的主要来源分别是稻谷、玉米、小麦、杂粮及豆类。
在我国, 农作物秸秆主要作为生活燃料、饲料、肥料和工业原料。据不完全统计: 约有15. 0% 的秸秆被用来直接还田造肥; 24% 的秸秆被用作饲料;2. 3% 的秸秆被用作工业原料[6]。除此之外, 只有58. 7% 的秸秆可以作为能源使用。积极有效的利用可再生能源, 尤其是秸秆和畜禽粪便等非木质类生物质资源, 将其最大化的转化为生物质能, 逐步替代煤、石油、天然气等不可再生能源, 已经迫在眉睫。而通过秸秆热解制取生物炭是一个重要研究方向。
目前, 国内对生物质热裂解研究主要集中在生物燃气、生物油等方面, 而针对热解制生物炭的研究较少。生物炭是一种含碳量特别丰富的木炭, 它是在限氧或缺氧环境下, 通过高温裂解将木材、草、玉米秆或畜禽粪便等生物质碳化, 得到的一种固态产物, 被科学家们称为“生物炭”。很多科学家冠以生物炭“黑色黄金”的美誉。生物炭通过固定生物质中的碳, 对大气、土壤循环、陆地碳储存等都有重要影响。有学者认为, 生物炭可能是唯一的稳定性碳源, 是改变土壤碳库自然平衡、较大程度提高土壤碳库容量的技术方式[3], 也是解决CO2排放、缓解温室效应的一条重要的可行途径, 生物炭还田很有可能成为人类解决全球气候变化问题的一条重要途径[4,5]。
本文从原料的种类、热解技术、工艺过程以及影响因素四方面, 对生物质热裂解制取生物炭的国内研究现状、特点以及未来发展趋势进行梳理、分析与研究, 提出应针对不同地域、不同种类的生物质原料热裂解, 生产生物炭技术工艺进行深入研究, 为生物炭产业化提供技术支撑。
1 不同种类生物质原料的热解特性
国外早在20 世纪末就开展了对木质类生物质热解机理和热解制取焦油的研究, 近年来对玉米秸秆的热解制油的研究也逐渐增加。世界各国的科学家多年来一直在寻找理想的非木质类能源植物, 即多年生、成熟快、干物质产量高、碳和氮的固定效率高的植物。多年的研究发现, 原产于我国及东南亚国家的芒草类植物就是这类理想的能源植物。已被欧洲、美国、日本等国家引进种植, 加以研究开发和广泛利用于生物质发电、提炼“生物石油”。[6]北美和欧洲国家前几年开始种植一种名为象草 ( 又名紫狼尾草) 的速生能量植物作为燃料发电, 以替代一部分煤炭和石油。据估算, 种植一公顷的象草加工后产生的热量可替代36 桶石油。而在我国三峡库区推广种植的王草, 经热解研究发现热解制成的燃料可用于电厂发电, 具有很高的能源利用价值[7]。
国内近年来对非木质类生物质的热解研究倾向于各种农作物的秸秆[8,9,10], 对小麦秸秆、玉米秸秆、稻草、棉花秸秆的研究最为多见。于斐雪[11]等对四种农作物秸秆的热解产物得率进行了研究, 其结果表明: 当热解的温度都相同时, 棉花秸秆的热解炭得率最低, 而玉米秆、稻草、麦草的热解炭得率相近, 但稻草略大一些。冉景煜[12]等利用热重法研究了4种典型农作物生物质的热解动力学特性后发现: 由于参与实验的四种生物质的高挥发份和低固定碳, 使其热解比较彻底, 综合热解特性指数依次为: 稻壳< 玉米秆< 稻草< 玉米芯, 如图1、图2 所示。
对于畜禽粪便类非木质生物质的热解, 国内的研究还很少。现有的研究发现: 畜禽粪便的热解过程与秸秆呈现一致的规律性, 但热解过程中因为各样品化学组分的不同, 导致其TG、DTG和DSC曲线存在差异[13,14]。涂德浴[15]在研究猪、牛、羊、鸡四种畜禽粪便的工业组成和化学成分分析时发现: 四种畜禽粪便的化学成分、灰分和碱金属含量与农作物秸秆有很大的差异。尚斌[16]在其硕士研究论文中表明: 猪、牛、羊、鸡四种畜禽粪便的热解总体规律是一致的, 从室温升温至200℃ 左右, 热解进行的较为缓慢; 在200 ~ 450℃是热解反应进行最为剧烈的阶段; 温度到达500℃以后热解重新变为缓慢进行, 直至热解结束。
2 生物质热解特性研究方法
