生物質(zhì)裂解旋轉錐式熱解液化反應器的設計研究

第24卷第1期佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 24 No. 12006年01月Journal of Jiamusi University(Natural Science EditionJar2006文章編號:1008-1402(20601-0046-03生物質(zhì)裂解旋轉錐式熱解液化反應器的設計研究朱聰玲12,王述洋1,李濱,張姝玉(1東北林業(yè)大學(xué)黑龍江哈爾濱15000;2佳木斯大學(xué)黑龍江佳木斯154007)摘要:近年來(lái)科技界對生物質(zhì)快速轉化生物燃油技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,并且取得了很大的成就,本文就該技術(shù)中的關(guān)鍵設備錐式熱解液化反應器的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了詳細的分析,建立了力學(xué)模型,并且得出熱載體和生物質(zhì)混合顆粒的運動(dòng)方程,利用該結論可以進(jìn)一步對旋轉錐體進(jìn)行優(yōu)化設計關(guān)鍵詞:生物質(zhì);錐式熱解液化反應器;動(dòng)力學(xué);模型中圖分類(lèi)號:X941文獻標識碼:A0引言各種工業(yè)燃油鍋爐的燃料,也可通過(guò)對現有內燃機供油系統進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝,直接作為各種內燃機、引能源短缺是當前中國所面臨的重大問(wèn)題,近擎的燃料,并且不含硫,不會(huì )造成酸雨,其它排放物年來(lái)生物質(zhì)利用技術(shù)有了很大突破,一些新技術(shù)已均在可接受的范圍內來(lái)生產(chǎn)運載工具用柴油對生能夠將生物質(zhì)經(jīng)濟快速地轉化成生物燃油(一種新物原油進(jìn)行催化和品位升級處理,可獲得高質(zhì)量的型液體燃料).生物質(zhì)液化燃油(Bio-oil,Bio-fuel汽油或柴油生物原油經(jīng)這種處理后所得到的產(chǎn)物-ol, Liquid-bio-ol)是一種以廢棄生物質(zhì),如各分別稱(chēng)為生物汽油和生物柴油,可同石化汽油和柴種廢棄農業(yè)秸稈、廢棄木本植物、草本植物及城市油一樣直接用于汽車(chē)、拖拉機和各種內燃機和動(dòng)力有機垃圾等)為原料,在特定的熱裂解工藝條件下,機械,是物美廉價(jià)的石化柴油、汽油的替代品經(jīng)快速分離、轉化所獲得的新型、綠色可再生的生現在,英國、荷蘭和加拿大等幾個(gè)國家已經(jīng)完物質(zhì)液體燃料.生物質(zhì)液化燃油能替代石油已成為成中試,加拿大已開(kāi)始向商業(yè)化的方向邁進(jìn)(產(chǎn)油當今國際能源與環(huán)保領(lǐng)域的重大課題25噸/日),荷蘭完成的中試設備能力為200kg/h廢1國內外研究概況及發(fā)展趨勢棄生物質(zhì),目前正在上馬一套200kg/h生物質(zhì)生產(chǎn)工廠(chǎng),英國則在研制生物燃油發(fā)動(dòng)機、燃氣發(fā)電90年代中期開(kāi)始到現在,國外已經(jīng)有少量的機方面遙遙領(lǐng)先研究表明生物質(zhì)可以轉換為液體燃料.英國、荷蘭、意大利、加拿大等國相繼在生物質(zhì)轉化生物燃油技2關(guān)鍵設備錐式熱解液化反應器的術(shù)方面取得突破.國內的一些高校和科研院所也已設計研究問(wèn)題開(kāi)始研制用廢棄物質(zhì)快速轉化生物燃油的工藝與設備如,山東理工大學(xué)易唯明教授領(lǐng)導的生物質(zhì)目前,生物質(zhì)裂解液體燃料尚處于研發(fā)的初級能研發(fā)團隊,東北林業(yè)大學(xué)王述洋院長(cháng)組建的研發(fā)階段,尚未形成高轉化率的規?