2013届毕业设计论文 课题名称 院 （系）
专 业
姓 名 学 号
起讫日期
指导教师
生物质高温热解装置的研制 机械与动力工程学院 过程装备与控制工程 高豪杰 2013-2-20至2013-6-10
2013年 6月 8 日
第1章 前言
能源是人类生产和生活必需的基本物质保障，是确保人类社会文明进步和经济发展最为重要的物质基础。能源和环境问题已成为全球关注的焦点，随着我国能源消耗的迅速增长，化石燃料的大量使用带来了严重的环境污染。将生物质能源转化各种清洁能源和化工产品，减少对于化石能源的依赖，是轻环境造成的重要污染。目前，世界各国都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。
与煤炭和石油天然气等化石燃料相比，生物质的特点是是低固定碳、高挥发分、低灰分。生物质的化学活性较好，硫含量低，生物质的这些特性决定了它十分适宜进行热解气化。生物质能的转换利用形式主要包括化学转化、物理转化和生物转化，涉及热解、气化、液化、成型和直接燃烧等技术。在众多技术中，生物质高温热解气化是实现生物质高效及清洁利用的重要途径，通过生物质在高温条件下热解可以产生中热值的合成气，并用于供热、发电和作为化工合成原料气，具有广阔的应用前景。
1.1生物质能的特点
1.1.1 可再生性
生物质能属可再生资源，生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能等同属可再生能源，资源丰富，可保证能源的永续利用。在各种可再生能源中，生物质是唯一可再生的碳资源。
1.1.2 低污染性
与矿物燃料相比，它的挥发分高，炭活性高，含硫量和灰分都比较低，因此燃烧过程中生成的SO X 、NO X 较少。生物质作为燃料时，其生长时需要的CO 2相当于它排放的CO 2的量，因而对大气的CO 2净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应。
1.1.3 资源丰富
生物质能是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算，地球陆地每年生产1000～1250亿吨生物质；海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量，相当于目前世界总能耗的10倍。
1.1.4 广泛应用性
生物质能源可以以沼气、压缩成型固体燃料、气化生产燃气、燃料酒精、生物柴油等形式存在，应用于国民经济的各个领域。
1.2 生物质能的利用方式分类
图1．生物质能的利用方式
(1)直接燃烧技术：直接燃烧大致可分炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾焚烧和固体燃料燃烧四种情况。炉灶燃烧是最原始的利用方法，一般适用于农村或山区分散独立的家庭用户，它投资最省，但是效率最低。锅炉燃烧采用了现代化的锅炉技术，适用于大规模利用生物质。它最主要的优点是效率高，并且可实现工业化
生产；缺点是投资高、而且不适于分散小规模使用。固型燃料燃烧是把生物质固化成型后再采用传统的燃煤设备燃用，主要优点是所采用的热力设备是传统的定型产品，不必经过特殊的设计或处理；主要缺点是运行成本高，所以它比较适合企业对原有设备进行技术改造时，在不重复投资前提下，以生物质代替煤，以达到节能的目的，或应用于对污染要求特别严格的场所，如饭店烧烤等。
(2)物化转换技术：物化转换技术包括三方面，一是干馏技术；二是气化制生物质燃气；三是热解制生物质油。干馏技术主要目的是同时生产生物质炭和燃气，它可以把能量密度低的生物质转化为热值较高的固定炭或气，炭和燃气可分别用于不同用途。优点是设备简单，可以生物产炭和多种化工产品，缺点是利用率较低，而且适用性较小，一般只适用于木质生物质的特殊利用。生物质热解气化是把生物质转化为可燃气的技术，根据技术路线的不同，可以是低热值气，也可以是中热值气。它的主要优点是生物质转化为可燃气后，利用效率较高，而且用途广泛，如可以用作生活煤气，也可以用于烧锅炉或直接发电。主要缺点是系统复杂，而且由于生成的燃气不便于储存和运输，必须有专门的用户或配套的利用设施。热解制油是通过热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术，它的主要优点是可以把生物质制成油品燃料，作为石油产品替代品，用途和附加值大大提高，主要缺点是技术复杂，目前的成本仍然太高。
(3)生化转换技术：生化转换技术主要是以厌氧消化和特种酶技术为主。沼气发酵是有机物质(为碳水化合物、脂肪、蛋白质等) 在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经过沼气菌群发酵(消化) 生成沼气、消化液和消化污泥(沉渣) 。这个过程就叫沼气发酵或厌氧消化。它包括小型的农村沼气技术和大型的厌氧处理污水的工程。它主要优点是提供的能源形式为沼气(CH4) ，非常洁净，具有显著的环保效益；主要缺点是能源产出低，投资大，所以比较适宜于以环保为目标的污水处理工程或以有机易腐物为主的垃圾的堆肥过程。利用生物技术(包括酶技术) 把生物质转化为乙醇的主要目的是制取液体燃料，它的主要优点可以使生物质变为清洁燃料，拓宽用途，提高效率；主要缺点是转换速度太慢，投资较大，成本相对较高。
(4) 植物油利用技术：能源植物油是一类贮存于植物器官中，经加工后，可以提取植物燃料油的油性物质。它通过植物有机体内一系列的生理生化过程形
成，以一定的结构形式存在于油脂或挥发性油类等物质中。能源油料植物是一类含有能源植物油成分的种和变种，是一类再生资源。能源油料植物主要包括油脂植物和具有制成还原形式烃的能力，接近石油成分，可以替代石油使用的植物。植物燃料油是通过能源油料植物油的提取加工后，生产出的一种可以替代石化能源的燃性油料物质。它的主要优点是提炼和生产技术简单，主要缺点是油产率较低，速度很慢，而且品种的筛选和培育也较困难。
1.3 生物质热解气化技术原理
生物质热解气化技术是一种热化学处理技术，通过气化炉将固态生物质转换为使用方便而且清洁的可燃气体，用作燃料或生产动力。其基本原理是生物质热解是指生物质在没有气化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有原位水蒸气存在的条件下，加热到高温，通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。生物质热解的燃料能源转化率可达95.5%，可最大限度的将生物质能量转化为能源产品。
1.4 生物质热解技术的研究进展
1.4.1 国外进展
Acharya 等开展了木屑水蒸气气化的实验研究，分析了反应温度、水蒸气/生物质比率和CaO/生物质比率对气化效果的影响，发现随着温度的升高，氢气的产率一直在增大，并在710℃时获得最大氢气产率30.08mL/g，但是当温度高于670℃时，产气中H 2的体积分数有所降低。
Luo 等在固定床反应器上进行了松木屑水蒸气气化实验，研究了反应温度和水蒸气/生物质比率对生物质气化行为的影响，发现反应温度对生物质水蒸气气化特性有明显影响，当温度从600℃变化到900℃时，干气体产率和碳转化率从
1.15Nm 3/t和61.96%分别增大至2.53Nm 3/t和92.59%，产气中H 2和CO 2的体积分数明显变大，而CO 和CH 4的体积分数显著减小。他们还指出水蒸气的加入促使更多的焦油参与水蒸气气化反应，导致干气体产率和碳转化率明显增大.