目前研究生物质热解特性的方法有很多种, 但最常用的还是动态热重法 ( TG) 和在热重法基础上使用的微分热重法 ( DTG) 。在研究过程中多将这两种方法联用, 利用TG - DTG曲线分析生物质的热解规律, 而利用热重- 差热 ( TG - DTA) 曲线分析燃烧过程中的放热量。其他的技术手段还有: 差示扫描量热法 ( DSC) , 傅立叶红外变换光谱法 ( FTIR) , 液相色谱和质谱联用 ( GC - MS) 检测技术以及扫描电镜 ( SEM) 分析技术。
胡威[17]等运用热重- 差示扫描 ( TG - DSC) 同步热分析仪对制取生物炭原料的选择及需热量分析进行了研究, 并提出将DSC曲线应用在工业热解换热器传热设计和校核中。P Fu[18]等利用热重—傅立叶红外光谱技术 ( TG - FTIR) 联用的方法对三种农业废弃物进行热重研究。王芸[19]运用GC - MS分析方法检测了松木、稻秆及纤维素、半纤维素、木质素三种组分的热解焦油产物成分及相互影响规律。谭洪[20]等利用电镜扫描对所得热解炭进行分析, SEM分析表明: 所得热解炭呈多孔结构。
3 生物质热解工艺
秸秆等生物质的热解过程需要大量的热能[21]。周新华[22]等对玉米秸秆热解规律的研究表明: 玉米秸秆的等温失重过程由脱水、保持、剧烈失重和缓慢失重四个阶段组成; 李永龄[23]在对秸秆热解的研究中也将热解失重过程分为脱水、玻璃化转变、热解主要阶段和缓慢分解过程四个阶段。而段佳[24]在研究上海地区的晚稻稻秆后, 提出秸秆的整体热解分区分为: 生物质化学组分热解分区、活化热解区和消极热解区这三个分区; 浮爱青[25]等在对小麦和玉米秸秆的热解研究中同样将热解分为三个阶段; 无独有偶, 史长东[26]对玉米等秸秆进行热解实验研究时也将热解过程分为三个阶段。由此可见, 多数研究结果表明: 秸秆的热解失重过程可分为三个阶段: 干燥预热阶段、挥发份析出阶段以及炭化阶段。如图3 所示: 第一阶段一般发生在室温~ 130℃ , 生物质内部结构重新排列, 水分大量流失; 第二个阶段发生在130 ~ 450℃之间, 质量大幅度下降, 纤维素、半纤维素、木质素等固体物质吸收大量热量而分解, 挥发份析出; 第三个阶段主要发生在450℃ 之后, 生物炭慢慢形成, 产生富炭残留物。
4 生物质热解影响因素
影响生物质热解炭的实验因素很多, 其中起主要作用的因素有: 样品的理化特性、原料粒度、热解温度、升温速率、气氛、催化剂等。这些因素会影响生物质热解过程以及制得生物炭的产量和品质。在热解反应的过程中, 由于理化特性的差异, 也会引起不同的传质传热限制, 最终导致热解反应的速率和热解特性都产生特别大的差异。
4. 1 样品粒度
样品粒度主要在传热方面对生物质热解过程产生影响。粒度大的物料要比粒度小的物料传热的能力差, 大颗粒的物料内部升温缓慢, 在低温区的热解会持续较长时间, 随着物料颗粒度的增加, 热解炭的产量也会增加。但较大的颗粒度会严重影响热传递给后期的TG分析带来严重的误差[27], 颗粒内外温差较大, 会导致严重的滞后现象, 且颗粒外层的热解产物来不及扩散, 会严重影响内部热解的进行[23], 因此, 选择合适的样品粒度对热解生物炭的得率很重要。
4. 2 热解温度
随着热解温度的升高, 秸秆炭的得炭率呈下降趋势[11]。而热解反应发生的温度越低, 生物炭的回收率越高。周新华[22]利用热重分析法对玉米秸秆在200℃、250℃、300℃、350℃ 下恒温2h进行热解实验研究, 发现恒温段所采用的温度对TG曲线的动态影响较大, 恒温在300 和350℃ 时, TG曲线在起始阶段有很明显的失重过程。杨海平[28]等人的研究也得到了相似的结论, 随着热解温度 ( 300 ~600℃ ) 的不断升高, 生物炭的得率不断的降低, 从36. 7% 降到28. 5% 。
4. 3 升温速率
升温速率的改变, 是影响生物质热解制炭过程的一个十分重要的影响因素, 升温速率越高, 产生的影响也就越大。
