生物质热裂解过程的节能与优化

第31卷,总第179期节能技术》Vol 31 Sum. No. 1792013年5月,第3期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMay.2013,No.3生物质热裂解过程的节能与优化王晓英,王宇光2,刘颖2,谷新春(1.吉林工商学院食品工程分院,吉林长春130062;2.中国化学賽鼎宁波工程有限公司,浙江宁波315040)摘要:生物质秸秆是一种洁净的新能源,具有硫、氮含量低,环境污染小等优点。生物质热裂解是一种很有前景的生物质高效利用方式。本文简要介绍了生物质热裂解过程,介绍了夹点技术、自热式热裂解以及移动床闪速热裂解的研究进展情况,并对国内生物质热裂解节能与优化的发展方向提出了建议。关键词:生物质;热裂解;夹点;节能;优化中图分类号:TK6文献标识码A文章编号: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仅污染环境,而且由于热效率低造成能源的浪费。0引言目前生物质秸秆资源利用已成为国内外众多学者生物质是一切有生命的,可以生长的有机物质研究的焦点,生物质热裂解液化技术已被认为是最的通称,是一种分布于世界各地的普遍的年年再具发展潜力的生物质能技术之一,这一技术存在的生的无限产品。秸秆是生物质的一种,是洁净的问题是快速裂解的条件较难控制热能利用率较低,可再生能源,它的开发利用越来越受到人们的关注。因此,高效、综合地提高热裂解过程中的热能利用我国作为农业大国生物质资源十分丰富每年农作率,是生物质热裂解中急待解决的难题之物秸秆产量达7亿多吨,其中大部分被废弃燃烧,不1生物质热裂解过程收稿日期2013-10-23修订稿日期2012-12-23生物质热裂解液化技术是在无氧或者缺氧的条作者简介:王晓英(92-),女,副教授,研究方向为食品分析、件下,以103=14/的加热读率将生物质加热至食品检验。450~600℃C中国煤化工、异化和小分CNMHG子聚合等复杂的化学反应,生成小分子气体(生物分布,从中发现系统用能的“瓶颈”所在,并给以解气)可凝性挥发组分(生物油)及固体产物(焦炭)。“瓶颈”的一种方法。夹点技术以整个系统为出发因为固相在热裂解炉停留时间较长,二次、三次甚至点,同以前只着眼于局部,只考虑某几股热流的回多次裂解不可避免,产生小分子气体的量就越多,液收某个设备或车间的改造的节能技术相比,节能效体的量就越少。所以,生物质热裂解液化工艺条件果和经济效益要显著得多。应用夹点技术可以方便十分苛刻,要求严格控制加热速率、反应温度以及固地找出换热网络中不合理的用能设备,对优化换热相停留时间和气相滞留时间3。网络提供指导,使能量达到最大回收6。夹点分析在生物质的转化工艺中,生物质热裂解技术是时,将物流数据输入到夹点分析软件 Aspen Energy最具发展潜力的前沿技术之一。该技术能以连续的 Analyzer中进行处理,得到组合曲线夹点图。从图工艺和工厂化的生产方式将以农作物秸秆为主的低中得到冷公用工程用量、热公用工程用量、夹点温品位能源转化为高品质的易储存易运输能量密度度、最小传热温差等参数,从图中找出换热网络的用高且使用方便的代用液体燃料——生物油。生物油能问题。不仅可直接用于现有锅炉和燃气透平等设备的燃胡爱娟等利用夹点技术的人工神经网络法,研烧,而且可以通过进一步改进加工,使液体燃料的品究糠醛渣(玉米芯和植物纤维)热裂解反应特性,预质接近于柴油或汽油等常规动力燃料的品质。相比测生物质热裂解的产品分布和产量,为生物质热裂于常规的化石燃料,生物油因其所含的硫氮等有害解过程的能量优化分析提供了基础性研究数据。成分极其微小,可视为21世纪的绿色燃料。