PDF《生物质热解固体热载体高温烟气加热装置设计与试验》

第33 卷第4期农业工程学报Vol.

33 No.4

2017 年2月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb.

2017 89 生物质热解固体热载体高温烟气加热装置设计与试验 王绍庆,李志合 ,吴厚凯,李宁,柏雪源 (山东理工大学农业工程与食品科学学院/山东省清洁能源工程技术研究中心,淄博 255049) 摘要:固体热载体加热生物质是生物质热解制取生物油的工艺手段之一.为解决固体热载体间接加热方式升温慢、效 率低问题,设计了一种流化床生物质燃烧的热烟气直接加热固体热载体装置,分析了其结构与原理,开展了固体热载体 升温性能和流化床燃烧器的燃烧特性试验研究,并对试验结果进行了热平衡分析.结果表明:流化床高温烟气加热陶瓷 球热载体的平均热能利用率为 66.3%,流化床燃烧生物质粉产生的高温烟气能够满足热载体加热装置对热源的需求,热 载体加热器内的热量传递方式主要是对流换热.陶瓷球热载体与加热器内高温烟气的对流传热系数为

475 W/(m2 ・℃).研 究对结果对解决生物质热解液化技术中的固体热载体加热升温关键问题具有重要指导意义. 关键词:生物质;

燃烧;

加热装置;

流化床;

固体热载体 doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.013 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2017)-04-0089-07 王绍庆,李志合,吴厚凯,李宁,柏雪源. 生物质热解固体热载体高温烟气加热装置设计与试验[J]. 农业工程学报, 2017,33(4):89-95. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.013 http://www.tcsae.org Wang Shaoqing, Li Zhihe, Wu Houkai, Li Ning, Bai Xueyuan. Design and experiment on solid heat carrier heating device heated by high temperature flue gas for pyrolysis of biomass[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 89-95. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.013 http://www.tcsae.org

0 引言生物质具有环境友好,资源可再生等特点,是理想 的清洁能源之一[1-2] .生物质能的开发利用,旨在把诸如 农林废弃物等固体生物质通过物理或化学方法,使之成 为高能量密度的气体、固体或液体燃料[3-5] .生物质热解 液化技术是一种热化学手段,利用高温固体介质加热粉 状生物质实现生物质快速热解液化,是生产生物油的工 艺之一,具有冷却负载小、载体余热回收容易等优点, 有着较好的发展前景[6-11] .山东省清洁能源工程技术研究 中心开发的陶瓷球热载体加热生物质热解液化工艺技术 具有自主知识产权[12] .在生物油的生产中,热载体作为 制备生物油的传热介质,其加热时间长,耗能高,然而 目前采用的热载体间接加热技术还存在着热载体升温速 率慢、效率低、耗能高的问题,因此生产的连续性和规 模性受到限制,也严重制约了生物油的低能耗、规模化 生产[13-16] .李志合等设计的固体热载体换热器壳体内设 有多组换热管,烟气发生炉产生的高温烟气进入壳体内, 实现陶瓷球的间接换热,同时硅碳棒与保护套管与换热 收稿日期:2016-05-31 修订日期:2016-12-19 基金项目: 国家自然科学基金项目 (51276103) , 国家重点基金 (51536009) , 泰山学者工程专项经费,山东省优势学科资助项目联合资助. 作者简介:王绍庆,男,山东滕州人,博士生,主要从事生物质能方面的研 究.淄博 山东理工大学农业工程与食品科学学院,255049. Email:[email protected] 通信作者:李志合,教授,博士生导师,主要从事生物质能源开发和综合 利用技术研究工作,淄博 山东理工大学农业工程与食品科学学院,255049. Email:[email protected] 管垂直布置,作为加热热载体的辅助热源,换热器换热 面积大,热效率较高,但能耗过高[17] .曹有为等研究的 串联热载体加热装置将

