PDF《生物质无轴螺旋连续热解装置送料器设计及中试》

第33 卷第4期农业工程学报Vol.

33 No.4

2017 年2月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb.

2017 83 生物质无轴螺旋连续热解装置送料器设计及中试 王明峰,徐强,蒋恩臣 ,任永志,吴宇健,陈晓 (华南农业大学材料与能源学院,农业部能源植物资源与利用重点实验室,广州 510642) 摘要:为解决有轴螺旋送料器存在质量大、能耗高、易产生机械干涉等问题,该文设计了送料能力为

150 kg/h 的生物 质无轴螺旋送料器,并以稻壳为原料开展了冷态输送和热解试验.设计的无轴螺旋送料器关键尺寸为:螺旋外径为

400 mm、螺旋轴径为

80 mm、螺距为

200 mm,送料器采用柴油燃烧机和热解气回烧的方式加热,计算出燃烧机需要提 供的功率为 95.43 kW.稻壳冷态输送试验表明,当送料频率为

50 Hz 即无轴螺旋的转速为 2.03 r/min 时,无轴螺旋送料 器输送稻壳的送料量为 224.3 kg/h>

150 kg/h,无轴螺旋送料器的实际送料量高于理论计算值.稻壳热解试验表明,当加 热腔最高温度为(700±50)℃时,随着热解时间增加,稻壳炭的挥发分质量分数由 22.45%减至 13.6%,灰分质量分数由 29.38%增至 33.44%,固定碳质量分数由 48.17%增至 52.96%.稻壳炭的高位热值随热解时间增加而增加,但在试验范围 内增幅不大.热解时间对生物炭品质影响较大,即传热速率是限制大型连续热解反应器处理效率提高的主要因素,因此, 在工业化应用的大型热解反应器的设计中,应着重考虑提高热解传热效率的方法. 关键词:生物质;

热解;

设计;

无轴螺旋;

送料器 doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.012 中图分类号:TK62 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2017)-04-0083-06 王明峰,徐强,蒋恩臣,任永志,吴宇健,陈晓.生物质无轴螺旋连续热解装置送料器设计及中试[J]. 农业工程学 报,2017,33(4):83-88. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.012 http://www.tcsae.org Wang Mingfeng, Xu Qiang, Jiang Enchen, Ren Yongzhi , Wu Yujian, Chen Xiaokun. Design and pilot test for feeder of biomass shaftless screw continuous pyrolysis device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 83-88. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.012 http://www.tcsae.org

0 引言生物质能是可再生能源的重要组成部分,对其进行 高效地开发利用,对解决能源紧缺,生态环境恶化等问 题发挥着十分积极的作用[1-2] .生物质热解是指生物质在 完全缺氧或者厌氧的环境下,利用热能切断生物质大分 子中的化学键,将其转变为气体、液体和固体产物的热 化学过程[3-5] .研制节能高效的生物质热解反应器是高效 地利用生物质能的关键之一. 目前,生物质热解反应器的主要类型有流化床反应 器、固定床反应器、携带床反应器、涡旋反应器、烧蚀 反应器、旋转堆反应器、真空热裂解反应器和螺旋反应 器等[6-13] .但是,至今仍然没有研发出得到广泛认可的反 应器.加拿大滑铁卢大学(Waterloo)开发了以氮气为载 气的常压流化床热解设备,研究最大生物油产率的反应 条件,高效、快速地利用生物质资源,特别是林业剩余 物来生产生物油[14] .流化床热解设备具有加热速率快,气 收稿日期:2016-05-06 修订日期:2016-12-14 基金项目:科技部农业科技成果转化资金项目(2014GB2E000048) ;