同时生物质热裂解是一个吸热过程,需要源源不断热裂解产生的副产品还有同样具有商业价值的中热地向反应器内提供热量。不同的研究表明,生物质值的燃烧气和炭。生物质热裂解加工及其产品热裂解所需的热量是比较少的,如NREL的研究得见图14。出,生物质快速热裂解所需的能量仅为230kJ/kg;何芳等利用同步热分析仪确定小麦秸秆从303K到转化技术主要产物加工技术二次产物773K过程的升温和热裂解所需的总热量为化学品558kJ/kg8; Dynamotive公司在流化床小试装置上汽油馏分的能量衡算表明,生产1kg生物油所需提供的全部透平热裂解一液体甲醇乙醇热量为2.5M”。生物质快速热裂解一般得到燃烧气50%-70%(wt)的生物油,其余产物为焦炭和燃烧合成氨气每kg生物质热裂解得到的焦炭和燃烧气的总能量大于其热裂解所需要的热量,这表明完全可以利图1生物质热裂解加工及其产品用热裂解副产物来为生物质热裂解提供能量,从而Fig. 1 Biomass pyrolysis processing and its products实现生物质的自热式热裂解,达到节能的目的。2生物质热裂解的节能与优化研究图2为自热式生物质热裂解工艺流程。裂解炉出来的烟气在空气预热器中与冷空气换热,冷空气近年来,由于能源逐渐匮乏,环境污染日趋严被加热后送人裂解炉,空气预热器中排出的烟气,经重,节能减排越来越受到人们的重视。因此,工业的烟气冷却器冷却至150℃以下后,送入地槽对物料节能降耗具有重要的经济效益和社会效益。目前,进行干燥,同时将物料间隙中的空气置换出来,降低人们纷纷从各种途径寻找降低生产过程能耗的办氧的含量,避免氢原子与氧原子结合生成水。从裂法,并取得了很好的效果。夹点技术就是目前应用解炉出来的裂解产物在旋风分离器中进行气固分最广泛的热集成技术之一,它是将热力学原理和系离,炭粉送至炭粉冷却器,冷却后的炭粉进入炭粉除统工程相结合,对工程系统的能量进行优化配置提尘器分离,夹带炭粉的燃气送回裂解炉以调整裂解高系统的能量利用率从而降低能耗炉用热。从旋风分离器中分离出的气态生物质送精夹点技术是英国学者 Linhof于20世纪70年馏洗涤塔洗涤,塔顶排出的气体经冷凝器冷凝后进代在总结前人研究基础之上提出的,并逐渐发展成人油水分离器,分离出轻质油。精馏洗涤塔塔底的为一整套换热网络的设计法。该技术是以热力学为重油经冷却后得到重冲产品基础,从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的中国煤化工CNMHG裂解炉旋风分离器精馏洗涤塔冷凝器烟气冷却器气预热器炭粉冷却器冷却器油水分离器空气炭粉除尘器重油轻质油图2自热式生物质热裂解工艺流程ig 2 Biomass pyrolysis thermal cycle process自热式生物质热裂解工艺的主要特点是:热裂图3为ZRS200型锥式生物质闪速热裂解工艺解炉用自身产生的燃气加热,不需要任何化石燃料;流程。热量被充分利用,可通过调节裂解温度,调整所产生燃气的比率,一方面满足生产过程用热,方面使装式反应哥风分离圆位很冷圈-[热交换器置的产油率最高;整个装置不排放任何污染物洗涤塔底流出的含渣高沸点产物量少,且可作为锅炉燃生物油循环料油使用。因此,该工艺流程能髙效、综合地提高热图3ZRS200型锥式生物质闪速热裂解工艺流程裂解过程中的热能利用率,从而降低生产成本,提高Fig 3 Biomass flash pyrolysis ZRS200Cone type process炭、可冷凝气体和可燃气体或生物质燃料的产出率和质量。