2 个不同加热方式的加热装置串 联在一起,上炉体主要是热载体在列管内间接换热,换 热后的热载体进入下炉体与高温烟气直接换热,加热装 置具有高效率和传热效率[18] .本文最初采用明火直接加 热陶瓷球,加热试验表明陶瓷球会产生烧结现象;

同时, 生物质热裂解是在缺氧条件下进行的,热解反应器内部 要和外部环境隔绝,生物质粉通过燃烧消耗了空气中的 氧气,生成的高温烟气再与陶瓷球进行换热,可以保证 热解反应系统与外界的独立性. 本文针对 固体热载体加热下降管式裂解液化系统 中的陶瓷球固体热载体加热问题,在原有陶瓷球固体热 载体加热研究的基础上,设计制造了流化床高温烟气直 接加热陶瓷球热载体的试验装置,利用流化床高温烟气 热载体加热系统研究高温烟气加热陶瓷球热载体的规律 及最佳工艺参数,以期解决陶瓷球加热生物质裂解液化 技术中固体热载体加热升温困难的技术难题,对各部件 作深入研究和参数优化等工作.

1 固体热载体高温烟气加热装置设计 1.1 设计依据 生物质热解液化过程中,热载体与生物质混合质量 比为 10:1,为满足生物质处理量为

30 kg/h 的热解液化装 置的热解需求,热载体的需求量应大于

300 kg/h,同时生 物油生产过程中固体热载体加热一般需要专用的热载体 加热炉,为提高固体热载体的换热效率,同时考虑经济 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

2017 年90 性及环境保护的需求,固体热载体加热装置的设计应考 虑以下几个方面:1)炉膛容积热负荷(qv).其大小主 要取决于燃料的挥发分含量高低,挥发分低的无烟煤, 不易着火燃烧,qv 值应取小一些,炉膛容积可大一些, 延长燃料在炉内的停留时间.而生物质挥发分含量较高, 在炉膛内燃烧方式介于层燃与悬浮燃烧之间,qv 值可比 煤粉炉大,一般取值范围为 180~250 kW/m3 .2)加热器 出口烟温.其主要取决于生物质燃烧特性和生物质灰熔 融特性,一般加热器出口烟温控制在

1 050~1

100 ℃[19] . 3) 受热面积. 加热器内置挡板增加了热载体的滞留时间, 进而增加了单位时间内的受热面积,加强了热载体与高 温烟气的对流换热.4)经济性和环保性.流化床燃烧器 通过燃烧生物质粉体燃料产生高温烟气,减少污染物的 排放,节省能源成本. 1.2 整体方案设计 本文设计制造的固体热载体高温烟气加热装置整体 结构如图

1 所示,主要由:高温烟气发生装置、热载体 喂料器、热载体加热器、旋风分离系统及温度检测系统 等组成,加热装置整体尺寸 3.1 m* 1.5 m*4.7 m. 1.高温烟气发生装置 2.热载体喂料器 3.热载体加热器 4.旋风分离系统 5.温度检测系统 1.High temperature flue gas generator 2.Heat carrier feeder 3.Heat carrier heater 4.Cyclone separation system 5.Temperature detection system 图1热载体加热装置结构示意图 Fig.1 Schematic of heat carrier heating device 1.3 高温烟气发生装置设计 根据 1.1 提到的热载体需求量,通过热量计算公式 Q c m t = ? ?Δ (1) 陶瓷球比热容为c=800 J/(kg・K) , m=300 kg , ΔT=500 K,代入相应参数,可得陶瓷球加热到目标温度 (500 K)至少需要 1.2*105 kJ 热量. 高温烟气是由流化床燃烧器产生,主要由生物质粉 喂料器、流化床燃烧炉、进风装备以及温度监控系统等 组成,如图