段佳[24]等对上海地区的晚稻稻秆及稻壳在三种升温速率 ( 10℃ /min、20℃ /min、30℃ /min) 下的研究表明: 提高升温速率有利于提高失重率。浮爱青[25]等控制升温速率在20℃ /min、40℃ /min、60℃ /min、80℃ / min对小麦和玉米秸秆进行热解实验中与段佳有相同发现: 随着升温速率的增加, 热解反应进行越剧烈, 热解的最大速率增加。
然而, 升温速率越高, 滞后现象越明显[29]。升温速率的增加使样品颗粒达到热解所需要的响应时间变短, 虽然有利于热解, 但是, 样品经历的反应时间的减少会造成反应程度的降低[23]。较高升温速率的热解炭的产量低于较低升温速率的热解炭的产量。姬登祥[30]等对水稻秸秆在升温速度为20℃ /min、40℃ / min、60℃ / min的研究也证实了这一观点, 在升温速率较低的情况下, 样品有足够的时间吸收热量, 热解的起始温度和终止温度降低; 反之样品内部存在较大的温度梯度, 致使颗粒内部存在较严重的滞后现象; 加快升温速度, 残炭的存留率呈下降趋势。
4. 4 气体介质
生物质的热解可以在空气、O2、惰性气体 ( 包括N2、He) 以及真空或加压等氛围内进行, 不同的氛围下, 对热解特性曲线以及热解炭得率的影响也不尽相同。现今的研究多在空气、氧气以及惰性气体中进行。在通入空气时热解炭的产率远远低于在惰性气体氛围下的热解炭的产率, 前者热解炭的产率仅为5% , 而后者可达到20%[31]。吕薇[32]等研究在O2氛围下玉米秸秆的热解特性, 发现: 提高O2的浓度, 热重失重率会有少许提高, 完全燃烧所需要的时间缩短, 燃尽温度降低, 解热得炭率基本不变。说明在O2氛围下的气体流量的增加对热解炭的得率无明显影响。
4. 5 催化剂
催化剂对生物质热解过程以及热解炭的得率都有很大的影响。向生物质中添加极少的无机物质能够明显的改变其热解行为。宋春财[33]等以Na2CO3为催化剂对秸秆催化热解的影响中发现, 0. 5% ( 样品质量百分比) 的Na2CO3可以降低秸秆的主要热解温度, 提高最大失重速率。许博[34]等在研究6 种无机催化剂对棉花秸秆的热解催化效果得出的结论:碱性催化剂K2CO3、KOH降低了棉花秸秆的最大质量损失率, 而KCl、Na Cl、Mg Cl2和Zn Cl2却增加了其最大损失率。姬登祥[30]等研究熔盐种类对水稻秸秆热解影响, 发现, Fe Cl2·4H2O, Cu Cl - KCl混合物 ( 其中Cu Cl占34. 0% 、KCl 66. 0% 使秸秆的最大失重率降低, 而Cu Cl使之升高。
5 讨论与展望
目前, 国内对生物炭的热解研究多以单项技术为主, 集中在秸秆等农作物废弃物上, 对此类的研究也多着重于热解产气和热解制油上, 而对于热解制取生物炭工艺的研究相对较少, 且研究的种类和地域很单一; 对不同的技术路线和工艺, 国内虽然都有一定的研究, 但其规模小又缺乏系统性, 更未见有对不同地域间的秸秆热解特性及热解生物炭工艺做出对比分析。另外, 国内对于畜禽粪便的研究主要在生产沼气、有机肥等方面, 对于利用其热解制取生物炭的研究未见报道。因此有必要针对不同地域、不同生物质种类开展热解特性研究, 深入获得生物质热解反应规律, 以期为产业化生产提供基础数据和科学依据。
利用农业生产产生的大量生物质热解制取生物炭, 具有改良土壤、代替煤燃烧及双重减碳等作用。然而, 国内对生物质热解制取生物炭还有诸多问题, 本文建议下一步从以下四个方面深入研究:
( 1) 对秸秆类生物质原料基础特性的深入研究, 以探索原料基础特性与热解制得生物炭的品质之间的内在关联。
( 2) 对秸秆类生物质热解特性的深入研究, 为热解炭工艺提供基础数据。
( 3) 对不同地域间的秸秆热解炭工艺进行优化, 以期寻求各个地域的最优热解炭工艺条件, 为研发适应我国地域特点的热解设备提供数据支撑。
