CN105647553B - 一种导流旋风式生物质热裂解反应器 - Google Patents

一种导流旋风式生物质热裂解反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导流旋风式生物质热裂解反应器，属于固体热载体加热生物质热裂解设备领域。包括：筒体(4)、导向叶片(5)、导流锥(6)、生物质进料管(9)、热载体进料管(11)、排尘锥(1)和排气管(2)。特征在于，导向叶片(5)安装在导流锥(6)上，两者共同安装在筒体(4)内部，筒体分为上部接触预反应区(7)和下部的反应分离耦合区(3)，以导向叶片(5)为界，接触预反应区(7)上部安装有生物质进料管(9)和热载体进料管(11)。本发明实现了热裂解反应过程与产物与热载体的分离过程有效耦合在一起，传热效果好，实时分离效率高，且可有效避免过裂解反应和其他非理想二次反应的发生。

Description

一种导流旋风式生物质热裂解反应器
技术领域
本发明涉及一种生物质热裂解设备,特别是一种在以陶瓷球颗粒作为热载体的热裂解工艺中能够增强传热效果、有效调节反应时间、实现反应分离一体化的导流旋风式生物质热裂解反应器。
背景技术
生物质热裂解(又称热解或裂解)，通常是指在无氧或低氧环境下，生物质被加热升温引起分子分解产生焦炭、可冷凝液体和气体产物的过程。生物质热裂解是生物质能的一种重要利用形式，是世界上生物质能研究的前沿技术之一。对于解决我国能源短缺问题以及环境污染问题，具有重要的现实意义和巨大的经济效益。
在生物质热裂解工艺中，热解过程必须严格控制温度、加热速率、热传递速率和停留时间，使生物质在短时间内快速热解为蒸气；对热解蒸气进行快速和彻底地分离，避免炭和灰份催化产生二次反应导致生物油的不稳定，保证生物油的产率。
生物质热裂解反应器是生物质热裂解工艺的关键设备。目前常用的生物质热裂解反应器类型主要有固定床、流化床、旋转锥、真空床等。随着对生物质热裂解工艺研究的深入和生产规模及产率要求的不断提高，研究者们发现现有反应器暴露的弊端日益明显，主要包括热载体与生物质原料混合接触效果差导致热传递速率较低，停留时间无法准确控制导致非理想二次反应的发生以及热解蒸汽无法与焦炭、灰分等快速分离从而影响生物油质量和收率等。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种能够有效增强热载体与生物质粉的混合效果，保证快速热裂解条件的短停留时间以及热解产物与热载体和灰分快速分离的导流旋风式生物质热裂解反应器。
本发明具体采用的技术方案是：
本发明所述的一种导流旋风式生物质热裂解反应器，包括筒体、导流锥、导向叶片、生物质进料管、热载体进料管、排尘锥和排气管。其特征在于：所述导向叶片安装在导流锥上，两者共同安装在筒体内部，筒体分为上部接触预反应区(和下部的反应分离耦合区，以导向叶片为界，所述接触预反应区上部安装有多支生物质进料管和多支热载体进料管。
所述热载体进料管均匀安装在接触预反应区顶部圆周，所述生物质进料管安装在接触预反应区上部圆柱面，与热载体进料管数量相等，都采用圆周均匀布置方式，优选的热载体进料管和生物质进料管的个数均为四个或六个。
所述生物质进料管插入接触预反应区的上部圆柱段，且与圆柱面贯通，旋转方向必须保证一致，所述生物质进料管中心轴线与水平方向夹角为0°～45°。所述热载体进料管插入接触预反应区顶端，其轴线与竖直方向呈0～45°夹角。
生物质原料热载体在接触预反应区错流接触，混合并迅速进行热量交换，开始传质传热过程。进入反应分离耦合区后原料和固体热载体继续发生反应，且在导向叶片作用下热解气体产物与热载体由于受到离心力不同而逐渐分离，实现边反应边分离过程。
所述的筒体直径为D，接触预反应区长度C1＝2～5D，反应分离耦合区长度C2＝2～8C1。接触预反应区内原料和热载体错流接触并开始反应，反应分离耦合区是进行反应和分离过程的主要空间。
所述的导向叶片安装在筒体内，所述的整流锥与筒体同轴，且导向叶片安装在其中心位置。所述的导向叶片与筒体和导流锥之间均为无缝装配。导向叶片的数量可根据需要进行调节，导向叶片具有一定的造旋作用，将各组分以轴向运动为主的流动形式变为螺旋流动，增加了湍动强度。导向叶片和导流锥在筒体内位置的变动即为接触预反应区长度和反应分离耦合区长度的变动，可有效调节原料停留时间分布，进而实现根据不同原料调整反应时间，增强反应效果的目的。
所述的排尘锥安装在反应分离耦合区下端，且向一侧倾斜。所述的排气管竖直安装在反应分离耦合区下端，一端插入反应分离耦合区。
所述的排尘锥中心轴向与水平方向夹角为40°～75°。
所述的排气管的锥角α＝15°～90°，排气管的直径d＝0.3～0.6D，排气管插入筒体的深度h＝0.1～0.5C2。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的生物质热裂解反应器将热裂解反应过程与产物与热载体的分离过程有效耦合在一起，节约材料、制造工艺、热量补偿等各种经济成本，减小设备体积，并且减少了对场地的限制。
(2)反应器设有多个热载体进口和多个生物质原料进口，生物质原料进入反应器后与热载体错流接触，该入口结构设计一是将原料与陶瓷球进行预分布，避免反应器内存在局部流动滞止区影响混合传热效果，有利于生物质原料和固体热载体快速、均匀混合，二是形成了较弱的旋流场，使得各组分在经过导流锥时能够顺利形成旋风，从而实现反应与分离过程的同步进行。
