流化床反应器的工作原理和应用

流化床反应器利用反应器底部的常规沸腾床物料燃烧获得的热量加热沙子，加热的沙子随着高温气体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解反应，如图3-21所示。流化床反应器设备小巧，具有较高的传热速率和一致的床层温度，气相停留时间短，可防止热解蒸气的二次裂解，有利于提高生物油产量。Manuel等研究了在流化床反应器中澳洲小桉树的热解情况，结果表明温度在470～475℃时生物油可以达到最大产率，进料颗粒的大小会影响生物油的含氧量。刘荣厚等以榆木木屑为原料，在自制的流化床反应器上进行了快速热解主要工艺参数优化试验，对产生的生物油成分的气相色谱-质谱（GC-MS）分析表明，最优工艺参数组合为热解温度500℃、气相停留时间0.8 s、物料粒径0.180 mm，此时生物油最大产率为46.3%。

图3-21　流化床反应器的热解过程

1—空气压缩机；2—贫氧气体发生器；3—气体缓冲罐；4—加热炉；5—料仓；6—流化床反应器；7—旋风分离器；8—集炭箱；9—热水冷凝器；10—冷水冷凝器；11—过滤器

图3-22为循环流化床（CFB）反应器的示意图。在各种反应器中，流化床由于具有良好的传热传质特性、操作简单、易于放大等优点，因此在快速热解反应中受到了广泛关注。循环流化床由提供热解反应所需热量的燃烧室和发生热解反应的流化床两部分组成，利用底部沸腾床内热解副产品焦炭燃烧产生的热量来加热沙子。热沙子随着燃烧生成的高温气体向上穿过循环流化床进入反应器，与生物质原料混合并向生物质传递热量。生物质获得能量后发生热解，生成焦炭和热解蒸气。热解蒸气离开循环流化床反应器后，产物中的焦炭和夹带的沙子经过旋风分离器分离，固体颗粒返回燃烧室。循环流化床反应器的优点在于设备结构的整合降低了反应器的制备成本和热量损失，缺点在于结构整合增加了运行操作的复杂性。

图3-22　循环流化床（CFB）反应器示意图

1—高温气体；2—生物质；3—热量；4—沙；5—沙和生物质；6—焦炭；7—裂解气

循环流化床和输送床反应器具有鼓泡流化床的许多特征，固体的停留时间几乎与气体的停留时间相同，而且由于气体速度更高，固体更易被吸引。此类热解反应器的工作原理与鼓泡流化床的基本相同，除了床料在包括旋流器和密封件的外部回路内不断循环。循环流化床能够使用固体介质实现颗粒快速加热，并通过热气流输送颗粒。循环流化床有几种不同的组成和设计，但是通常都包括一个热解反应器、一个分离装置（例如旋风分离器）和一个再生器。燃烧器用于将蒸气产物与固体分离，并通过燃烧焦炭来加热固体颗粒。重新加热的固体颗粒返回流化床。循环流化床反应器的生物油产率为65%～70%，由于在反应器内停留时间较短，因此收率更高。这会导致收集的生物油中焦含量更高，除非使用更有效的焦去除方法。另一个优点是，循环流化床技术在石油和石化工业中广泛应用于大容量系统，因此，即使流体运行更为复杂，也可能适用于更大的容量。循环流化床典型布局如图3-23和图3-24所示。

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图3-23　循环流化床典型布局一

1—预处理的生物质；2—热解器；3—旋风分离器；4—燃料气体；5—沙子和焦炭；6—热沙子；7—空气；8—燃烧器；9—气体循环；10—生物油；11—气体出口

图3-24　循环流化床典型布局二

1—生物质；2—螺旋给料器；3—流化气；4—空气；5—固体和焦炭；6—热解器；7—挥发性产物；8—烟气；9—回料控制阀；10—燃烧器

循环流化床反应所需的热量通常来自于二次焦炭燃烧室的热沙再循环，二次焦炭燃烧室可以是鼓泡流化床，也可以是循环流化床。在这方面，该工艺与双流化床气化炉相似，只是反应器（热解器）温度低得多，第二个反应器中密集的焦炭燃烧需要仔细控制，以确保温度、热流和固体流量符合工艺和进料要求。传热是竖管内传导和对流的加和。所有的焦炭在二次反应器中燃烧以重新加热循环沙，因此除非使用替代热源，否则没有焦炭出口。如果把焦炭分离处理，它将是一种细粉。

该技术同样具有与鼓泡流化床反应相同的缺点，要求送入床内的生物质颗粒最大直径不超过6 mm，并且裂解产物会受到焦炭颗粒污染，反应过程需要仔细控制以维持热解反应器中温度正常。

循环流化床的提升管在一种称为快速床的特殊流动状态下运行，它也能很好地控制温度，并在装置整个高度上令床料均匀混合。气体和固体以一定程度的内部回流，向上移动到反应器中，使生物质颗粒的平均停留时间比气体的长，但是差异并不像鼓泡流化床中那样大。循环流化床中的表观气体速度明显高于鼓泡流化床中的。高速且出色的混合使循环流化床中的生物质热解转化率较高。

据报道，木质纤维素生物质快速热解的生物油产率为60%～75%。一家加拿大公司Ensyn Technologies Inc.自20世纪80年代初开始开发并商业化基于循环流化床技术的快速热解（RTP）工艺。该公司还在美国威斯康星州建有处理量分别为50 t/d和70 t/d的生物质热解工厂，专门生产食品添加剂等产品。几个生物质快速热解装置已投入商业运营，日处理能力从1t到200 t不等。另外，芬兰的Fortum公司建有容量为500 kg/h的循环流化床热解装置。