烧蚀热解在概念上与其他快速热解方法有很大的不同。在所有其他方法中,反应速率受生物质颗粒的传热速率限制,这就是需要小颗粒物料的原因。烧蚀热解的反应方式类似于在煎锅中融化黄油,将黄油向下压并在热的锅面上移动,可以显著提高融化速度,故在烧蚀热解过程中,在压力作用下木材与反应器壁接触,热量从热反应器壁转移到“熔化”木材。当木材被移开时,熔化层蒸发成一种与流化床反应器所得类似的产物。
烧蚀热解反应器的很多研究工作均由美国国家可再生能源实验室(NREL)和法国国家科研中心烧蚀反应器化学工程实验室(CNRS)完成。两家机构对压力、运动和温度之间的关系进行了广泛研究。NREL开发了烧蚀涡流反应器,在该反应器中,生物质被加速到超音速,以获得加热圆柱内部的高切向压力。未反应的颗粒被循环利用,气体和焦粉末轴向离开反应器,再被收集。在干法进料情况下,通常获得60%~65%的液体产率。通过外界提供高压,生物质颗粒以相对于反应器较高的速率(大于1.2 m/s)移动并热解,生物质是由叶片压入金属表面的,此反应器不受物料颗粒大小和传热速率的影响,但受加热速率的制约,其热解工艺流程如图3-26所示。
当木材被机械地移开时,残余油膜既为连续的生物质颗粒提供润滑,又迅速蒸发,产生热解蒸气,以便与其他过程产物一样被收集。在热反应器表面上有一种由焦沉积而成的纹路。木材对热表面的压力、木材与热交换表面的相对速度及反应器表面温度对反应速率有很大影响。烧蚀热解的主要特征如下:
(1)通过离心力或机械力,颗粒在热反应器壁面受到高压;
(2)原料颗粒与反应器壁之间有高速相对运动;
图3-26 烧蚀反应器热解工艺流程
1—生物质;2—旋转反应器;3—圆筒状加热管;4—气体;5—液体收集装置;6—液体;7—固体循环回路
(3)反应堆壁温低于600℃。
由于反应速率不受生物质颗粒传热的限制,因此可以使用较大的颗粒。原则上,可以加工的颗粒尺寸没有上限。但事实上,反应过程受到反应器供热速率限制,而不是像其他反应器那样,受生物质吸热速率限制。烧蚀热解不需要惰性气体,因此设备更小,反应系统更密集。此外,由于没有流化气体,可冷凝气体的分压大大增加,因此收集效率更高,设备也更小。但是,由于控制了工艺表面积,因此结垢特性较差;反应器采用机械驱动,也更为复杂。
英国阿斯顿大学开发了烧蚀板反应器,如图3-27所示。它包括一个旋转叶片反应器,其中压力和运动是机械推动的,摆脱了对载气的需要。干原料的液体产量通常为70%~75%。第二代烧蚀板反应器已建成并投入使用,且获得了专利,如图3-28所示。
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图3-27 英国阿斯顿大学开发的烧蚀板反应器
1—木片;2—可变角旋转叶片;3—挥发分和焦进入旋风分离器及产品收集;4—加热器;5—木材和加热盘间的油膜;6—旋转叶片侧视图;7—蒸发的液体;8—加压;9—移动;10—木头
另一种反应器装置是德国的机械驱动PyTec工艺装置。该公司建立并测试了一个实验室级装置,该装置将木棒液压送入旋转的电加热圆锥体,热解液收集系统与上述其他系统类似。其他装置包括现已废弃的城堡首都螺旋管和旋风反应器。
如图3-29所示,烧蚀热解反应过程中,在生物质颗粒和热反应器壁之间形成高压,允许热量不受抑制地从反应器壁传递到生物质,从而导致液体产物像压在热锅上的冷冻黄油一样,从生物质中融化。滑动到反应器壁上的生物质留下了液膜,该液膜蒸发后立即离开热解区,形成生物质与反应器壁之间的分界面。由于高传热速度和短气体停留时间,据报道,液体产率高达80%。生物质和反应器壁之间的压力是通过机械方式或离心力产生的。
图3-28 第二代烧蚀板反应器
为了提高液体产率,烧蚀热解反应过程必须同时具有高热流量和产物收集能力。尽管气体停留时间相对较长,但液体的产率仍高达80%,有证据表明,在挥发分析出过程中,液体裂化生成的生物油通常比其他快速热解的要轻,这种设计的优点是不需要载气,并可接受较大的进料量。加热的圆盘与生物质紧密接触可使木炭形成时便从生物质中脱离,并直接加热未反应的生物质。
烧蚀热解的缺点包括难以有效地加热旋转盘本身,以及热解温度测量困难。温度测量困难是因为无法在反应前沿放置诸如热电偶之类的设备。由于颗粒与表面相对运动速度较高,反应器内部可能会遭受过度磨损。
图3-29 烧蚀热解反应过程
1—施加于木材上的压力;2—旋转盘;3—液态生物油
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