基本信息
- 項目名稱：
- 林木生物質定向熱裂解液化微反裝置
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 熱裂解液化技術可以將低能量密度的林木生物質轉化為高品位的能源產品及化工原料。為滿足林木生物質熱化學轉化基礎研究的需要，本團隊研發(fā)了進料量1 Kg/h的二次儀表-計算機自動控制的定向熱裂解液化微反裝置。該裝置首次實現了生物質熱裂解在線實時分析、中間產物調控、分級可控冷凝、尾氣循環(huán)利用等功能的創(chuàng)新和集成，可用于林木生物質熱裂解特性分析、催化劑遴選、反應機理等的實驗室和工程技術中心的基礎研究。
- 詳細介紹：
- 在眾多的生物質能利用技術中，熱裂解液化技術可將分散、繁雜的林木生物質定向轉化為高品位的能源產品及化工原料——生物油、清潔燃氣（不凝氣體）和熱解炭，是目前國內外研究的熱點，被認為是極具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|能轉化技術。生物質快速熱裂解液化技術具有對生物質原料要求較低、反應速率快、產物百分之百轉化利用等突出優(yōu)點。 本裝置通過對流化床微反技術、固定床催化技術、可控冷凝技術、在線分析技術、催化調控理論的集成和發(fā)展，研發(fā)了進料量為1 Kg/h的二次儀表-計算機自動控制的林木生物質定向熱裂解液化微反裝置。本裝置主要由進料系統、進氣系統、流化床熱裂解系統、固定床二次裂解系統、出炭系統、分級冷凝系統、氣路循環(huán)及收集系統、在線分析系統及監(jiān)控系統等組成。 采用螺旋加料與氣力輸送相結合的方式，通過對螺桿和進料接口的精巧設計，實現了林木生物質固相粉末進料的連續(xù)化、精確化；新型微型反應器由流化床和固定床串聯組成，實現了林木生物質熱裂解過程中的二次催化與中間產物的定向調控；開發(fā)的三級可控冷凝系統實現了液化產物的分級冷凝和組分富集；采用氣相色譜和紅外氣體分析儀對熱裂解以及冷凝過程中不同階段的中間產物進行定性定量分析，實現了在線實時分析；研發(fā)的氣路循環(huán)及尾氣收集系統實現了將林木生物質熱裂解生成的不凝氣體作為流化介質循環(huán)利用。 本裝置首次實現了在線實時分析、中間產物的二次調控、分級可控冷凝、尾氣循環(huán)利用等功能的創(chuàng)新和集成，可以用于開展林木生物質的熱裂解特性分析、催化劑遴選、反應機理等的研究，突破了以往生物質熱解反應的靜態(tài)研究模式，將實現在線分析與調控的動態(tài)對比研究效果。調試和試車工作表明，本裝置工藝布置合理、結構緊湊、工作穩(wěn)定。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1 發(fā)明的目的、思路：本發(fā)明旨在通過技術集成創(chuàng)新，為林木生物質熱化學轉化研究提供一套多功能試驗裝置。研究根據林木生物質特性，以經典的流態(tài)化技術為基礎，結合固定床催化、分級冷凝、在線分析等技術，使林木生物質熱裂解液化過程可控、可視。研發(fā)的裝置可用于開展林木生物質的熱裂解特性分析、催化劑遴選、反應機理等的研究。 2 創(chuàng)新點： （1）將螺旋加料與氣力輸送相結合，通過對螺桿和進料接口的精巧設計，解決了林木生物質固相粉末進料過程中的堵塞、誤差大等問題； （2）首次將流化床和固定床相結合，實現了林木生物質熱裂解過程中的二次催化與中間產物的定向調控； （3）開發(fā)的三級可控冷凝系統實現了液化產物的分級冷凝和組分富集； （4）采用氣相色譜和紅外氣體分析儀，對熱裂解及冷凝過程中不同階段的中間產物進行分析，實現了在線實時分析。 3 技術關鍵： (1)輕質固相粉末連續(xù)精確進料系統； (2)新型聯合微反應器的開發(fā)； (3)生物質氣相熱解產物的在線實時分析。 4 技術指標： (1)進料量：0.5~1.5Kg/h，額定進料量1Kg/h； (2)三級冷凝器冷凝溫度：150~220℃，80~150℃，10~80℃； (3)預熱及反應溫度：預熱器,400±10℃；流化床，550±10℃；固定床，450±5℃； (4)熱解轉化率，100% ；產物收集率≥96%；出炭系統的收集效率≥99%； (5)生物油：產油率≥65%；含水率≤30%；熱值≥16MJ/Kg。
科學性、先進性