广东省 科技计划项目(2015B020237010) 作者简介:王明峰,男,辽宁鞍山人,讲师,主要从事生物质能利用研究. 广州 华南农业大学材料与能源学院,510642. Email:wangmingfeng@scau.edu.cn 通信作者:蒋恩臣,男,黑龙江,教授,博士生导师,主要从事生物质能 利用工程研究.广州 华南农业大学材料与能源学院,510642. Email:ecjiang@scau.edu.cn 相停留时间短,控温简便,固体产物分离简便等优点[15-17] . 循环流化床反应器和流化床反应器原理相似,具有高的 传热速率和短暂的生物质停留时间,是生物质快速热解 液化反应器的另一种理想选择[18] .烧蚀反应器通过外界 提供高压,生物质颗粒以相对于反应器较高的速率 (>

1.2 m/s)移动并热解,生物质是由叶片压入到金属表 面,此反应器不受物料颗粒大小和传热速率的影响,但 受加热速率的制约[19] .荷兰 Twente 大学发明研制的旋转 锥反应器,采用离心力来移动生物质,生物质颗粒与过 量的惰性热载体同时进入旋转锥反应器的底部,当生物 质颗粒和热载体构成的混合物沿着炽热的锥壁螺旋向上 传送时,生物质与热载体充分混合并快速热解,而生成 的焦炭和砂子被送入燃烧器中燃烧,预热载体[20] .郑晓 彪等[21] 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,结构简单紧凑,增加了陶瓷球与生物质粉末 接触机率,强化了传热,对生物质粉末和陶瓷球热载体 的混合效果好.华南农业大学[22-23] 研发的生物质连续热 解反应装置,采用变螺距结构,提高了螺旋送料器的送 料能力和性能,具有结构简单、反应条件易于操控、能 够实现连续稳定作业的优点. 有轴螺旋送料器存在质量大,能耗高,高温条件下 轴向伸长导致对轴承作用力增大,降低轴承寿命,物料 受热膨胀后易黏附在旋转轴等问题.无轴螺旋送料器的 送料能力比有轴螺旋送料器高 7.9%[24] ;

无轴螺旋送料器 输送部件质量小, 仅为有轴螺旋送料器的 1/2, 甚至更小, 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

2017 年84 运行功耗低;

输送过程中送料器不易堵塞,能够有效地 防止物料缠绕;

无轴螺旋送料器具有一定的伸缩性,为 受热膨胀的物料和热解挥发物排出提供足够的空间,防 止预热解的高黏度物料堵塞反应器. 本文在小型无轴螺旋送料器的基础上,设计了送料 能力为

150 kg/h 连续热解反应器核心部件:无轴螺旋送 料器和加热组件,并在相应的试验装置上开展了以稻壳 为原料的连续热解试验,为连续热解反应装置的工业化 应用提供设计基础.

1 连续热解反应装置 生物质无轴螺旋连续热解装置如图

1 所示,该装置 采用水平布置的方案,由驱动电机、联轴器、无轴螺旋 送料器、加热组件、料斗、炭箱、冷凝器等组成,其工 作原理为:生物质原料从料斗进入无轴螺旋送料器,由 无轴螺旋从反应器前段输送至末端,并在输送过程中完 成干燥和热解过程,生成的挥发物和气体从炭箱上端的 排气口进入冷凝器冷凝,木醋液和焦油收集储存,不可 冷凝气体从出气口排出,热解产生的炭由螺旋送料器送 入炭箱冷却、收集. 1.支架 2.驱动电机 3.联轴器 4.闸阀 5.进料斗 6.温度传感器 7.加热 腔8.无轴螺旋送料器 9.炭箱 10.冷凝器 11.出气口 1.Frame 2.Drive motor 3.Coupling joint 4.Sluice valve 5.Feeder 6.Temperature sensor 7.Heating chamber 8.Shaftless screw conveyor 9.Biochar box 10.Condenser

11 Gas outlet 图1生物质无轴螺旋连续热解装置示意图 Fig.1 Sketch of biomass shaftless screw continuous pyrolysis reactor

2 无轴螺旋送料器设计 2.1 关键参数设计 一般的螺旋送料器的螺旋外径 D、螺旋轴径 d、螺距 S 和使用转速 n 应分别满足式(1)~式(4)[25] . 螺旋外径:

2 5 [ ] Q D K C ψγ ≥ (1) 式中 Κ 为物料的综合系数;

Ψ 为填充系数;

γ 为物料的单 位容积质量,生物质的单位容积质量一般在 110~

270 kg/m?;

C 为倾角系数,水平放置时取 1. 螺旋轴径: (0.2 0.35) d D = ~ (2) 螺距: (0.5 2.2) S D = ~ (3) 使用转速: max A n n D = ≤ (4) 式中 A 为物料的综合特征系数,计算中 A=50. 根据生物质原料特性,参照《机械工程手册》,具 体参数选择 K=0.05,Ψ=0.3,C=1.生物质原料容重变化 较大,当取 γ=110 kg/m3 时,D≥91.62 mm,当取 γ=

270 kg/m3 时,D≥63.98 mm.螺旋叶片直径通常制成标 准系列,D=

100、

120、

150、

200、

250、

300、

400、500 和600 mm[26] ,相同工况下,螺旋外径越小,无轴螺旋送 料器的输送能力越小,此外,转速一定的情况下,为了 能够使生物质完全热解,必须增加加热段的长度以保证 足够的热解时间.综合考虑,暂取螺旋外径 D=400 mm. 根据式(3),80 mm≤d≤140 mm,螺旋轴径增大,势 必降低有效输送面积,故取螺旋轴径 d=80 mm.根据式 (4),200 mm≤S≤440 mm,当螺距较大时,虽然轴向 输送速度增大,但是会出现圆周速度不恰当的分布情况, 当螺距较小时,圆周速度分布情况较好.综合考虑,取 螺距 S=200 mm.考虑到高温时,材料的热变形较大,取 螺旋外径与管壁的距离 λ=20 mm.由式(4)得,螺旋的 许用转速为 nmax=79.06 r/min. 文献[27]在螺旋连续热解反 应器上开展了松木屑的热解反应,认为松木屑热解温度 为600 ℃时,粒度为 1~2 mm 的固体生物质的最佳热解 时间为

6 min.由于本文设计的送料器直径和生物质原料 粒度较大,完全热解所需时间较长,因此,对热解时间 适当延长, 暂定无轴螺旋送料器中原料热解时间为8 min, 即t=8 min. 连续热解反应器的加热段长度为 l=4

000 mm, 由式(5)得,无轴螺旋的实际使用转速 n=2.5 r/min,取 实际转速为 n=2 r/min,在此情况下,由式(6)得,无轴 螺旋送料器的实际送料量 Q=156.26 kg/h,可以满足设计 要求.螺旋叶片由宽度为

160 mm,厚度为

18 mm 的310 不锈钢条制成.无轴螺旋送料器管筒用外径为

456 mm、 壁厚为

8 mm,长度为

6 000 mm 的310 不锈钢管制成. 为了保证整个装置的密闭性,在管筒进料端的进料口上 端安装气动闸阀. l n st = (5)

2 2

10 3

600 [ ]

10 24 Q D d Sn C ψ γ ? π 6) 2.2 动力驱动 螺旋送料器的轴功率计算公式如下:

0 0

1 /367 h P QL K ω = (7) 式中 P0 为轴功率,kW;

Q 为给料能力,t/h;

Lh 为给料机 长度,m;

ω0 为原料运动时的阻力系数,取1.2~1.5;

K1 为螺旋工作系数,K1=1.1~1.2;

电动机功率计算公式 如下:

2 0 / P K P η = (8) 式中 P 为电动机功率, kW;

K2 为功率备用系数, K2=1.2~ 1.4;

η 为传动效率. 热解反应器所需要的电机驱动功率主要用来克服物 料输送过程中的各种阻力所消耗的能量,主要包括以下几 个部分:物料与机壳之间的摩擦作用所消耗的能量、物料 第4期王明峰等:生物质无轴螺旋连续热解装置送料器设计及中试

