第七章 生物质热裂解液化装置
生物质快速热裂解反应器是生物质快速热裂解液化技术的核心设备。目前国内外比较典型的反应器有流化床、旋转锥反应器、烧蚀反应器、涡旋反应器以及输运床、引流床、真空移动床等等。山东理工大学在国家863计划的资助下，研发了具有自主知识产权的利用固体热载体加热生物质的下降管式热裂解反应器和双螺旋滚筒式热裂解反应器。本章主要对生物质热裂解液化工艺的研究进展及流化床、旋转锥、下降管等典型生物质热裂解液化反应器的工艺原理、结构特点进行介绍。
第一节 生物质热裂解液化工艺过程及研究进展
一、 生物质热裂解液化工艺过程及要求
生物质快速热裂解液化要求得到尽可能多的液体产物。采用快速热裂解技术，生物质所含的长链有机高聚物在隔绝氧气的条件下迅速受热断链为小分子为主的热裂解蒸汽，热裂解蒸汽被迅速冷凝，从而获得液体油产物——生物油（Bio-oil ）。生物质快速热裂解液化制取生物油系统的工艺流程如图7-1所示。工艺过程如下：生物质经干燥和粉碎后喂入热裂解反应器中，反应气固产物首先经旋风分离器分离出残炭；再经冷激装置将热裂解蒸汽迅速冷却成液态，以防止可冷凝气体二次裂解为不可冷凝气体；所得的最终产物为残炭、不冷凝气体和生物油并分别收集。
图7-1 生物质热裂解液化工艺流程图
生物质快速热裂解液化的工艺要求： （1）原料含水率应低于10%。
（2）把原料粉碎到足够小的粒度，以便提高加热速率、增加产油率；粒径大小与反应器有关，比如采用流化床及其它形式的热裂解器裂解，原料粒度一般应小于2mm 。
（3）工艺装置应在无氧或者缺氧条件下运行。
（4）升温速率要在103Ｋ/ｓ以上，热解温度一般在450℃~600℃左右。
（5）短的气相停留时间，停留时间越长，二次裂解发生的可能性越大，生成不可冷凝气体的成分增多，因此必须迅速冷却。而原料颗粒要完全裂解必须有一定的停留时间，两者对停留时间的要求是不同的，气相停留时间一般为0.2～3.0ｓ，大原料固相颗粒（>2mm）的热裂解停留时间要求1～5s ，小原
料固相颗粒（
（6）热裂解反应产物中的炭会起催化作用，造成液化油不稳定，在热裂解气冷凝之前，必须快速彻底地除去。
二、生物质热裂解液化工艺研究进展
20世纪70年代末至80年代初，生物质快速热裂解液化术在欧美一些国家得到高度重视，到20世纪90年代，将固体生物质通过快速热裂解转化成生物燃油的研究在欧洲及北美有了突破性进展，技术比较先进的主要有加拿大、荷兰、英国、美国、瑞士、意大利等国家。他们研究开发的快速热裂解液化装置及相应技术主要有：流化床、旋转锥反应器、烧蚀反应器、涡旋反应器、循环流化床、输运床、引流床、真空移动床等等。这些反应器的结构虽然不同，性能也有所差异，但均可实现生物质的热裂解液化。近年来，国外出现了许多新型热解器，比较典型的有荷兰吞特大学（University of Twente ）研发的一种类似旋风分离器结构的新型生物质热裂解装置（PyRos ），其最大特点是热裂解、气固分离效率极高，结构紧凑、可靠性强，而且生物质液体转化率很高，非常适合实验室及中小规模生产。Niels Bech 等开发的离心式反应器（Pyrolysis Centrifuge Reactor ）也是一种新型工艺，可以实现对农作物秸秆和木材的热裂解液化。
目前国外已经开发出的各种类型的反应器应用情况见表7-1。
表7-1 国外生物质热裂解生产生物油工艺的研发情况
主持研究机构 Dynamotive Interchem Red Arrow/Ensyn Red Arrow/Ensyn ENEL/Ensyn BTG/Kara Union Fenosa/Waterloo Red Arrow/Ensyn
Ensyn Pasquali/ENEL BTG/SAU University of Hamburg University of Laval
WWTC* Ensyn NREL Dynamotive NREL* RTI VTT/Ensyn CRES Ensyn
University of Tubingen* University of Twente
国 家 加拿大 美国 美国 美国 意大利 荷兰 西班牙 加拿大 加拿大 意大利 荷兰/中国 德国 加拿大 加拿大 加拿大 美国 加拿大 美国 加拿大 芬兰 希腊 加拿大 德国 荷兰
技 术 流化床 烧蚀涡流床 循环传输床 循环传输床 循环传输床 旋转锥 流化床 循环传输床 循环传输床 循环流化床 旋转锥 流化床 真空移动床 奥格窑(Augur kiln)
循环传输床 烧蚀涡流器 流化床 烧蚀涡流器 流化床 循环传输床 循环传输床 循环传输床 奥格窑(Augur kiln)
旋转锥
规模/kg·h -1 1500 1360 1250 1000 625 200 200 125 100 50 50 50 50 42 40 30 20 20 20 20 10 10 10 10
现 状 运行 1994年废弃
运行 运行 运行 运行 运行 运行 运行 停用 运行 运行 运行 运行 运行 1997年拆除
运行 运行 运行 运行 运行 运行 运行 运行
BFH/IWC INETI University of Aston
RTI
University of Aston University of Waterloo University of Aston
CPERI BFH(IWC) NREL RTI
University of Aston University of Leeds University of Oldenbury University of Technology University of Santiago University of Sassari University of Zaragoza
VTT
德国 葡萄牙 英国 加拿大 英国 加拿大 英国 希腊 德国 美国 加拿大 英国 英国 德国 马来西亚 西班牙 意大利 西班牙 芬兰
流化床 流化床 烧蚀板 流化床 烧蚀板 流化床 流化床 循环流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床
6 5 5 3 3 3 2 1
运行 运行 运行 拆除 运行 1995年搬到RTI
运行 重建 运行 运行 运行 运行 运行 运行 运行 设计中 运行 运行 运行
供所有气体和挥发份燃烧的设备，但能够生产液体产物。 * 慢速生物质热裂解液化
我国在生物质快速热裂解液化技术领域的研究起步较晚，最早用于生物质热裂解液化的反应器是上世纪90年代沈阳农业大学从荷兰引进的旋转锥反应器，这也可以看做我国在该技术领域研究的开始。其后经历了从消化吸收改进国外反应器到研发具有自主知识产权的新型热裂解反应器等阶段。从文献来看，流化床是国内用于生物质热裂解液化研究最为广泛的反应器，比如中科院广州能源所、上海交通大学、浙江大学、华东理工大学、上海理工大学、中国科技大学、沈阳农业大学、吉林农业大学、山东理工大学、北京林业大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、中科院地理科学与资源研究所、中科院广州过程所、东南大学热能工程研究所等都开展了这项技术的研究。另外，国内用于生物质快速热裂解液化研究的反应器还有浙江大学的固定床和回转窖、华东理工大学的管式炉、山东理工大学的水平携带床、螺旋滚筒式反应器和下降管反应器、河南农业大学的平行反应管、浙江农业大学的热裂解釜、清华大学的热分解器等，但其规模大多用于实验室研究。从文献资料和专利申请来看，生物质处理能力比较大的生物质热裂解反应器主要有山东理工大学的下降管反应器、东北林业大学的转锥式热裂解反应器和中国科技大学的自热式流化床反应器，其生物质处理能力均在200kg/h以上。
山东理工大学研发的下降管和双螺旋滚筒式热裂解反应器是利用高温散体固体热载体（比如陶瓷球、石英砂等）与生物质颗粒之间的温差实现生物质的快速升温热解的一种新型工艺。该工艺的优势在于：采用生物质燃烧提供热裂解热源，节约了电、石油、煤等高品位能源，不但提高了能效，而且降低了温室气体的排放；规模扩大方便，利于工业化生产；区别于流化床反应器，不需要引入其它气体（一般为惰性气体、或不含氧气的烟气）作为热载体，大大降低了热裂解气体产物冷却过程中的负荷和成本；固体热载体可以循环利用，节约能耗和成本。因此，山东理工大学连续获得国家“十五”、“十一五”和863计划的支持。
1、流化床反应器
在生物质热裂解技术工艺中，流化床在目前的生物质热裂解试验研究中应用最为广泛。流化床最早于1980年在加拿大Waterloo 大学研发并应用于生物质热裂解领域。流化床反应器属于混合式反应器，主要借助热气流或气固多相流对生物质进行加热，起主导方式的是导热和对流换热。常见的反应器类型有鼓泡流化床反应器、循环流化床反应器、导向管喷动流化床反应器等装置。本章将在第二节对流化床工艺及结构做进一步详细介绍。
（1）鼓泡流化床
鼓泡流化床的工艺原理如图7-2所示，采用鼓泡流化床进行快速热裂解，流化介质是热裂解生成的气体，热载体可采用砂类材料，比如石英砂。由于砂子的热容很大（是相同体积空气的1000倍），与粉状的生物质接触可实现高的传热速率（1000℃/s以上），反应停留时间极短，挥发物经过快速分离和冷凝后得到生物原油液体燃料，对于一些生物质原料最高生物油产率可达80%以上。鼓泡流化床通过调节热载气流量来控制原料颗粒和热裂解蒸汽的停留时间，非常适合进行小颗粒（小于2mm ）原料的热裂解。鼓泡流化床的设备制造容易、操作简单、反应温度控制方便，特别是它的热载体密度高、传热效率好，非常有利于快速热裂解进行。
（2）循环流化床
循环流化床的工艺流程如图7-3所示。在这种工艺中，焦炭产物和气体流带出的砂子通过旋风分离器回到燃烧室内循环利用，从而降低了热量的损失。由于提供热量的燃烧室和进行反应的流化床合二为一，因此降低了反应器的制造成本，而且加热速度控制方便，反应温度均匀，焦炭停留时间和气体产物停留时间基本相同，适合小原料颗粒（小于2mm ）的热裂解，生物油产率可达60%。在目前各种快速热裂解生产装置中，循环流化床的处理量最大，可达200kg/h。但循环流化床内的流体运动情况十分复杂，仍需进行反应器的运转稳定性和系统的反应动力学研究。另外，由于固体传热介质需要循环使用，增加了系统的操作复杂性。
（3）导向管喷动流化床
华东理工大学已建成生物质最大处理量为15kg/h的导向管喷动流化床裂解反应器，采用的是一种集流化床和喷动床为一体的新型流态化技术。这种技术是在裂解反应器内设置了导向管，使流化床层更稳定。床层底部的流化介质在喷动气的作用下，先沿导向管内部上升，然后再沿导向管与裂解反应器之间的环隙下降，从而形成循环流；循环流载着生物质颗粒进行热裂解反应，可有效提高传热速率。在这种反应器中，热裂解蒸汽可以连续快速流出，而原料颗粒则在床内循环进行充分裂解，直到颗粒足够小后才被气体带出床层。这样，原料颗粒的停留时间不受蒸汽停留时间的制约，大颗粒可以获得足够的停留时间，从而提高了生物油的产率。
2、烧蚀式反应器
烧蚀反应器由英国Aston 大学研发。烧蚀反应器工艺流程如图7-4所示。粒径为6.35mm 的生物质颗粒通过密封的螺旋给料器，喂入到氮气环境的反应器中，四个不对称的叶片以200rpm 的速率旋转，产生了传递给生物质的机械压力，将颗粒送入加热到600℃的反应器底部表面。叶片的机械运动使颗粒相对于热反应器表面高速运动并发生热裂解反应。产物随着氮气离开反应器进入旋风分离器，然后通过逆流冷凝塔将最初挥发产物冷凝，其余的可冷凝部分通过静电沉积器从不可冷凝气体中沉积下来，最后剩余的气体被排出反应器。
3、旋转锥反应器
旋转锥式反应器由荷兰Twente 大学工程组及生物质技术集团（BTG ）从1989年开始研发，是接触式反应器中的一个典型设计。经过干燥的生物质颗粒与经过预热的载体砂子混合后送入旋转锥底部，在转速为600r/min的旋转锥带动下螺旋上升，在上升过程中被迅速加热并裂解。裂解产生的挥发物经过导出管进入旋风分离器分离出焦炭，然后通过冷凝器凝结成生物油。分离出的焦炭可再次回到预热器燃烧加热原料。在此过程中，传热速率可达1000℃/s，裂解温度500℃左右，原料颗粒停留时间约0.5s ，热裂解蒸汽停留时间约0.3s ，生物油产率为60%~70%。旋转锥式反应器运行中所需载气量比流化床少得多，这样就可以减少装置的容积，减少冷凝器的负荷从而降低装置的制造成本。本章第三节对旋转锥式反应器工艺及结构做进一步详细介绍。 4、真空快速裂解反应器
加拿大Laval 大学设计的生物质真空热裂解反应器，如图7-5所示。物料经过干燥和破碎后在真空状态下导入反应器，在反应器两个水平的恒温金属板间受热裂解（顶层板温度为200℃，底层板温度400℃）。由于反应是在15kPa 的负压下进行的，热裂解蒸汽停留时间短，并迅速离开反应器，从而降低了二次裂解的几率。热裂解蒸汽进入冷凝系统，反应装置具有两个冷凝系统，一个收集重质的生物油，另一个收集轻质的生物油和水分，生物油的产率达35%~50%。由于真空热裂解系统需要有真空泵，而且反应器必须具有极好的密封性，因此实际应用投资成本高，运行操作也有一定难度，大规模生产困难。
