生物质裂解旋转锥式热解液化反应器的设计研究

第24卷第1期佳木斯大学学报(自然科学版)Vol 24 No. 12006年01月Journal of Jiamusi University(Natural Science EditionJar2006文章编号:1008-1402(20601-0046-03生物质裂解旋转锥式热解液化反应器的设计研究朱聪玲12,王述洋1,李滨,张姝玉(1东北林业大学黑龙江哈尔滨15000;2佳木斯大学黑龙江佳木斯154007)摘要:近年来科技界对生物质快速转化生物燃油技术进行了大量的研究,并且取得了很大的成就,本文就该技术中的关键设备锥式热解液化反应器的动力学问题进行了详细的分析,建立了力学模型,并且得出热載体和生物质混合颗粒的运动方程,利用该结论可以进一步对旋转锥体进行优化设计关键词:生物质;锥式热解液化反应器;动力学;模型中图分类号:X941文献标识码:A0引言各种工业燃油锅炉的燃料,也可通过对现有内燃机供油系统进行简单改装,直接作为各种内燃机、引能源短缺是当前中国所面临的重大问题,近擎的燃料,并且不含硫,不会造成酸雨,其它排放物年来生物质利用技术有了很大突破,一些新技术已均在可接受的范围内来生产运载工具用柴油对生能够将生物质经济快速地转化成生物燃油(一种新物原油进行催化和品位升级处理,可获得高质量的型液体燃料).生物质液化燃油(Bio-oil,Bio-fuel汽油或柴油生物原油经这种处理后所得到的产物-ol, Liquid-bio-ol)是一种以废弃生物质,如各分别称为生物汽油和生物柴油,可同石化汽油和柴种废弃农业秸秆、废弃木本植物、草本植物及城市油一样直接用于汽车、拖拉机和各种内燃机和动力有机垃圾等)为原料,在特定的热裂解工艺条件下,机械,是物美廉价的石化柴油、汽油的替代品经快速分离、转化所获得的新型、绿色可再生的生现在,英国、荷兰和加拿大等几个国家已经完物质液体燃料.生物质液化燃油能替代石油已成为成中试,加拿大已开始向商业化的方向迈进(产油当今国际能源与环保领域的重大课题25吨/日),荷兰完成的中试设备能力为200kg/h废1国内外研究概况及发展趋势弃生物质,目前正在上马一套200kg/h生物质生产工厂,英国则在研制生物燃油发动机、燃气发电90年代中期开始到现在,国外已经有少量的机方面遥遥领先研究表明生物质可以转换为液体燃料.英国、荷兰、意大利、加拿大等国相继在生物质转化生物燃油技2关键设备锥式热解液化反应器的术方面取得突破.国内的一些高校和科研院所也已设计研究问题开始研制用废弃物质快速转化生物燃油的工艺与设备如,山东理工大学易唯明教授领导的生物质目前,生物质裂解液体燃料尚处于研发的初级能研发团队,东北林业大学王述洋院长组建的研发阶段,尚未形成高转化率的规模化生产受设备装团队,浙江大学朱清石校长领导的研发团队等都在置的限制,尤其是锥式反应器,它的内部涂层、锥奋力研究和发展生物质液化燃油制造和应用技术,角、内部结构、尺寸参数、角速度等众多设计参数都并且均已取得了技术性突破生物原油可直接用作有中国煤化工常是影响产油率和扩CNMHG①收稿日期:2005-11-07金项1:2:232然金5(号33顶项1(编9:310389进国际先进农业技术项目(输号作者介:奎选泽(332龙江结杰顶人北业夫学機餐查形奇被工程学院教投,第1期朱聪玲,等:生物质裂解旋转锥式热解液化反应器的设计研究大生产的关键如果用实际实验装置或设备优化这运动的动力学微分方程,对深入研究锥体的结构尺些参数,又实验量太大、造价太高,经济上难以承寸设计和优化结构尺寸参数能够起到关键的作受即使经济上可行,其实验测试也常常无法实现,用4因为在高温和高速的情况下,普通测试仪器无法进行测试.为解决这一技术性问题,采取仿真实验3.2动力学方程的建立来解决3.21建立空间坐标系从分析可以看出,“产油率”的提高是目前生产建立空间直角惯性坐标系(Ox0y)作为大关键难题锥式反应器的结构尺寸参数内部涂层、地坐标坐标原点O建立在旋转锥体圆形锥底的旋转的角速度以及物料的颗粒大小和其他的参数圆心上,Z0与锥体轴线重合建立空间直角非惯性对“产油率”都有极大的影响,而这些参数的优化,坐标系(Oxy)随锥体旋转运动,(A)是该坐标通过真实实验是无法获得的只有利用虚拟仿真技系的基矢量,热载体颗粒可以做为质点建立其空术才能够实现这对深人研究与更广泛地推广应用间柱坐标系(p6)作为连体坐标则正交的单位生物质液化燃油具有重要意义矢量(eeae)组成连体坐标基,矢径r用于推导计通过对转锥式快速裂解液化反应器的仿真研算,其关系表达式如下究,能够方便的获得该机构在整个旋转运动过程中的运动学和动力学性能,以及各种受力情况,结合历遍计算机优化方法,可以对各种结构参数的变化cosei sin aj进行虚拟仿真,其结果形象和直观,便于理解和优ea = sindi cosB化可以较好的解决转锥式快速裂解液化反应器的3.22建立模型建模、控制锥内热载体的运动,控制生物质在锥内该机构由喉管原理的气力装置和旋风分离器的滞留时间,也可以为再次开发较大型的快速裂解的作用下进行热载体的循环,锥式热解液化反应器反应器提供较好的设计手段,以便进行扩大再生即是主反应器,该反应器有内外锥体,进料系统,分产1以往的仿真试验表明利用该技术开发的产离器接口保温装置动力输入轴等组成对该机构品形象直观结构合理精度较高,可以节约大量进行适当的简化以抓住主要矛盾进行设计计算,的真实试验研究费用,并且可以缩短设计周期,降所建立的简化模型如图1所示低产品的开发成本,是适用、方便的最优设计手段岁妮人3锥式热解液化反应器设计中的动力学问题3.1锥式热解液化反应器结构尺寸参数设计与动力学关系锥体的各种设计参数与转锥内的热载体的动图1旋转锥体模型图力学问题密切相关,适当控制热载体在转锥内的运3.23动力学微分方程的建立动时间,即可以防止生物质过热碳化,又可以增加中国煤化卫图2,图中其他细实气体的生成比例,是锥式热解液化反应器设计的难线CNMHG作用线其中重力G点和关键技术,如何得到转锥内热载体相对于锥体=mgm取体料生切组成的混合颗粒),摩的运动规律就成为当前的一个必须解决的问题利擦力F=N,N为正压力颗粒的牵连惯性力为用动力学的分析和计算可以得到热载体颗粒相对F,科氏惯性力为F由该机构的整体动能和48佳木斯大学学报(自然科学版)2006年功等动力学分析可以得到下列关系式β-摩擦力和水平面的夹角4结论分析1)N的数值与F有较大关系,这个数值由转锥的p和a决定,其数值越大锥体的正压力越大,粒子获得的能量越多,运动的越快2)由Z坐标的有关动力学运动微分方程,通过数值分析和计算得到粒子在旋转锥体内的运动F时间,对该数值加以限制,获得热载体在锥体内的最佳运动时间控制的条件,如锥体的角度选择,内部涂层材料的选择,锥体的高度数值等关键结构参数3)对上述动力学方程进一步求解,可以得到图2热载体真实受力分析粒子在锥体内的运动轨迹F.=-mamw(xi yj)4)对所建立的简化模型和粒子运动微分方程F.=20xv进行计算机仿真,可以模拟实验,进行计算机辅助号m(F+号m(+mG)-号m(mP+设计,得到转锥的物理样机并进行仿真结论的比较分析修正物理模型w(Po tana2(0)2-|mdr参考文献:r=√p2+2[1]王述洋,谭文英生物质液化燃油的工业适用性及安全性探pdp zdz= rdr讨[门].林业劳动安全,2001,14(3):15-17v=(p)2+(0)2+(z)2[2]李滨,王述洋,谭文英转锥式闪速热解反应器结构的安全性Sina NsinB-mg = mz设计理论研究[J].林业劳动安全,2002,15(2):26-273]朱俊生中国新能源和可再生能源发展状况[J]可再生能源p= Po stana2003,(2):30-32上述表达式中的部分参数的意义如下[4]曾忠生物质热解液化实验研究[J].应用科学学报,200,20颗粒初始相对锥体壁运动的相对速度(2):215-217a-锥体壁和垂直方向的夹角[5]郑建荣 ADAMS虚拟样机技术入门与提[M].北京机械工p-锥底的半径;业出版社,2002:5-120.Study and Design on BIo-FUEL-oiL Flash Pyrolysis Rotating Cone ReactorZHU COWANG Shu-Yang, L Bin, ZHANG Shu-Yu'(1. Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; 2. Jiam University, Jiamus 154007, China)Abstract: In recent years, the technology of Bio-fuel-oil conversion has been studied widely, and consider-able achievement has been gained. In this paper, the important equipment, rotating cone fast pyrolysis reator, hasbeen analyzed deeply. Mechanical model and dynamical equation have been established, with which we could analyzeand optimize design resultsbiomass; rotating cone fast pyrolysis reator;TYHa国煤化工NMHG