移動液化反應器設計與流態化模擬研究

0移動熱解設備的發展高速熱分解液化技術可以將生物產酸連續轉化為高能量密度、易儲存、使用方便的生物油。作為清潔的液體燃料，生物油可以用于鍋爐燃燒和燃氣透平等設備，精制后可作為動力或交通工具燃料，還可以直接作為化工原料或通過精煉提取高附加值的化工產品。其副產品不可冷凝氣體可作為清潔燃氣。熱解炭是制備活性炭的良好原料，還可以用作顆粒燃料、肥料、固體穩定劑等。被世界公認為是最有發展潛力的生物質能源轉化技術之一。但是生物質資源分散、運輸成本高，難以被大規模高效利用。而移動式快速熱解液化設備可以深入生物質資源較為豐富的林場、村落，將分散的林木生物質就地轉化為高密度的液態生物油，可在當地利用，也可集中儲存、后續加工利用。這種移動工廠式的作業方式可以大大降低林木生物質長距離的收集、運輸成本，提高設備的利用率和運行經濟性。20世紀90年代末開始了對移動式快速熱解設備的研究，標志性的研究成果出現在21世紀。2002年，美國密西西比州立大學和RenewableOilInternationalsLLC(ROI）公司研發出移動式快速熱解設備，可以實現移動工廠化作業。該設備帶有原料處理系統，可以將原料篩選、磨碎、干燥處理后投入反應器，但系統規模大，結構相對復雜；2004年，WIPOPCT公開了一種車載移動式生物質熱裂解設備專利，其中涉及到的熱解反應器為離心燒蝕式，可以利用較大粒徑原料，但反應器內有運動部件，結構較復雜。2007年加拿大Agri-Therm公司研制出農用可移動熱裂解設備，反應器中使用了特殊的豎（升）管，使換熱效率得以提高。國內華中科技大學在2007年研究出一種移動式生物質熱解液化系統，采用流化床反應器，通過氣化燃燒和熱解不凝氣等供熱，能量可以部分自給，目前沒有工業化應用。這些研究成果，特別是Agri-Therm公司的設備，可由拖拉機等交通運輸工具拖運至各類不同地域，轉場時不需要卸載，使快速熱解液化工藝技術相對固定，加快了生物質熱解技術的工業化進程。而存在的主要問題是：（1）整體設備，特別是反應器結構相對復雜；（2）正常熱解反應時，自供熱系統還不能完全可靠、穩定的供給能量。本文對移動式快速熱解液化設備的反應器進行了設計，并進行了冷態工作模擬。其目的是使設備結構緊湊、操作方便、熱效率高、適用于移動作業，從而能夠為農林生物質提供一條可行的高效利用途徑。1構固定及能量利用率高移動液化裝置中的關鍵設備是熱解反應器。由于原料種類和生產場所等會發生變化，因此反應器需要滿足更高的要求。反應器應具有良好的適應性，既能實現生物質高效轉化，又能滿足系統布置方便、結構緊湊、能量利用率高等要求。在各種生物質熱解反應器中，流化床反應器具有結構簡單、傳熱效率高、原料適應性廣、設備體積小、控制方便、加熱速率快等優點，無論是理論研究還是實際應用中都是使用最廣泛的熱解反應器，符合移動設備要求。因此，本設計采用流化床反應器，但在結構上進行了改變：將反應器與燃燒室合二為一。二者同為等高圓柱形體，燃燒室位于反應器中央，其外壁與反應器內壁之間的環形區域形成熱裂解反應區。利用反應器和燃燒室共用的器壁可以直接傳熱，使熱效率更高；另外，反應器和燃燒室合并為一體，可以節省空間，從而使整體結構更加緊湊，適用于移動作業。2設備和汽油的結構設計2.1熱解反應功率該移動熱解設備的生產能力為100kg/h。經計算最小流化速度umf為0.061m/s；顆粒的帶出速度ut為8.561m/s；操作速度u為0.67m/s；壓力降△p為2.32kPa。所需功率為P，主要是指反應器升溫階段的功率，包括床體升溫所需功率、床料升溫所需功率、循環流化氣體升溫所需功率、生物質升溫及熱解反應所需功率等（這個過程時間較短，約30min）。經過計算，取加熱功率為90kW。而在正常工作階段所需功率比這個數值要小得多，甚至不需要外加能源，視加熱方式、加熱介質溫度、保溫效果等因素而定。2.2燃燒面積通過對反應器功率P、燃料熱值q、空氣與燃料體積比n、燃燒室流化速度（取操作速度u）的計算，取燃燒室內徑db為220mm。2.3反應區面積和橫截面面積參照北京林業大學設計的生產能力分別為5kg/h、35kg/h的快速熱解設備及中試生產線，可得反應區橫截面面積Ar為考慮該移動式裝置為環形反應區，可得反應器直徑dr為取其中，A′為5kg/h反應器橫截面積，Ab為燃燒室橫截面積。