青岛科技大学丁赤民等研发了下吸式移动床生李滨等利用ZRS200型锥式生物质闪速热裂解物质秸秆闪速热裂解工艺2),该工艺结合了自热式装置对生物质热裂解气液化冷凝技术进行了深入研生物质热裂解工艺和ZRS200型锥式生物质闪速热究,该装置由喂人、反应器和收集三个主要部分组裂解工艺特点,采用裂解产生的燃气作为裂解炉热成热裂解温度600℃。热裂解气的冷凝采用直混源,燃烧后的气体用于脱除生物质原料中的空气,同式对喷冷凝塔使得从旋风分离器分离出来的热裂时对原料进行预热;部分生物油循环,直接用于裂解解气体,在冷凝塔中与冷的生物油直接接触,并在气的洗涤,提高热利用率,达到节能目的。目前,该2s内迅速冷凝成生物油。这种直接接触式工艺已实现工业化生产。换热设备具有结构简单,没有间接换热热阻,传热效图4为下吸式移动床生物质闪速热裂解工艺率高,节能效果明显等特点。流程。废气排放燃气生物质生物油物料干燥空气脱出热裂解炉旋风除尘洗涤冷凝生物油循环图4下吸式移动床生物质闪速热裂解工艺流程Fig 4 Biomass nash pyrolysis moving bed process3结束语点。生物质热裂解过程依靠自身产生的热量进行供热,没有外界能量的输入,真正实现了节能减前,世界各国都在对可再生能源进行研究,生排。随着技术的不断进步和秸秆清洁能源成本的降物质秸秆作为一种洁净能源,其利用时SO2、NO2等低,我们深信,清洁秸秆能源的利用具有美好的危害气体排放量极小,而且具有CO2零排放的优前景。中国煤化工CNMHG参考文献the viscosity of pyrolysis oils during storage. 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Additives to lower and stabilize I, 2005(10): 34(上接第222页)比较不同倾角对热管传热性能的影响,可以得出,当能也不同。可以做如下解释:当倾角为90°,即热管倾角为90°时,传热性能最优。从图2还可分析,对竖直放置时,热管的传热性能较好,而倾角为75°于充液比为33%的复合中空热管的总传热系数随时传热性能其次,倾角为60°时的传热性能最差。着管外冷却水雷诺数的增大,呈现先变大后减小再这可能是因为倾角较小时,蒸汽流动不会太顺畅使增大的变化趋势。在实验刚开始时,复合真空热管得较多的蒸汽层粘在壁面会造成热阻的增大导致传的外管侧先通冷却水,内管内侧后通蒸汽加热,此时热系数减小;另外倾角越小,液膜所受重力在热管轴热管内部的工质在真空状态下,吸收加热蒸汽热源线方向上的分力越小,使得液膜厚度增加,总传热系的热量,迅速启动,蒸汽流动速度快蒸汽被外管外数减小,同时倾角越小,蒸汽对液膜的剪切力也会减侧的冷却水冷却冷凝放出热量热管内部的给热系小,导致液膜的厚度变大传热系数也会降低;综合数高,加上热管外管侧冷却水雷诺数的增大,管外给比较不同倾角对热管传热性能的影响,可以得出,当热系数也不断变大,故总传热系数迅速变大;但是随倾角为90°时,传热性能最优着管内蒸汽的集聚,蒸汽流动阻力变大,蒸汽的流动速度慢慢下降,导致热管内的给热系数减小,故总传3结论热系数也下降;但是随着热管外管侧冷却水雷诺数对于充液比为33%,工质为纯水和乙醇的复合的不断增大,管外给热系数也不断增加,使热管总传中空热管倾角对其传热性能有影响,其中当倾角为热系数又有所增加。90°时,热管的传热性能最佳。22无水乙醇工质下倾角对复合中空热管传热性参考文献能的影响[]陈砺我国高速增长的经济社会所面临的能源现状及问题[J].西部资源,2012(3):098-101[2 ZHUANG Lin, DU Ming-zhao, Hu ai-ping, et al. 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