Demirbas 在固定床反应器上开展了4种坚果壳的慢速热解实验研究，考察了温度(500~1200K)对热解产物分布及焦特性的影响，得出了以下主要结论：随着温度的升高，焦的产率在减小，液体产物产率先增大后减小，气体产物产率先略微减小后增大，生物质焦中炭元素的含量在增大，而氢元素和氧元素的含量在减小，其热值一直在增大。
Blasi 等在堆积床上开展了木质和农业废弃物(木屑、麦秆、橄榄壳、葡萄残渣和谷壳) 的热解实验研究，温度在650~1000K内变化，发现温度对热解产物的产率有明显影响。
1.4.2 国内进展
我国的生物质热解气化研究和应用起步比较早，早在二十世纪四十年代，用木炭气化炉发生气驱动的汽车就己在我国许多城市使用。
黄浩等提出了湿生物质定向气化制取高浓度氢气的工艺，该工艺将湿生物质干燥、热解、蒸汽气化和高温原位CO 2分离集中在一个反应器内进行，应用湿份干燥产生的蒸汽进行蒸汽气化，在获取产氢浓度较高的气化气的同时简化操作，降低能耗。
郭烈锦等在超临界水中进行生物质的催化气化，生物质的气化率可达到100%，气体产物中H 2的体积百分含量甚至可超过50%，反应不生成焦油、木炭等副产品，不会造成二次污染。
山东能源所研制出燃用农作物秸秆(以玉米秆为主) 的固定床气化炉，经热解产气，成功地向50多个试点村的村民送上管道煤气。
1.5 热解反应器的类型
目前世界上生物质热裂解反应器主要有固定床反应器、旋风反应器、流化床反应器、辐射炉、携带流动式反应器、循环流化床反应器、旋转叶片反应器、旋转锥反应器、多炉膛反应器等多种形式，但每种设备都有它的优缺点，主要有：
(1)．流化床：其特点是设备小巧，气相停留时间很短，可以防止热解蒸汽的二次裂解， 效率很高，并容易工业放大，但原料颗粒尺寸要求较小，这就大大增加了原料的加工成本，而且规模大时热效率较低。
图2．流化床反应器原理图
(2)．真空移动床：其优点是热解蒸汽停留时间很短，减少了二次裂解，但反应器要有非常好的真空度，这就对真空泵和密封材料提高了要求，因此增大了制造成本和运行难度。
(3)．旋转锥反应器：其有可以压实物料、隔绝流动气体的优势，而且升温速度快，固相滞留期短，气相滞留期小，反应过程不需要载气体，不需要很大的装置体积和高成本，但设备的某些结构还不够完善，还处于研究探索阶段。
图3旋转锥反应器示意图
(4)．烧蚀反应器：该设备相对于其他系统可以用粒径为2-6.35mm 的大颗粒生物质作为原料，但生产的油中的O 含量比较高。
图4．烧蚀反应器示意图
(5)．引流床：该设备通过燃烧丙烷产生高温气体与木屑融合，并向上流动穿过反应器，在反应器中发生热解反应，生成不凝性气体、水蒸气、生物油和炭。经过水喷式冷凝器和空气冷凝器快速冷却、收集，生物油的得率可达60%。但该设备需要大量高温燃烧气，并产生大量低热值的不凝气，这个缺点使得此技术的发展前景不大。
(6)．循环流化床和输运床：此两种设备虽然可以解决热量转化问题，但不易于大型化使用，而且还有焦渣磨损设备的问题。
图5．循环流化床示意图
1.6 结论
国内外的研究者们已对生物质热解和气化进行了大量实验研究，并详细分析了不同因素对热解和气化特性的影响。随着技术的不断完善，研究的方向和重点也在拓宽，不仅仅侧重于热解反应器类型及反应参数，以寻求产物最大化。整体利用生物质资源的联合工艺，以及优化系统整体热效率使得热解技术产生经济效益最大化、具有相当大潜力的发展方向。
生物质热解技术研究方向应侧重于如何提高热解产品收率，寻求高效精制技术，提高热解气品质，提高整个热解过程的热效率，实现产物的综合利用和工业化生产等方面。例如：开发一种新型的反应器，将湿生物质干燥、热解、蒸汽气化集中在一个反应器内进行，用高含水率生物质干燥产生的原位蒸汽作为气化介质进行蒸汽气化，可以省去预热干燥处理和水蒸汽制备，降低能耗，且提高过程热效率。在获取产H 2浓度较高的气化气的同时简化操作，降低能耗。
第2章 生物质与褐煤热解实验研究
2.1实验材料及实验装置
本实所用褐煤为内蒙古白音华褐煤，并筛选出筛分出粒径小于 0.075mm 的样品作为实验样品。
本实验中所用的生物质为松木木屑。松木锯末是一种典型的木质生物质，主要由木质素、聚合体纤维素、半纤维素以及灰分和提取物构成。生物质经干燥破碎后，筛分出粒径小于 0.075 mm 的样品保存备用。
原料的工业分析和元素分析如表2-1所示。
表2-1 原料的工业分析和元素分析
原料种类
褐煤 工业分析（ %） a b b b b 元素分析( %)
b b b b 33.20 17.84 41.59 40.37 56.11 4.49 20.22 1.64 0.70
a ─收到基；b ─干燥基；c ─干燥无灰基；d ─差值计算.
本实验所用装置为高温移动床管式热解炉，主要由螺旋进料器、热解炉、温度控制装置、温度检测系统等部分组成。反应器尺寸为Φ76 mm×5 mm，炉管内径66 mm，长度L=1700 mm。炉内有效装料空间为3.74×10-3 m 3。加热方式为管式炉加热，加热区长度500 mm，恒温区长度220 mm，最高加热温度为1100 ℃。料斗与储灰斗的体积均为0.064 m3，实验过程为连续进料，待物料完全反应，为一组实验。其装置图及流程图分别如图2-1、2-2所示。
图2-1管式热解炉装置图
1-驱动电机，2-加料斗，3-螺旋给料器，4-加热炉，5-储灰斗，6-排气孔
图2-2 热解系统流程图
高温移动床管式热解炉测温点具体布置情况如图2-3所示。具体布置方案如下:以炉管中心为测量原点，分别沿炉管两侧以100 mm的间距布置测温点，共计13个测温点，分布图如图3-5所示。其中6#、7#、8#测温点炉管中部温度。图2-4给出设定900 ℃热解终温的实验过程中，该三个测温点的温度变化曲线。其中，横坐标为数据采集系统启动时间，纵坐标为任意时刻温度。从图2-4看到，三个测温点的温度从开始记录经过约约35min ，这一过程为快速升温阶段，温度达到850 ℃左右，此后一段时间温度曲线趋于平缓，说明已接近设定温度，升温速率减缓；70min 左右，三个测温点均达到设定温度，而此时测温点6#温度开始下降，约十五分钟后开始上升。产生这一现象有三方面原因：1、当热解炉内温度达到设定温度，启动电机开始进料，处于室温的物料进入到热解炉，由温差产生吸热反应；2、热解本身属于吸热反应；3、蒸发产生的水蒸汽发生蒸汽重整反应也属于吸热反应[3]，三个原因综合导致测温点6#温度下降。而测温点7#和测温点8#并没有此现象，说明物料已充分热解，温度趋于稳定。140min 左右时，实验结束，关闭加热炉，三个测温点温度均开始下降。
图2-3 热解炉炉管测温点分布图
T (℃)
time(min)
图2-4 反应器中心区域温度变化曲线
图3-7为稳定工况，反应器温度分布曲线图。由图可知，反应器前半部分为预热段，温度较低；中间部分为高温热解段，温度分布较均匀。反应器热解系统采用螺旋进料器，通过调频电机控制进料速率，实现连续稳定进料。 （1）进料装置
进料装置是保证热解过程稳定连续运行的一个重要部分，进料装置的设计既要保证原料输送连续通畅，又要确保装置的密封性。螺旋给料器在中心轴上安装了螺旋片，轴和螺旋片在一固定的外壳内旋转，具有连续输送物料的功能。通过给料器输送能力的变化使原料在给料机内堆积，从而起到原料密封(料封) 的作用。驱动电机为三相异步电动机（Y80M2-4，上海巨鹿电机有限公司），额定功率为0.75kw 。螺旋给料器适用于流动性好、无粘性或者粘性很小、无琢磨性或者琢磨性很小的粉粒状原料，原料颗粒度一般小于5mm [1]。该装置采用螺旋进料器，实现进料稳定的目的，并可有效保证气密性。 （2） 加热系统
采用电阻丝加热，加热腔采用真空成型1430全纤维炉膛，高温电阻丝四周精密加热，炉衬采用陶瓷纤维节能保温结构，炉膛对开式设计，安装使用方便。其技术参数如下:
(1) 加热室尺寸：φ热室尺寸：高温（mm ） (2) 额定功率：4 KW
(3) 最高工作温度：1100 ℃ (4) 常用温度：1000 ℃
(5) 工作电源：220V/串接
（3） 温控系统
热解系统温度控制采用108P 智能仪表为温度控制器，其具有PID 自动调节，50段可编程序，以及上限、断偶、偏差报警等多项稳定与出色的温度控制功能，本实验设置上限报警为1100 ℃，即炉温达到1100 ℃时，电炉将报警并自动停止加热。