；a(chǎn)受設備裝團隊,浙江大學(xué)朱清石校長(cháng)領(lǐng)導的研發(fā)團隊等都在置的限制,尤其是錐式反應器,它的內部涂層、錐奮力研究和發(fā)展生物質(zhì)液化燃油制造和應用技術(shù),角、內部結構、尺寸參數、角速度等眾多設計參數都并且均已取得了技術(shù)性突破生物原油可直接用作有中國煤化工常是影響產(chǎn)油率和擴CNMHG①收稿日期:2005-11-07金項1:2:232然金5(號33頂項1(編9:310389進(jìn)國際先進(jìn)農業(yè)技術(shù)項目(輸號作者介:奎選澤(332龍江結杰頂人北業(yè)夫學(xué)機餐查形奇被工程學(xué)院教投,第1期朱聰玲,等:生物質(zhì)裂解旋轉錐式熱解液化反應器的設計研究大生產(chǎn)的關(guān)鍵如果用實(shí)際實(shí)驗裝置或設備優(yōu)化這運動(dòng)的動(dòng)力學(xué)微分方程,對深入研究錐體的結構尺些參數,又實(shí)驗量太大、造價(jià)太高,經(jīng)濟上難以承寸設計和優(yōu)化結構尺寸參數能夠起到關(guān)鍵的作受即使經(jīng)濟上可行,其實(shí)驗測試也常常無(wú)法實(shí)現,用4因為在高溫和高速的情況下,普通測試儀器無(wú)法進(jìn)行測試.為解決這一技術(shù)性問(wèn)題,采取仿真實(shí)驗3.2動(dòng)力學(xué)方程的建立來(lái)解決3.21建立空間坐標系從分析可以看出,“產(chǎn)油率”的提高是目前生產(chǎn)建立空間直角慣性坐標系(Ox0y)作為大關(guān)鍵難題錐式反應器的結構尺寸參數內部涂層、地坐標坐標原點(diǎn)O建立在旋轉錐體圓形錐底的旋轉的角速度以及物料的顆粒大小和其他的參數圓心上,Z0與錐體軸線(xiàn)重合建立空間直角非慣性對“產(chǎn)油率”都有極大的影響,而這些參數的優(yōu)化,坐標系(Oxy)隨錐體旋轉運動(dòng),(A)是該坐標通過(guò)真實(shí)實(shí)驗是無(wú)法獲得的只有利用虛擬仿真技系的基矢量,熱載體顆?？梢宰鰹橘|(zhì)點(diǎn)建立其空術(shù)才能夠實(shí)現這對深人研究與更廣泛地推廣應用間柱坐標系(p6)作為連體坐標則正交的單位生物質(zhì)液化燃油具有重要意義矢量(eeae)組成連體坐標基,矢徑r用于推導計通過(guò)對轉錐式快速裂解液化反應器的仿真研算,其關(guān)系表達式如下究,能夠方便的獲得該機構在整個(gè)旋轉運動(dòng)過(guò)程中的運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能,以及各種受力情況,結合歷遍計算機優(yōu)化方法,可以對各種結構參數的變化cosei sin aj進(jìn)行虛擬仿真,其結果形象和直觀(guān),便于理解和優(yōu)ea = sindi cosB化可以較好的解決轉錐式快速裂解液化反應器的3.22建立模型建模、控制錐內熱載體的運動(dòng),控制生物質(zhì)在錐內該機構由喉管原理的氣力裝置和旋風(fēng)分離器的滯留時(shí)間,也可以為再次開(kāi)發(fā)較大型的快速裂解的作用下進(jìn)行熱載體的循環(huán),錐式熱解液化反應器反應器提供較好的設計手段,以便進(jìn)行擴大再生即是主反應器,該反應器有內外錐體,進(jìn)料系統,分產(chǎn)1以往的仿真試驗表明利用該技術(shù)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)離器接口保溫裝置動(dòng)力輸入軸等組成對該機構品形象直觀(guān)結構合理精度較高,可以節約大量進(jìn)行適當的簡(jiǎn)化以抓住主要矛盾進(jìn)行設計計算,的真實(shí)試驗研究費用,并且可以縮短設計周期,降所建立的簡(jiǎn)化模型如圖1所示低