图7-5 真空热裂解反应器
图7-4 烧蚀反应器
5、涡流反应器
涡流反应器由美国可再生能源实验室研制（A.V .Bridgewater and G.V .C.Peacocke,2000），其原理是利用高速氮气（1200m/s）或过热蒸汽流引射（夹带）生物质颗粒沿切线方向进入反应器管，生物质在此条件下受到高速离心力的作用，在高温（625℃）反应器壁面上发生烧蚀。烧蚀颗粒产生的生物油膜留在反应器壁上，并且迅速蒸发，未完全转化的生物质颗粒可以通过固体循环回路返回反应器再次反应。利用该反应器工艺如图7-6所示，可获得67％左右产率的生物油。
6、携带床反应器
由美国佐治亚技术研究院开发的携带床裂解反应器，如图7-7所示。以燃烧后的高温烟道气作为载流气，采用较大的载流气流量（其和生物质的重量比约为8：1），以0.30－0.42mm 的木屑为原料，所得有机冷凝物的收率为58％。
图7-7携带床热裂解液化装置
图7-6涡旋反应器
7、下降管反应器
下降管反应器是山东理工大学清洁能源研究中心自主研制开发的下降管式载体循环快速热裂解装置。反应管是由三段直管组成的“之”字形管。生物质粉从较高的入口加入，与从较低入口加入的高温陶瓷球迅速混合、受热，温度在0.1～0.5秒内迅速升高到500℃左右，发生热裂解反应。本章第四节对下降管式载体循环快速热裂解液化装置的工艺及结构做进一步详细介绍。
8、PyRos 热裂解反应器
荷兰 University of Twente 新近开发了PyRos 反应器，此种反应器外形见图7-8，其结构是将旋风分离器内装高速旋转（旋转速度2880rpm ）的过滤转子，内部结构见图7-9。工作原理：惰性气体携带预热的砂子和生物质粉进入旋风分离器内，砂子与生物质粉沿分离器壳体旋转向下运动时，生物质发生热裂解反应，热裂解气通过过滤转子从旋风分离器切向口排出，热裂解气中携带的轻质炭粉被过滤转子阻挡，下落到旋风分离器内，随砂子及其它炭粉从旋风分离器下口排出，如图7-10所示。利用PyRos 反应器进行生物质热裂解液化工艺流程如图7-11所示，其特点主要是，热裂解气冷凝后排除的不可冷凝气体通过鼓风机吹送，作为输送砂子与生物质粉的惰性携带气体，多余的不可冷凝气体可通入供热装置中燃烧供热。
9、双螺旋滚筒式热裂解反应器
图7-12为山东理工大学新近开发的双螺旋滚筒式热裂解反应器，其结构原理是调速电机带动两个滚筒同时旋转，内旋滚筒是热裂解反应滚筒，外旋滚筒是筛分滚筒，内、外滚筒均安装有螺旋叶片，但旋转方向相反。高温陶瓷颗粒和生物质粉的混合物喂入内螺旋滚筒，按图示方向，由于叶片的搅动，混合物不断混合且向右运动，到内滚筒右侧由右侧落料口落入外旋滚筒。在此混合搅动过程中，生物质发生热裂解反应，产生的热裂解气由筒体上口排出。落入外旋滚筒的陶瓷颗粒和生物质热裂解反应后生成的炭粉在外旋滚筒内逐渐分离，炭粉作为筛下物由出灰筒排出。陶瓷颗粒作为筛上物由外旋滚筒左侧落入陶瓷颗粒出料口，进入提升装置循环使用。
图7-12 双螺旋滚筒反应器
上述各种反应器虽然结构不同、工艺有所差异，但均可实现生物质的快速热裂解，总结上述各类典型反应器的性能比较见表7-2。
表反应能比
反应器类型 流化床 循环流化床 携带床反应器 旋转锥反应器 烧蚀反应器
使用状况 示范装置 工厂实验 无 工厂实验 实验室 工厂实验 示范装置
产油率 75 75 65 65 75 60 50
复杂
程度 中等 复杂 复杂 复杂 复杂 复杂 中等
小 中等 小 较小 大 大 小 原料颗粒大
小
大 大 大 / 低 低 / 载入气流
设备尺寸 中等 大 大 小 小 大 大
放大可行性 容易 容易 容易 较难 较难 较难 容易
7-2 器性较表
真空反应器
下降管式
第二节 流化床生物质热裂解液化装置
在生物质快速热裂解的各种工艺中，反应器的类型及其加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布，所以反应器类型和加热方式的选择是各种技术路线的关键环节。常用的制取生物质液体（生物油）的反应器都具有加热速率快、反应温度中等、气相停留时间短等共同特征。流化床反应器属于混合式反应器，主要借助热气流或气固多相流对生物质进行加热，起主导方式的是对流换热。常见的反应器类型有流化床反应器、导向管喷动流化床、循环流化床反应器、鼓泡床反应器等装置。
采用流化床作为反应器的生物质热裂解技术，是当前主要研究方向之一。流化床反应器能够提供较高的加热速率以及相对均匀的反应温度，同时快速流动的载气便于一次产物及时析出。流化床热裂解装置是对流态化技术的重要应用, 热裂解装置的合理设计是实现生物质热裂解液化的前提。流化床反应器由于运行简单、结构紧凑、适合放大而得到越来越多的重视。
固体流态化是指固体颗粒通过与流体接触而转变成类似流体状态的操作。利用流态化技术，可使某些工艺流程简化和强化。流化床内固体颗粒在流化床阶段具有很强的流动性，具有良好的传热传质效果，能够提供给生物质较大的升温速率，是生物质热裂解反应器较理想的选择。
一、 流化床生物质裂解反应器结构及工作原理
在一个流化设备中，将固体颗粒堆放在分布板上，当气体由设备下部通入床层，随着气流速度加大到某种程度，固体颗粒在床层内就会产生沸腾状态，这种床层称为流化床。流体通过颗粒时所出现的床层现象有以下几种状态：
（1）固定床——当流体的速度较低时，流体只是穿过静止颗粒之间的空隙而流动，这种床层称为固定床。
（2）初始或临界流化床——当流体的流速增大至一定程度时，颗粒开始松动，颗粒位置也在一定的区间内进行调整，床层略有膨胀，但颗粒仍不能自由运动 ，这时床层处于初始或临界流化状态，此时的气流速度称为临界流化速度。
（3）流化床——如果流体的流速升高到全部颗粒刚好悬浮在向上流动的气体中而能做随机的运动，此时颗粒与流体之间的摩擦力恰与其净重力相平衡。此后床层高度将随流速提高而升高，这种床层称为流化床，对应的气体流速为操作流化速度。
（4）稀相输送床——若流速再升高达到某一极限值后，流化床上界面消失，颗粒分散为悬浮在气流中，并被气流带走，这种床层称为稀相输送床。
在流化床阶段气流速度不是太大，且床内具有良好的传热传质效果，生物质热裂解反应器常用这个阶段的流化床。
典型的流化床生物质热裂解反应器由气体分布器、旋风分离
器、换热器、扩大段和床内构件等组成，如图7-13所示。其中某些部分不一定在每一具体的流化床中出现，具体的工艺过程和操作条件将决定每个流化床的特点。
1、气体分布器
气体分布器的主要作用是将流化气体均匀分布在整个床层截面上。它一般位于床层底部。在许多情况下，气体分布器还起到支撑流化颗粒的作用。分布器的形式多种多样，如多孔板式、微孔板式、多管、泡罩式、浮阀式、多层板式等等。一般来说，分布器需要有足够的压降才能保证气体在整个床层截面上的均匀分布。分布器压降大于整个床层压降的10%~30%是对分布器压降较常见的要求。但在实际工业应用中，因为床层较高，为了减少压头损失，分布器的压降有时设计在全床压降的5%左右。流化床中气泡初始尺寸与分布器的形式有很大关系。在分布器上方的一定距离内，气固两相的流动行为受分布器影响而与床层主体有明显不同。该区域习惯上称为“分布器控制区”。分布器控制区内的流体流动行为及传热、传质对整个流化床的功效都可能产生较大作用，尤其是在进行快速反应的流化床反应器中，这一点表现得特别明显。
2、自由空间和扩大段
流化床内气固浓相界面以上的区域被称为自由空间。由于气泡逸出床面时的弹射作用和夹带作用，一些颗粒会离开浓相床层进入自由空间。一部分自由空间的颗粒在重力作用下返回浓相床，而另一部分较细小的颗粒则最终被气流带出流化床。颗粒是否被带出流化床取决于颗粒的特性(尺寸、密度和形状) 、流化气体的特性(密度、粘度) 、流化气速和自由空间的高度。
扩大段位于流化床上部，其直径大于流化床主体的直径，并通过一锥形段与主体相连。扩大段可以显著地降低气流速度，从而有利于自由空间内的颗粒通过沉降作用返回浓相，减少颗粒带出及降低自由空间内的颗粒浓度。对于流化床反应器来说，较低的自由空间颗粒浓度对于减少不利的负反应往往是至关重要的。
3、旋风分离器和料腿
旋风分离器利用离心力原理分离流化床出口气流中的颗粒。旋风分离器可以设置在流化床内部；也可以设置在流化床外部。多个旋风分离器还可以串联使用(称为多级旋风分离器) 以增强分离效果。两级和三级旋风分离器在工业上比较常见。在大型流化床中，还经常可以看到多组多级旋风分离器同时使用的情况。
旋风分离器所分离的颗粒经过一根连接在旋风分离器锥形段底部的管道返回床层或进入收集颗粒的容器。对外旋风分离器而言，料腿是位于流化床床体外的一根管道，料腿底部可以与床体相连以返回所分离的颗粒。内旋风分离器的料腿直接向下伸入床中，其末端可以浸入浓相床中，也可以悬在自由空间中。旋风分离器成功操作的一个重要因素是料腿中不能有向上倒窜的气流，而只能有向下流动的固体颗粒。因此，在料腿末端一般设有特殊的反窜气装置，如出口在自由空间的料腿底部常安装有翼阀，浸入浓相的料腿底部也往往设有锥形堵头一类的装置。
除常见的旋风分离器外，流化床还可以采用其它方法分离出口气流中的颗粒，如陶瓷管过滤器、布袋过滤器等。
4、内部构件
内部构件是指密相床内除气体分布器、换热管和旋风分离器之外的所有物件。包括水平挡板、斜向挡板、垂直管束和其它各种构型，如塔型构件和脊型构件。广义上，换热器和料腿也可归入内部构件，因为它们在影响床内气固两相流动行为方面与其它形式的内部构件具有相似的功效。
内部构件的功能主要包括限制气泡、破碎气泡、促进气固两相接触和减少颗粒带出。对于较粗颗粒系统，内部构件的功效比较显著，而内部构件对于较细颗粒的床层作用相对较小。各种形式的内部构件在限制气泡长大和破碎气泡方面的效果也有很大差别，而且与床层的操作条件密切相关。在某些情况下，使用不恰当的内部构件还会恶化流化床内的气固接触。与换热器和料腿一样，内部构件既可以完全浸没
于浓相之中，也可以部分或完全部暴露在自由空间中。
气固密相流化床还可能有不同的结构以适应在其它外力场中操作，如振动流化床、磁控流化床、声控流化床等。
5、流化床热裂解反应器的优缺点： 优点体现在：
(1) 良好的反应床层均温性：由于气固流化床内流体和颗粒剧烈搅动混合，床层区域的温度较为均匀一致，温度梯度很小，避免了局部过热或局部反应不完全的现象。同时，由于砂子的热容量高，避免了反应器内温度的大幅波动，为反应器提供了良好的恒温状态。
(2) 较高的传热传质速率：由于流化床中采用较细小的固体颗粒做为流化介质（如河沙、石英沙等），流化介质与物料颗粒相互间接触面积很大；而且，流化介质的剧烈运动和相互摩擦、碰撞，使固体颗粒表面状态的更新速度加快。因而流化床内的传热传质速率很高，可以满足快速热裂解液化反应对于很高的升温速率和很短的气相滞留期的要求。
(3)可提供很短的气相滞留期：与其它流化因素综合考虑，通过增大流化风速或减小床高等可以达到很短的气相滞留期，防止热裂解蒸汽的二次裂解，从而获得较高的生物油产率。
(4) 反应设备结构简单、规模灵活，可实现连续生产：热容量很高的砂子在强烈的湍动状态下成为良好的传热介质，实现床内的换热或加热过程，使反应装置的结构大为简化；并且，通过连续进料可以使反应连续进行；由于反应设备结构的简单，使其更易于放大，实现工业化生产。
正是由于流化床反应器装置的这些独特优点，使其在生物质热裂解液化的研究中受到越来越广泛的重视。但是，它仍是一个发展中的新技术，同时也不可避免地存在一些缺点。
(1) 采用流化床结构需要用惰性载气对设备内物质进行流化：惰性载气一般使用纯氮气或贫氧气体。载气的供应增加了生产成本，而且载气与反应生成物一同排出反应器，增加了反应器后部的冷凝负荷。为了提高液体产物产率，需增加冷凝器级数，这样就增加了反应器的复杂性和反应器的制造成本。
(2) 固体物料的停留时间不均匀：因为固体颗粒在流化床内的混合、运动比较剧烈，在连续进、排料的生产过程中，床内已有物料与部分新入物料可能会同时排出，造成部分新入物料的停留时间过短。这种物料停留时间不均匀的现象会影响反应速度及反应的完全性。
(3) 设备磨损严重：流化床中固体颗粒的强烈碰撞、摩擦运动必然对反应器表面产生磨损。 (4) 易堵塞：为了减少生成产物在反应器中的停留时间，生成产物需随载气气流迅速排出反应器。这样，高温的生成物遇冷迅速凝结，易于在分离、冷凝及过滤过程中堵塞管路。所以，要求管件不宜过细，并尽量减少弯管数量，减小弯管的角度。而且，对旋风分离器、冷凝器及过滤器的设计要求较高，否则，容易使炭、灰与冷凝的焦状生物油混合造成堵塞。
二、流化床生物质裂解液化装置结构
流化床生物质裂解液化装置主要由4部分组成: 1、供热装置；2、生物质喂入装置；3、流化床反应器；4、收集装置等。装置结构示意图如图7-14。
1、供热装置
该部分为整个系统的热量来源, 一般包括流化气体的供热和流化床辅助加热两部分。供热方式可以是电炉直接加热或用油炉及煤炉间接加热流化气体。辅助加热可采用在流化床的管壁外侧缠绕电阻丝加
热。
2、生物质喂入装置