(3)导流锥上导向叶片的造旋作用产生的离心力增强了反应器内的湍动强度，陶瓷球热载体由于密度最大，在离心力作用下主要位于反应器边壁附近，热裂解气体产物密度最小，主要位于反应器中心部位，随着生物质原料不断发生热解反应，热解气体体积不断碰撞迫使未反应的生物质粉向边壁移动，一方面阻止了热解气体产物温度上升发生过裂解，另一方面增强了生物质粉与热载体的混合换热效果，提高反应收率；另外保证理想反应产物---热解气与焦炭、灰分、热载体及其他各种不挥发固相混合物的快速分离，且分离效率高，保证后续冷凝后的生物油质量和收率。
(4)在同一部生物质热裂解反应器内可根据不同生物质原料属性通过调节导流锥位置进而调节物料停留时间，有效避免二次反应的发生；
(5)在反应器下部分别设有排尘锥和排气管，各组分流动方向一致，减少了多相之间的返混，同时设备能耗更低，节约了能源。
(6)装置结构简单，可长时间工作，可靠性较好。
附图说明
图1是该导流旋风式生物质热裂解反应器的剖视图。
图2是实施例1的局部剖视图。
图3是排尘锥和排气管布置的局部视图。
其中：1、排尘锥 2、排气管 3、反应分离耦合区 4、筒体 5、导向叶片 6、导流锥 7、接触预反应区 8、生物质原料 9、生物质进料管 10、陶瓷热载体 11、热载体进料管
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步的描述。
结合图1、2、3，本发明的一种导流旋风式生物质热裂解反应器，包括筒体(4)、导流锥(6)、导向叶片(5)、生物质进料管(9)、热载体进料管(11)、排尘锥(1)和排气管(2)。
所述热载体进料管(11)均匀安装在接触预反应区(7)顶部圆周，其轴线与竖直方向呈0～45°夹角，所述生物质进料管(9)安装在接触预反应区(7)上部圆柱面，插入接触预反应区(7)的上部圆柱段，且与圆柱面贯通，旋转方向必须保证一致，生物质进料管(9)中心轴线与水平方向夹角为0°～45°。生物质进料管(9)与热载体进料管(11)数量相等，都采用圆周均匀布置方式，热载体进料管(11)和生物质进料管(9)的个数均为四个。
生物质原料与热载体错流接触，混合并迅速进行热量交换，开始传质传热过程。
所述的导向叶片(5)安装在筒体(4)内，所述的导流锥(6)与筒体(4)同轴，且导向叶片(5)安装在其中心位置。
生物质粉料(8)和固体热载体(10)进入接触预反应区后形成以竖直向下流动为主的近似平行流动，而后沿着流线型的导流锥(6)表面流动,此处导流锥(6)有很好的分流作用。通过导流锥(6)的分流作用后,进入导向叶片(5)前面的环隙空间,利于流体在导向叶片(5)间的进一步均匀分配和造旋。经过导向叶片(5)后流体由以轴向运动为主的流动形式变为螺旋流动，增加了湍动强度。导向叶片(5)的数量可根据需要进行调节，导向叶片(5)安装在筒体(4)和导流锥(6)之间的环形空间，导流锥(6)与筒体(4)同轴，导向叶片(5)与筒体(4)和导流锥(6)之间均为无缝装配。另外经过导流锥(6)的分流作用,还可以将流体在此处的流动损失降到最小。
筒体(4)分为上部接触预反应区(7)和下部的反应分离耦合区(3)，以导向叶片(5)为界，筒体(4)直径为D，接触预反应区(7)长度C1＝2～5D，反应分离耦合区(3)长度C2＝2～8C1。接触预反应区(7)内原料和热载体错流接触并开始反应，反应分离耦合区(3)是进行反应和分离过程的主要空间。
所述的排尘锥(1)安装在反应分离耦合区(3)下端，且向一侧倾斜。所述的排气管(2)竖直安装在反应分离耦合区(3)下端，一端插入反应分离耦合区(3)。
所述的排尘锥(1)中心轴向与水平方向夹角为40°～75°。
所述的排气管(2)的锥角α＝15°～90°，排气管(2)的直径d＝0.3～0.6D，排气管(2)插入筒体(4)的深度h＝0.1～0.5C2。
反应后的热载体在重力和下降气流作用下进入排尘锥(1)，排尘锥(1)是收集热载体的重要部件，热载体可重新经加热炉加热继续使用，气体产物通过排气管(2)离开反应器进入后续工艺。
本发明的工作原理：
使用本发明的一种导流旋风式生物质热裂解反应器工作时，高温陶瓷球热载体(10)由插入接触预反应区(7)顶部的热载体进料管(11)进入接触预反应区(7)，生物质原料(8)由与接触预反应区(7)圆柱面相贯的生物质进料管(9)进入接触预反应区(7)，两相错流接触，发生强烈的动量与能量交换过程且在重力作用的影响下，形成以竖直运动为主的顺重力场流动形态。经过导流锥(6)时沿着流线型的导流锥(6)表面流动,此处导流锥(6)有很好的分流作用。通过导流锥(6)的分流作用后,进入导向叶片(5)间的环隙空间,流体进一步均匀分配，并受到导向叶片(5)的导流造旋作用，变为螺旋运动形态，增强了湍动强度，接触传热效率也大幅提高。陶瓷球热载体由于密度最大，在离心力作用下主要位于反应分离耦合区(3)边壁附近，热裂解气体产物密度最小，主要位于反应分离耦合区(3)中心部位，随着生物质原料不断发生热解反应，热解气体体积不断膨胀迫使未反应的生物质粉向边壁移动，一方面保证了热解气体产物与热载体及其他各种不挥发固相混合物的快速分离，阻止了热解气体产物温度上升发生过裂解，另一方面增强了生物质粉与热载体的混合换热效果，提高反应收率，实现反应分离同时进行。反应后热载体陶瓷球颗粒在重力和下降气流作用下进入排尘锥(1)，可重新经加热炉加热继续使用，气体产物通过排气管(2)离开反应器进入后续工艺。