( 4) 对畜禽粪便热解制炭的工艺进行研究, 扩大对生物质种类范围, 更好的利用农业生产废弃物。
摘要：我国秸秆和畜禽粪便等生物质原料的产量非常丰富, 用这些量大而来源广泛的生物质原料热解制取生物炭, 可用于燃料, 替代化石能源, 还可用作吸附剂以及土壤改良剂, 用途广泛。本文从原料的种类, 热解技术, 工艺过程, 以及影响因素等四方面, 对生物质热解特性以及制取生物炭工艺研究现状进行梳理、分析与研究。依据现阶段的研究结果, 阐明未来应在秸秆原料基础特性、秸秆热解特性、优化不同地域间的秸秆热解工艺以及畜禽粪便热解制炭等方面着手进行深入研究。
生物质热解 第8篇
关键词：旋风热解炉,气相等温流场,湍流模型,双对称入口结构,入口截面角,数值模拟
0 引言
国内外关于生物质热解气化研究及生物质气化技术的应用工艺有很多报导[1,2,3,4]，但众多的气化工艺过程仍有焦油产生。由于焦油粘度较大，其不仅会导致产气率降低，还会堵塞和腐蚀设备，严重时使系统无法正常运行。对于焦油的处理，工业上大都采用水洗法，产生的洗焦废水会造成二次污染且目前洗焦废水的生化处理工艺仍不成熟。这些问题都极大地影响了热解气体的后续利用及推广使用。
在生物质热解气化过程中，解决焦油最彻底的方法之一是利用高温将焦油热解成沸点低于常温的气体[5,6]。本文的研究对象生物质旋风热解炉[7]主要是通过高温裂解法来降低燃气中的焦油含量。运行时，气体燃料高速燃烧器产生高温厌氧烟气以高速射流的形式切向喷入生物质旋风热解室中，形成强烈的旋风涡旋，同时与给料仓送来的生物质物料迅速混合、加热并充分的热解，最后生成各种生物质气，并经排出管排出。由于此旋风热解炉是在高温下运行，且内部等温流场为强旋转和高强度湍流运动，流动规律非常的复杂，很难通过实验研究出其内部流动状况，因此，本文应用Fluent软件对生物质旋风热解炉气相等温流场进行模拟，分析各种湍流模型的适用性，及结构参数对生物质旋风热解炉气相等温流场的影响，进而为生物质旋风热解炉的结构优化设计奠定基础。
1 物理建模
1.1 旋风热解炉的基本结构
生物质旋风热解炉如图1所示，具体运行过程为:利用热解后产生的1 600℃以上的生物质气余热的一部分，加热加压空气达到800℃以上，与燃料气在高速燃烧器中进行燃烧，产生的1 600℃以上高温高速低氧烟气射入热解炉，将生物质物料充分热解。
1.2 网格划分
利用Gambit建立几何模型和网格划分。筒体直径1 800 mm，进气口尺寸250 mm×300 mm，模型以环形空间的顶盖中心为坐标原点，沿轴向为Z轴，向下为正。采用结构化网格，如图2所示，最小网格尺寸为35 mm，网格节点数为419 641，网格数为399 071。
1.3 网格无关性验证
取入口为1 600℃的不可压缩理想气体，入口速度为80 m/s，入口当量直径为272.7 mm，出口边界为Outflow。图3为采用标准k-ε模型4种网格尺寸在截面z=2 000 mm的计算数据。可以看出，网格尺寸为35 mm和网格尺寸为25 mm、20 mm的模型参数相差很小。从计算的经济角度出发，选用网格尺寸为35 mm的模型。
2 湍流模型分析
在生物质旋风热解炉内，切向速度占主导地位，它带动气体做高速旋转运动。轴向速度相对较小，但它是导致各种二次流的主要原因，不利于生物质燃气的热解。相对于轴向速度和切向速度，径向速度非常小(0～5 m·s);压降也是考查旋风热解炉工作性能的一个重要指标[8]。因此，从切向速度、轴向速度、静压力及动力压力4个不同方面来考察旋风热解炉不同湍流模型下气相等温流场状况。