生物质热裂解的前提首先是能够保证热裂解生物质原料连续、均匀、稳定地的输送到反应器中。喂料装置大多采用螺旋喂料器。生物质颗粒粒度较小，属于粉末状物料，输送较困难。螺旋喂料器输送机构是利用旋转的螺旋叶片连续推送物料，它结构简单，密封性能好，制造成本低。由于生物质颗粒流动性较差，颗粒之间容易搭接，进料过程中料仓和螺旋进料器接口处常形成空隙，使螺旋进料器空转而无物料颗粒进入反应器本体，影响流化床正常工作。因此，在料仓内应装设搅拌器，以防止物料的搭接状态产生。实际操作中为了防止反应器内的高压、高温气体反窜回料仓，在料仓装好物料后需要密闭。由于螺旋进料器与反应器联成一体，为防止接口处物料过早地发生热裂解反应，产生的少量生物油和炭集结于此阻碍进料，在流化床生物质喂入口部分应焊接冷却套管，通入循环水降低该部分的温度。生物质颗粒密度较小，从反应器顶部进料时物料与流化床内高温烟气相向运动，造成进料口积炭，影响反应器正常工作。因此，应使生物质粉沿反应器筒体垂直的方向进入反应器。
3、流化床反应器
反应器是生物质热裂解的重要场所，反应器的尺寸参数决定了流化气体和热裂解气的滞留时间，从而影响生物质的热裂解程度和热裂解过程。因此，反应器的合理设计是生物质高效热裂解、获得最高生物油得率的关键。反应器主体一般由几段（3-4段）耐热不锈钢管螺栓连接而成。钢管外部缠绕电阻丝作为辅助加热元件，加热元件外部覆盖耐高温的保温材料。加热元件一般分为上、中、下三部分，下部加热元件预热惰性载气，中部和上部加热元件用于辅助加热流化床并维持床内恒温。反应器底部设气体分布板，分布板的开孔率一般为0.5%。
4、收集装置
收集装置由旋风分离器、集炭箱、冷凝器和集油器等组成。热裂解蒸气离开反应器后，先进入旋风分离器，由于离心作用，固体炭被分离出去。接着，热裂解蒸气进入冷凝器中，大部分可冷凝热裂解蒸气被冷凝成生物油，靠重力流入集油器中。通过冷凝器后，剩余的不可冷凝气体排出装置外。
三、流化床生物质裂解液化工艺流程
在床温加热到设定的温度后，工艺流程可按惰性载气供应、物料喂入、物料反应和产物收集四步来进行描述：
1、惰性载气供应
热载体不能含有氧气，因此一般采用氮气、氩气等惰性气体作为热载体。但由于惰性气体加热较高，因此增加了运行成本。所以也可以通过某种方法除去空气中的氧气，利用不含氧气的空气作为气体热载体。比如：把空气经过与高温木炭，木炭燃烧消耗掉空气中的大部分氧气，在空气压缩机等提供的压力作用下，生成的贫氧混合气体通入反应管为热裂解反应提供具有稳定压力的热载气。 2、物料喂入
预先干燥、粉碎、筛分的生物质物料由料仓进入螺旋进料器。螺旋进料器在小型电机和减速器的带动下旋转进料，可以通过调压器改变输入电机的电压，从而改变螺旋进料器的转速来改变生物质进料速率。由于载气的通入，整个加料系统都需处于密封状态。
3、物料反应
物料由加料系统加入到流化床的底部。生物质与湍动的热砂迅速混合并流化，在流化床内良好的传热传质条件下，生物质被快速加热到反应温度，发生热裂解反应，生成的混合物在惰性载气气流作用下被立即携带出流化床，以抑制二次裂解的发生。
4、产物收集
反应生成物包含可冷凝气体、不可冷凝气体和生物质炭。反应生成物由旋风分离器圆筒上部的进气管沿切向进入，受旋风分离器器壁约束旋转向下作螺旋式运动，在惯性离心力的作用下，尘粒被甩向器壁，与器壁碰撞和摩擦而失去动能，在重力作用下，沿壁面落至锥底进入集炭箱。分离了炭的气体流在旋风分离器中心轴附近范围内由下而上作旋转运动，最后由顶部排气管排出进入冷凝器。由于生成物急冷导致生物油大量凝结，为了防止由此造成的管路堵塞，从旋风分离器导出的热裂解气先通过金属管冷凝器在室温下冷凝，再通过通有冷却水的冷凝器冷凝，使气液两相物质经冷凝后得以分离，液体由集油器收集，不可冷凝热裂解气体经过过滤，由气体流量计显示流量排出。目前，许多研究者采用生物油喷淋技术冷却热解气，得到生物油。这种方法提高了液体产物的纯度。
四、以等离子体做热源的流化床热裂解液化试验装置
流化床热裂解装置是对流态化技术的重要应用, 热裂解装置的合理设计是实现流化床生物质热裂解液化的前提。在生物质快速热裂解的各种工艺中反应器的类型及其加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布。以等离子体作为热源，同时提供了惰性流化气体，加热速率高，提供热量稳定，可控性好。下面介绍一套以等离子底部加热，同时配合电阻丝辅助加热保温的生物质快速热裂解液化流化床试验装置，同时进一步介绍该装置的实验结果。
1、流化床的结构
图7-15是流化床快速热裂解液化装置。主要组成部分包括加热系统、喂料器、反应器、气固分离器、冷凝器、温度控制与检测等主要部分。
（1）加热系统
加热系统由等离子主加热源和电热丝辅助加热源组成。等离子是对气体进行电离得到的能够由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物，在实际的热等离子体发生装置中，阴极和阳极间的电弧放电作用使得流入的工作气体发生电离，输出的等离子体呈喷射状，调节电流可得到900～1900℃的Ar 气流，加热速率从1000～10000℃/s连续可调。高温的Ar 气流从反应管底部通入，不但提供了热裂解需要的热量，而且Ar 又可作为流化气体，因此无须对流化气体进行预热，简化了结构。辅助热源通过温控仪的通断控制保持反应管恒温，电阻丝在反应管外螺旋状缠绕，加热功率2000W 。
图7-16二级生物质喂料器
1 气力喂料管 2观察窗 3 滚筒喂料轮 4料斗
图7-15流化床生物质热裂解液化实验装置
（2）喂料器
连续均匀定量的加入生物质粉末是对喂料器的基本要求。利用螺旋给料机加入物料，由于在反应器物料入口处容易出现局部超温, 致使生物质粉末因受热而挤压形成致密团聚物, 造成卡塞, 迫使输送中断，这里采用一种滚筒配合气力输送的两级喂料机构输送物料，如图7-16所示。料斗中的生物质粉末在调速电机带动的滚筒（滚筒上开有槽）的转动下，落入下部空腔，空腔壁有玻璃观察窗，以观察下料情况，生物质粉末在气体的作用下被携带进入喂料管。由于反应管温度很高，为避免喂料管超温致使生物质未进入反应管前发生热裂解，在靠近反应管部分对喂料管采取了套管水冷方式。
（3）反应器
图 7-17 反应器结构图
1 等离子枪 2 硅碳管 3 布风板 4 筛网 5 水冷喂料管 6 反应管 7 热电偶插孔 8 压差测量管
反应器的结构简图如图7-17所示。由于等离子体焰心温度高达上万度，因此气体导入管采用耐高温硅碳管。反应管的材料是310S/0Cr25Ni20/2520不锈钢管，反应管总长度为1400mm ，内径为52mm ，厚度3mm 。外部螺旋状缠绕电热丝加热元件。在反应管壁上开有6个间隔60 mm、直径为5 mm的小孔，用来安放热电偶，测定反应管内气流温度是否均匀一致。同时，在反应管两端装有内径10mm 的压差测量管用以联接U 型压力计。
(4) 气固分离器(旋风分离器)
生物质热裂解产物包括热裂解气和残炭气固两相，根据快速热裂解机理，热裂解气离开反应器后要求快速冷凝液化以得到生物油。因此在冷凝之前要对热裂解气和残炭进行分离，以得到较高品质的生物油。生物质热裂解后气固分离通常采用旋风分离器，基本结构主要由进气管、上圆筒、下部的圆锥筒、出气管等组成。旋风分离器具有结构简单、制作容易、操作方便、分离效率高等特点，是常用的分离和除尘设备。
（5）冷凝器
采用两级串连的球形玻璃冷凝管，每一级都接有相同循环速度和循环量的冷却水，热裂解气在冷凝过程中的变化能一目了然。冷凝管下端接一个三口玻璃瓶，根据热裂解气冷凝的情况可适当调整冷凝管的安排和连接方式，以达到最佳冷凝效果。
2、原料及物性
实验用石英砂作为流化介质，以Ar 作为流化气体进行玉米秸秆粉末的热裂解试验。它们的物性参
数见表7-3。
表7-3实验材料的物性参数
物料 粒径
石英砂
玉米秸秆粉末
Ar （527℃）
0.2～0..45mm 0.15mm ～0.45mm
0.336mm
μg 44.35×10
－6
N ·s/ m2
平均粒径d s 0.3845mm 密度ρs
υg 72×10
－6
m 2/s。
1.266x103Kg/m3 174.4Kg/m3 0.63 Kg/m3
3、流动特性的冷态实验
为了确定最小流化速度和操作流化速度等参数，用有机玻璃设计了一套结构尺寸为1:1的冷态实验装置，观察不同Ar 气流量时石英砂的流动情况，为热态试验热载气流量的确定提供实践指导。冷态实验原理图见图7-18。
图7-18冷态实验原理图
取管内高度40mm 石英砂, 按1:1体积比将玉米秸秆粉末与石英砂充分混合后加入到透明有机玻璃管内。开启Ar 气阀，调节流量计，并根据气体状态方程以及流化床几何尺寸换算成流速，使Ar 流量从小到大变化，观察管内石英砂和玉米秸秆粉末流动状态的变化并记录氩气流量、压降和床层高 度变化。床层压差、高度和状态随Ar 流速变化见表7-4。
表7-4床层状态随气体流量变化表
Ar 流速 u/ms-1 0～0.3 0.3 0.42 0.58 0.68 0.79 0.89 1.05 1.2 1.36 1.57
床层压差 △p/mmH 2O 0～30 30 38 38 39 39 39 40 40 40 40
床层高度 h/mm 40 43 44 52 53 55 60 85 125 180 200
固定床，
床层上浮不大，上层面中间开始出现大气泡，气泡最高处达70mm ，玉米秸秆粉末开始缓慢溢出。
床层波动较大，出现较多气泡，气泡变小，分布趋于均匀，最高处达到100mm ，玉米秸秆粉末基本吹出。
床层上端气泡越来越多，分布越来越均匀，最高处达到140mm ，玉米秸秆粉末很快溢出。
气泡分布消失，上端床面趋于水平，床层高度达到150mm
床层状态
从表7-4可以看出，最小流化速度应在0.4m/s左右，与根据理论计算的数据基本相符；当气体流
速为0.79-1.57m/s，流化效果较好，实验中选择的操作流化速度为0.89m/s。
4、等离子枪头氩气流量控制
利用图7-15热裂解装置，做热态实验。液化温度实验范围为600K-850K 。要保证床内操作流化速度为0.89/s，需通过调节Ar 气表头的流量来控制，等离子体表头流量可以在1-3m /h之间连续可调。因为气体的体积随温度的变化而变化，因此气体流量也随温度而变化，而反应管横截面积一定，从而导致气体速度u 是随流量Q 变化的。利用等压理想气体方程流量与温度的关系是：
3
T 1⋅Q 23600⋅T 1⋅π⋅d 2⋅u
Q 1= （1） =
T 24T 2
Q 1：室温时氩气表头流量，m 3/h；T 1:室温，K ；Q 2：床内气体流量，m 3/h；T 2:床内气体温度，K ；3
d ：反应管直径，m 。m /s。由式(1)可以计算出实验温度T 2下的等离子枪操作流量Q 1。 u :操作流化速度，
计算的表头流量见表7-5
5、实验结果
按表7-5设定工况分别调节反应温度和喂料速率，得到生物油产率。
6、温度与喂料速率对液体产率影响
从表7-5和图7-19可以看出，生物质喂料速率对生物油产率有一定影响，生物油产率随喂料速率的增大而增加。这是因为喂料速率的增大使气相产物在密相区这一较高温度区域停留时间的降低，从而抑制气相生物油二次裂解成小分子气体。
反应温度对热裂解的影响，也可归结为如何使生物质颗粒以多快的升温速率达到反应温度或生物质颗料和挥
图7-19温度与喂料速率对生物油产率的影响
T/℃ 437 437 437 477 477 477 500 500 500 517 517 517 557 557 557
热裂解温度 表头流量
Q/mh 2.95 2.95 2.95 2.72 2.72 2.72 2.63 2.63 2.63 2.58 2.58 2.58 2.45 2.45 2.45
3-1
喂料速率 kgh 0.6 0.7 0.8 0.6 0.675 0.7 0.6 0.7 0.8 0.6 0.7 0.8 0.6 0.7 0.8
-1
液体产率
% 28.7 30 30.6 35 36 37.1 30 31.7 30.0 28.3 28.4 28.6 27.0 27.1 27.8
发分性产物在反应温度区域停留多长时间。 实验发现，在喂料速率一定时，生物油产率先随温度的升高而增大，在477℃左右时，产油率最高。温度继续升高，生物油产率反而下降。因此，对于玉米秸秆，为得到较高的油产量，反应温度宜选取在477℃左右，温度过低有可能导致生物质的不完全热裂解，而当温度过高时，气体产量增加同时生物油产量减小，这主要是由于气相生物油的二次裂化或重整加剧使得生物油产量有所减小的缘故。
7、结论
通过实验，证明以等离子体为主加热热源，同时配合电热阻保温的新型流化床反应器运行稳定，升温快，操作方便。滚筒配合气力喂料方式比较适合粉状生物质，喂料量调节方便，喂料均匀。在实验结果表明，喂料速率和温度对液体产率有一定影响，喂料速率增大在一定范围内可以提高液体产率；对于玉米秸秆而言，在477℃左右液体产率最高，温度高于或低于此温度都会使液体产率减小。
第三节 旋转锥生物质裂解液化装置
