基本信息
- 项目名称：
- 双滚筒式固体热载体生物质热解反应器的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 课题研究内容是研制一种以陶瓷球为热载体的内螺旋式滚筒热解反应器，通过滚筒的直径和转速与螺旋的螺距之间的配合来增强热载体与生物质粉间的传热，在确定的反应时间内提高生物质粉的加热速率。结合热载体、热解气、炭粉分离装置，除尘装置，冷激装置，陶瓷球热载体循环及加热装置，开发出具有自主知识产权的陶瓷球热载体循环内螺旋式滚筒热解反应器实验设备。
- 详细介绍：
- 本次课题主要研究以“双滚筒式固体热载体生物质热解液化系统”的研究为基础，研制一种以陶瓷球为热载体的内螺旋式滚筒热解反应器，通过滚筒的直径和转速与螺旋的螺距之间的配合来增强热载体与生物质粉间的传热，在确定的反应时间内提高生物质粉的加热速率。结合热载体、热解气、炭粉分离装置，除尘装置，冷激装置，陶瓷球热载体循环及加热装置，开发出具有自主知识产权的陶瓷球 热载体循环内螺旋式滚筒热解反应器实验设备。 “双滚筒式固体热载体生物质热解液化系统”采用的是双滚筒式热解反应器，固体热载体和生物质粉在内反应滚筒中反应后，热载体、热解气、炭粉同时进行分离。分离装置采用的是具有螺旋输送叶片的旋转筛结构，可以分离生物质热解残炭和陶瓷球热载体。分离后，残炭进入炭箱收集，陶瓷球热载体通过循环机构进入换热器加热后重复使用，陶瓷球的余热得以充分利用，提高能源利用率。相比之下，流化床反应器采用气体为热载体，反应后流化气体与热解汽一道进入冷凝器冷凝，既增加了冷却负荷，余热也无法利用。 双滚筒式热解反应器的结构包括进进料管、 热解气出口、炭粉出口、热载体出口以及壳体，壳体内水平安装有和反应器滚筒及同轴安装在一起的分离滚筒。进料管插入反应器滚筒的进口端，反应滚筒两端敞口，分离滚筒由冲孔筛板制成，一端敞口，分离滚筒的封闭端与由调速电机驱动旋转的驱动轴固定连接。反应滚筒内固定有内螺旋叶片，分离滚筒与反应滚筒由螺栓连接为一体，分离滚筒内固定有与反应滚筒内螺旋叶片旋向相反的螺旋叶片。本发明由于采用双滚筒式热解反应器结构，系统尺寸大为减小；反应滚筒位于中心，可以减少辐射散热损失保证反应温度；滚筒转速连续可调，易于调整热解反应时间，可适应不同的热解要求。在作业期间，生物质通过料斗进入装置，生物质喂料器由料斗和螺旋输送器组成。因为生物质的停止角接近90°，所以料斗设计采用了加宽出料口的方案。出料口宽度与料斗总宽度一致。这样设计可以有效防止生物质粉在内部搭桥。该反应装置利用以生物质及未冷凝热解气和炭粉在燃烧器内燃烧所产生的高温烟气（900℃-1100℃）作为热源，通过换热器将作为热载体的陶瓷颗粒加热到指定温度（450-550℃），然后通过调节阀进入喂料管中与由螺旋喂料器喂入的生物质粉一道喂入内螺旋式滚筒热解反应器，在螺旋叶片的推动下沿滚筒轴向流动并混合。在绝氧的情况下，生物质粉在反应器中迅速升温至450℃-550℃，并热解成为热解气体和残碳。热载体和残炭等的混合物从反应器流出后进入与其相联的热载体、热解气、炭粉分离装置，热解蒸汽在引风机的作用下经过除尘处理后迅速进入冷凝装置，冷凝为液体—生物油。陶瓷球热载体与热解残炭颗粒从内滚筒一端的开口处落入外滚筒—分离滚筒。在外滚筒反向旋转叶片的推动作用下，陶瓷球热载体与热解残炭颗粒的混合物同时向另一端移动，外滚筒壁为冲孔筛，陶瓷球热载体为筛上物从外滚筒的敞口端落入热载体循环系统，在换热器中重新加热后可循环利用。炭粉颗粒为筛下物，通过筛孔落入炭粉箱。为了解决生物质粉在内部搭桥影响喂料均匀度，设计制作了犁式刮刀生物质粉定量喂料器。热载体流量由根据沙漏原理制作的流量阀进行定流量控制。陶瓷球循环机构由收集斗和提升机组成。提升机为链条斗式，料斗连接在链条上，并采取相关措施进行固定。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：开发一种具有自主知识产权的新型快速热解液化装置—双滚筒式固体热载体生物质热解反应器，以农业废弃物为原料生产生物油，对农业废弃物进行资源化处理利用，具有重要的能源战略意义和环境保护意义。 基本思路：研制一种以陶瓷球为热载体的内螺旋式滚筒热解反应器，通过滚筒的直径和转速与螺旋的螺距之间的配合来增强热载体与生物质粉间的传热，在确定的反应时间内提高生物质粉的加热速率。以农作物秸秆粉为原料，进行热解实验，生产生物油。 创新点：（1）采用固体陶瓷球作为热载体，热载体循环使用，可实现余热充分利用，整体能耗少。陶瓷球热容量大，在反应器内与生物质粉末接触传热效率高。（2）采用双滚筒式固体热载体生物质热解反应器，结构简单，适应性广，可根据不同的生物质原料的热解要求连续调整反应时间。该反应器集反应器与分离装置为一体，结构简单合理，尺寸小，散热面积小。（3）热解液化过程中没有混入其它气体，热解汽的浓度和热值高，降低了冷凝系统的冷却热负荷。 技术关键：课题采用双滚筒式热解反应器。陶瓷球热载体和生物质粉在内反应滚筒中反应后，热载体、热解气、炭粉同时进行分离。分离装置采用的是具有螺旋输送叶片的旋转筛结构，可以分离生物质热解残炭和陶瓷球热载体。残炭进入炭箱收集，陶瓷球热载体通过循环机构进入换热器加热后重复使用，陶瓷球的余热得以充分利用，提高能源利用率。技术指标：（1）生物质原料处理量：50千克/小时；（2）反应时间连续可调（2-6秒）；（3）热解残炭与热载体的分离率达到98%。