图4为旋风热解炉在不同湍流模型下计算结果对比。除了DES模型以外，其他模型模拟结果趋势相同，其中RSM和RNGk-ε模型几乎重合。切向速度分布曲线呈明显的驼峰形状，速度场为典型的兰金涡[9]。轴向速度包括两部分，即外部的下行区和内部的上行区，两区的分界点处轴向速度为0[10]，说明旋风热解炉中存在两股旋流，再由切向速度分布(切向速度方向相同)可以得出上行流和下行流旋转方向相同。炉内静压力沿径向由外向内递减，靠近中心轴线处的静压最低，靠近气化炉器壁的静压最大[11]。动压在强制涡和准自由涡的分界面处最大。在强制涡区，沿气化炉半径，动压逐渐减小，并在轴线处趋于零;在准自由涡内，沿气化炉半径，动压逐渐减小。
在生物质高温旋风热解炉气相等温流场中，因切向速度分量远大于轴向和径向速度分量，且RSM模型直接求解各独立雷诺应力分量的输运方程，考虑了各向异性湍流输运的特性，因而更加适合于三维强旋流和高强度的旋风热解炉气相等温流场的计算。标准k-ε模型有较高的稳定性、经济性和计算精度，但它是基于各向同性湍流输运假设，适合高雷诺数湍流，不适合强旋流等各向异性较强的流场，因而与RSM模型相比相差较大。RNGk-ε模型与标准k-ε模型一样，也是二方程湍流模型，它更一般、更基本，可以计算低雷诺数湍流，考虑到旋转效应，模拟中选择了Swirl Dominated Flow选项，对强旋流气相流场的旋风热解炉计算精度有很好的改进效果，因而与RSM模型相比相差较小。k-ω模型中考虑了低雷诺数影响、可压缩性影响和剪切流影响，更适用于尾迹流动、混合层和射流情况，因而与RSM模型相比相差较大。DES是最精细的湍流模型，精度高，但是需要的网格数量大，要求的计算量、内存需要都非常大，由于限于设备计算能力，与RSM模型相比偏差非常大。
与RSM相比，标准k-ε模型相差最大50%,RNGk-ε模型相差最大10%,k-ω模型相差最大45%,DES模型则在整体趋势上不符。如果考虑工作效率，RNGk-ε模型也较适合于旋流占优的旋风热解炉气相等温流场模拟，但标准k-ε模型、k-ω模型和DES模型则不适合旋风热解炉气相等温流场的模拟。因此，后续模拟选用RSM湍流模型。
3 结构参数分析
与旋风分离器相似，对于常规的切向单进口旋风热解炉，在炉顶板附近，排气管外壁与筒体之间，由于径向速度与轴向速度的存在，将形成一个流动缓慢的边界层，边界层中的静压变化小于筒体中的静压变化，因此在顶板外侧沿筒体的流体在静压的作用下进入边界层内，遇到排气管的外壁面转弯向下，从其出口进入排气管，形成局部涡流，最后随中心上升气流逸出排气管[12,13]，影响生物质气体在旋风热解炉中的充分热解。因此，在旋风热解炉的结构设计中，有效避免这种短路流所造成的不利影响是优化的关键。
3.1 入口形式
为了避免短路流，采用了双对称即四进口入口结构形式。对于单进口的旋风热解炉，入口边界条件为1 600℃的不可压缩理想气体，入口速度为320m/s，入口当量直径为272.7 mm，入口雷诺数为15.671×105，出口边界条件为Outflow。双对称入口速度为80 m/s，入口雷诺数为3.918×105，其它条件不变。
(1)入口结构对短路流的影响
图5为旋风热解炉不同入口结构形式速度云图。
从图中可以看出，无论单入口，还是双对称入口，在靠近排气管外壁都存在短路流现象。由于单进口不对称，使得气流进入旋风热解炉时更加紊乱，涡核容易出现变形。采用双对称入口后，气体在旋风热解炉内为多点对称进气，使速度分布呈现明显的对称性，减小了流场内部的涡流，气体携气量减少。在相同的气体流量下，由于进口气流速度减为原来的1/4，阻力降低，流场更稳定[14]。
(2)入口结构对切向速度的影响
图6所示为x=0截面上z=1 000 mm时不同入口结构的切向速度分布。切向速度分布曲线呈明显的驼峰形状，速度场为典型的兰金涡。入口改成双对称结构后，切向速度轴对称性明显提高，而且旋涡的中心与几何模型的中心相重合;在相同的入口气量下，双对称结构流场的切向速度明显降低，且速度分布更均匀。
(3)入口结构对轴向速度的影响
图7所示为x=0截面上z=1 000 mm时不同入口结构的轴向速度分布。轴向速度构成了旋风热解炉的外层下行、内层上行的气体双层旋转流动结构，两层气流的分界点处轴向速度为0。采用双对称入口结构后，轴向速度对称性明显改善。