旋转锥反应器是由荷兰Twente 大学在1989~1993年期间研制成功，最初生物质喂入率为10kg/h的实验室小规模装置，其生物油产率可达70%。其工艺
如图7-20所示。喂入到旋转锥底部的木屑与预先加热
的惰性热载体砂子一起沿着高温锥壁呈螺旋状上升,
在上升过程中, 炽热的砂子将热量传给木屑, 使木屑在
高温下发生热裂解而转变成热裂解蒸气, 这些蒸气迅
速离开反应器以抑制二次裂解。
沈阳农业大学在联合国粮农组织和中国国家教科
委的资助下，在考察意大利、加拿大、美国、瑞士、
荷兰等国家生物质热裂解技术的基础上，决定从荷兰
引进旋转锥反应器生物质闪速热裂解中试装置及技
术，作为联合国粮农组织（FAO ）和开发计划署
（UNDP ）资助的、在沈阳农业大学兴建的“东北寒冷
地区综合能源示范基地”研究项目的一个重要组成部
分。联合国粮农组织及沈阳农业大学与荷兰Twente 大学BTG 集团于1993年签订了“生物质热裂解液化技术合作研究”的合同，按照合同规定，由联合国UNDP 和荷兰政府共同出资，由荷兰BTG 集团设计，制造喂入率为50kg/h的旋转锥反应器生物质闪速热裂解液化中试装置。装置于1995年运到沈阳农业大学以后，中荷双方共同负责设备的安装调试，联合开展生物质闪速热裂解液化技术的系列研究，生产出了生物质油，取得可喜的研究成果。在此基础上，荷兰BTG 集团于2000年研制了生物质喂入率为200kg/h的旋转锥反应器生物质闪速热裂解液化装置。该技术是世界上先进的生物质热裂解液化技术之一。 一、旋转锥生物质裂解液化装置的组成及
工作原理
旋转锥生物质裂解液化装置组成如图7-20所示，
该装置包括喂入、反应器、收集、冷凝四个主要部分。
（1）喂入部分：由N 2喂入1、物料喂入2和沙子
喂入4组成。
预先粉碎的生物质被喂料器输送到反应器中，在
喂料器和反应器之间通入一定量N 2以加速生物质颗
粒的流动，防止生物质颗粒堵塞；与此同时，预先加
热的沙子也被传送到反应器中。
（2）反应器部分：喂入到旋转锥底部的生物质与
预先加热的惰性热载体沙子一起沿着高温锥壁呈螺旋
状上升，在上升过程中，炽热的沙子将其热量传给生物质，使生物质在高温下发生热裂解而转变成热裂解蒸汽，这些蒸汽迅速离开反应器以抑制二次裂解。
（3）收集部分：由旋风机7、热交换器以及冷凝器9和沙子及木炭接收沙箱5组成。
（4）冷凝部分：由冷凝器和热交换器等组成。
离开反应器的热裂解蒸汽首先进入旋风机7，在旋风机中固体碳被分离出去，接着，热裂解蒸汽进入冷凝器中，大部分蒸汽被冷凝而形成生物油，产生的生物油在冷凝器和热交换器中循环，其热量被冷却水10带走，最后生物油从循环管道中放出。不可冷凝的热裂解蒸汽排空燃烧。
使用后的沙子及产生的另一部分碳被收集到连接在反应器下端的收集沙箱中，沙子可以重复利用。应该说明一点，在商业化装置中，不可冷凝的热裂解蒸汽及木炭将燃烧用于加热反应器，以提高提高系统的能量转化效率。该装置本身能够测量或控制砂子加热温度、反应器温度、压力、旋转锥频率、木屑喂入器振幅、旋风机温度、N2流量、砂子流量、冷却水流量等参数。
三、旋转锥反应器的结构及工作原理
旋转锥反应器主要由固定的内锥、旋转地外锥、反应器加热元件及外壳组成如图7-21。其工作原理如图7-22和图7-23所示。喂入到旋转锥底部的生物质与预加热的惰性热载体沙子一起沿着高温锥壁呈螺旋状上升，在上升过程中，炽热的沙子将其热量传给生物质，使生物质在高温下发生热裂解而转变成热裂解蒸汽，这些蒸汽迅速离开反应器以抑制二次
裂解。沙子、木炭及未转化的生物质被收集到反应器
周围的容积中。该反应器旋转锥顶角为π/2，最大直
径为650mm ，热裂解产物为生物油、不可冷凝气体和
木炭。如果需要，可以堵塞旋转锥内部的部分空间以
减少旋转内部的气体容积，从而减小反应器中气相滞
留期，这可抑制气相中生物油的二次裂解反应，达到
增加生物油产率的目的。采用旋转锥式反应器进行热
裂解，经过干燥的生物质颗粒与经过预热的载体砂子
混合后送入旋转锥底部，在转速为600r/min的旋转锥
带动下螺旋上升，在上升过程中被迅速加热并裂解。裂
解产生的挥发物经过导出管进入旋风机分离出焦炭，然
后通过冷凝器凝结成生物油。分离出的焦炭再次回到预
热器燃烧加热原料。在此过程中，传热速率可达
1000℃/s，裂解温度500℃左右，原料颗粒停留时间约
0.5s ，热裂解蒸汽停留时间约0.3s ，生物油产率为
60%~70%。旋转锥式反应器运行中所需载气量比流化
床少得多，这样就可以减少装置的容积，减少冷凝器的
负荷从而降低装置的制造成本。
图7-22 旋转锥反应器简图
第四节 下降管生物质裂解液化装置
下降管反应器是山东理工大学在国家“十五”和863计划资助下研制开发的一种新型生物质热裂解反应器，该反应器的最大生物质处理量达到200-300kg/h。它采用陶瓷球颗粒（直径为2-3mm ）作为固体热载体，利用固体热载体与生物质颗粒之间的温差实现生物质的快速升温热解。由于陶瓷颗粒热容大、不易破碎、流动性好，因此可以循环使用；下降管结构避免了热应力对反应器的破坏，而且通过增大反应管直径方便了系统的扩大；更为重要的是该工艺无需引入惰性气体热载体，不但节约了冷却过程中的耗能，而且成本低，经济可靠。
一、下降管生物质裂解液化装置工艺流程
图7-24为下降管反应器的工艺流程图。作
为固体热载体的陶瓷球颗粒在换热器中被加热
到一定温度（一般是600～700℃），通过流量控
制阀门流入热裂解反应管，循环陶瓷球颗粒预热
反应管，使之稳定在设定的500℃左右。将被粉
碎干燥（粒径1-3毫米，含水率小于10%）后的
生物质物料加入生物质喂料装置。生物质粉由生
物质喂料装置喂入反应管，在热裂解反应管中与
高温热载体陶瓷颗粒混合并沿下降管在重力作
用下向下流动。流动过程中生物质颗粒被快速加
热升温，在0.1-0.5秒范围内使生物质粉热裂解
为可冷凝气体、不可凝气体、和残炭，残炭与热
载体陶瓷球颗粒的混合物从反应管流出后进入
旋转筛分离装置，通过旋转筛分，作为筛上物的
陶瓷颗粒流入陶瓷球循环提升装置，被送回陶瓷
球换热器重新加热循环使用。残炭进入炭粉排除
装置，从而实现反应的终止及陶瓷颗粒和残炭的
分离。从热裂解反应管产生的热裂解气，被风机
吸入旋风除尘装置，热裂解气中混有的部分轻质
残炭，大部分将被旋风除尘装置收集，落入残炭
收集箱，洁净的热裂解气进入冷凝装置，在生物
油喷淋冷却方式下被冷却成为液体，流入贮油罐中，不冷凝气体被引风机吸出冷凝装置，经由引风机排出，也可以引入生物质燃烧室燃烧，作为加热陶瓷球的热源。
图7-24 下降管生物质裂解液化装置
二、下降管生物质裂解液化装置的组成
下降管热裂解液化装置由下降管、加热炉、载体换热装置、生物
质喂料装置、热裂解反应管、旋转筛分离装置、炭粉排除装置、陶
瓷球循环提升装置、旋风除尘装置、热裂解气冷凝装置、冷却水循
环装置、电器控制部分等几部分组成。
1、反应管结构
下降管反应器由热裂解反应管组成。三段热裂解反应直管连接
呈“之”字形，如图7-25所示。热裂解管顶部有两个开口，水平的
管口为生物质粉输入口，竖直管口为热载体陶瓷颗粒落入口。进入
热裂解管的陶瓷颗粒在反应管内与生物质粉迅速混合，生物质粉受
热，温度在0.1～0.5秒内迅速升高到500℃左右发生热裂解反应。
反应管做成“之”字形，是为了增加热载体与生物质粉在反应管内
由于重力的作用沿管流动并混合的概率, 使其相互尽可能混合均匀。
2、加热炉
下降管反应器采用燃烧生物质产生的高温烟气（1000℃左右）
加热陶瓷球，生物质燃烧器采用循环流化床。利用燃烧生物质作为
热源，节约了电、煤等高品位能源的消耗。
3、热载体换热装置
陶瓷颗粒作为热载体，要求其温度必须600℃～700℃之间。载
体换热装置相当于列管式换热器，由耐热不锈钢制造，其形状为长方
体，分为上、中、下炉体三部分，如图7-26所示。上炉体上开有圆
孔，作为陶瓷颗粒入料口，与陶瓷球循环提升装置出口连接。中炉体
内横向排布耐热钢细管，实现加热炉排除的烟气与陶瓷球的热交换。
下炉体下开有圆孔作为陶瓷颗粒的出料孔，与流量调节阀门连接。
4、生物质喂料装置
被粉碎并被处理至含水率为10%左右的生物质粉，加入到生物
质喂料装置的料斗中，由喂料装置的双螺旋喂料器喂入热裂解反应
管。生物质喂料装置由生物质料斗和螺旋喂料器组成，如图7-27所
示。调速电机带动螺旋喂料器螺杆转动，螺杆推动物料在绞龙内前进，
可使生物质物料均匀、持续地加入热裂解反应管。在第一级螺旋喂料
器出料口下面的相对面开有观察窗，透过有机玻璃板可以观察到物料
下落的情况。双螺旋喂料器可以更好地实现对物料流量的控制及装置
的密封，第一级螺旋进料器控制物料流量，第二级螺旋喂料器控制喂
入速度，较高的喂入速度可以避免生物质粉在反应管入口处，由于受
热使纤维软化，堵塞喂料器。通过控制第一级螺旋喂料器电机的转速，
可以控制生物质粉的流量。
5、旋转筛分离装置
生物质粉热裂解产生的残炭与热载体陶瓷球颗粒的
混合物从反应管流出后进入旋转筛分离装置，通过旋转
筛分，作为筛上物的陶瓷颗粒流入陶瓷球循环提升装置
的入料口，被重新提升进入载体换热装置。残炭作为筛
下物，进入炭粉排除装置。从而实现反应的终止及陶瓷
颗粒和残炭的分离。旋转筛分离装置由分离筛和筛体构
成，如图7-28所示。分离筛由不锈钢制造，采用了机械
密封结构保证了传动部位的密封性能。
6、炭粉排除装置
由双板密封阀门、出料绞龙和残炭收集箱组成，如
图7-29所示。从旋转筛分离装置排出的残炭经由双板密
封阀门和出料绞龙输送到残炭收集箱。出料绞龙在结构上
与传统绞龙不同，输送轴上的叶片采用特殊结构，来实现
输送物料的自密封。采用多次密封结构，一方面防止残炭
遇空气燃烧，另一方面，防止了空气进入反应管。残炭收
集箱选用耐热钢板卷制而成，侧边开有可随时排料的方便
开门。
7、陶瓷球循环提升装置
从旋转筛分离装置流出的热载体陶瓷颗粒迅速被陶
瓷球循环提升装置提升到载体换热装置再加热循环利用，
减少了装置的热损耗。陶瓷球循环提升装置由环链垂直斗
式提升机和管道组成，如图7-30所示。提升机由运行部
分（料斗与牵引链条）、带有传动链轮的上部区段、带有
拉紧链轮的下部区段、中部机壳、驱动装置、逆止制动装
置等组成。提升机的料斗是间断布置的，料斗采用“挖取
法”装载，采用“混合卸料法”卸载。提升机的牵引机构
是一根环形链条，它与上部链轮间利用摩擦力来传动，因
此运转平稳，可以输送温度较高的物料。提升机料斗选用
深圆底型料斗。提升机在结构及选材上，首先保证了耐热
性，由于所提升的陶瓷颗粒温度为600℃左右，因此在结
构上要保证其在热胀冷缩的状态下机器正常运转。另外还
要保证提升机的密封性，为了实现提升机的密封，在提升
机的接口处均采用石棉垫加密封胶密封。管道作为陶瓷颗
粒的溜管，选用耐热钢板卷制而成。
8、旋风除尘装置
旋风除尘装置由风机、旋风除尘器、闭风器和闭风器
下面的残炭收集箱构成。从热裂解反应管生成的热裂解
气，被风机吸入旋风除尘装置。
热裂解气中混有部分轻质
图7-30陶瓷球提升机
残炭，其中大部分轻质残炭被旋风除尘装置收集，落入残炭收集箱，洁净热裂解气进入热裂解气冷凝装置。
9、热裂解气冷凝装置
热裂解气进入冷凝装置和低温生物油直接混合，被冷
却至60℃以下，可冷凝气体冷凝为液体流入贮油箱中，不
冷凝气体被引风机吸出冷凝装置，如图7-31。热裂解气冷
凝装置由筛板塔冷凝器、冷却油循环装置、贮油箱和冷却
水循环装置组成。冷却水循环装置保证将作为冷却剂的生
物油温度保持在15～20℃。
10、电器控制部分
由电控柜、压力传感器和热电偶等组成，以实现对装
置的控制。压力传感器和热电偶随时反馈反应管压力及温
度信号以实现对热裂解反应的监测及控制。 图7-31冷凝装置 1-冷凝器 2-制冷机组3-循环油泵 4-油箱 2 4 1 3
三、下降管生物质裂解液化装置的特点
和现有的大部分快速热裂解液化装置相比，该装置主要有以下特点：
（1）由于热裂解液化过程中没有混入其它气体，热裂解产物中的不可凝气体热值较高。
（2）进行冷激时只需将热裂解产物冷却，冷激装置的负载较小。
（3）以下降管作为热裂解器，结构简单，规模扩大方便。
（4）可实现热载体的循环利用，总体能耗小。
由于该工艺装置具有上述主要特点，因此具有广阔的应用前景。
四、下降管生物质裂解液化装置设计中应注意的问题
设备进行设计时首先应考虑气密性问题。由于生物质热裂解是在高温无氧条件下的自身裂解反应。如进入空气，生物质会在高温下发生燃烧，这样不但不能获得希望的产物，并且由于产生大量热量，可能发生爆炸。因此构件焊缝处密封性能要好。法兰接头处应加入耐高温的石棉垫片密封。按设计要求有关部分应注意保温，如果保温效果不好，会使反应部分温度降低过快，使反应进行的不够充分，温度降低还会使热裂解气在反应器通往沙壳龙的管道内以及在沙壳龙内部过多凝结（生成焦油），这样不仅降低了热裂解油的产量，而且阻碍管道的顺畅，影响沙壳龙的效用。同时，保温效果不佳也会造成能源的浪费，不能充分的利用热能。因此为提高保温效果，陶瓷制成的加热炉周围要求包裹一层岩棉，反应管、反应罐及热裂解蒸气通路外面都应用岩棉裹严。
