王紹慶，李志合，吳厚凱，李 寧，柏雪源

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生物質(zhì)熱解固體熱載體高溫?zé)煔饧訜嵫b置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王紹慶，李志合※，吳厚凱，李 寧，柏雪源

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院/山東省清潔能源工程技術(shù)研究中心，淄博 255049）

固體熱載體加熱生物質(zhì)是生物質(zhì)熱解制取生物油的工藝手段之一。為解決固體熱載體間接加熱方式升溫慢、效率低問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種流化床生物質(zhì)燃燒的熱煙氣直接加熱固體熱載體裝置，分析了其結(jié)構(gòu)與原理，開(kāi)展了固體熱載體升溫性能和流化床燃燒器的燃燒特性試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了熱平衡分析。結(jié)果表明：流化床高溫?zé)煔饧訜崽沾汕驘彷d體的平均熱能利用率為66.3%，流化床燃燒生物質(zhì)粉產(chǎn)生的高溫?zé)煔饽軌驖M足熱載體加熱裝置對(duì)熱源的需求，熱載體加熱器內(nèi)的熱量傳遞方式主要是對(duì)流換熱。陶瓷球熱載體與加熱器內(nèi)高溫?zé)煔獾膶?duì)流傳熱系數(shù)為475 W/(m2·℃)。研究對(duì)結(jié)果對(duì)解決生物質(zhì)熱解液化技術(shù)中的固體熱載體加熱升溫關(guān)鍵問(wèn)題具有重要指導(dǎo)意義。

生物質(zhì)；燃燒；加熱裝置；流化床；固體熱載體

0 引 言

生物質(zhì)具有環(huán)境友好，資源可再生等特點(diǎn)，是理想的清潔能源之一[1-2]。生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用，旨在把諸如農(nóng)林廢棄物等固體生物質(zhì)通過(guò)物理或化學(xué)方法，使之成為高能量密度的氣體、固體或液體燃料[3-5]。生物質(zhì)熱解液化技術(shù)是一種熱化學(xué)手段，利用高溫固體介質(zhì)加熱粉狀生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)快速熱解液化，是生產(chǎn)生物油的工藝之一，具有冷卻負(fù)載小、載體余熱回收容易等優(yōu)點(diǎn)，有著較好的發(fā)展前景[6-11]。山東省清潔能源工程技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)的陶瓷球熱載體加熱生物質(zhì)熱解液化工藝技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[12]。在生物油的生產(chǎn)中，熱載體作為制備生物油的傳熱介質(zhì)，其加熱時(shí)間長(zhǎng)，耗能高，然而目前采用的熱載體間接加熱技術(shù)還存在著熱載體升溫速率慢、效率低、耗能高的問(wèn)題，因此生產(chǎn)的連續(xù)性和規(guī)模性受到限制，也嚴(yán)重制約了生物油的低能耗、規(guī)?；a(chǎn)[13-16]。李志合等設(shè)計(jì)的固體熱載體換熱器殼體內(nèi)設(shè)有多組換熱管，煙氣發(fā)生爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入殼體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)陶瓷球的間接換熱，同時(shí)硅碳棒與保護(hù)套管與換熱管垂直布置，作為加熱熱載體的輔助熱源，換熱器換熱面積大，熱效率較高，但能耗過(guò)高[17]。曹有為等研究的串聯(lián)熱載體加熱裝置將2個(gè)不同加熱方式的加熱裝置串聯(lián)在一起，上爐體主要是熱載體在列管內(nèi)間接換熱，換熱后的熱載體進(jìn)入下?tīng)t體與高溫?zé)煔庵苯訐Q熱，加熱裝置具有高效率和傳熱效率[18]。本文最初采用明火直接加熱陶瓷球，加熱試驗(yàn)表明陶瓷球會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象；同時(shí)，生物質(zhì)熱裂解是在缺氧條件下進(jìn)行的，熱解反應(yīng)器內(nèi)部要和外部環(huán)境隔絕，生物質(zhì)粉通過(guò)燃燒消耗了空氣中的氧氣，生成的高溫?zé)煔庠倥c陶瓷球進(jìn)行換熱，可以保證熱解反應(yīng)系統(tǒng)與外界的獨(dú)立性。