2 所示. 高温烟气发生装置的原理就是利用生物质粉(产热 量可达

15 550 kJ/kg)在流化床燃烧器内的燃烧产生用于 热载体加热.生物质粉喂料器采用的是刮板式和螺旋进 料相结合的两级喂料装置[20] ,能够确保生物质粉连续、 稳定、快速的喂入流化床燃烧器.流化床燃烧炉类似于 鼓泡流化床燃烧器,主要包括风室、燃烧室、布风板、 烟气净化层等组成,试验时打开生物质粉体燃料喂料器 和罗茨风机,调节适当的风料比,燃烧室密相区是生物 质粉着火和燃烧的主要区域,燃烧室上部为稀相区,生 物质粉浓度较低,燃烧产生的高温烟气经过烟气净化层 后,通过燃烧炉上部的烟气管道进入热载体加热器内进 行热交换. 1.机架 2.观察窗 3.喂料筒 4.变频调速减速机(立式) 5.锥筒 6.刮板 器7.螺旋绞龙 8.烟气净化层 9.燃烧室稀相区 10.燃烧室密相区 11.风室 12.流量计 13.罗茨风机 1.Rack 2.Observation window 3.Feeding tube 4.Frequency control of motor speed reducer (vertical) 5.Cones 6.Scraper device 7.Spiral twisted dragon 8.Flue gas purification layer 9.Combustion chamber dilute phase zone 10.Combustion chamber dense-phase zone 11.Wind chamber 12.Flow meter 13.Roots blower 图2高温烟气发生装置示意图 Fig.2 Schematic of high temperature flue gas generator 1.4 陶瓷球喂料器结构设计 陶瓷球喂料器(如图 3)采用螺旋式开关,试验过程 中通过把手控制调节杆,逆时针旋转把手,通过调节杆 的控制,锥形块向上移动,利用锥形块与斜壁间相对运 动来改变他们之间的间隙,进而控制陶瓷球的流量,储 料罐的容量为

40 L,完全保证换热试验陶瓷球用量.陶 瓷球喂料试验表明,从料筒出来的陶瓷球流体呈细流状, 在陶瓷球出料口

50 mm 处设置筛网,筛网孔径为

8 mm, 保证陶瓷球下料均匀[21] . 1.锥形块 2.调节杆 3.控制把手 4.储料罐 5.筛网 1.Tapered block 2.Adjust lever 3.Control handle 4.Material storage tank 5.Sieve 图3陶瓷球喂料装置示意图 Fig.3 Schematic of feeder for ceramic ball 1.5 热载体加热器设计 热载体加热器内陶瓷球吸热量主要由高温烟气提 供,热载体加热器的炉膛截面积计算公式为 第4期王绍庆等:生物质热解固体热载体高温烟气加热装置设计与试验

91 a Q F q = 燃总 (2) 式中 F 为炉膛截面积,m2 ;

Q 燃总为燃料每秒提供总热量, kW;

qa 为炉膛的截面热负荷,kW/m2 .选取热载体加热 器的截面热负荷 qa=3

000 kW/m2 ,代入相应数据,可求 得F=0.031 m2 ,由此得加热器直径 d=0.19 m. 加热器体积计算公式 v Q V q = 燃总 (3) 式中 V 为加热器体积,m3 ;

qv 为炉膛的体积热负荷, kW/m3 .选取热载体加热器体积热负荷为

250 kW/m3 ,代 入相应数据,可求得 V=0.057 m3 . 通过理论计算,确定以下主要参数:加热器的外径

200 mm,壁厚

9 mm;

外部保温套管外径为

220 mm,壁 厚为

9 mm;

加热器高度为

2 000 mm. 图4表示的是陶瓷球热载体加热器的结构示意图, 该加热器是由竖直管和内置挡板组成, 整个加热器分布

3 个测温点,从上往下分布在

600、1

000、1

400 mm 共3点;