（4）气体冷凝及净化装置
气体冷凝净化系统由水循环冷凝管、水洗罐、活性炭过滤罐等组成。热解产生的气体先经过冷凝管，一部分焦油等物质冷凝下来收集到冷凝管底部的平底烧瓶中，残留杂质再经过水洗瓶、柴油洗瓶、活性炭过滤器进一步过滤。
燃气进口
球
形冷凝
器
水洗瓶,500ml
平底烧瓶250ml
柴油洗瓶,500ml
活性炭过滤
流量计，30L/min
循环冷却
水
10℃液体填充量
50%
水浴锅，水温20℃
图2-5 冷凝净化系统
（5）气体采样测量装置
气体产量采用燃气表测量， 精度范围:0.025 m3/h ~ 4m3/h。主要技术参数如表3-2所示。气体样品通过密封集气袋采集，多余的气体排至燃放口点火燃烧。煤气表和采样口之间设置水封瓶，其主要作用是防止气体燃烧过程中气流突然中断导致回火损坏煤气表。气体采样、测量装置如图3-3所示。
表3-2 燃气表主要技术参数
表3-3 气体采样及测量装置
（6）气体分析
气体产物成份采用SP-6890型气相色谱分析仪（山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司）定量测定。定性方法为标准气体保留时间对照法，定量方法为校正归一法。其中H 2、O 2、N 2、CO 、CH 4、CO 2采用TCD 测出，CH 4和低碳烯烃由FID 测出，并以CH 4搭桥计算气相产物的组成。气相色谱仪见图3-4。色谱柱使用不锈钢柱
。测试过程中柱室温度设为70 ℃，检测Ⅰ（氢火焰检测器）120 ℃，
检测Ⅲ（热导池检测器）120 ℃，载气流量为40mL/min。
图3-4 SP-6890型气相色谱分析仪
（7）实验步骤
每次称量1kg 左右样品，然后将料斗密封。实验开始前，将反应器中残余的空气排精。设定反应温度，开启加热炉，当温度上升到指定温度，开启电机，设定电机频率3.0Hz ，带动绞龙转动，开始进料。热解结果产生固态，液态及气态三种产物。固态为焦炭或半焦，液态为焦油及冷凝水的混合物，气态为热解气。固体产物由储灰斗收集；液体产物大部分由冷凝装置收集并称量；气体产量由气体流量计测量。
温度(℃)
测温点
图3-7 反应器温度分布
2.2 样品分析方法 2.2.1 样品热值计算
热值是煤的转化利用过程中的重要参数。煤的低位热值是指将煤完全燃烧后，燃烧产物冷却降温到煤参与反应前的原始温度，并且燃烧产物中的水蒸气冷却到20 ℃（仍以水蒸气形式存在）时，所能释放的全部热量。现已有一些经验公式利用元素成分来估算固体燃料的热值，本文将采用门捷列夫经验公式估算样品的低位热值[1，2]：
式中，C 、H 、O 、S 分别为干燥基中相应元素的质量百分比（ %）；W 为样品中水份含量（ %）。 2.2.2 转化率计算
（1）干气产率，气体产物再标准状态的体积：
(3-1)
，是指单位质量褐煤原料气化后得到的干燥
式中，M 为褐煤原料进料速率 (kg/h)
；为气体流量(Nm3/h)。
(2)
碳转化率，( %)，是指气体产物中碳含量与褐煤中碳含量的比值。
(3-2)
式中，C 为褐煤原料元素分析得到的碳元素质量百分比（ %)
；
为干气产
率(Nm3/kg)；CO 、H 2和CH 4分别为该成分在气体产物中相应的体积百分含量（ %）。
2.2.3 物料平衡计算
由于实验中固体产物由灰斗收集，其质量可以直接称量得到；液态产物由冷
凝装置实验前后的质量差计算得到；而气体产量通过其体积产量与密度计算得到，总产物产量将会与原料进料量之间存在差异。在典型工况条件下的物料平衡如表3-3所示。
表3-3物料平衡计算
由表3-3可以看出，实验中产出与输入的质量之间存在7.41 %的误差，说明各产物产量总和与原料量相差不大，认为实验中采用的确定产物产量的方法是可行的，同时也说明实验将在较小的误差范围内进行。其7.41 %的质量差可能是由于以下几个方面的原因造成的:(1)少量焦油粘附在热解炉炉壁以及管道；(2)反应器内有少量固体残留物；(3)气体成分的检测存在一定的误差。 2.3 实验结果分析
2.3.1 温度对生物质热解效果的影响
温度对生物质热解产物产率的影响，如图2-2所示。由图可知，热解气产率从在700 ℃时的38.0 wt%增加到1000 ℃时的65.4 wt%，产油率随温度的增加由37.5wt%降低到10.2 wt%，焦炭产率随温度增加由35.5 wt%降低到33.4 wt%。表明高温可以促使固定炭和油类中的大分子热解，变为小分子气体，同时。
产物产率/%
温度/℃
图3-8 温度对生物质热解产物分布的影响
气体组分/v o l %
温度/℃
图3-9 温度对生物质热解气体产物组成的影响
温度对生物质热解气体产物组成的影响，如图3所示。由图3可知温度对产物气体组成的的影响较大，随着裂解温度的升高，热解气中CO 和CH 4的含量基本不变， 随着热解温度的升高CO 2 的含量由700 ℃时23.8%降低至1000 ℃时11.5%，H 2含量从700 ℃时20%增加到1000 ℃时43%。 2.3.2 温度对褐煤热解效果的影响
分别在600 ℃，700 ℃，800 ℃，900 ℃，1000 ℃条件下，研究了热解终温对含水率为36.8%褐煤热解特性的影响。热解终温对不同组分产率的影响，如图图3-8所示。由图3-8可知，当热解温度从600 ℃升至1000 ℃时，气相产物产率明显提高，液相和固相产物的产率则相应降低，且液相产物产率的降低幅度与固相产物的降低幅度相当，说明气体产率的增加来自挥发分的二次裂解、半焦的缩聚、以及挥发分和半焦的水蒸气气化反应。
热解产物/v o l %
温度/℃
图3-8 温度对褐煤热解产物分布的影响
气态产物分布/v o l %
温度/℃
图3-9 温度对褐煤热解气体产物组成的影响
热解终温对气相产物组成的影响如图3-9所示，从图3-9可知，当热解终温从600 ℃提高到1000 ℃时， H 2体积分数从23.7 %增大至51.3 %。这是因为当温度升高时，系统为热解所提供的能量相应增大。一方面有利于褐煤中有机物的C −H 键迅速断裂，生成H 2，另一方面，高温度下的水蒸气气化反应有利于H 2的生成。气体中CO 的体积含量虽然在700～750 ℃的阶段减小，但温度继续升高后其含量开始增加。随着温度的升高，气体中CO+H2体积分数由58.55 %增大至75.5 %，。CO 2体积分数虽随着温度继续升高其体积含量开始下
降；CH 4体积含量则随着温度的升高而降低。这是因为在较高得热解温度下，褐煤中的水分迅速转化为高温水蒸气，并同热解产物如C 、CH 4等发生吸热反应[30]。
由图3-9还可以看出，随着热解温度的增加，气体热值逐渐降低，热值变化范围为10.96～13.15 MJ/m3。这是因为虽然燃气中H 2体积分数增加，CH 4和C 2H m 的体积分数减小，且H 2热值不高，使得气体热值随着温度升高逐渐降低。
2.3.3 褐煤与生物质混合比例对共热解效果的影响
在900℃实验条件下研究了生物质掺混比例对热解气体产物分布的影响，结果如图3-10所示。。由图3-10可知，随着生物质比例的增大，气相产物产率明显提高，液
相和固相产物的产率则逐渐降低。这是因为物料的热解主要为挥发分的析出反应，生物中挥发分的含量大于褐煤中的挥发分含量，随着生物质比例的增大，热解原料中挥发分的总含量逐渐增大，而固定炭和灰分的总含量逐渐降低。
质量百分数/%
生物质比例/%
图3-10 生物质掺混比例对热解产物分布的影响
气体组分/v o l %生物质比例/%
图3-11 生物质掺混比例对热解气体产物组成的影响
生物质掺混比例对热解气体产物分布的影响如图3-11所示。由3-11可知，随着生物质掺混比例的增大，热解气体中H 2的含量逐渐降低。而热解气体中CO 、CH 4、CO 2、C 2H m 的体积含量则随着生物质比例的增大逐渐升高。
第3章 褐煤热解成套化装备设计
根据对高含水率褐煤热重及热工实验研究，说明本课题提出的褐煤干燥-热解一体化装置能够实现褐煤的直接热解目的。本章将以内蒙古白音华褐煤为原料，设计褐煤直接热解成套化装备，用以中试试验研究。
3.1 褐煤热解系统总体方案的确定
结合褐煤移动床热解炉的热解优缺点与热解的技术特点，该热解炉设计准则应遵循以下原则：