科学性、先进性
- 本发明与现有技术相比，具有如下优点： （1）采用双滚筒式热解反应器结构，将反应滚筒与分离滚筒设计为一体，使整个系统的尺寸大为减小。 （2）反应滚筒在内，分离滚筒在外，可以减少辐射放热，保证反应温度，提高反应质量。 （3）通过调整驱动轴的转速改变反应时间及加热速率，以适应不同生物质原料的热解要求。 （4）分离滚筒采用旋转筛式分离滚筒，滚筒由冲孔筛片制成，筛孔的形状尺寸可根据碳粉颗粒的外形进行设计、调整。结构紧凑，筛分面积大，分离效果好。
获奖情况及鉴定结果
- 1、2011年4月通过中国科技部课题验收。 2、课题已获得专利授权。3、获第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛******校级特等奖 4、获第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛山东省省级特等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 1、专利转让。 2、与企业合作开发。
作品可展示的形式
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使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： （1）设计制作了双滚筒内螺旋式固体热载体生物质热解反应器。该反应器集反应器与分离装置为一体，结构简单合理，尺寸小，散热面积小，固体热载体可以循环使用，降低成本。 （2）通过改变滚筒反应器的转速即可控制反应时间，提高了系统的适应性，可以适应不同生物质原料的热解要求。 适用范围及推广前景：随着化石能源的日渐枯竭及使用化石燃料所造成的环境污染日趋严重，作为二氧化碳零排放的可再生能源，生物质能源愈来愈为世人关注。我国是由于缺少相应的利用技术，大部分的农作物秸杆被遗弃焚烧，造成极大的浪费，还污染环境，影响交通安全。本课题技术的应用可以极大地促进生物质快速裂解液化技术的发展，有利于对以农业废弃物为主的生物质资源的利用，还可以提高农产品的附加值，增加农村就业机会，具有显著的经济效益、环境保护效益和社会效益。而且，在目前由于争夺石油资源的控制权而变的动荡不安的国际环境下，还具有重要的战略意义。
同类课题研究水平概述
- 自从廿世纪八十年代初期开始，在世界范围内开展了大量的生物质快速热裂解液化技术研究工作。特别在欧洲和北美地区因为资源特点，主要的处理对象是木材加工废弃物--锯木屑、树皮、树叶等等。相继开发了流化床反应器、旋转锥壳反应器、真空裂解器等等系统。其中的旋转锥壳反应器、真空裂解器使用电力作为裂解能源；流化床反应器利用生物质部分燃烧作为裂解能源。上述各种反应器在世界上均有示范工程。 例如：西班牙的Union Fenosa 电力公司于1993年建立的生物质喂入率为200kg/h的热裂解示范厂是基于加拿大滑铁炉大学流化床反应器技术；1996年，意大利ENEL从加拿大Ensyn公司购买一台喂入率为10 t/d 的循环流化床反应器热裂解设备；荷兰Twente大学的生物质技术集团（BTG）于2000年研制出喂入率为200kg/h的改进型旋转锥反应器。该公司于2005年8月在马来西亚建成了一套日产25吨生物油的旋转锥式生物质热解液化工业应用装置，原料主要是棕榈壳，所产生物油全部销回欧洲用于燃烧发电和精制提炼试验研究。生物质热裂解液化装置放大方面，建立稳定运转的生物质热裂解液化装置是研究的重点。 在国内，沈阳农业大学在国家科技部及联合国粮农组织的资助下，与荷兰BTG合作，于1995年从荷兰引进一套生物质喂入率为50kg/h的旋转锥反应器生物质闪速热裂解中试设备，开展生物质热裂解液化技术的研究，已生产出生物油，并对生物油进行了精制。沈阳农业大学自己设计并制造了一套小型流化床生物质热裂解装置，开展了一系列研究。近年来，山东理工大学、上海交通大学、中国科学技术大学、安徽理工大学、东北林业大学、浙江大学热能工程研究所、中国科学院广州能源研究所、华东理工大学能源化工系、清华大学化工系、哈尔滨工业大学、中国科学院化工冶金研究所、大连理工大学、上海理工大学等单位，相继在生物质热裂解方面开展了许多研究工作。山东理工大学和东北林业大学成功的完成了国家“十五”863计划生物质裂解液化技术项目，分别建设了热载体循环下降管式裂解液化系统和三锥式齿缘型闪速热解反应器，设备制造生物油规模达到了2吨/天。中国科学技术大学成功研制了多系列、不同类型和不同规模的流化床式生物质热解液化装置，并以木屑、稻壳、玉米秆和棉花秆为原料成功进行了热解液化试验。中试装置的物料处理能力为150kg/h。