第七章 生物质热裂解液化装置
生物质快速热裂解反应器是生物质快速热裂解液化技术的核心设备。目前国内外比较典型的反应器有流化床、旋转锥反应器、烧蚀反应器、涡旋反应器以及输运床、引流床、真空移动床等等。山东理工大学在国家863计划的资助下，研发了具有自主知识产权的利用固体热载体加热生物质的下降管式热裂解反应器和双螺旋滚筒式热裂解反应器。本章主要对生物质热裂解液化工艺的研究进展及流化床、旋转锥、下降管等典型生物质热裂解液化反应器的工艺原理、结构特点进行介绍。
第一节 生物质热裂解液化工艺过程及研究进展
一、 生物质热裂解液化工艺过程及要求
生物质快速热裂解液化要求得到尽可能多的液体产物。采用快速热裂解技术，生物质所含的长链有机高聚物在隔绝氧气的条件下迅速受热断链为小分子为主的热裂解蒸汽，热裂解蒸汽被迅速冷凝，从而获得液体油产物——生物油（Bio-oil ）。生物质快速热裂解液化制取生物油系统的工艺流程如图7-1所示。工艺过程如下：生物质经干燥和粉碎后喂入热裂解反应器中，反应气固产物首先经旋风分离器分离出残炭；再经冷激装置将热裂解蒸汽迅速冷却成液态，以防止可冷凝气体二次裂解为不可冷凝气体；所得的最终产物为残炭、不冷凝气体和生物油并分别收集。
图7-1 生物质热裂解液化工艺流程图
生物质快速热裂解液化的工艺要求： （1）原料含水率应低于10%。
（2）把原料粉碎到足够小的粒度，以便提高加热速率、增加产油率；粒径大小与反应器有关，比如采用流化床及其它形式的热裂解器裂解，原料粒度一般应小于2mm 。
（3）工艺装置应在无氧或者缺氧条件下运行。
（4）升温速率要在103Ｋ/ｓ以上，热解温度一般在450℃~600℃左右。
（5）短的气相停留时间，停留时间越长，二次裂解发生的可能性越大，生成不可冷凝气体的成分增多，因此必须迅速冷却。而原料颗粒要完全裂解必须有一定的停留时间，两者对停留时间的要求是不同的，气相停留时间一般为0.2～3.0ｓ，大原料固相颗粒（>2mm）的热裂解停留时间要求1～5s ，小原
料固相颗粒（
（6）热裂解反应产物中的炭会起催化作用，造成液化油不稳定，在热裂解气冷凝之前，必须快速彻底地除去。
二、生物质热裂解液化工艺研究进展
20世纪70年代末至80年代初，生物质快速热裂解液化术在欧美一些国家得到高度重视，到20世纪90年代，将固体生物质通过快速热裂解转化成生物燃油的研究在欧洲及北美有了突破性进展，技术比较先进的主要有加拿大、荷兰、英国、美国、瑞士、意大利等国家。他们研究开发的快速热裂解液化装置及相应技术主要有：流化床、旋转锥反应器、烧蚀反应器、涡旋反应器、循环流化床、输运床、引流床、真空移动床等等。这些反应器的结构虽然不同，性能也有所差异，但均可实现生物质的热裂解液化。近年来，国外出现了许多新型热解器，比较典型的有荷兰吞特大学（University of Twente ）研发的一种类似旋风分离器结构的新型生物质热裂解装置（PyRos ），其最大特点是热裂解、气固分离效率极高，结构紧凑、可靠性强，而且生物质液体转化率很高，非常适合实验室及中小规模生产。Niels Bech 等开发的离心式反应器（Pyrolysis Centrifuge Reactor ）也是一种新型工艺，可以实现对农作物秸秆和木材的热裂解液化。
目前国外已经开发出的各种类型的反应器应用情况见表7-1。
表7-1 国外生物质热裂解生产生物油工艺的研发情况
主持研究机构 Dynamotive Interchem Red Arrow/Ensyn Red Arrow/Ensyn ENEL/Ensyn BTG/Kara Union Fenosa/Waterloo Red Arrow/Ensyn
Ensyn Pasquali/ENEL BTG/SAU University of Hamburg University of Laval
WWTC* Ensyn NREL Dynamotive NREL* RTI VTT/Ensyn CRES Ensyn
University of Tubingen* University of Twente
国 家 加拿大 美国 美国 美国 意大利 荷兰 西班牙 加拿大 加拿大 意大利 荷兰/中国 德国 加拿大 加拿大 加拿大 美国 加拿大 美国 加拿大 芬兰 希腊 加拿大 德国 荷兰
技 术 流化床 烧蚀涡流床 循环传输床 循环传输床 循环传输床 旋转锥 流化床 循环传输床 循环传输床 循环流化床 旋转锥 流化床 真空移动床 奥格窑(Augur kiln)
循环传输床 烧蚀涡流器 流化床 烧蚀涡流器 流化床 循环传输床 循环传输床 循环传输床 奥格窑(Augur kiln)
旋转锥
规模/kg·h -1 1500 1360 1250 1000 625 200 200 125 100 50 50 50 50 42 40 30 20 20 20 20 10 10 10 10
现 状 运行 1994年废弃
运行 运行 运行 运行 运行 运行 运行 停用 运行 运行 运行 运行 运行 1997年拆除
运行 运行 运行 运行 运行 运行 运行 运行
BFH/IWC INETI University of Aston
RTI
University of Aston University of Waterloo University of Aston
CPERI BFH(IWC) NREL RTI
University of Aston University of Leeds University of Oldenbury University of Technology University of Santiago University of Sassari University of Zaragoza
VTT
德国 葡萄牙 英国 加拿大 英国 加拿大 英国 希腊 德国 美国 加拿大 英国 英国 德国 马来西亚 西班牙 意大利 西班牙 芬兰
流化床 流化床 烧蚀板 流化床 烧蚀板 流化床 流化床 循环流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床 流化床
6 5 5 3 3 3 2 1
运行 运行 运行 拆除 运行 1995年搬到RTI
运行 重建 运行 运行 运行 运行 运行 运行 运行 设计中 运行 运行 运行
供所有气体和挥发份燃烧的设备，但能够生产液体产物。 * 慢速生物质热裂解液化
我国在生物质快速热裂解液化技术领域的研究起步较晚，最早用于生物质热裂解液化的反应器是上世纪90年代沈阳农业大学从荷兰引进的旋转锥反应器，这也可以看做我国在该技术领域研究的开始。其后经历了从消化吸收改进国外反应器到研发具有自主知识产权的新型热裂解反应器等阶段。从文献来看，流化床是国内用于生物质热裂解液化研究最为广泛的反应器，比如中科院广州能源所、上海交通大学、浙江大学、华东理工大学、上海理工大学、中国科技大学、沈阳农业大学、吉林农业大学、山东理工大学、北京林业大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、中科院地理科学与资源研究所、中科院广州过程所、东南大学热能工程研究所等都开展了这项技术的研究。另外，国内用于生物质快速热裂解液化研究的反应器还有浙江大学的固定床和回转窖、华东理工大学的管式炉、山东理工大学的水平携带床、螺旋滚筒式反应器和下降管反应器、河南农业大学的平行反应管、浙江农业大学的热裂解釜、清华大学的热分解器等，但其规模大多用于实验室研究。从文献资料和专利申请来看，生物质处理能力比较大的生物质热裂解反应器主要有山东理工大学的下降管反应器、东北林业大学的转锥式热裂解反应器和中国科技大学的自热式流化床反应器，其生物质处理能力均在200kg/h以上。
山东理工大学研发的下降管和双螺旋滚筒式热裂解反应器是利用高温散体固体热载体（比如陶瓷球、石英砂等）与生物质颗粒之间的温差实现生物质的快速升温热解的一种新型工艺。该工艺的优势在于：采用生物质燃烧提供热裂解热源，节约了电、石油、煤等高品位能源，不但提高了能效，而且降低了温室气体的排放；规模扩大方便，利于工业化生产；区别于流化床反应器，不需要引入其它气体（一般为惰性气体、或不含氧气的烟气）作为热载体，大大降低了热裂解气体产物冷却过程中的负荷和成本；固体热载体可以循环利用，节约能耗和成本。因此，山东理工大学连续获得国家“十五”、“十一五”和863计划的支持。
1、流化床反应器
在生物质热裂解技术工艺中，流化床在目前的生物质热裂解试验研究中应用最为广泛。流化床最早于1980年在加拿大Waterloo 大学研发并应用于生物质热裂解领域。流化床反应器属于混合式反应器，主要借助热气流或气固多相流对生物质进行加热，起主导方式的是导热和对流换热。常见的反应器类型有鼓泡流化床反应器、循环流化床反应器、导向管喷动流化床反应器等装置。本章将在第二节对流化床工艺及结构做进一步详细介绍。
（1）鼓泡流化床
鼓泡流化床的工艺原理如图7-2所示，采用鼓泡流化床进行快速热裂解，流化介质是热裂解生成的气体，热载体可采用砂类材料，比如石英砂。由于砂子的热容很大（是相同体积空气的1000倍），与粉状的生物质接触可实现高的传热速率（1000℃/s以上），反应停留时间极短，挥发物经过快速分离和冷凝后得到生物原油液体燃料，对于一些生物质原料最高生物油产率可达80%以上。鼓泡流化床通过调节热载气流量来控制原料颗粒和热裂解蒸汽的停留时间，非常适合进行小颗粒（小于2mm ）原料的热裂解。鼓泡流化床的设备制造容易、操作简单、反应温度控制方便，特别是它的热载体密度高、传热效率好，非常有利于快速热裂解进行。
（2）循环流化床
循环流化床的工艺流程如图7-3所示。在这种工艺中，焦炭产物和气体流带出的砂子通过旋风分离器回到燃烧室内循环利用，从而降低了热量的损失。由于提供热量的燃烧室和进行反应的流化床合二为一，因此降低了反应器的制造成本，而且加热速度控制方便，反应温度均匀，焦炭停留时间和气体产物停留时间基本相同，适合小原料颗粒（小于2mm ）的热裂解，生物油产率可达60%。在目前各种快速热裂解生产装置中，循环流化床的处理量最大，可达200kg/h。但循环流化床内的流体运动情况十分复杂，仍需进行反应器的运转稳定性和系统的反应动力学研究。另外，由于固体传热介质需要循环使用，增加了系统的操作复杂性。
（3）导向管喷动流化床
华东理工大学已建成生物质最大处理量为15kg/h的导向管喷动流化床裂解反应器，采用的是一种集流化床和喷动床为一体的新型流态化技术。这种技术是在裂解反应器内设置了导向管，使流化床层更稳定。床层底部的流化介质在喷动气的作用下，先沿导向管内部上升，然后再沿导向管与裂解反应器之间的环隙下降，从而形成循环流；循环流载着生物质颗粒进行热裂解反应，可有效提高传热速率。在这种反应器中，热裂解蒸汽可以连续快速流出，而原料颗粒则在床内循环进行充分裂解，直到颗粒足够小后才被气体带出床层。这样，原料颗粒的停留时间不受蒸汽停留时间的制约，大颗粒可以获得足够的停留时间，从而提高了生物油的产率。
2、烧蚀式反应器
烧蚀反应器由英国Aston 大学研发。烧蚀反应器工艺流程如图7-4所示。粒径为6.35mm 的生物质颗粒通过密封的螺旋给料器，喂入到氮气环境的反应器中，四个不对称的叶片以200rpm 的速率旋转，产生了传递给生物质的机械压力，将颗粒送入加热到600℃的反应器底部表面。叶片的机械运动使颗粒相对于热反应器表面高速运动并发生热裂解反应。产物随着氮气离开反应器进入旋风分离器，然后通过逆流冷凝塔将最初挥发产物冷凝，其余的可冷凝部分通过静电沉积器从不可冷凝气体中沉积下来，最后剩余的气体被排出反应器。
3、旋转锥反应器
旋转锥式反应器由荷兰Twente 大学工程组及生物质技术集团（BTG ）从1989年开始研发，是接触式反应器中的一个典型设计。经过干燥的生物质颗粒与经过预热的载体砂子混合后送入旋转锥底部，在转速为600r/min的旋转锥带动下螺旋上升，在上升过程中被迅速加热并裂解。裂解产生的挥发物经过导出管进入旋风分离器分离出焦炭，然后通过冷凝器凝结成生物油。分离出的焦炭可再次回到预热器燃烧加热原料。在此过程中，传热速率可达1000℃/s，裂解温度500℃左右，原料颗粒停留时间约0.5s ，热裂解蒸汽停留时间约0.3s ，生物油产率为60%~70%。旋转锥式反应器运行中所需载气量比流化床少得多，这样就可以减少装置的容积，减少冷凝器的负荷从而降低装置的制造成本。本章第三节对旋转锥式反应器工艺及结构做进一步详细介绍。 4、真空快速裂解反应器
加拿大Laval 大学设计的生物质真空热裂解反应器，如图7-5所示。物料经过干燥和破碎后在真空状态下导入反应器，在反应器两个水平的恒温金属板间受热裂解（顶层板温度为200℃，底层板温度400℃）。由于反应是在15kPa 的负压下进行的，热裂解蒸汽停留时间短，并迅速离开反应器，从而降低了二次裂解的几率。热裂解蒸汽进入冷凝系统，反应装置具有两个冷凝系统，一个收集重质的生物油，另一个收集轻质的生物油和水分，生物油的产率达35%~50%。由于真空热裂解系统需要有真空泵，而且反应器必须具有极好的密封性，因此实际应用投资成本高，运行操作也有一定难度，大规模生产困难。