(1) 热解效率高，燃气质量好。热解后燃气热值>13.0MJ/m3；
(2) 燃气利用率与炉型热效率高；
(3) 热解炉运行稳定，能够连续运行2小时以上；
(4) 结构简单，操作方便，设计合理便于实验操作；
(5) 坚固耐用、安全稳定。选择合理的材料，设计合理的密封口，增加设备运行的可靠性和安全性。
根据以上原则，并结合以上热解炉型的优缺点，设计一套可供褐煤热解研究的一体化热解系统，热解原理为，该热解系统包括，进料机构，预热机构，热解炉和燃气净化机构等组成，其总体结构设计方案如图3-1所示。
1-物料搅拌器，2-螺旋进料机构，3-褐煤预热器，4-热解炉螺旋进料器，5-热解炉， 6-烟气旋风除尘，7-燃气旋风除尘，8-微米燃料进料风机，9-螺旋排灰口，11-防爆水箱
图3-1 热解系统结构示意图
3.2 热解炉各部分尺寸的设计和计算
3.2.1 拟达到的主要技术指标
（1）气化强度
指单位时间内单位横截面能气化的原料量kg/(m2·h) ，移动床一般为100~200 kg/(m2·h) 。因此选择热解强度应保证热解区的温度足以使半焦裂解，水分挥发，以获得优质燃气；另一方面也应保证有较高的热解效率。本文选用的热解强度为φ=150 kg/(m2·h) 。
（2）燃气质量：
主要指标：①燃气低位热值的大小；②燃气里所含焦油和灰尘的多少；③燃气中含一氧化碳、氢气、甲烷量越多，燃气热值越高。热解的燃气中氮气含量少，CO2燃气热值高，本研究取燃气低位热值H m =13MJ/m3。
（3）热解效率：
又称冷气体热效率，指单位质量褐煤所得到的燃气在完全燃烧时放出的热量与热解使用的原料的发热量之比，即：
η=V m H m
H
式中：η为热解效率；V 3
m 为每千克原料产出的燃气量(标准状态下)m /kg；
H m 为燃气低位热值(标准状态下)kJ/m3；H 为原料的低位热值。
国家行业规定η>70％，国内移动床热解炉通常为70％~75％，该热解炉取热解效率η=26％。
3.2.2 热解炉各部分尺寸的设计和计算
一、原料的选取
以内蒙古白音华褐煤为热解原料。其元素分析和工业分析见表2-1
二、褐煤热解炉主要结构参数设计
(1)炉膛截面积的计算
根据上述的热解效率η可知炉膛容积为：
(2-2)
式中：为所需褐煤的质量，kg ；V 3
QT 为气体产量，m ；V m 为每千克原料(4-1)
产出的燃气量(标准状态下) ，m 3/kg；H m 为燃气低位热值(标准状态下) ，kJ/m3；H 为原料的低位热值(标准状态下) ，kJ/kg；ρ为褐煤物料在炉膛内的压实密度，kg/m3。
由于每千克褐煤进行热解可产生约0.3m 3可燃气；本设计实验要求进行中试实验，故设计产气量V QT 约为20~25m3；本炉的热解原料为褐煤，取褐煤的低位热值H=15MJ/kg；根据JB/T9014.4-1999关于物料压实密度的测定方法:
ρ=m 1-m 0 V (2-3)
式中：ρ为物料填实密度， kg/m3；m 1为容重筒和物料试样的质量和，kg ；m 0为容重筒经检定的质量，kg ；V 为容重筒经检定的容积，m 3。
由上述公式测得褐煤的压实密度ρ=750.87kg/m3；由第三章实验结果，褐煤热解燃气低位热值约为13MJ/m3；由此计算炉膛容积为：
(2-4)
(2)热解炉直径和高度的确定
褐煤热解是一个相对复杂的过程(这些过程包括化学动力学过程和热力学过程) ，其中一个重要的特点就是热解产物复杂化，可变性大，它主要受热解炉类型及其内部结构的影响。移动床热解炉内部有明显的分层存在，所以为了得到最佳热解产物及提高燃气的热值，热解炉高度的设计必须保证热解过程充分进行，即保证炉内物料有足够的停留时间，以达到和热解剂充分接触发生反应。
为保证炉膛容积V LT ≥0.2m3，热解室内径为300mm ，则可计算热解炉内筒高度为：
H 高=4V LT 4⨯0.5= 2≈3.04m 2πDπ⨯0.352.83m (2-5)
同时考虑储灰空间（30mm ）的需要，取整数，因此热解炉高度确定为H 高=3.0m。
热解炉常压操作，操作温度约800℃，容器处于低压或常压时，根据强度公
式计算出来的壁厚很薄，可能使焊接造成困难。如果筒壁厚度过薄，将导致刚度不足，极易变形，不能满足运输、安装的要求。因此必须限定一个最小厚度以满足刚度要求。
最小厚度δmin 按下述方法确定。
常压耐高温不锈钢反应器。
1. 当内径D i ≤3800mm 时，δmin =2D i mm ，且不小于3mm 。 1000
2. 当内径D i ≥3800mm 时，δmin 由运输和现场的制造、安装条件确定。
故本研究设计的热解炉内筒选取壁厚7mm(3mm)的不锈钢板是符合要求的。
(3)热解炉的设计
为了解决热解炉间歇操作，进料不连续的问题，该炉型设计成新型外热式。
燃气出口烟气出口
热解室
燃烧室
热解原
料进口微米燃料进口
图2-4 燃烧室结构示意图
采用外加热式热解，热解原料由炉底进入，通过绞龙提升物料。燃气通过高温层由炉体上方产出，使得燃气中部分焦油通过高温层得以裂解，这样出来的燃
气既提高了气体的热值，又降低了燃气中焦油含量。热解室的结构如图2-4所示。
(2) 褐煤进料机构的设计（修改）
图2-5 螺旋进料机构
褐煤进料系统：该系统由褐煤螺旋喂料机和无轴螺旋输送机组成。用轮式装机将预处理后的褐煤送入褐煤螺旋喂料机的大料斗内，机械脱水后的褐煤和干化后返混的褐煤在褐煤定量给料机的双螺旋室内径充分的均化，使干颗粒核的外层涂上一层湿褐煤后形成颗粒，经螺杆成小团颗粒状送入无轴螺旋机料斗，最后由轴螺旋输送机送入褐煤干化装置进行干化，以满足干化最优条件。褐煤螺旋喂料机同时具有褐煤给料量的调节功能，可根据褐煤干化造粒过程的实际运行情况，在较大的范围内对褐煤供料量灵活地调节。
3.3 热解炉总体结构设计
本研究设计的外热式床热解炉最外层是保温层，最内层为热解室。炉底为进料口，炉底为储灰室及出灰机构。保温层保证反应区的温度，减少热损失，既降低了热解炉外壁的温度，避免人在操作热解过程中因与热解炉接触而烫伤，又提高了热解过程的热利用。
燃气出口
烟气出口
热解室
燃烧室热解原
料进口微米燃料进口
图2-6热解炉总体结构
热解炉下部设计出灰端，出灰端为长方体型。
表2.7 褐煤热解炉设计参数
项目
原料，kg/h
出口褐煤气，Nm 3/h
热解停留时间，min 值 25-50 10-25 120 备注 褐煤 燃气温度600℃ —
3.4 结论
本章以对褐煤热解为研究对象，对新型移动床热解炉进行了设计研制，本研究设计采用外热式，解决了传统移动床易“搭桥”的难题。该热解炉的水夹套的设计在一定程度上改良了热解炉炉内温度过高的问题，实现了热解炉低温运作。结构简单的水封炉盖效果良好，还解决了爆炸产生的安全隐患问题。
设计一套可供褐煤热解研究的一体化热解系统，处理量是50kg/h褐煤，该热解系统包括，进料机构，预热机构，热解炉和燃气净化机构等组成，产气量达
到20~25m3，热解停留时间达120min ，燃气温度约为600℃，热解炉高度达3.2m ，热解室内径为300mm 。
本研究设计的热解炉主要由炉体、燃烧室、热解室、外保温层，螺旋绞龙，出灰机构，螺旋进料机构等几部分组成。该新型移动床热解炉的结构示意图如图2-8所示。
图2-8 热解炉结构示意图
第4章 结论
本文使用小型移动床热解炉，对生物质以及生物质与褐煤的混合物进行了热解实验研究。以制备气体燃料为目的，首先对生物质进行了热解实验，考察了热解温度对生物质热解产物分布和产气组成的影响。为了改善生物质的热解效果，用褐煤与生物质进行混合热解实验研究，获得了掺混比对产物分布规律及气体成分的影响规律。总结全文，得到如下结论
(1) 考察了温度对生物质热解的影响。
(2) 考察了反应温度对褐煤热解特性的影响。当热解温度从600 ℃升至1000 ℃时，气相产物产率明显提高，液相和固相产物的产率则相应降低，且液相产物产率的降低幅度与固相产物的降低幅度相当，说明气体产率的增加来自挥发分的二次裂解、半焦的缩聚、以及挥发分和半焦的水蒸气气化反应。