本文針對(duì)“固體熱載體加熱下降管式裂解液化系統(tǒng)”中的陶瓷球固體熱載體加熱問(wèn)題，在原有陶瓷球固體熱載體加熱研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造了流化床高溫?zé)煔庵苯蛹訜崽沾汕驘彷d體的試驗(yàn)裝置，利用流化床高溫?zé)煔鉄彷d體加熱系統(tǒng)研究高溫?zé)煔饧訜崽沾汕驘彷d體的規(guī)律及最佳工藝參數(shù)，以期解決陶瓷球加熱生物質(zhì)裂解液化技術(shù)中固體熱載體加熱升溫困難的技術(shù)難題，對(duì)各部件作深入研究和參數(shù)優(yōu)化等工作。

1 固體熱載體高溫?zé)煔饧訜嵫b置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

生物質(zhì)熱解液化過(guò)程中，熱載體與生物質(zhì)混合質(zhì)量比為10:1，為滿足生物質(zhì)處理量為30 kg/h的熱解液化裝置的熱解需求，熱載體的需求量應(yīng)大于300 kg/h，同時(shí)生物油生產(chǎn)過(guò)程中固體熱載體加熱一般需要專用的熱載體加熱爐，為提高固體熱載體的換熱效率，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境保護(hù)的需求，固體熱載體加熱裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：1）爐膛容積熱負(fù)荷（q）。其大小主要取決于燃料的揮發(fā)分含量高低，揮發(fā)分低的無(wú)煙煤，不易著火燃燒，q值應(yīng)取小一些，爐膛容積可大一些，延長(zhǎng)燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間。而生物質(zhì)揮發(fā)分含量較高，在爐膛內(nèi)燃燒方式介于層燃與懸浮燃燒之間，q值可比煤粉爐大，一般取值范圍為180～250 kW/m3。2）加熱器出口煙溫。其主要取決于生物質(zhì)燃燒特性和生物質(zhì)灰熔融特性，一般加熱器出口煙溫控制在1 050～1 100 ℃[19]。3）受熱面積。加熱器內(nèi)置擋板增加了熱載體的滯留時(shí)間，進(jìn)而增加了單位時(shí)間內(nèi)的受熱面積，加強(qiáng)了熱載體與高溫?zé)煔獾膶?duì)流換熱。4）經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。流化床燃燒器通過(guò)燃燒生物質(zhì)粉體燃料產(chǎn)生高溫?zé)煔?，減少污染物的排放，節(jié)省能源成本。

1.2 整體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)制造的固體熱載體高溫?zé)煔饧訜嵫b置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由：高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置、熱載體喂料器、熱載體加熱器、旋風(fēng)分離系統(tǒng)及溫度檢測(cè)系統(tǒng)等組成，加熱裝置整體尺寸3.1 m′1.5 m′4.7 m。

1.3 高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1提到的熱載體需求量，通過(guò)熱量計(jì)算公式

陶瓷球比熱容為=800 J/(kg·K)，=300 kg，Δ=500 K，代入相應(yīng)參數(shù)，可得陶瓷球加熱到目標(biāo)溫度(500 K)至少需要1.2′105kJ熱量。

高溫?zé)煔馐怯闪骰踩紵鳟a(chǎn)生，主要由生物質(zhì)粉喂料器、流化床燃燒爐、進(jìn)風(fēng)裝備以及溫度監(jiān)控系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

高溫?zé)煔獍l(fā)生裝置的原理就是利用生物質(zhì)粉（產(chǎn)熱量可達(dá)15 550 kJ/kg）在流化床燃燒器內(nèi)的燃燒產(chǎn)生用于熱載體加熱。生物質(zhì)粉喂料器采用的是刮板式和螺旋進(jìn)料相結(jié)合的兩級(jí)喂料裝置[20]，能夠確保生物質(zhì)粉連續(xù)、穩(wěn)定、快速的喂入流化床燃燒器。流化床燃燒爐類似于鼓泡流化床燃燒器，主要包括風(fēng)室、燃燒室、布風(fēng)板、煙氣凈化層等組成，試驗(yàn)時(shí)打開(kāi)生物質(zhì)粉體燃料喂料器和羅茨風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)娘L(fēng)料比，燃燒室密相區(qū)是生物質(zhì)粉著火和燃燒的主要區(qū)域，燃燒室上部為稀相區(qū)，生物質(zhì)粉濃度較低，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)煙氣凈化層后，通過(guò)燃燒爐上部的煙氣管道進(jìn)入熱載體加熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換。

