及其特点的分析介绍热解反应器

虽然早在1875年就开始了快速热解研究，但直至20世纪80年代，快速热解技术才在生物油生产方面取得了重大进展。国内外科研机构研究了各种热解反应器，目的是在几秒钟内将生物质加热到超过400℃以制备生物油。北美及欧洲已经建成了一系列生物质热解装置，生物质热解液化炭化技术已经进入商业示范应用阶段。在生物质热解的各种工艺中，反应器的类型及其加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布，是各种技术路线的关键环节。综合来看，国内外现有的热解反应器，主要可以分为热解液化反应器和热解炭化反应器两类。热解液化反应器包括鼓泡流化床、循环流化床，旋转锥反应器、烧蚀反应器、真空移动床以及喷动床；热解炭化反应器包括窑式炭化炉和固定床式热解炭化炉。表3-9总结了一些快速热解反应器的特点。

表3-9　一些快速热解反应器特点

图3-17描述了从生物质原料到液体产品的概念性快速热解过程。每个工艺步骤都有几个甚至许多替代方案，如反应器和液体收集，但基本原理是相似的。

图3-17　概念性快速热解过程

快速热解过程的核心是热解反应器，尽管它可能只占热解系统总投资成本的10%～15%，快速热解过程的其余部分还包括生物质收集、储存和处理，生物质干燥和研磨，产品收集、储存以及提质（或相关）。现在人们越来越重视改进液体收集系统和提高液体质量，但大多数研究都集中在开发和测试各种原料的不同反应器配置。

快速热解技术的发展面临着许多技术挑战，其中最重要的是反应器传热问题。商业反应器的传热是一个重要的设计要点，副产品焦炭通常在空气中燃烧，释放能量。焦炭通常包含原料中25%的能量，驱动该过程大约需要使用焦炭的50%～75%的能量。气体副产物能量仅占进料能量的5%左右，不足以支撑热解。图3-18总结了提供必要热量的主要方法，详细如下：

（1）通过反应器适当位置的传热表面（图中的1和2）传递热量；

（2）加热流化床或循环流化床反应器的流态化气体（图中的3），尽管过高的气体温度可能会输入过多热量，导致局部过热和液体产量降低，或者需要非常高的气体流量，导致流动不稳定，但局部加热效果通常是令人满意的，并且有利于提高能源效率；

（3）在反应器中移除和重新加热床料（图中的4），如大多数循环流化床和运输床反应器；(www.xing528.com)

（4）添加一些空气（图中的5），尽管这会产生局部热点，并增加液体裂解，产生焦油。

图3-18　为快速热解提供工艺热的方法

1—热壁面；2—热管道；3—热的流化气；4—循环的热沙；5—空气补充

热解反应器的设计和优化对于工业应用来说是最重要的，并且随着工厂规模扩大将引起越来越多的关注。通过副产品焦炭、气体或新鲜生物质提供热解工艺所需能量的方法有很多种，包括：

（1）燃用新鲜生物质而不是焦炭，特别是在焦炭市场利润丰厚的地方；

（2）副产品焦炭的气化和生成气体的燃烧，以便控制和避免焦炭燃烧室中的碱金属问题；

（3）使用具有上述优点的副产品气体，尽管如果不进行补充，这种气体不可能提供充足的能量；

（4）使用生物油产品；

（5）在以低成本获得石油燃料的情况下，使用石油燃料不会影响工艺或产品，而且副产品具有足够高的价值。