2.4反應高度根據操作速度和駐留時間，確定反應器（及燃燒室）的高度為900mm。2.5分布板壓力降壓特性布風板的作用是：（1）均勻分布氣體，使分布板孔道上下兩端壓降一致。由于分布板下端各點氣體的動壓頭和分布板上端各點氣體受床層波動影響的靜壓頭不同，須使分布板壓降遠遠超過上述壓頭偏差，使各孔道流速一致，氣流分布均勻；（2）支承物料。在流化床反應器長期運行或突然停車狀況時，分布板不泄漏不堵塞；（3）整流和穩定作用。使流化床反應器有一個良好的起始流態化狀態，能在分布板附近形成一個好的氣固接觸氛圍。2.5.1吸焦爐內孔率及氣孔速度的影響目前生產中采用的開孔率由0.03%—10%不等，范圍很寬。采用較大開孔率首先是套用了篩板塔的開孔率；其次是限制氣體出氣孔的速度在生成連珠泡氣速之下。除此之外，氣體布風板開孔數不宜過多，過多可能造成部分孔不出氣，使出氣不均勻。根據過往經驗，在現有操作速度下，開孔率為1%較為合適。2.5.2流化孔直徑當排列形式相同時，開孔直徑越小，流場速度分布達到穩定越快，同時壓降越大。根據經驗，流化孔直徑為2mm較為合適。2.5.3角形排列形式。根據壓力損失當布風板開孔直徑相同時，三角形排列比正方形排列更容易使流體速度達到穩定，出口速度大小基本不受排列形式影響，壓力損失較小。所以采用三角形排列形式。因此，根據以上結論可得，該反應器圓環形布風板流化孔總數為462，以邊長為19mm的等邊三角形均勻排布。2.6結構圖反應器（包括燃燒室）結構如圖1所示。3冷態環境下動態模擬采用Fluent6.2軟件對圓柱形和圓環形反應器的流態化效果進行動態模擬。兩種反應器容積相等，同時進行冷態環境下的模擬。設流化載氣為空氣，流化風速為2m/s，床料為石英砂，其堆積高度為反應器高度的15%，所處環境為常溫常壓。空氣和石英砂的物性如表1和表2所示。3.1幾何結構劃分根據已知參數構造出圓柱形和圓環形兩種反應器的外形結構，綜合考慮初始化時間、計算花費和數值耗散等因素后，將圓柱形反應器的幾何結構劃分成“Hex&Cooper”（六面體隨機性網格），將所設計反應器的幾何結構劃分成“Hex&Map”（六面體結構性網格），如圖2所示。假設通過布風板后流化載氣速度是均勻的，且反應器頂端呈敞開狀態，可以指定實體的底部為進口面、頂部為出口面。由于流化風速已給定為2m/s，定義進口面為“VELOCITY＿INLET”（速度入口邊界）；且由于床料基本不會被帶出反應器，即存在回流現象，定義出口面為“PRESSURE＿OUTLET”（壓力出口邊界）。3.2計算解決方案啟動Fluent6.2三維單精度計算器，通過定義操作條件、設置求解策略、模型初始化及迭代計算，模擬流化床的流態化狀態。3.3處理后3.3.1流態化過程床料顆粒分布分別過2個反應器實體的軸線做2個相互垂直的平面，以便于應用軟件的流場分布云圖觀察內部效果。圖3、圖4為2種反應器在0.5s和5s時的流態化狀態。可以看出，流化開始后0.5s，床料雖然充斥整個反應器，但大部分床料仍舊集中在反應器底部。到達5s時，床料回落到穩定高度，且顆粒分布趨于均勻。這種現象是由于流化伊始，靜止床料突然受到運動空氣的作用，使位于頂層的顆粒瞬間獲得一部分空氣分子的動量，速度迅速提升，并彌漫于整個反應器。隨著時間推移，越來越多的床料顆粒獲得了動量，開始運動；而最先飛揚起的那部分顆粒在重力作用下逐漸回落，并和其他顆粒融在一起，最終在空氣推動作用下，實現穩定的流態化運動。2種反應器流態化效果非常接近。3.3.2流速隨高度的變化特性圖5、圖6是2種反應器在流化開始后0.5s和5s時刻的空氣速度云圖。可以看出流化開始后0.5s，空氣分子在靠近反應器底部時速率很高，達4m/s；隨著高度的提升，空氣分子速度迅速下降，然后逐漸趨于平穩。到達5s時，速度大于4m/s的空氣分子體積比明顯增大（圖6中黃色部分），而在位于反應器中上部的空氣分子速率趨于穩定，基本維持在2m/s。這2個時刻的共同特點是，空氣分子在穿過床層時速率會變高。這是因為空氣分子穿過床層時，由于有顆粒作為障礙，只能在有限的顆粒空隙中尋找出路。同樣可以得出，2種反應器流態化效果基本相同。3.3.3流態化效果對比從以上顆粒相體積分配圖和空氣速度分配圖中可以看出，2種反應器的流態化效果非常接近。