- 1、實現了林木生物質熱裂解液化過程的可視化。與傳統單一的熱裂解反應器相比，通過流化床與固定床相聯合實現了林木生物質的定向轉化與產物調控，一定程度上解決了以往產物分布與組成隨機性大等問題，對于林木生物質能源研究具備較強的科學意義。 2、首次實現了林木生物質熱裂解液化中間產物的在線實時分析。通過對流化床熱解氣、固定床裂解氣以及三級冷凝后熱解氣共5路氣體的實時檢測與表征，改變了以往離線測試和跟蹤式研究的模式，為熱解工藝調整和催化劑遴選提供科學依據。 3、裝置主體采用模塊化設計，系統結構集約化，功能多樣化，與傳統熱裂解反應器相比優(yōu)勢明顯?？刂葡到y采用二次儀表-計算機控制，控制精確，界面簡便直觀；進料系統采用機械進料與氣力進料相結合，實現進料的連續(xù)化、精確化；氣路循環(huán)及收集系統實現了將自身生成的不凝氣體作為循環(huán)流化介質，節(jié)能環(huán)保，運行成本低廉；裝置具有二次裂解、分級冷凝、中間調控等多種試驗功能。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年3月至4月，美國密西西比州立大學、北京**大學、中國**科學研究院、山東**大學等單位專家參觀裝置后表示：本裝置技術原理先進，在國內外具有一定的特色和創(chuàng)新。 2011年5月，獲第七屆****大學大學生課外學術科技作品競賽二等獎。 2011年6月，獲第六屆“挑戰(zhàn)杯”首都大學生課外學術科技作品競賽一等獎。
作品所處階段
- 試制成功，運行穩(wěn)定，性能優(yōu)良。 處于實驗室應用階段，開始進一步中試推廣。
技術轉讓方式
- 可通過成套設備轉讓、設備租賃、工藝圖紙設計服務、專利權轉讓、技術培訓等方式進行轉讓。
作品可展示的形式
- √實物、產品 √圖紙 √圖片 √錄像 √樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 1、使用說明：裝置分為反應系統，進料系統，檢測系統和控制系統。固體反應物通過同軸變距螺桿和進料載氣吹入流化床反應器；流化氣通過多孔篩板進入流化床反應器底部。流化床反應產物從反應器上部放出，常壓進入固定床反應器；冷凝采用三段式冷凝和氣液分離；尾氣一部分進入儲氣罐，一部分由空壓機增壓后循環(huán)用作系統載氣。 2、應用前景：生物油的主要組成成分為含氧官能團的酚類、醛類、酮類、有機酸類等高值化合物，便于運輸、能量密度高，用途廣泛，可直接燃料用于窯爐、鍋爐等產熱設備，經過精制改性后亦可制備出生物柴油用于汽車的動力燃料；同時還可以用作石油基替代品，如替代苯酚制備酚醛樹脂材料等。不凝氣體的主要成分是CO、CH4、H2等，為高值氣體，可以直接燃燒或合成化學品用于集中供氣、電廠發(fā)電、制備化工原料等。炭粉具有一定的熱值和孔隙率，可用于制備活性炭、成型炭燃料、農藥或肥料的緩釋劑以及土壤改良劑、同時還可作冶金及鋼鐵工業(yè)等。裝置科技含量高，且具有完全的自主知識產權，市場和科研應用價值較高。
同類課題研究水平概述
- 熱裂解液化裝置在很大程度上影響著熱裂解液化反應過程的能耗，決定著產物的分布和性能，是林木生物質熱裂解液化技術的基礎和關鍵。目前，熱裂解液化裝置的類型較多，依據主反應器內的傳熱傳質原理可以分為噴動床、流化床、旋轉錐、循環(huán)流化床、引流床、燒蝕反應器、真空移動床等。 20世紀70年代，加拿大Waterloo大學首先研制出流化床反應器快速熱解液化技術。隨后，荷蘭、英國、美國、瑞士、意大利等國的科學家也開展大量富有成效的研究工作。相對而言，我國在快速熱裂解液化技術研究方面起步較晚，但發(fā)展的速度很快。從1993年起，沈陽**大學開始與荷蘭合作，并于1995年從荷蘭Twente大學BTG集團引進一套生物質喂入率為50Kg/h的旋轉錐快速熱解液化設備。中國****大學、**大學、山東**大學、北京**大學等高校也研制了相應的小試及中試設備，并取得了重要進展。 從反應器類型的角度來看，雖然目前已開發(fā)出來的快速熱裂解液化反應器各具特點，但至今仍沒有普遍認為理想的熱裂解反應器，幾乎在不同程度上都存在傳熱傳質效率低、結構復雜、運行成本高等問題。如傳統的流化床在熱裂解過程中易出現內分層、節(jié)涌等現象，造成加熱不均勻，熱裂解效率低；噴動床存在環(huán)隙區(qū)內氣固接觸不良和高床層噴動不穩(wěn)定等不足，很難實現熱裂解均衡和精準的中溫控制；旋轉錐內部構件較多，設備龐大，運行成本高，要求原料粒徑小，加工成本大；真空移動床反應器運行的密封性要求較高、能耗大。 從設備的其它關鍵技術來看，在進料、氣固分離、熱解氣冷凝以及循環(huán)系統凈化等方面也有較大的發(fā)展空間。 上述問題已成為快速熱裂解液化技術進步的瓶頸，制約了該技術的發(fā)展和工程化進程，迫切需要對熱裂解液化設備中的這些關鍵技術進行深入系統研究。有鑒于此，本裝置綜合了現有反應器的優(yōu)點，借鑒了煤化工、石油化工過程等的成熟技術，集成創(chuàng)新研發(fā)了高效、穩(wěn)定的熱裂解反應器。本研究集成了流態(tài)化、催化裂解、分級可控冷凝、在線分析與調控等關鍵技術，研發(fā)了連續(xù)穩(wěn)定的進料器，高效耐用的氣固分離器，高效簡潔的冷凝器，開發(fā)了循環(huán)系統的高效凈化技術等。研發(fā)的林木生物質定向熱裂解液化微反裝置突破了以往生物質熱裂解反應的靜態(tài)研究模式，工藝布置合理、結構緊湊、工作穩(wěn)定。