内置挡板是由

3 根外径为

5 mm 的螺杆相连接,挡板 壁厚为

10 mm,用一对 M12 的紧固螺钉固定在加热器内 部, 同时为了降低热量损失, 提高换热效果, 采用

50 mm 厚的含锆陶瓷喷丝毯对加热器进行保温处理. 1.进烟口 2.紧固螺栓 3.螺杆 4.挡板 A 型5.挡板 B 型6.排烟口 7.挡板A型剖面 8.挡板 B 型剖面 1.Smoke inlet 2.Tighten bolts 3.Screw 4.Baffle type A 5.Baffle type B 6.Exhaust port 7.Baffle type A section 8.Baffle type B section 图4热载体换热器(左)和内置挡板(右)示意图 Fig.4 Schematic of heat carrier heat exchanger (left) and structure diagram chart of built-in baffle (right) 流化床燃烧器产生的高温烟气进入热载体加热器底 部向上流动,与加热器内下落的固体热载体进行强制对 流换热,同时内置挡板的存在改变了热载体流动速度的 大小和方向,增加了固体热载体的换热时间,加热后的 固体热载体从加热器底部排出进入储料器. 1.6 数据采集系统 测温元件采用大连雷尔达仪表有限公式生产的型号 为WRN-130 的K型热电偶(测温范围为 0~1

300 ℃), 热 响应相应时间约为

20 s,测温精度为 1%,测温准确且灵 敏度高.数据采集采用的是阿尔泰高级检测系统,可以 实时对数据进行采集与监测,主要包括 DAM-3038 热电 偶输入模块、 DAM-3058R 远端压力输入模块、 DAM-3210 数据转换模块,DAM-3000M 测试系统等.

2 性能试验 2.1 试验原料 本文所用的生物质燃料选自淄博市张店区的玉米秸 秆、小麦秸秆和棉花秸秆,秸秆原料来源广泛,能降低 燃料原料的供应成本.试验物料经自然风干、粉碎、筛 分后,选取平均粒径为 0.177 mm(80 目)左右的物料放 于空气干燥箱中,在105 ℃下干燥

4 h 备用. 陶瓷球选用山东省淄博市宇邦陶瓷厂生产的氧化铝 陶瓷球颗粒,陶瓷球直径为

3 mm,主要成分为 Al2O3 和SiO2,密度为

2 000~2

400 kg/m3 ,吸水率小于 0.5%,抗 压强度为 28.13 MPa. 2.2 试验条件与方法 首先启动流化床燃烧器预热整个系统,待系统温度 趋于稳定后,打开陶瓷球喂料器,将陶瓷球定量、匀速 的送入加热管内,陶瓷球和高温烟气在管内充分接触, 进行强制对流换热,换热结束后,陶瓷球落入热载体储 存管中,烟气进入旋风分离器,整个试验过程温度实时 记录,以便于陶瓷球的热平衡分析. 陶瓷球在热载体加热器内的流动与换热过程十分复 杂,属于气固两相流动与传热现象[22-24] ,传热模型如图

5 所示.存在颗粒间、颗粒与挡板之间、颗粒与壁面之间、 颗粒与高温烟气之间的对流换热以及加热器内壁对颗粒 的辐射等传热方式.通过陶瓷球在竖直管内的可视化研 究,除了边壁和挡板处,陶瓷球下落过程中颗粒之间、 颗粒与壁面间不存在相互接触,而管壁富有绝热型材料, 因此可以忽略颗粒碰撞壁面时的热传导;

在加热器内壁 温度低于

600 ℃时,对管内辐射传热很小,可以忽略不 计;

热电偶具有热惯性小,灵敏度高,热容小等特点, 可以忽略热电偶吸收的热量.因此为了简化计算,在进 行热量分析时只考虑陶瓷球与高温烟气的对流换热. 1.高温烟气入口 2.内置挡板 3.高温烟气出口 4.竖直管壁 5.陶瓷球 1.High temperature flue gas inlet 2.Built-in baffle 3.High temperature flue gas exports 4.Vertical wall 5.Ceramic ball 图5陶瓷球与高温烟气换热模........