(3) 进行了生物质与褐煤共热解实验，考察了生物质配比对反应的影响。褐煤与生物质进行共热解时，随着生物质比例的增大，气相产物产率明显提高，液相和固相产物的产率则逐渐降低。随着生物质掺混比例的增大，热解气体中H 2的含量逐渐降低。而热解气体中CO 、CH 4、CO 2、C 2H m 的体积含量则随着生物质比例的增大逐渐升高。
(4) 设计了一套可用于褐煤热解的一体化热解系统，褐煤处理量为50kg/h，该热解系统包括，进料机构，预热机构，热解炉和燃气净化机构等组成，产气量达到20~25m3/h，热解停留时间30min ，热解炉高度达3200mm ，热解室内径为300mm 。
(5) 利用污泥热解残渣进行水蒸气气化反应制取富氢燃气，一方面对残渣进行了资源化利用，得到了富氢燃气，另一方面进一步降低了固体剩余物的量。
参考文献
2013届毕业设计论文 课题名称 院 （系）
专 业
姓 名 学 号
起讫日期
指导教师
生物质高温热解装置的研制 机械与动力工程学院 过程装备与控制工程 高豪杰 2013-2-20至2013-6-10
2013年 6月 8 日
第1章 前言
能源是人类生产和生活必需的基本物质保障，是确保人类社会文明进步和经济发展最为重要的物质基础。能源和环境问题已成为全球关注的焦点，随着我国能源消耗的迅速增长，化石燃料的大量使用带来了严重的环境污染。将生物质能源转化各种清洁能源和化工产品，减少对于化石能源的依赖，是轻环境造成的重要污染。目前，世界各国都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。
与煤炭和石油天然气等化石燃料相比，生物质的特点是是低固定碳、高挥发分、低灰分。生物质的化学活性较好，硫含量低，生物质的这些特性决定了它十分适宜进行热解气化。生物质能的转换利用形式主要包括化学转化、物理转化和生物转化，涉及热解、气化、液化、成型和直接燃烧等技术。在众多技术中，生物质高温热解气化是实现生物质高效及清洁利用的重要途径，通过生物质在高温条件下热解可以产生中热值的合成气，并用于供热、发电和作为化工合成原料气，具有广阔的应用前景。
1.1生物质能的特点
1.1.1 可再生性
生物质能属可再生资源，生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能等同属可再生能源，资源丰富，可保证能源的永续利用。在各种可再生能源中，生物质是唯一可再生的碳资源。
1.1.2 低污染性
与矿物燃料相比，它的挥发分高，炭活性高，含硫量和灰分都比较低，因此燃烧过程中生成的SO X 、NO X 较少。生物质作为燃料时，其生长时需要的CO 2相当于它排放的CO 2的量，因而对大气的CO 2净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应。
1.1.3 资源丰富
生物质能是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算，地球陆地每年生产1000～1250亿吨生物质；海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量，相当于目前世界总能耗的10倍。
1.1.4 广泛应用性
生物质能源可以以沼气、压缩成型固体燃料、气化生产燃气、燃料酒精、生物柴油等形式存在，应用于国民经济的各个领域。
1.2 生物质能的利用方式分类
图1．生物质能的利用方式
(1)直接燃烧技术：直接燃烧大致可分炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾焚烧和固体燃料燃烧四种情况。炉灶燃烧是最原始的利用方法，一般适用于农村或山区分散独立的家庭用户，它投资最省，但是效率最低。锅炉燃烧采用了现代化的锅炉技术，适用于大规模利用生物质。它最主要的优点是效率高，并且可实现工业化
生产；缺点是投资高、而且不适于分散小规模使用。固型燃料燃烧是把生物质固化成型后再采用传统的燃煤设备燃用，主要优点是所采用的热力设备是传统的定型产品，不必经过特殊的设计或处理；主要缺点是运行成本高，所以它比较适合企业对原有设备进行技术改造时，在不重复投资前提下，以生物质代替煤，以达到节能的目的，或应用于对污染要求特别严格的场所，如饭店烧烤等。
(2)物化转换技术：物化转换技术包括三方面，一是干馏技术；二是气化制生物质燃气；三是热解制生物质油。干馏技术主要目的是同时生产生物质炭和燃气，它可以把能量密度低的生物质转化为热值较高的固定炭或气，炭和燃气可分别用于不同用途。优点是设备简单，可以生物产炭和多种化工产品，缺点是利用率较低，而且适用性较小，一般只适用于木质生物质的特殊利用。生物质热解气化是把生物质转化为可燃气的技术，根据技术路线的不同，可以是低热值气，也可以是中热值气。它的主要优点是生物质转化为可燃气后，利用效率较高，而且用途广泛，如可以用作生活煤气，也可以用于烧锅炉或直接发电。主要缺点是系统复杂，而且由于生成的燃气不便于储存和运输，必须有专门的用户或配套的利用设施。热解制油是通过热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术，它的主要优点是可以把生物质制成油品燃料，作为石油产品替代品，用途和附加值大大提高，主要缺点是技术复杂，目前的成本仍然太高。
(3)生化转换技术：生化转换技术主要是以厌氧消化和特种酶技术为主。沼气发酵是有机物质(为碳水化合物、脂肪、蛋白质等) 在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经过沼气菌群发酵(消化) 生成沼气、消化液和消化污泥(沉渣) 。这个过程就叫沼气发酵或厌氧消化。它包括小型的农村沼气技术和大型的厌氧处理污水的工程。它主要优点是提供的能源形式为沼气(CH4) ，非常洁净，具有显著的环保效益；主要缺点是能源产出低，投资大，所以比较适宜于以环保为目标的污水处理工程或以有机易腐物为主的垃圾的堆肥过程。利用生物技术(包括酶技术) 把生物质转化为乙醇的主要目的是制取液体燃料，它的主要优点可以使生物质变为清洁燃料，拓宽用途，提高效率；主要缺点是转换速度太慢，投资较大，成本相对较高。
(4) 植物油利用技术：能源植物油是一类贮存于植物器官中，经加工后，可以提取植物燃料油的油性物质。它通过植物有机体内一系列的生理生化过程形
成，以一定的结构形式存在于油脂或挥发性油类等物质中。能源油料植物是一类含有能源植物油成分的种和变种，是一类再生资源。能源油料植物主要包括油脂植物和具有制成还原形式烃的能力，接近石油成分，可以替代石油使用的植物。植物燃料油是通过能源油料植物油的提取加工后，生产出的一种可以替代石化能源的燃性油料物质。它的主要优点是提炼和生产技术简单，主要缺点是油产率较低，速度很慢，而且品种的筛选和培育也较困难。
1.3 生物质热解气化技术原理
生物质热解气化技术是一种热化学处理技术，通过气化炉将固态生物质转换为使用方便而且清洁的可燃气体，用作燃料或生产动力。其基本原理是生物质热解是指生物质在没有气化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有原位水蒸气存在的条件下，加热到高温，通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。生物质热解的燃料能源转化率可达95.5%，可最大限度的将生物质能量转化为能源产品。
1.4 生物质热解技术的研究进展
1.4.1 国外进展
Acharya 等开展了木屑水蒸气气化的实验研究，分析了反应温度、水蒸气/生物质比率和CaO/生物质比率对气化效果的影响，发现随着温度的升高，氢气的产率一直在增大，并在710℃时获得最大氢气产率30.08mL/g，但是当温度高于670℃时，产气中H 2的体积分数有所降低。
Luo 等在固定床反应器上进行了松木屑水蒸气气化实验，研究了反应温度和水蒸气/生物质比率对生物质气化行为的影响，发现反应温度对生物质水蒸气气化特性有明显影响，当温度从600℃变化到900℃时，干气体产率和碳转化率从
1.15Nm 3/t和61.96%分别增大至2.53Nm 3/t和92.59%，产气中H 2和CO 2的体积分数明显变大，而CO 和CH 4的体积分数显著减小。他们还指出水蒸气的加入促使更多的焦油参与水蒸气气化反应，导致干气体产率和碳转化率明显增大.