(4)入口结构对总压的影响
图8所示为x=0截面上z=1 000 mm时不同入口结构的总压分布。总压力沿径向由外向内递减，靠近轴线处的总压最低，靠近壁面的总压最大。在相同的流量下，双对称进口的压力损失比单进口的明显减小，这是由于采用双对称进口后，入口速度降低了3/4。改进后总压在2 000～3 000 Pa之间，非常稳定，且更加节能。
3.2 入口截面角
气体进入常规的直切式进口旋风热解炉后，必定要经过排气芯管外壁和筒体内壁之间，不可避免会存在“短路流”。如果具有一定的入口截面角，会使生物质气体在重力和惯性力的作用下直接进入芯管以下，不仅能使生物质充分热解，还能更大程度地减小芯管底部“短路流”。同时，旋风热解炉是在高温下工作，为了防止磨损，排气管不伸入旋风筒中。
(1)不同入口截面角速度云图
图9所示是不同入口截面角在x=0截面上速度云图。当进口角度为0°～15°时，在环形空间顶盖处确实存在一定的短路流，当进口角度为15°～30°时，短路流量逐渐减少，进口角度为40°～50°时，几乎没有短路流，且进口周边出现速度为零的区域。因此，气体从进气口进入旋风筒后，如果入口角度安排的适当，可减少短路流，使生物质能够在炉中充分热解。
(2)不同入口截面角对切向速度的影响
图10所示为入口风速为80 m/s时截面z=1 000 mm和z=2 000 mm处切向速度分布。不论入口是水平还是具有一定截面角，炉内切向速度均呈现典型的兰金涡结构:外旋涡边界速度为零，速度梯度较大，内涡旋中速度梯度较小，内外涡旋交界面上切向速度值最大。入口具有一定的截面角后，切向速度在数值上均有所降低，主要是由于倾斜速度一部分用来旋转，一部分用来向下流动，但切向速度仍非常大，可以保持一定的旋转速度，使生物质气充分混合。随着倾斜角度的增加，切向速度先减小后增加再减小。入口截面角为25°时的切向速度值最大。
(3)不同入口截面角对轴向速度的影响
图11所示为入口风速为80 m/s时截面z=1 000 mm和z=2 000 mm处切向速度分布。不论入口是水平还是具有一定截面角，炉内流动轴向速度沿径向可分为上行流和下行流。靠近壁面处的下降流量最能反映进入炉内的气体流量，随着深度的增加，轴向速度在减小，但是下降流量在逐渐增加，表明进入炉内的气体大部分向下流动。随着入口截面角的增加，轴向速度先减小后增加再减小，当入口截面角为45°时，轴向速度达到最大。
(4)平均停留时间
根据Rosin等人提出来的停留时间模型，可以计算出倾斜角度为25°时，气体平均停留时间为0.471 77 s;当倾斜角度为30°时，气体平均停留时间为0.493 s;当倾斜角度为40°时，气体平均停留时间为0.553 s;当倾斜角度为45°时，气体平均停留时间为0.595 s。
综上分析，取倾斜角度大于20°时，短路流量非常少。从切向速度分布来看，角度为25°～45°之间时切向速度较大，25°最大，其次是30°，相差不到10m/s,45°与最大值相差15～20 m/s，为使生物质充分混合角度取25°～30°合适。从轴向速度来看，45°时轴向速度最大，其它角度下的轴向速度相差不大。从停留时间来看，各角度差别不大。综合考虑，采用30°可以满足各种条件，因此，旋风热解炉入口采用30°的倾斜角度。
4 结论
本文对生物质旋风热解炉气相等温流场进行了数值模拟，得到的结论如下:
(1)RSM模型最适合旋风热解炉流场模拟，如果考虑计算效率，RNGk-ε模型也较适合。与RSM模型相比，RNGk-ε模型相差最大10%，标准k-ε模型和k-ω模型相差最大50%,DES模型则在整体趋势上不符。
(2)双对称入口改善了流场的轴对称性，切向速度、轴向速度及总压均有所降低;斜切入口能够极大地减小旋风热解炉内的局部涡流:倾斜角度大于25°时，短路量非常少;倾斜角度为25°时切向速率达到峰值，倾斜角度为45°时轴向速率达到峰值。