图7-5 真空热裂解反应器
图7-4 烧蚀反应器
5、涡流反应器
涡流反应器由美国可再生能源实验室研制（A.V .Bridgewater and G.V .C.Peacocke,2000），其原理是利用高速氮气（1200m/s）或过热蒸汽流引射（夹带）生物质颗粒沿切线方向进入反应器管，生物质在此条件下受到高速离心力的作用，在高温（625℃）反应器壁面上发生烧蚀。烧蚀颗粒产生的生物油膜留在反应器壁上，并且迅速蒸发，未完全转化的生物质颗粒可以通过固体循环回路返回反应器再次反应。利用该反应器工艺如图7-6所示，可获得67％左右产率的生物油。
6、携带床反应器
由美国佐治亚技术研究院开发的携带床裂解反应器，如图7-7所示。以燃烧后的高温烟道气作为载流气，采用较大的载流气流量（其和生物质的重量比约为8：1），以0.30－0.42mm 的木屑为原料，所得有机冷凝物的收率为58％。
图7-7携带床热裂解液化装置
图7-6涡旋反应器
7、下降管反应器
下降管反应器是山东理工大学清洁能源研究中心自主研制开发的下降管式载体循环快速热裂解装置。反应管是由三段直管组成的“之”字形管。生物质粉从较高的入口加入，与从较低入口加入的高温陶瓷球迅速混合、受热，温度在0.1～0.5秒内迅速升高到500℃左右，发生热裂解反应。本章第四节对下降管式载体循环快速热裂解液化装置的工艺及结构做进一步详细介绍。
8、PyRos 热裂解反应器
荷兰 University of Twente 新近开发了PyRos 反应器，此种反应器外形见图7-8，其结构是将旋风分离器内装高速旋转（旋转速度2880rpm ）的过滤转子，内部结构见图7-9。工作原理：惰性气体携带预热的砂子和生物质粉进入旋风分离器内，砂子与生物质粉沿分离器壳体旋转向下运动时，生物质发生热裂解反应，热裂解气通过过滤转子从旋风分离器切向口排出，热裂解气中携带的轻质炭粉被过滤转子阻挡，下落到旋风分离器内，随砂子及其它炭粉从旋风分离器下口排出，如图7-10所示。利用PyRos 反应器进行生物质热裂解液化工艺流程如图7-11所示，其特点主要是，热裂解气冷凝后排除的不可冷凝气体通过鼓风机吹送，作为输送砂子与生物质粉的惰性携带气体，多余的不可冷凝气体可通入供热装置中燃烧供热。
9、双螺旋滚筒式热裂解反应器
图7-12为山东理工大学新近开发的双螺旋滚筒式热裂解反应器，其结构原理是调速电机带动两个滚筒同时旋转，内旋滚筒是热裂解反应滚筒，外旋滚筒是筛分滚筒，内、外滚筒均安装有螺旋叶片，但旋转方向相反。高温陶瓷颗粒和生物质粉的混合物喂入内螺旋滚筒，按图示方向，由于叶片的搅动，混合物不断混合且向右运动，到内滚筒右侧由右侧落料口落入外旋滚筒。在此混合搅动过程中，生物质发生热裂解反应，产生的热裂解气由筒体上口排出。落入外旋滚筒的陶瓷颗粒和生物质热裂解反应后生成的炭粉在外旋滚筒内逐渐分离，炭粉作为筛下物由出灰筒排出。陶瓷颗粒作为筛上物由外旋滚筒左侧落入陶瓷颗粒出料口，进入提升装置循环使用。
图7-12 双螺旋滚筒反应器
上述各种反应器虽然结构不同、工艺有所差异，但均可实现生物质的快速热裂解，总结上述各类典型反应器的性能比较见表7-2。
表反应能比
反应器类型 流化床 循环流化床 携带床反应器 旋转锥反应器 烧蚀反应器
使用状况 示范装置 工厂实验 无 工厂实验 实验室 工厂实验 示范装置
产油率 75 75 65 65 75 60 50
复杂
程度 中等 复杂 复杂 复杂 复杂 复杂 中等
小 中等 小 较小 大 大 小 原料颗粒大
小
大 大 大 / 低 低 / 载入气流
设备尺寸 中等 大 大 小 小 大 大
放大可行性 容易 容易 容易 较难 较难 较难 容易
7-2 器性较表
真空反应器
下降管式
第二节 流化床生物质热裂解液化装置
在生物质快速热裂解的各种工艺中，反应器的类型及其加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布，所以反应器类型和加热方式的选择是各种技术路线的关键环节。常用的制取生物质液体（生物油）的反应器都具有加热速率快、反应温度中等、气相停留时间短等共同特征。流化床反应器属于混合式反应器，主要借助热气流或气固多相流对生物质进行加热，起主导方式的是对流换热。常见的反应器类型有流化床反应器、导向管喷动流化床、循环流化床反应器、鼓泡床反应器等装置。
采用流化床作为反应器的生物质热裂解技术，是当前主要研究方向之一。流化床反应器能够提供较高的加热速率以及相对均匀的反应温度，同时快速流动的载气便于一次产物及时析出。流化床热裂解装置是对流态化技术的重要应用, 热裂解装置的合理设计是实现生物质热裂解液化的前提。流化床反应器由于运行简单、结构紧凑、适合放大而得到越来越多的重视。
固体流态化是指固体颗粒通过与流体接触而转变成类似流体状态的操作。利用流态化技术，可使某些工艺流程简化和强化。流化床内固体颗粒在流化床阶段具有很强的流动性，具有良好的传热传质效果，能够提供给生物质较大的升温速率，是生物质热裂解反应器较理想的选择。
一、 流化床生物质裂解反应器结构及工作原理
在一个流化设备中，将固体颗粒堆放在分布板上，当气体由设备下部通入床层，随着气流速度加大到某种程度，固体颗粒在床层内就会产生沸腾状态，这种床层称为流化床。流体通过颗粒时所出现的床层现象有以下几种状态：
（1）固定床——当流体的速度较低时，流体只是穿过静止颗粒之间的空隙而流动，这种床层称为固定床。
（2）初始或临界流化床——当流体的流速增大至一定程度时，颗粒开始松动，颗粒位置也在一定的区间内进行调整，床层略有膨胀，但颗粒仍不能自由运动 ，这时床层处于初始或临界流化状态，此时的气流速度称为临界流化速度。
（3）流化床——如果流体的流速升高到全部颗粒刚好悬浮在向上流动的气体中而能做随机的运动，此时颗粒与流体之间的摩擦力恰与其净重力相平衡。此后床层高度将随流速提高而升高，这种床层称为流化床，对应的气体流速为操作流化速度。
（4）稀相输送床——若流速再升高达到某一极限值后，流化床上界面消失，颗粒分散为悬浮在气流中，并被气流带走，这种床层称为稀相输送床。
在流化床阶段气流速度不是太大，且床内具有良好的传热传质效果，生物质热裂解反应器常用这个阶段的流化床。
典型的流化床生物质热裂解反应器由气体分布器、旋风分离
器、换热器、扩大段和床内构件等组成，如图7-13所示。其中某些部分不一定在每一具体的流化床中出现，具体的工艺过程和操作条件将决定每个流化床的特点。
1、气体分布器
气体分布器的主要作用是将流化气体均匀分布在整个床层截面上。它一般位于床层底部。在许多情况下，气体分布器还起到支撑流化颗粒的作用。分布器的形式多种多样，如多孔板式、微孔板式、多管、泡罩式、浮阀式、多层板式等等。一般来说，分布器需要有足够的压降才能保证气体在整个床层截面上的均匀分布。分布器压降大于整个床层压降的10%~30%是对分布器压降较常见的要求。但在实际工业应用中，因为床层较高，为了减少压头损失，分布器的压降有时设计在全床压降的5%左右。流化床中气泡初始尺寸与分布器的形式有很大关系。在分布器上方的一定距离内，气固两相的流动行为受分布器影响而与床层主体有明显不同。该区域习惯上称为“分布器控制区”。分布器控制区内的流体流动行为及传热、传质对整个流化床的功效都可能产生较大作用，尤其是在进行快速反应的流化床反应器中，这一点表现得特别明显。
2、自由空间和扩大段
流化床内气固浓相界面以上的区域被称为自由空间。由于气泡逸出床面时的弹射作用和夹带作用，一些颗粒会离开浓相床层进入自由空间。一部分自由空间的颗粒在重力作用下返回浓相床，而另一部分较细小的颗粒则最终被气流带出流化床。颗粒是否被带出流化床取决于颗粒的特性(尺寸、密度和形状) 、流化气体的特性(密度、粘度) 、流化气速和自由空间的高度。
扩大段位于流化床上部，其直径大于流化床主体的直径，并通过一锥形段与主体相连。扩大段可以显著地降低气流速度，从而有利于自由空间内的颗粒通过沉降作用返回浓相，减少颗粒带出及降低自由空间内的颗粒浓度。对于流化床反应器来说，较低的自由空间颗粒浓度对于减少不利的负反应往往是至关重要的。
3、旋风分离器和料腿
旋风分离器利用离心力原理分离流化床出口气流中的颗粒。旋风分离器可以设置在流化床内部；也可以设置在流化床外部。多个旋风分离器还可以串联使用(称为多级旋风分离器) 以增强分离效果。两级和三级旋风分离器在工业上比较常见。在大型流化床中，还经常可以看到多组多级旋风分离器同时使用的情况。
旋风分离器所分离的颗粒经过一根连接在旋风分离器锥形段底部的管道返回床层或进入收集颗粒的容器。对外旋风分离器而言，料腿是位于流化床床体外的一根管道，料腿底部可以与床体相连以返回所分离的颗粒。内旋风分离器的料腿直接向下伸入床中，其末端可以浸入浓相床中，也可以悬在自由空间中。旋风分离器成功操作的一个重要因素是料腿中不能有向上倒窜的气流，而只能有向下流动的固体颗粒。因此，在料腿末端一般设有特殊的反窜气装置，如出口在自由空间的料腿底部常安装有翼阀，浸入浓相的料腿底部也往往设有锥形堵头一类的装置。
除常见的旋风分离器外，流化床还可以采用其它方法分离出口气流中的颗粒，如陶瓷管过滤器、布袋过滤器等。
4、内部构件
内部构件是指密相床内除气体分布器、换热管和旋风分离器之外的所有物件。包括水平挡板、斜向挡板、垂直管束和其它各种构型，如塔型构件和脊型构件。广义上，换热器和料腿也可归入内部构件，因为它们在影响床内气固两相流动行为方面与其它形式的内部构件具有相似的功效。
内部构件的功能主要包括限制气泡、破碎气泡、促进气固两相接触和减少颗粒带出。对于较粗颗粒系统，内部构件的功效比较显著，而内部构件对于较细颗粒的床层作用相对较小。各种形式的内部构件在限制气泡长大和破碎气泡方面的效果也有很大差别，而且与床层的操作条件密切相关。在某些情况下，使用不恰当的内部构件还会恶化流化床内的气固接触。与换热器和料腿一样，内部构件既可以完全浸没
于浓相之中，也可以部分或完全部暴露在自由空间中。
气固密相流化床还可能有不同的结构以适应在其它外力场中操作，如振动流化床、磁控流化床、声控流化床等。
5、流化床热裂解反应器的优缺点： 优点体现在：
(1) 良好的反应床层均温性：由于气固流化床内流体和颗粒剧烈搅动混合，床层区域的温度较为均匀一致，温度梯度很小，避免了局部过热或局部反应不完全的现象。同时，由于砂子的热容量高，避免了反应器内温度的大幅波动，为反应器提供了良好的恒温状态。
(2) 较高的传热传质速率：由于流化床中采用较细小的固体颗粒做为流化介质（如河沙、石英沙等），流化介质与物料颗粒相互间接触面积很大；而且，流化介质的剧烈运动和相互摩擦、碰撞，使固体颗粒表面状态的更新速度加快。因而流化床内的传热传质速率很高，可以满足快速热裂解液化反应对于很高的升温速率和很短的气相滞留期的要求。
(3)可提供很短的气相滞留期：与其它流化因素综合考虑，通过增大流化风速或减小床高等可以达到很短的气相滞留期，防止热裂解蒸汽的二次裂解，从而获得较高的生物油产率。
(4) 反应设备结构简单、规模灵活，可实现连续生产：热容量很高的砂子在强烈的湍动状态下成为良好的传热介质，实现床内的换热或加热过程，使反应装置的结构大为简化；并且，通过连续进料可以使反应连续进行；由于反应设备结构的简单，使其更易于放大，实现工业化生产。
正是由于流化床反应器装置的这些独特优点，使其在生物质热裂解液化的研究中受到越来越广泛的重视。但是，它仍是一个发展中的新技术，同时也不可避免地存在一些缺点。
(1) 采用流化床结构需要用惰性载气对设备内物质进行流化：惰性载气一般使用纯氮气或贫氧气体。载气的供应增加了生产成本，而且载气与反应生成物一同排出反应器，增加了反应器后部的冷凝负荷。为了提高液体产物产率，需增加冷凝器级数，这样就增加了反应器的复杂性和反应器的制造成本。
(2) 固体物料的停留时间不均匀：因为固体颗粒在流化床内的混合、运动比较剧烈，在连续进、排料的生产过程中，床内已有物料与部分新入物料可能会同时排出，造成部分新入物料的停留时间过短。这种物料停留时间不均匀的现象会影响反应速度及反应的完全性。
(3) 设备磨损严重：流化床中固体颗粒的强烈碰撞、摩擦运动必然对反应器表面产生磨损。 (4) 易堵塞：为了减少生成产物在反应器中的停留时间，生成产物需随载气气流迅速排出反应器。这样，高温的生成物遇冷迅速凝结，易于在分离、冷凝及过滤过程中堵塞管路。所以，要求管件不宜过细，并尽量减少弯管数量，减小弯管的角度。而且，对旋风分离器、冷凝器及过滤器的设计要求较高，否则，容易使炭、灰与冷凝的焦状生物油混合造成堵塞。
二、流化床生物质裂解液化装置结构
流化床生物质裂解液化装置主要由4部分组成: 1、供热装置；2、生物质喂入装置；3、流化床反应器；4、收集装置等。装置结构示意图如图7-14。
1、供热装置
该部分为整个系统的热量来源, 一般包括流化气体的供热和流化床辅助加热两部分。供热方式可以是电炉直接加热或用油炉及煤炉间接加热流化气体。辅助加热可采用在流化床的管壁外侧缠绕电阻丝加