Demirbas 在固定床反应器上开展了4种坚果壳的慢速热解实验研究，考察了温度(500~1200K)对热解产物分布及焦特性的影响，得出了以下主要结论：随着温度的升高，焦的产率在减小，液体产物产率先增大后减小，气体产物产率先略微减小后增大，生物质焦中炭元素的含量在增大，而氢元素和氧元素的含量在减小，其热值一直在增大。
Blasi 等在堆积床上开展了木质和农业废弃物(木屑、麦秆、橄榄壳、葡萄残渣和谷壳) 的热解实验研究，温度在650~1000K内变化，发现温度对热解产物的产率有明显影响。
1.4.2 国内进展
我国的生物质热解气化研究和应用起步比较早，早在二十世纪四十年代，用木炭气化炉发生气驱动的汽车就己在我国许多城市使用。
黄浩等提出了湿生物质定向气化制取高浓度氢气的工艺，该工艺将湿生物质干燥、热解、蒸汽气化和高温原位CO 2分离集中在一个反应器内进行，应用湿份干燥产生的蒸汽进行蒸汽气化，在获取产氢浓度较高的气化气的同时简化操作，降低能耗。
郭烈锦等在超临界水中进行生物质的催化气化，生物质的气化率可达到100%，气体产物中H 2的体积百分含量甚至可超过50%，反应不生成焦油、木炭等副产品，不会造成二次污染。
山东能源所研制出燃用农作物秸秆(以玉米秆为主) 的固定床气化炉，经热解产气，成功地向50多个试点村的村民送上管道煤气。
1.5 热解反应器的类型
目前世界上生物质热裂解反应器主要有固定床反应器、旋风反应器、流化床反应器、辐射炉、携带流动式反应器、循环流化床反应器、旋转叶片反应器、旋转锥反应器、多炉膛反应器等多种形式，但每种设备都有它的优缺点，主要有：
(1)．流化床：其特点是设备小巧，气相停留时间很短，可以防止热解蒸汽的二次裂解， 效率很高，并容易工业放大，但原料颗粒尺寸要求较小，这就大大增加了原料的加工成本，而且规模大时热效率较低。
图2．流化床反应器原理图
(2)．真空移动床：其优点是热解蒸汽停留时间很短，减少了二次裂解，但反应器要有非常好的真空度，这就对真空泵和密封材料提高了要求，因此增大了制造成本和运行难度。
(3)．旋转锥反应器：其有可以压实物料、隔绝流动气体的优势，而且升温速度快，固相滞留期短，气相滞留期小，反应过程不需要载气体，不需要很大的装置体积和高成本，但设备的某些结构还不够完善，还处于研究探索阶段。
图3旋转锥反应器示意图
(4)．烧蚀反应器：该设备相对于其他系统可以用粒径为2-6.35mm 的大颗粒生物质作为原料，但生产的油中的O 含量比较高。
图4．烧蚀反应器示意图
(5)．引流床：该设备通过燃烧丙烷产生高温气体与木屑融合，并向上流动穿过反应器，在反应器中发生热解反应，生成不凝性气体、水蒸气、生物油和炭。经过水喷式冷凝器和空气冷凝器快速冷却、收集，生物油的得率可达60%。但该设备需要大量高温燃烧气，并产生大量低热值的不凝气，这个缺点使得此技术的发展前景不大。
(6)．循环流化床和输运床：此两种设备虽然可以解决热量转化问题，但不易于大型化使用，而且还有焦渣磨损设备的问题。
图5．循环流化床示意图
1.6 结论
国内外的研究者们已对生物质热解和气化进行了大量实验研究，并详细分析了不同因素对热解和气化特性的影响。随着技术的不断完善，研究的方向和重点也在拓宽，不仅仅侧重于热解反应器类型及反应参数，以寻求产物最大化。整体利用生物质资源的联合工艺，以及优化系统整体热效率使得热解技术产生经济效益最大化、具有相当大潜力的发展方向。
生物质热解技术研究方向应侧重于如何提高热解产品收率，寻求高效精制技术，提高热解气品质，提高整个热解过程的热效率，实现产物的综合利用和工业化生产等方面。例如：开发一种新型的反应器，将湿生物质干燥、热解、蒸汽气化集中在一个反应器内进行，用高含水率生物质干燥产生的原位蒸汽作为气化介质进行蒸汽气化，可以省去预热干燥处理和水蒸汽制备，降低能耗，且提高过程热效率。在获取产H 2浓度较高的气化气的同时简化操作，降低能耗。
第2章 生物质与褐煤热解实验研究
2.1实验材料及实验装置
本实所用褐煤为内蒙古白音华褐煤，并筛选出筛分出粒径小于 0.075mm 的样品作为实验样品。
本实验中所用的生物质为松木木屑。松木锯末是一种典型的木质生物质，主要由木质素、聚合体纤维素、半纤维素以及灰分和提取物构成。生物质经干燥破碎后，筛分出粒径小于 0.075 mm 的样品保存备用。
原料的工业分析和元素分析如表2-1所示。
表2-1 原料的工业分析和元素分析
原料种类
褐煤 工业分析（ %） a b b b b 元素分析( %)
b b b b 33.20 17.84 41.59 40.37 56.11 4.49 20.22 1.64 0.70
a ─收到基；b ─干燥基；c ─干燥无灰基；d ─差值计算.
本实验所用装置为高温移动床管式热解炉，主要由螺旋进料器、热解炉、温度控制装置、温度检测系统等部分组成。反应器尺寸为Φ76 mm×5 mm，炉管内径66 mm，长度L=1700 mm。炉内有效装料空间为3.74×10-3 m 3。加热方式为管式炉加热，加热区长度500 mm，恒温区长度220 mm，最高加热温度为1100 ℃。料斗与储灰斗的体积均为0.064 m3，实验过程为连续进料，待物料完全反应，为一组实验。其装置图及流程图分别如图2-1、2-2所示。
图2-1管式热解炉装置图
1-驱动电机，2-加料斗，3-螺旋给料器，4-加热炉，5-储灰斗，6-排气孔
图2-2 热解系统流程图
高温移动床管式热解炉测温点具体布置情况如图2-3所示。具体布置方案如下:以炉管中心为测量原点，分别沿炉管两侧以100 mm的间距布置测温点，共计13个测温点，分布图如图3-5所示。其中6#、7#、8#测温点炉管中部温度。图2-4给出设定900 ℃热解终温的实验过程中，该三个测温点的温度变化曲线。其中，横坐标为数据采集系统启动时间，纵坐标为任意时刻温度。从图2-4看到，三个测温点的温度从开始记录经过约约35min ，这一过程为快速升温阶段，温度达到850 ℃左右，此后一段时间温度曲线趋于平缓，说明已接近设定温度，升温速率减缓；70min 左右，三个测温点均达到设定温度，而此时测温点6#温度开始下降，约十五分钟后开始上升。产生这一现象有三方面原因：1、当热解炉内温度达到设定温度，启动电机开始进料，处于室温的物料进入到热解炉，由温差产生吸热反应；2、热解本身属于吸热反应；3、蒸发产生的水蒸汽发生蒸汽重整反应也属于吸热反应[3]，三个原因综合导致测温点6#温度下降。而测温点7#和测温点8#并没有此现象，说明物料已充分热解，温度趋于稳定。140min 左右时，实验结束，关闭加热炉，三个测温点温度均开始下降。
图2-3 热解炉炉管测温点分布图
T (℃)
time(min)
图2-4 反应器中心区域温度变化曲线
图3-7为稳定工况，反应器温度分布曲线图。由图可知，反应器前半部分为预热段，温度较低；中间部分为高温热解段，温度分布较均匀。反应器热解系统采用螺旋进料器，通过调频电机控制进料速率，实现连续稳定进料。 （1）进料装置
进料装置是保证热解过程稳定连续运行的一个重要部分，进料装置的设计既要保证原料输送连续通畅，又要确保装置的密封性。螺旋给料器在中心轴上安装了螺旋片，轴和螺旋片在一固定的外壳内旋转，具有连续输送物料的功能。通过给料器输送能力的变化使原料在给料机内堆积，从而起到原料密封(料封) 的作用。驱动电机为三相异步电动机（Y80M2-4，上海巨鹿电机有限公司），额定功率为0.75kw 。螺旋给料器适用于流动性好、无粘性或者粘性很小、无琢磨性或者琢磨性很小的粉粒状原料，原料颗粒度一般小于5mm [1]。该装置采用螺旋进料器，实现进料稳定的目的，并可有效保证气密性。 （2） 加热系统
采用电阻丝加热，加热腔采用真空成型1430全纤维炉膛，高温电阻丝四周精密加热，炉衬采用陶瓷纤维节能保温结构，炉膛对开式设计，安装使用方便。其技术参数如下:
(1) 加热室尺寸：φ热室尺寸：高温（mm ） (2) 额定功率：4 KW
(3) 最高工作温度：1100 ℃ (4) 常用温度：1000 ℃
(5) 工作电源：220V/串接
（3） 温控系统
热解系统温度控制采用108P 智能仪表为温度控制器，其具有PID 自动调节，50段可编程序，以及上限、断偶、偏差报警等多项稳定与出色的温度控制功能，本实验设置上限报警为1100 ℃，即炉温达到1100 ℃时，电炉将报警并自动停止加热。
（4）气体冷凝及净化装置