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本,是適用、方便的最優(yōu)設計手段歲妮人3錐式熱解液化反應器設計中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題3.1錐式熱解液化反應器結構尺寸參數設計與動(dòng)力學(xué)關(guān)系錐體的各種設計參數與轉錐內的熱載體的動(dòng)圖1旋轉錐體模型圖力學(xué)問(wèn)題密切相關(guān),適當控制熱載體在轉錐內的運3.23動(dòng)力學(xué)微分方程的建立動(dòng)時(shí)間,即可以防止生物質(zhì)過(guò)熱碳化,又可以增加中國煤化衛圖2,圖中其他細實(shí)氣體的生成比例,是錐式熱解液化反應器設計的難線(xiàn)CNMHG作用線(xiàn)其中重力G點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù),如何得到轉錐內熱載體相對于錐體=mgm取體料生切組成的混合顆粒),摩的運動(dòng)規律就成為當前的一個(gè)必須解決的問(wèn)題利擦力F=N,N為正壓力顆粒的牽連慣性力為用動(dòng)力學(xué)的分析和計算可以得到熱載體顆粒相對F,科氏慣性力為F由該機構的整體動(dòng)能和48佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2006年功等動(dòng)力學(xué)分析可以得到下列關(guān)系式β-摩擦力和水平面的夾角4結論分析1)N的數值與F有較大關(guān)系,這個(gè)數值由轉錐的p和a決定,其數值越大錐體的正壓力越大,粒子獲得的能量越多,運動(dòng)的越快2)由Z坐標的有關(guān)動(dòng)力學(xué)運動(dòng)微分方程,通過(guò)數值分析和計算得到粒子在旋轉錐體內的運動(dòng)F時(shí)間,對該數值加以限制,獲得熱載體在錐體內的最佳運動(dòng)時(shí)間控制的條件,如錐體的角度選擇,內部涂層材料的選擇,錐體的高度數值等關(guān)鍵結構參數3)對上述動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)一步求解,可以得到圖2熱載體真實(shí)受力分析粒子在錐體內的運動(dòng)軌跡F.=-mamw(xi yj)4)對所建立的簡(jiǎn)化模型和粒子運動(dòng)微分方程F.=20xv進(jìn)行計算機仿真,可以模擬實(shí)驗,進(jìn)行計算機輔助號m(F+號m(+mG)-號m(mP+設計,得到轉錐的物理樣機并進(jìn)行仿真結論的比較分析修正物理模型w(Po tana2(0)2-|mdr參考文獻:r=√p2+2[1]王述洋,譚文英生物質(zhì)液化燃油的工業(yè)適用性及安全性探pdp zdz= rdr討[門(mén)].林業(yè)勞動(dòng)安全,2001,14(3):15-17v=(p)2+(0)2+(z)2[2]李濱,王述洋,譚文英轉錐式閃速熱解反應器結構的安全性Sina NsinB-mg = mz設計理論研究[J].林業(yè)勞動(dòng)安全,2002,15(2):26-273]朱俊生中國新能源和可再生能源發(fā)展狀況[J]可再生能源p= Po stana2003,(2):30-32上述表達式中的部分參數的意義如下[4]曾忠生物質(zhì)熱解液化實(shí)驗研究[J].應用科學(xué)學(xué)報,200,20顆粒初始相對錐體壁運動(dòng)的相對速度(2):215-217a-錐體壁和垂直方向的夾角[5]鄭建榮 ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門(mén)與提[M].北京機械工p-錐底的半徑;業(yè)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國煤化工NMHG