热。
2、生物质喂入装置
生物质热裂解的前提首先是能够保证热裂解生物质原料连续、均匀、稳定地的输送到反应器中。喂料装置大多采用螺旋喂料器。生物质颗粒粒度较小，属于粉末状物料，输送较困难。螺旋喂料器输送机构是利用旋转的螺旋叶片连续推送物料，它结构简单，密封性能好，制造成本低。由于生物质颗粒流动性较差，颗粒之间容易搭接，进料过程中料仓和螺旋进料器接口处常形成空隙，使螺旋进料器空转而无物料颗粒进入反应器本体，影响流化床正常工作。因此，在料仓内应装设搅拌器，以防止物料的搭接状态产生。实际操作中为了防止反应器内的高压、高温气体反窜回料仓，在料仓装好物料后需要密闭。由于螺旋进料器与反应器联成一体，为防止接口处物料过早地发生热裂解反应，产生的少量生物油和炭集结于此阻碍进料，在流化床生物质喂入口部分应焊接冷却套管，通入循环水降低该部分的温度。生物质颗粒密度较小，从反应器顶部进料时物料与流化床内高温烟气相向运动，造成进料口积炭，影响反应器正常工作。因此，应使生物质粉沿反应器筒体垂直的方向进入反应器。
3、流化床反应器
反应器是生物质热裂解的重要场所，反应器的尺寸参数决定了流化气体和热裂解气的滞留时间，从而影响生物质的热裂解程度和热裂解过程。因此，反应器的合理设计是生物质高效热裂解、获得最高生物油得率的关键。反应器主体一般由几段（3-4段）耐热不锈钢管螺栓连接而成。钢管外部缠绕电阻丝作为辅助加热元件，加热元件外部覆盖耐高温的保温材料。加热元件一般分为上、中、下三部分，下部加热元件预热惰性载气，中部和上部加热元件用于辅助加热流化床并维持床内恒温。反应器底部设气体分布板，分布板的开孔率一般为0.5%。
4、收集装置
收集装置由旋风分离器、集炭箱、冷凝器和集油器等组成。热裂解蒸气离开反应器后，先进入旋风分离器，由于离心作用，固体炭被分离出去。接着，热裂解蒸气进入冷凝器中，大部分可冷凝热裂解蒸气被冷凝成生物油，靠重力流入集油器中。通过冷凝器后，剩余的不可冷凝气体排出装置外。
三、流化床生物质裂解液化工艺流程
在床温加热到设定的温度后，工艺流程可按惰性载气供应、物料喂入、物料反应和产物收集四步来进行描述：
1、惰性载气供应
热载体不能含有氧气，因此一般采用氮气、氩气等惰性气体作为热载体。但由于惰性气体加热较高，因此增加了运行成本。所以也可以通过某种方法除去空气中的氧气，利用不含氧气的空气作为气体热载体。比如：把空气经过与高温木炭，木炭燃烧消耗掉空气中的大部分氧气，在空气压缩机等提供的压力作用下，生成的贫氧混合气体通入反应管为热裂解反应提供具有稳定压力的热载气。 2、物料喂入
预先干燥、粉碎、筛分的生物质物料由料仓进入螺旋进料器。螺旋进料器在小型电机和减速器的带动下旋转进料，可以通过调压器改变输入电机的电压，从而改变螺旋进料器的转速来改变生物质进料速率。由于载气的通入，整个加料系统都需处于密封状态。
3、物料反应
物料由加料系统加入到流化床的底部。生物质与湍动的热砂迅速混合并流化，在流化床内良好的传热传质条件下，生物质被快速加热到反应温度，发生热裂解反应，生成的混合物在惰性载气气流作用下被立即携带出流化床，以抑制二次裂解的发生。
4、产物收集
反应生成物包含可冷凝气体、不可冷凝气体和生物质炭。反应生成物由旋风分离器圆筒上部的进气管沿切向进入，受旋风分离器器壁约束旋转向下作螺旋式运动，在惯性离心力的作用下，尘粒被甩向器壁，与器壁碰撞和摩擦而失去动能，在重力作用下，沿壁面落至锥底进入集炭箱。分离了炭的气体流在旋风分离器中心轴附近范围内由下而上作旋转运动，最后由顶部排气管排出进入冷凝器。由于生成物急冷导致生物油大量凝结，为了防止由此造成的管路堵塞，从旋风分离器导出的热裂解气先通过金属管冷凝器在室温下冷凝，再通过通有冷却水的冷凝器冷凝，使气液两相物质经冷凝后得以分离，液体由集油器收集，不可冷凝热裂解气体经过过滤，由气体流量计显示流量排出。目前，许多研究者采用生物油喷淋技术冷却热解气，得到生物油。这种方法提高了液体产物的纯度。
四、以等离子体做热源的流化床热裂解液化试验装置
流化床热裂解装置是对流态化技术的重要应用, 热裂解装置的合理设计是实现流化床生物质热裂解液化的前提。在生物质快速热裂解的各种工艺中反应器的类型及其加热方式的选择在很大程度上决定了产物的最终分布。以等离子体作为热源，同时提供了惰性流化气体，加热速率高，提供热量稳定，可控性好。下面介绍一套以等离子底部加热，同时配合电阻丝辅助加热保温的生物质快速热裂解液化流化床试验装置，同时进一步介绍该装置的实验结果。
1、流化床的结构
图7-15是流化床快速热裂解液化装置。主要组成部分包括加热系统、喂料器、反应器、气固分离器、冷凝器、温度控制与检测等主要部分。
（1）加热系统
加热系统由等离子主加热源和电热丝辅助加热源组成。等离子是对气体进行电离得到的能够由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物，在实际的热等离子体发生装置中，阴极和阳极间的电弧放电作用使得流入的工作气体发生电离，输出的等离子体呈喷射状，调节电流可得到900～1900℃的Ar 气流，加热速率从1000～10000℃/s连续可调。高温的Ar 气流从反应管底部通入，不但提供了热裂解需要的热量，而且Ar 又可作为流化气体，因此无须对流化气体进行预热，简化了结构。辅助热源通过温控仪的通断控制保持反应管恒温，电阻丝在反应管外螺旋状缠绕，加热功率2000W 。
图7-16二级生物质喂料器
1 气力喂料管 2观察窗 3 滚筒喂料轮 4料斗
图7-15流化床生物质热裂解液化实验装置
（2）喂料器
连续均匀定量的加入生物质粉末是对喂料器的基本要求。利用螺旋给料机加入物料，由于在反应器物料入口处容易出现局部超温, 致使生物质粉末因受热而挤压形成致密团聚物, 造成卡塞, 迫使输送中断，这里采用一种滚筒配合气力输送的两级喂料机构输送物料，如图7-16所示。料斗中的生物质粉末在调速电机带动的滚筒（滚筒上开有槽）的转动下，落入下部空腔，空腔壁有玻璃观察窗，以观察下料情况，生物质粉末在气体的作用下被携带进入喂料管。由于反应管温度很高，为避免喂料管超温致使生物质未进入反应管前发生热裂解，在靠近反应管部分对喂料管采取了套管水冷方式。
（3）反应器
图 7-17 反应器结构图
1 等离子枪 2 硅碳管 3 布风板 4 筛网 5 水冷喂料管 6 反应管 7 热电偶插孔 8 压差测量管
反应器的结构简图如图7-17所示。由于等离子体焰心温度高达上万度，因此气体导入管采用耐高温硅碳管。反应管的材料是310S/0Cr25Ni20/2520不锈钢管，反应管总长度为1400mm ，内径为52mm ，厚度3mm 。外部螺旋状缠绕电热丝加热元件。在反应管壁上开有6个间隔60 mm、直径为5 mm的小孔，用来安放热电偶，测定反应管内气流温度是否均匀一致。同时，在反应管两端装有内径10mm 的压差测量管用以联接U 型压力计。
(4) 气固分离器(旋风分离器)
生物质热裂解产物包括热裂解气和残炭气固两相，根据快速热裂解机理，热裂解气离开反应器后要求快速冷凝液化以得到生物油。因此在冷凝之前要对热裂解气和残炭进行分离，以得到较高品质的生物油。生物质热裂解后气固分离通常采用旋风分离器，基本结构主要由进气管、上圆筒、下部的圆锥筒、出气管等组成。旋风分离器具有结构简单、制作容易、操作方便、分离效率高等特点，是常用的分离和除尘设备。
（5）冷凝器
采用两级串连的球形玻璃冷凝管，每一级都接有相同循环速度和循环量的冷却水，热裂解气在冷凝过程中的变化能一目了然。冷凝管下端接一个三口玻璃瓶，根据热裂解气冷凝的情况可适当调整冷凝管的安排和连接方式，以达到最佳冷凝效果。
2、原料及物性
实验用石英砂作为流化介质，以Ar 作为流化气体进行玉米秸秆粉末的热裂解试验。它们的物性参
数见表7-3。
表7-3实验材料的物性参数
物料 粒径
石英砂
玉米秸秆粉末
Ar （527℃）
0.2～0..45mm 0.15mm ～0.45mm
0.336mm
μg 44.35×10
－6
N ·s/ m2
平均粒径d s 0.3845mm 密度ρs
υg 72×10
－6
m 2/s。
1.266x103Kg/m3 174.4Kg/m3 0.63 Kg/m3
3、流动特性的冷态实验
为了确定最小流化速度和操作流化速度等参数，用有机玻璃设计了一套结构尺寸为1:1的冷态实验装置，观察不同Ar 气流量时石英砂的流动情况，为热态试验热载气流量的确定提供实践指导。冷态实验原理图见图7-18。
图7-18冷态实验原理图
取管内高度40mm 石英砂, 按1:1体积比将玉米秸秆粉末与石英砂充分混合后加入到透明有机玻璃管内。开启Ar 气阀，调节流量计，并根据气体状态方程以及流化床几何尺寸换算成流速，使Ar 流量从小到大变化，观察管内石英砂和玉米秸秆粉末流动状态的变化并记录氩气流量、压降和床层高 度变化。床层压差、高度和状态随Ar 流速变化见表7-4。
表7-4床层状态随气体流量变化表
Ar 流速 u/ms-1 0～0.3 0.3 0.42 0.58 0.68 0.79 0.89 1.05 1.2 1.36 1.57
床层压差 △p/mmH 2O 0～30 30 38 38 39 39 39 40 40 40 40
床层高度 h/mm 40 43 44 52 53 55 60 85 125 180 200
固定床，
床层上浮不大，上层面中间开始出现大气泡，气泡最高处达70mm ，玉米秸秆粉末开始缓慢溢出。
床层波动较大，出现较多气泡，气泡变小，分布趋于均匀，最高处达到100mm ，玉米秸秆粉末基本吹出。
床层上端气泡越来越多，分布越来越均匀，最高处达到140mm ，玉米秸秆粉末很快溢出。
气泡分布消失，上端床面趋于水平，床层高度达到150mm
床层状态
从表7-4可以看出，最小流化速度应在0.4m/s左右，与根据理论计算的数据基本相符；当气体流
速为0.79-1.57m/s，流化效果较好，实验中选择的操作流化速度为0.89m/s。
4、等离子枪头氩气流量控制
利用图7-15热裂解装置，做热态实验。液化温度实验范围为600K-850K 。要保证床内操作流化速度为0.89/s，需通过调节Ar 气表头的流量来控制，等离子体表头流量可以在1-3m /h之间连续可调。因为气体的体积随温度的变化而变化，因此气体流量也随温度而变化，而反应管横截面积一定，从而导致气体速度u 是随流量Q 变化的。利用等压理想气体方程流量与温度的关系是：
3
T 1⋅Q 23600⋅T 1⋅π⋅d 2⋅u
Q 1= （1） =
T 24T 2
Q 1：室温时氩气表头流量，m 3/h；T 1:室温，K ；Q 2：床内气体流量，m 3/h；T 2:床内气体温度，K ；3
d ：反应管直径，m 。m /s。由式(1)可以计算出实验温度T 2下的等离子枪操作流量Q 1。 u :操作流化速度，
计算的表头流量见表7-5
5、实验结果
按表7-5设定工况分别调节反应温度和喂料速率，得到生物油产率。
6、温度与喂料速率对液体产率影响
从表7-5和图7-19可以看出，生物质喂料速率对生物油产率有一定影响，生物油产率随喂料速率的增大而增加。这是因为喂料速率的增大使气相产物在密相区这一较高温度区域停留时间的降低，从而抑制气相生物油二次裂解成小分子气体。
反应温度对热裂解的影响，也可归结为如何使生物质颗粒以多快的升温速率达到反应温度或生物质颗料和挥
图7-19温度与喂料速率对生物油产率的影响
T/℃ 437 437 437 477 477 477 500 500 500 517 517 517 557 557 557
热裂解温度 表头流量
Q/mh 2.95 2.95 2.95 2.72 2.72 2.72 2.63 2.63 2.63 2.58 2.58 2.58 2.45 2.45 2.45
3-1
喂料速率 kgh 0.6 0.7 0.8 0.6 0.675 0.7 0.6 0.7 0.8 0.6 0.7 0.8 0.6 0.7 0.8
-1
液体产率
% 28.7 30 30.6 35 36 37.1 30 31.7 30.0 28.3 28.4 28.6 27.0 27.1 27.8
发分性产物在反应温度区域停留多长时间。 实验发现，在喂料速率一定时，生物油产率先随温度的升高而增大，在477℃左右时，产油率最高。温度继续升高，生物油产率反而下降。因此，对于玉米秸秆，为得到较高的油产量，反应温度宜选取在477℃左右，温度过低有可能导致生物质的不完全热裂解，而当温度过高时，气体产量增加同时生物油产量减小，这主要是由于气相生物油的二次裂化或重整加剧使得生物油产量有所减小的缘故。
7、结论
通过实验，证明以等离子体为主加热热源，同时配合电热阻保温的新型流化床反应器运行稳定，升温快，操作方便。滚筒配合气力喂料方式比较适合粉状生物质，喂料量调节方便，喂料均匀。在实验结果表明，喂料速率和温度对液体产率有一定影响，喂料速率增大在一定范围内可以提高液体产率；对于玉米秸秆而言，在477℃左右液体产率最高，温度高于或低于此温度都会使液体产率减小。
第三节 旋转锥生物质裂解液化装置