85 与螺旋叶片之间的摩擦作用所消耗的能量、螺旋叶片与机 壳之间的摩擦所消耗的能量、传动部分摩擦的作用所消耗 的能量、 物料颗粒间的相对运动所消耗的能量[28] . 由式 (7) 、 (8) 分别计算出 P0=0.0036 kW, P=0.0055 kW, 由此可知, 物料输送过程中的各种阻力所消耗的能量较小,然而在 热解过程中,物料受热后水分、挥发分析出会增加物料 的黏度,导致输送功率增加;

同时,物料也容易进入螺 旋送料器叶片与筒壁的间隙,导致送料阻力骤增,因此 生物质连续热解送料器应该有较大的功率储备.综上, 本文选用额定功率为 5.5 kW 四级三相异步减速电机,额 定转速为

1 450 r/min,减速比为 29,利用变频器控制电 机转速. 2.3 加热组件 加热组件提供热解过程所需要的能量,是无轴螺旋 送料器重要的附属部件.根据文献[29],1 kg 稻壳完全热 解所需外界提供的热量为

5 MJ,稻壳热解三态产物中, 可燃气的质量约占 25%, 1kg 稻壳热解产生的可燃气燃烧 释放的热量为 3.871MJ. 本文所设计的无轴螺旋送料器采 用柴油燃烧机和热解气混合供热的方式提供热解所需热 量,以热效率为 0.7 计算[29] ,热解

1 kg 稻壳,柴油燃烧 机提供的热量为1.129 MJ . 装置设计的处理量为150 kg/h,根据式(9)计算柴油燃烧机所需提供功率 P=95.43 kW.因此,选用百特斯 PX10 柴油燃烧机,其输 出功率为 58~116 kW,提供一定的功率储备,以适应不 同生物质原料热解. Pw=Qq/3

600 (9) 式中 Pw 为加热功率,kW;

q 为热值,kJ;

Q 为单位时间 内的处理量,kg/h. 生物质热解可以分为干燥失水、预热解阶段、热解 阶段、炭化阶段

4 个阶段,其中干燥失水、预热解阶段 反应温度较低,热解阶段、炭化阶段反应温度较高,因此,将柴油燃烧机布置在无轴螺旋送料器的出料端,热 解过程中能够沿送料器送料方向形成逐渐升高的温度梯 度,满足热解不同反应阶段的温度要求. 2.4 其他配件主要参数 炭箱内部为微正压,因此,采用简单的圆筒结构, 以方便加工,下端布置出料螺旋以便于取料.炭箱的设 计相对简单,因此不再进行相关的设计计算,具体尺寸 为Ф800 mm*1

800 mm. 炭化过程的冷凝主要分为固体产物的冷却和气体产 物的冷凝,固体产物的冷却在炭箱中进行.气体产物通 过炭箱上端的出气口进入冷凝器冷凝.根据产物特性, 送料器处理量,参考《换热器设计手册》,采用立式管 层冷凝器,其尺寸为 Ф700 mm*800 mm,冷却水流量为

800 kg/h,换热面积为 10.7 mm2 .

3 无轴螺旋送料器输送特性及热解特性试验及结 果分析 3.1 试验原料 试验以稻壳为原料,稻壳购自于广州某稻谷加工厂. 其工业分析结果与堆积密度见表 1, 工业分析方法参考国 标GB/T28731-2012 固体生物质燃料工业分析方法,堆积 密度测量方法参考《NY/T 1881.6-2010》. 表1稻壳工业分析与堆积密度 Table

1 Proximate analysis and stacking density of rice husk 工业分析 Proximate analysis 原料 Material 水分 Moisture/% 挥发分 Volatile/% 灰分 Ash/% 固定碳 Fixed carbon/% 堆积密度 Stacking density/(kg・m-3 ) 稻壳 Rice husk 11.24 62.34 12.38 14.05 117.88 3.2 试验方法 1)螺旋叶片转速测定:调节变频器频率控制电机转 速,记录螺旋叶片转动

3 圈所需时间,重复

3 次,取平均 值,计算螺旋叶片转速. 2)冷态送料量测定................