气体冷凝净化系统由水循环冷凝管、水洗罐、活性炭过滤罐等组成。热解产生的气体先经过冷凝管，一部分焦油等物质冷凝下来收集到冷凝管底部的平底烧瓶中，残留杂质再经过水洗瓶、柴油洗瓶、活性炭过滤器进一步过滤。
燃气进口
球
形冷凝
器
水洗瓶,500ml
平底烧瓶250ml
柴油洗瓶,500ml
活性炭过滤
流量计，30L/min
循环冷却
水
10℃液体填充量
50%
水浴锅，水温20℃
图2-5 冷凝净化系统
（5）气体采样测量装置
气体产量采用燃气表测量， 精度范围:0.025 m3/h ~ 4m3/h。主要技术参数如表3-2所示。气体样品通过密封集气袋采集，多余的气体排至燃放口点火燃烧。煤气表和采样口之间设置水封瓶，其主要作用是防止气体燃烧过程中气流突然中断导致回火损坏煤气表。气体采样、测量装置如图3-3所示。
表3-2 燃气表主要技术参数
表3-3 气体采样及测量装置
（6）气体分析
气体产物成份采用SP-6890型气相色谱分析仪（山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司）定量测定。定性方法为标准气体保留时间对照法，定量方法为校正归一法。其中H 2、O 2、N 2、CO 、CH 4、CO 2采用TCD 测出，CH 4和低碳烯烃由FID 测出，并以CH 4搭桥计算气相产物的组成。气相色谱仪见图3-4。色谱柱使用不锈钢柱
。测试过程中柱室温度设为70 ℃，检测Ⅰ（氢火焰检测器）120 ℃，
检测Ⅲ（热导池检测器）120 ℃，载气流量为40mL/min。
图3-4 SP-6890型气相色谱分析仪
（7）实验步骤
每次称量1kg 左右样品，然后将料斗密封。实验开始前，将反应器中残余的空气排精。设定反应温度，开启加热炉，当温度上升到指定温度，开启电机，设定电机频率3.0Hz ，带动绞龙转动，开始进料。热解结果产生固态，液态及气态三种产物。固态为焦炭或半焦，液态为焦油及冷凝水的混合物，气态为热解气。固体产物由储灰斗收集；液体产物大部分由冷凝装置收集并称量；气体产量由气体流量计测量。
温度(℃)
测温点
图3-7 反应器温度分布
2.2 样品分析方法 2.2.1 样品热值计算
热值是煤的转化利用过程中的重要参数。煤的低位热值是指将煤完全燃烧后，燃烧产物冷却降温到煤参与反应前的原始温度，并且燃烧产物中的水蒸气冷却到20 ℃（仍以水蒸气形式存在）时，所能释放的全部热量。现已有一些经验公式利用元素成分来估算固体燃料的热值，本文将采用门捷列夫经验公式估算样品的低位热值[1，2]：
式中，C 、H 、O 、S 分别为干燥基中相应元素的质量百分比（ %）；W 为样品中水份含量（ %）。 2.2.2 转化率计算
（1）干气产率，气体产物再标准状态的体积：
(3-1)
，是指单位质量褐煤原料气化后得到的干燥
式中，M 为褐煤原料进料速率 (kg/h)
；为气体流量(Nm3/h)。
(2)
碳转化率，( %)，是指气体产物中碳含量与褐煤中碳含量的比值。
(3-2)
式中，C 为褐煤原料元素分析得到的碳元素质量百分比（ %)
；
为干气产
率(Nm3/kg)；CO 、H 2和CH 4分别为该成分在气体产物中相应的体积百分含量（ %）。
2.2.3 物料平衡计算
由于实验中固体产物由灰斗收集，其质量可以直接称量得到；液态产物由冷
凝装置实验前后的质量差计算得到；而气体产量通过其体积产量与密度计算得到，总产物产量将会与原料进料量之间存在差异。在典型工况条件下的物料平衡如表3-3所示。
表3-3物料平衡计算
由表3-3可以看出，实验中产出与输入的质量之间存在7.41 %的误差，说明各产物产量总和与原料量相差不大，认为实验中采用的确定产物产量的方法是可行的，同时也说明实验将在较小的误差范围内进行。其7.41 %的质量差可能是由于以下几个方面的原因造成的:(1)少量焦油粘附在热解炉炉壁以及管道；(2)反应器内有少量固体残留物；(3)气体成分的检测存在一定的误差。 2.3 实验结果分析
2.3.1 温度对生物质热解效果的影响
温度对生物质热解产物产率的影响，如图2-2所示。由图可知，热解气产率从在700 ℃时的38.0 wt%增加到1000 ℃时的65.4 wt%，产油率随温度的增加由37.5wt%降低到10.2 wt%，焦炭产率随温度增加由35.5 wt%降低到33.4 wt%。表明高温可以促使固定炭和油类中的大分子热解，变为小分子气体，同时。
产物产率/%
温度/℃
图3-8 温度对生物质热解产物分布的影响
气体组分/v o l %
温度/℃
图3-9 温度对生物质热解气体产物组成的影响
温度对生物质热解气体产物组成的影响，如图3所示。由图3可知温度对产物气体组成的的影响较大，随着裂解温度的升高，热解气中CO 和CH 4的含量基本不变， 随着热解温度的升高CO 2 的含量由700 ℃时23.8%降低至1000 ℃时11.5%，H 2含量从700 ℃时20%增加到1000 ℃时43%。 2.3.2 温度对褐煤热解效果的影响
分别在600 ℃，700 ℃，800 ℃，900 ℃，1000 ℃条件下，研究了热解终温对含水率为36.8%褐煤热解特性的影响。热解终温对不同组分产率的影响，如图图3-8所示。由图3-8可知，当热解温度从600 ℃升至1000 ℃时，气相产物产率明显提高，液相和固相产物的产率则相应降低，且液相产物产率的降低幅度与固相产物的降低幅度相当，说明气体产率的增加来自挥发分的二次裂解、半焦的缩聚、以及挥发分和半焦的水蒸气气化反应。
热解产物/v o l %
温度/℃
图3-8 温度对褐煤热解产物分布的影响
气态产物分布/v o l %
温度/℃
图3-9 温度对褐煤热解气体产物组成的影响
热解终温对气相产物组成的影响如图3-9所示，从图3-9可知，当热解终温从600 ℃提高到1000 ℃时， H 2体积分数从23.7 %增大至51.3 %。这是因为当温度升高时，系统为热解所提供的能量相应增大。一方面有利于褐煤中有机物的C −H 键迅速断裂，生成H 2，另一方面，高温度下的水蒸气气化反应有利于H 2的生成。气体中CO 的体积含量虽然在700～750 ℃的阶段减小，但温度继续升高后其含量开始增加。随着温度的升高，气体中CO+H2体积分数由58.55 %增大至75.5 %，。CO 2体积分数虽随着温度继续升高其体积含量开始下
降；CH 4体积含量则随着温度的升高而降低。这是因为在较高得热解温度下，褐煤中的水分迅速转化为高温水蒸气，并同热解产物如C 、CH 4等发生吸热反应[30]。
由图3-9还可以看出，随着热解温度的增加，气体热值逐渐降低，热值变化范围为10.96～13.15 MJ/m3。这是因为虽然燃气中H 2体积分数增加，CH 4和C 2H m 的体积分数减小，且H 2热值不高，使得气体热值随着温度升高逐渐降低。
2.3.3 褐煤与生物质混合比例对共热解效果的影响
在900℃实验条件下研究了生物质掺混比例对热解气体产物分布的影响，结果如图3-10所示。。由图3-10可知，随着生物质比例的增大，气相产物产率明显提高，液
相和固相产物的产率则逐渐降低。这是因为物料的热解主要为挥发分的析出反应，生物中挥发分的含量大于褐煤中的挥发分含量，随着生物质比例的增大，热解原料中挥发分的总含量逐渐增大，而固定炭和灰分的总含量逐渐降低。
质量百分数/%
生物质比例/%
图3-10 生物质掺混比例对热解产物分布的影响
气体组分/v o l %生物质比例/%
图3-11 生物质掺混比例对热解气体产物组成的影响
生物质掺混比例对热解气体产物分布的影响如图3-11所示。由3-11可知，随着生物质掺混比例的增大，热解气体中H 2的含量逐渐降低。而热解气体中CO 、CH 4、CO 2、C 2H m 的体积含量则随着生物质比例的增大逐渐升高。
第3章 褐煤热解成套化装备设计
根据对高含水率褐煤热重及热工实验研究，说明本课题提出的褐煤干燥-热解一体化装置能够实现褐煤的直接热解目的。本章将以内蒙古白音华褐煤为原料，设计褐煤直接热解成套化装备，用以中试试验研究。
3.1 褐煤热解系统总体方案的确定
结合褐煤移动床热解炉的热解优缺点与热解的技术特点，该热解炉设计准则应遵循以下原则：
(1) 热解效率高，燃气质量好。热解后燃气热值>13.0MJ/m3；
(2) 燃气利用率与炉型热效率高；
(3) 热解炉运行稳定，能够连续运行2小时以上；
(4) 结构简单，操作方便，设计合理便于实验操作；
(5) 坚固耐用、安全稳定。选择合理的材料，设计合理的密封口，增加设备运行的可靠性和安全性。