旋转锥反应器是由荷兰Twente 大学在1989~1993年期间研制成功，最初生物质喂入率为10kg/h的实验室小规模装置，其生物油产率可达70%。其工艺
如图7-20所示。喂入到旋转锥底部的木屑与预先加热
的惰性热载体砂子一起沿着高温锥壁呈螺旋状上升,
在上升过程中, 炽热的砂子将热量传给木屑, 使木屑在
高温下发生热裂解而转变成热裂解蒸气, 这些蒸气迅
速离开反应器以抑制二次裂解。
沈阳农业大学在联合国粮农组织和中国国家教科
委的资助下，在考察意大利、加拿大、美国、瑞士、
荷兰等国家生物质热裂解技术的基础上，决定从荷兰
引进旋转锥反应器生物质闪速热裂解中试装置及技
术，作为联合国粮农组织（FAO ）和开发计划署
（UNDP ）资助的、在沈阳农业大学兴建的“东北寒冷
地区综合能源示范基地”研究项目的一个重要组成部
分。联合国粮农组织及沈阳农业大学与荷兰Twente 大学BTG 集团于1993年签订了“生物质热裂解液化技术合作研究”的合同，按照合同规定，由联合国UNDP 和荷兰政府共同出资，由荷兰BTG 集团设计，制造喂入率为50kg/h的旋转锥反应器生物质闪速热裂解液化中试装置。装置于1995年运到沈阳农业大学以后，中荷双方共同负责设备的安装调试，联合开展生物质闪速热裂解液化技术的系列研究，生产出了生物质油，取得可喜的研究成果。在此基础上，荷兰BTG 集团于2000年研制了生物质喂入率为200kg/h的旋转锥反应器生物质闪速热裂解液化装置。该技术是世界上先进的生物质热裂解液化技术之一。 一、旋转锥生物质裂解液化装置的组成及
工作原理
旋转锥生物质裂解液化装置组成如图7-20所示，
该装置包括喂入、反应器、收集、冷凝四个主要部分。
（1）喂入部分：由N 2喂入1、物料喂入2和沙子
喂入4组成。
预先粉碎的生物质被喂料器输送到反应器中，在
喂料器和反应器之间通入一定量N 2以加速生物质颗
粒的流动，防止生物质颗粒堵塞；与此同时，预先加
热的沙子也被传送到反应器中。
（2）反应器部分：喂入到旋转锥底部的生物质与
预先加热的惰性热载体沙子一起沿着高温锥壁呈螺旋
状上升，在上升过程中，炽热的沙子将其热量传给生物质，使生物质在高温下发生热裂解而转变成热裂解蒸汽，这些蒸汽迅速离开反应器以抑制二次裂解。
（3）收集部分：由旋风机7、热交换器以及冷凝器9和沙子及木炭接收沙箱5组成。
（4）冷凝部分：由冷凝器和热交换器等组成。
离开反应器的热裂解蒸汽首先进入旋风机7，在旋风机中固体碳被分离出去，接着，热裂解蒸汽进入冷凝器中，大部分蒸汽被冷凝而形成生物油，产生的生物油在冷凝器和热交换器中循环，其热量被冷却水10带走，最后生物油从循环管道中放出。不可冷凝的热裂解蒸汽排空燃烧。
使用后的沙子及产生的另一部分碳被收集到连接在反应器下端的收集沙箱中，沙子可以重复利用。应该说明一点，在商业化装置中，不可冷凝的热裂解蒸汽及木炭将燃烧用于加热反应器，以提高提高系统的能量转化效率。该装置本身能够测量或控制砂子加热温度、反应器温度、压力、旋转锥频率、木屑喂入器振幅、旋风机温度、N2流量、砂子流量、冷却水流量等参数。
三、旋转锥反应器的结构及工作原理
旋转锥反应器主要由固定的内锥、旋转地外锥、反应器加热元件及外壳组成如图7-21。其工作原理如图7-22和图7-23所示。喂入到旋转锥底部的生物质与预加热的惰性热载体沙子一起沿着高温锥壁呈螺旋状上升，在上升过程中，炽热的沙子将其热量传给生物质，使生物质在高温下发生热裂解而转变成热裂解蒸汽，这些蒸汽迅速离开反应器以抑制二次
裂解。沙子、木炭及未转化的生物质被收集到反应器
周围的容积中。该反应器旋转锥顶角为π/2，最大直
径为650mm ，热裂解产物为生物油、不可冷凝气体和
木炭。如果需要，可以堵塞旋转锥内部的部分空间以
减少旋转内部的气体容积，从而减小反应器中气相滞
留期，这可抑制气相中生物油的二次裂解反应，达到
增加生物油产率的目的。采用旋转锥式反应器进行热
裂解，经过干燥的生物质颗粒与经过预热的载体砂子
混合后送入旋转锥底部，在转速为600r/min的旋转锥
带动下螺旋上升，在上升过程中被迅速加热并裂解。裂
解产生的挥发物经过导出管进入旋风机分离出焦炭，然
后通过冷凝器凝结成生物油。分离出的焦炭再次回到预
热器燃烧加热原料。在此过程中，传热速率可达
1000℃/s，裂解温度500℃左右，原料颗粒停留时间约
0.5s ，热裂解蒸汽停留时间约0.3s ，生物油产率为
60%~70%。旋转锥式反应器运行中所需载气量比流化
床少得多，这样就可以减少装置的容积，减少冷凝器的
负荷从而降低装置的制造成本。
图7-22 旋转锥反应器简图
第四节 下降管生物质裂解液化装置
下降管反应器是山东理工大学在国家“十五”和863计划资助下研制开发的一种新型生物质热裂解反应器，该反应器的最大生物质处理量达到200-300kg/h。它采用陶瓷球颗粒（直径为2-3mm ）作为固体热载体，利用固体热载体与生物质颗粒之间的温差实现生物质的快速升温热解。由于陶瓷颗粒热容大、不易破碎、流动性好，因此可以循环使用；下降管结构避免了热应力对反应器的破坏，而且通过增大反应管直径方便了系统的扩大；更为重要的是该工艺无需引入惰性气体热载体，不但节约了冷却过程中的耗能，而且成本低，经济可靠。
一、下降管生物质裂解液化装置工艺流程
图7-24为下降管反应器的工艺流程图。作
为固体热载体的陶瓷球颗粒在换热器中被加热
到一定温度（一般是600～700℃），通过流量控
制阀门流入热裂解反应管，循环陶瓷球颗粒预热
反应管，使之稳定在设定的500℃左右。将被粉
碎干燥（粒径1-3毫米，含水率小于10%）后的
生物质物料加入生物质喂料装置。生物质粉由生
物质喂料装置喂入反应管，在热裂解反应管中与
高温热载体陶瓷颗粒混合并沿下降管在重力作
用下向下流动。流动过程中生物质颗粒被快速加
热升温，在0.1-0.5秒范围内使生物质粉热裂解
为可冷凝气体、不可凝气体、和残炭，残炭与热
载体陶瓷球颗粒的混合物从反应管流出后进入
旋转筛分离装置，通过旋转筛分，作为筛上物的
陶瓷颗粒流入陶瓷球循环提升装置，被送回陶瓷
球换热器重新加热循环使用。残炭进入炭粉排除
装置，从而实现反应的终止及陶瓷颗粒和残炭的
分离。从热裂解反应管产生的热裂解气，被风机
吸入旋风除尘装置，热裂解气中混有的部分轻质
残炭，大部分将被旋风除尘装置收集，落入残炭
收集箱，洁净的热裂解气进入冷凝装置，在生物
油喷淋冷却方式下被冷却成为液体，流入贮油罐中，不冷凝气体被引风机吸出冷凝装置，经由引风机排出，也可以引入生物质燃烧室燃烧，作为加热陶瓷球的热源。
图7-24 下降管生物质裂解液化装置
二、下降管生物质裂解液化装置的组成
下降管热裂解液化装置由下降管、加热炉、载体换热装置、生物
质喂料装置、热裂解反应管、旋转筛分离装置、炭粉排除装置、陶
瓷球循环提升装置、旋风除尘装置、热裂解气冷凝装置、冷却水循
环装置、电器控制部分等几部分组成。
1、反应管结构
下降管反应器由热裂解反应管组成。三段热裂解反应直管连接
呈“之”字形，如图7-25所示。热裂解管顶部有两个开口，水平的
管口为生物质粉输入口，竖直管口为热载体陶瓷颗粒落入口。进入
热裂解管的陶瓷颗粒在反应管内与生物质粉迅速混合，生物质粉受
热，温度在0.1～0.5秒内迅速升高到500℃左右发生热裂解反应。
反应管做成“之”字形，是为了增加热载体与生物质粉在反应管内
由于重力的作用沿管流动并混合的概率, 使其相互尽可能混合均匀。
2、加热炉
下降管反应器采用燃烧生物质产生的高温烟气（1000℃左右）
加热陶瓷球，生物质燃烧器采用循环流化床。利用燃烧生物质作为
热源，节约了电、煤等高品位能源的消耗。
3、热载体换热装置
陶瓷颗粒作为热载体，要求其温度必须600℃～700℃之间。载
体换热装置相当于列管式换热器，由耐热不锈钢制造，其形状为长方
体，分为上、中、下炉体三部分，如图7-26所示。上炉体上开有圆
孔，作为陶瓷颗粒入料口，与陶瓷球循环提升装置出口连接。中炉体
内横向排布耐热钢细管，实现加热炉排除的烟气与陶瓷球的热交换。
下炉体下开有圆孔作为陶瓷颗粒的出料孔，与流量调节阀门连接。
4、生物质喂料装置
被粉碎并被处理至含水率为10%左右的生物质粉，加入到生物
质喂料装置的料斗中，由喂料装置的双螺旋喂料器喂入热裂解反应
管。生物质喂料装置由生物质料斗和螺旋喂料器组成，如图7-27所
示。调速电机带动螺旋喂料器螺杆转动，螺杆推动物料在绞龙内前进，
可使生物质物料均匀、持续地加入热裂解反应管。在第一级螺旋喂料
器出料口下面的相对面开有观察窗，透过有机玻璃板可以观察到物料
下落的情况。双螺旋喂料器可以更好地实现对物料流量的控制及装置
的密封，第一级螺旋进料器控制物料流量，第二级螺旋喂料器控制喂
入速度，较高的喂入速度可以避免生物质粉在反应管入口处，由于受
热使纤维软化，堵塞喂料器。通过控制第一级螺旋喂料器电机的转速，
可以控制生物质粉的流量。
5、旋转筛分离装置
生物质粉热裂解产生的残炭与热载体陶瓷球颗粒的
混合物从反应管流出后进入旋转筛分离装置，通过旋转
筛分，作为筛上物的陶瓷颗粒流入陶瓷球循环提升装置
的入料口，被重新提升进入载体换热装置。残炭作为筛
下物，进入炭粉排除装置。从而实现反应的终止及陶瓷
颗粒和残炭的分离。旋转筛分离装置由分离筛和筛体构
成，如图7-28所示。分离筛由不锈钢制造，采用了机械
密封结构保证了传动部位的密封性能。
6、炭粉排除装置
由双板密封阀门、出料绞龙和残炭收集箱组成，如
图7-29所示。从旋转筛分离装置排出的残炭经由双板密
封阀门和出料绞龙输送到残炭收集箱。出料绞龙在结构上
与传统绞龙不同，输送轴上的叶片采用特殊结构，来实现
输送物料的自密封。采用多次密封结构，一方面防止残炭
遇空气燃烧，另一方面，防止了空气进入反应管。残炭收
集箱选用耐热钢板卷制而成，侧边开有可随时排料的方便
开门。
7、陶瓷球循环提升装置
从旋转筛分离装置流出的热载体陶瓷颗粒迅速被陶
瓷球循环提升装置提升到载体换热装置再加热循环利用，
减少了装置的热损耗。陶瓷球循环提升装置由环链垂直斗
式提升机和管道组成，如图7-30所示。提升机由运行部
分（料斗与牵引链条）、带有传动链轮的上部区段、带有
拉紧链轮的下部区段、中部机壳、驱动装置、逆止制动装
置等组成。提升机的料斗是间断布置的，料斗采用“挖取
法”装载，采用“混合卸料法”卸载。提升机的牵引机构
是一根环形链条，它与上部链轮间利用摩擦力来传动，因
此运转平稳，可以输送温度较高的物料。提升机料斗选用
深圆底型料斗。提升机在结构及选材上，首先保证了耐热
性，由于所提升的陶瓷颗粒温度为600℃左右，因此在结
构上要保证其在热胀冷缩的状态下机器正常运转。另外还
要保证提升机的密封性，为了实现提升机的密封，在提升
机的接口处均采用石棉垫加密封胶密封。管道作为陶瓷颗
粒的溜管，选用耐热钢板卷制而成。
8、旋风除尘装置
旋风除尘装置由风机、旋风除尘器、闭风器和闭风器
下面的残炭收集箱构成。从热裂解反应管生成的热裂解
气，被风机吸入旋风除尘装置。
热裂解气中混有部分轻质
图7-30陶瓷球提升机
残炭，其中大部分轻质残炭被旋风除尘装置收集，落入残炭收集箱，洁净热裂解气进入热裂解气冷凝装置。
9、热裂解气冷凝装置
热裂解气进入冷凝装置和低温生物油直接混合，被冷
却至60℃以下，可冷凝气体冷凝为液体流入贮油箱中，不
冷凝气体被引风机吸出冷凝装置，如图7-31。热裂解气冷
凝装置由筛板塔冷凝器、冷却油循环装置、贮油箱和冷却
水循环装置组成。冷却水循环装置保证将作为冷却剂的生
物油温度保持在15～20℃。
10、电器控制部分
由电控柜、压力传感器和热电偶等组成，以实现对装
置的控制。压力传感器和热电偶随时反馈反应管压力及温
度信号以实现对热裂解反应的监测及控制。 图7-31冷凝装置 1-冷凝器 2-制冷机组3-循环油泵 4-油箱 2 4 1 3
三、下降管生物质裂解液化装置的特点
和现有的大部分快速热裂解液化装置相比，该装置主要有以下特点：
（1）由于热裂解液化过程中没有混入其它气体，热裂解产物中的不可凝气体热值较高。
（2）进行冷激时只需将热裂解产物冷却，冷激装置的负载较小。
（3）以下降管作为热裂解器，结构简单，规模扩大方便。
（4）可实现热载体的循环利用，总体能耗小。
由于该工艺装置具有上述主要特点，因此具有广阔的应用前景。
四、下降管生物质裂解液化装置设计中应注意的问题
设备进行设计时首先应考虑气密性问题。由于生物质热裂解是在高温无氧条件下的自身裂解反应。如进入空气，生物质会在高温下发生燃烧，这样不但不能获得希望的产物，并且由于产生大量热量，可能发生爆炸。因此构件焊缝处密封性能要好。法兰接头处应加入耐高温的石棉垫片密封。按设计要求有关部分应注意保温，如果保温效果不好，会使反应部分温度降低过快，使反应进行的不够充分，温度降低还会使热裂解气在反应器通往沙壳龙的管道内以及在沙壳龙内部过多凝结（生成焦油），这样不仅降低了热裂解油的产量，而且阻碍管道的顺畅，影响沙壳龙的效用。同时，保温效果不佳也会造成能源的浪费，不能充分的利用热能。因此为提高保温效果，陶瓷制成的加热炉周围要求包裹一层岩棉，反应管、反应罐及热裂解蒸气通路外面都应用岩棉裹严。