Claims (8)

1.一种导流旋风式生物质热裂解反应器，包括筒体(4)、导流锥(6)、导向叶片(5)、生物质进料管(9)、热载体进料管(11)、排尘锥(1)和排气管(2)；
其特征在于：筒体(4)分为上部接触预反应区(7)和下部的反应分离耦合区(3)，以导向叶片(5)为界，所述热载体进料管(11)均匀安装在接触预反应区(7)顶部圆周，所述生物质进料管(9)安装在接触预反应区(7)上部圆柱面，所述的导向叶片(5)安装在筒体(4)内，所述的导流锥(6)与筒体(4)同轴，所述的排尘锥(1)安装在反应分离耦合区(3)下端，且向一侧倾斜；所述的排气管(2)竖直安装在反应分离耦合区下端，一端插入反应分离耦合区(3)。
2.根据权利要求1所述的旋风式生物质热裂解反应器，其特征在于：所述的生物质进料管(9)和热载体进料管(11)数量相等，都采用圆周均匀布置方式。
3.根据权利要求1或2所述的旋风式生物质热裂解反应器，其特征在于：所述生物质进料管(9)插入接触预反应区(7)的上部圆柱段，与圆柱面贯通，旋转方向必须保证一致，生物质进料管(9)中心轴线与水平方向夹角为0°～45°。
4.根据权利要求1或2所述的导流旋风式生物质热裂解反应器，其特征在于：所述热载体进料管(11)均匀安装在接触预反应区(7)顶部圆周，插入方式为直插式，热载体进料管(11)端口插入接触预反应区(7)顶部圆端面，其轴线与竖直方向呈0～45°夹角。
5.根据权利要求1所述的导流旋风式生物质热裂解反应器，其特征在于：所述的筒体(4)直径为D，接触预反应区(7)长度C1＝2～5D，反应分离耦合区(3)长度C2＝2～8C1。
6.根据权利要求1所述的一种导流旋风式生物质热裂解反应器，其特征在于：所述的导向叶片(5)与筒体(4)和导流锥(6)之间均为无缝装配。
7.根据权利要求1所述的导流旋风式生物质热裂解反应器，其特征在于：所述的排尘锥(1)中心轴向与水平方向夹角为40°～75°。
8.根据权利要求5所述的导流旋风式生物质热裂解反应器，其特征在于：所述的排气管(2)的锥角α＝15°～90°，排气管(2)的直径d＝0.3～0.6D，排气管(2)插入筒体(4)的深度h＝0.1～0.5C2。
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