根据以上原则，并结合以上热解炉型的优缺点，设计一套可供褐煤热解研究的一体化热解系统，热解原理为，该热解系统包括，进料机构，预热机构，热解炉和燃气净化机构等组成，其总体结构设计方案如图3-1所示。
1-物料搅拌器，2-螺旋进料机构，3-褐煤预热器，4-热解炉螺旋进料器，5-热解炉， 6-烟气旋风除尘，7-燃气旋风除尘，8-微米燃料进料风机，9-螺旋排灰口，11-防爆水箱
图3-1 热解系统结构示意图
3.2 热解炉各部分尺寸的设计和计算
3.2.1 拟达到的主要技术指标
（1）气化强度
指单位时间内单位横截面能气化的原料量kg/(m2·h) ，移动床一般为100~200 kg/(m2·h) 。因此选择热解强度应保证热解区的温度足以使半焦裂解，水分挥发，以获得优质燃气；另一方面也应保证有较高的热解效率。本文选用的热解强度为φ=150 kg/(m2·h) 。
（2）燃气质量：
主要指标：①燃气低位热值的大小；②燃气里所含焦油和灰尘的多少；③燃气中含一氧化碳、氢气、甲烷量越多，燃气热值越高。热解的燃气中氮气含量少，CO2燃气热值高，本研究取燃气低位热值H m =13MJ/m3。
（3）热解效率：
又称冷气体热效率，指单位质量褐煤所得到的燃气在完全燃烧时放出的热量与热解使用的原料的发热量之比，即：
η=V m H m
H
式中：η为热解效率；V 3
m 为每千克原料产出的燃气量(标准状态下)m /kg；
H m 为燃气低位热值(标准状态下)kJ/m3；H 为原料的低位热值。
国家行业规定η>70％，国内移动床热解炉通常为70％~75％，该热解炉取热解效率η=26％。
3.2.2 热解炉各部分尺寸的设计和计算
一、原料的选取
以内蒙古白音华褐煤为热解原料。其元素分析和工业分析见表2-1
二、褐煤热解炉主要结构参数设计
(1)炉膛截面积的计算
根据上述的热解效率η可知炉膛容积为：
(2-2)
式中：为所需褐煤的质量，kg ；V 3
QT 为气体产量，m ；V m 为每千克原料(4-1)
产出的燃气量(标准状态下) ，m 3/kg；H m 为燃气低位热值(标准状态下) ，kJ/m3；H 为原料的低位热值(标准状态下) ，kJ/kg；ρ为褐煤物料在炉膛内的压实密度，kg/m3。
由于每千克褐煤进行热解可产生约0.3m 3可燃气；本设计实验要求进行中试实验，故设计产气量V QT 约为20~25m3；本炉的热解原料为褐煤，取褐煤的低位热值H=15MJ/kg；根据JB/T9014.4-1999关于物料压实密度的测定方法:
ρ=m 1-m 0 V (2-3)
式中：ρ为物料填实密度， kg/m3；m 1为容重筒和物料试样的质量和，kg ；m 0为容重筒经检定的质量，kg ；V 为容重筒经检定的容积，m 3。
由上述公式测得褐煤的压实密度ρ=750.87kg/m3；由第三章实验结果，褐煤热解燃气低位热值约为13MJ/m3；由此计算炉膛容积为：
(2-4)
(2)热解炉直径和高度的确定
褐煤热解是一个相对复杂的过程(这些过程包括化学动力学过程和热力学过程) ，其中一个重要的特点就是热解产物复杂化，可变性大，它主要受热解炉类型及其内部结构的影响。移动床热解炉内部有明显的分层存在，所以为了得到最佳热解产物及提高燃气的热值，热解炉高度的设计必须保证热解过程充分进行，即保证炉内物料有足够的停留时间，以达到和热解剂充分接触发生反应。
为保证炉膛容积V LT ≥0.2m3，热解室内径为300mm ，则可计算热解炉内筒高度为：
H 高=4V LT 4⨯0.5= 2≈3.04m 2πDπ⨯0.352.83m (2-5)
同时考虑储灰空间（30mm ）的需要，取整数，因此热解炉高度确定为H 高=3.0m。
热解炉常压操作，操作温度约800℃，容器处于低压或常压时，根据强度公
式计算出来的壁厚很薄，可能使焊接造成困难。如果筒壁厚度过薄，将导致刚度不足，极易变形，不能满足运输、安装的要求。因此必须限定一个最小厚度以满足刚度要求。
最小厚度δmin 按下述方法确定。
常压耐高温不锈钢反应器。
1. 当内径D i ≤3800mm 时，δmin =2D i mm ，且不小于3mm 。 1000
2. 当内径D i ≥3800mm 时，δmin 由运输和现场的制造、安装条件确定。
故本研究设计的热解炉内筒选取壁厚7mm(3mm)的不锈钢板是符合要求的。
(3)热解炉的设计
为了解决热解炉间歇操作，进料不连续的问题，该炉型设计成新型外热式。
燃气出口烟气出口
热解室
燃烧室
热解原
料进口微米燃料进口
图2-4 燃烧室结构示意图
采用外加热式热解，热解原料由炉底进入，通过绞龙提升物料。燃气通过高温层由炉体上方产出，使得燃气中部分焦油通过高温层得以裂解，这样出来的燃
气既提高了气体的热值，又降低了燃气中焦油含量。热解室的结构如图2-4所示。
(2) 褐煤进料机构的设计（修改）
图2-5 螺旋进料机构
褐煤进料系统：该系统由褐煤螺旋喂料机和无轴螺旋输送机组成。用轮式装机将预处理后的褐煤送入褐煤螺旋喂料机的大料斗内，机械脱水后的褐煤和干化后返混的褐煤在褐煤定量给料机的双螺旋室内径充分的均化，使干颗粒核的外层涂上一层湿褐煤后形成颗粒，经螺杆成小团颗粒状送入无轴螺旋机料斗，最后由轴螺旋输送机送入褐煤干化装置进行干化，以满足干化最优条件。褐煤螺旋喂料机同时具有褐煤给料量的调节功能，可根据褐煤干化造粒过程的实际运行情况，在较大的范围内对褐煤供料量灵活地调节。
3.3 热解炉总体结构设计
本研究设计的外热式床热解炉最外层是保温层，最内层为热解室。炉底为进料口，炉底为储灰室及出灰机构。保温层保证反应区的温度，减少热损失，既降低了热解炉外壁的温度，避免人在操作热解过程中因与热解炉接触而烫伤，又提高了热解过程的热利用。
燃气出口
烟气出口
热解室
燃烧室热解原
料进口微米燃料进口
图2-6热解炉总体结构
热解炉下部设计出灰端，出灰端为长方体型。
表2.7 褐煤热解炉设计参数
项目
原料，kg/h
出口褐煤气，Nm 3/h
热解停留时间，min 值 25-50 10-25 120 备注 褐煤 燃气温度600℃ —
3.4 结论
本章以对褐煤热解为研究对象，对新型移动床热解炉进行了设计研制，本研究设计采用外热式，解决了传统移动床易“搭桥”的难题。该热解炉的水夹套的设计在一定程度上改良了热解炉炉内温度过高的问题，实现了热解炉低温运作。结构简单的水封炉盖效果良好，还解决了爆炸产生的安全隐患问题。
设计一套可供褐煤热解研究的一体化热解系统，处理量是50kg/h褐煤，该热解系统包括，进料机构，预热机构，热解炉和燃气净化机构等组成，产气量达
到20~25m3，热解停留时间达120min ，燃气温度约为600℃，热解炉高度达3.2m ，热解室内径为300mm 。
本研究设计的热解炉主要由炉体、燃烧室、热解室、外保温层，螺旋绞龙，出灰机构，螺旋进料机构等几部分组成。该新型移动床热解炉的结构示意图如图2-8所示。
图2-8 热解炉结构示意图
第4章 结论
本文使用小型移动床热解炉，对生物质以及生物质与褐煤的混合物进行了热解实验研究。以制备气体燃料为目的，首先对生物质进行了热解实验，考察了热解温度对生物质热解产物分布和产气组成的影响。为了改善生物质的热解效果，用褐煤与生物质进行混合热解实验研究，获得了掺混比对产物分布规律及气体成分的影响规律。总结全文，得到如下结论
(1) 考察了温度对生物质热解的影响。
(2) 考察了反应温度对褐煤热解特性的影响。当热解温度从600 ℃升至1000 ℃时，气相产物产率明显提高，液相和固相产物的产率则相应降低，且液相产物产率的降低幅度与固相产物的降低幅度相当，说明气体产率的增加来自挥发分的二次裂解、半焦的缩聚、以及挥发分和半焦的水蒸气气化反应。
(3) 进行了生物质与褐煤共热解实验，考察了生物质配比对反应的影响。褐煤与生物质进行共热解时，随着生物质比例的增大，气相产物产率明显提高，液相和固相产物的产率则逐渐降低。随着生物质掺混比例的增大，热解气体中H 2的含量逐渐降低。而热解气体中CO 、CH 4、CO 2、C 2H m 的体积含量则随着生物质比例的增大逐渐升高。
(4) 设计了一套可用于褐煤热解的一体化热解系统，褐煤处理量为50kg/h，该热解系统包括，进料机构，预热机构，热解炉和燃气净化机构等组成，产气量达到20~25m3/h，热解停留时间30min ，热解炉高度达3200mm ，热解室内径为300mm 。
(5) 利用污泥热解残渣进行水蒸气气化反应制取富氢燃气，一方面对残渣进行了资源化利用，得到了富氢燃气，另一方面进一步降低了固体剩余物的量。
参考文献