1.4 陶瓷球喂料器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陶瓷球喂料器（如圖3）采用螺旋式開(kāi)關(guān)，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)把手控制調(diào)節(jié)桿，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)把手，通過(guò)調(diào)節(jié)桿的控制，錐形塊向上移動(dòng)，利用錐形塊與斜壁間相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)改變他們之間的間隙，進(jìn)而控制陶瓷球的流量，儲(chǔ)料罐的容量為40 L，完全保證換熱試驗(yàn)陶瓷球用量。陶瓷球喂料試驗(yàn)表明，從料筒出來(lái)的陶瓷球流體呈細(xì)流狀，在陶瓷球出料口50 mm處設(shè)置篩網(wǎng)，篩網(wǎng)孔徑為8 mm，保證陶瓷球下料均勻[21]。

1.5 熱載體加熱器設(shè)計(jì)

熱載體加熱器內(nèi)陶瓷球吸熱量主要由高溫?zé)煔馓峁瑹彷d體加熱器的爐膛截面積計(jì)算公式為

式中為爐膛截面積，m2；燃總為燃料每秒提供總熱量，kW；q為爐膛的截面熱負(fù)荷，kW/m2。選取熱載體加熱器的截面熱負(fù)荷q=3 000 kW/m2，代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，可求得=0.031 m2，由此得加熱器直徑=0.19 m。

加熱器體積計(jì)算公式

式中為加熱器體積，m3；q為爐膛的體積熱負(fù)荷，kW/m3。選取熱載體加熱器體積熱負(fù)荷為250 kW/m3，代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，可求得=0.057 m3。

通過(guò)理論計(jì)算，確定以下主要參數(shù):加熱器的外徑200 mm，壁厚9 mm；外部保溫套管外徑為220 mm，壁厚為9 mm；加熱器高度為2 000 mm。

圖4表示的是陶瓷球熱載體加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，該加熱器是由豎直管和內(nèi)置擋板組成，整個(gè)加熱器分布3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，從上往下分布在600、1 000、1 400 mm共3點(diǎn)；內(nèi)置擋板是由3根外徑為5 mm的螺桿相連接，擋板壁厚為10 mm，用一對(duì)M12的緊固螺釘固定在加熱器內(nèi)部，同時(shí)為了降低熱量損失，提高換熱效果，采用50 mm厚的含鋯陶瓷噴絲毯對(duì)加熱器進(jìn)行保溫處理。

流化床燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入熱載體加熱器底部向上流動(dòng)，與加熱器內(nèi)下落的固體熱載體進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，同時(shí)內(nèi)置擋板的存在改變了熱載體流動(dòng)速度的大小和方向，增加了固體熱載體的換熱時(shí)間，加熱后的固體熱載體從加熱器底部排出進(jìn)入儲(chǔ)料器。

1.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測(cè)溫元件采用大連雷爾達(dá)儀表有限公式生產(chǎn)的型號(hào)為WRN-130的K型熱電偶(測(cè)溫范圍為0～1 300 ℃)，熱響應(yīng)相應(yīng)時(shí)間約為20 s，測(cè)溫精度為1%，測(cè)溫準(zhǔn)確且靈敏度高。數(shù)據(jù)采集采用的是阿爾泰高級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)，主要包括DAM-3038熱電偶輸入模塊、DAM-3058R遠(yuǎn)端壓力輸入模塊、DAM-3210數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，DAM-3000M測(cè)試系統(tǒng)等。

2 性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料

本文所用的生物質(zhì)燃料選自淄博市張店區(qū)的玉米秸稈、小麥秸稈和棉花秸稈，秸稈原料來(lái)源廣泛，能降低燃料原料的供應(yīng)成本。試驗(yàn)物料經(jīng)自然風(fēng)干、粉碎、篩分后，選取平均粒徑為0.177 mm（80目）左右的物料放于空氣干燥箱中，在105 ℃下干燥4 h備用。

陶瓷球選用山東省淄博市宇邦陶瓷廠生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷球顆粒，陶瓷球直徑為3 mm，主要成分為Al2O3和SiO2，密度為2 000～2 400 kg/m3，吸水率小于0.5%，抗壓強(qiáng)度為28.13 MPa。

2.2 試驗(yàn)條件與方法

首先啟動(dòng)流化床燃燒器預(yù)熱整個(gè)系統(tǒng)，待系統(tǒng)溫度趨于穩(wěn)定后，打開(kāi)陶瓷球喂料器，將陶瓷球定量、勻速的送入加熱管內(nèi)，陶瓷球和高溫?zé)煔庠诠軆?nèi)充分接觸，進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，換熱結(jié)束后，陶瓷球落入熱載體儲(chǔ)存管中，煙氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程溫度實(shí)時(shí)記錄，以便于陶瓷球的熱平衡分析。

陶瓷球在熱載體加熱器內(nèi)的流動(dòng)與換熱過(guò)程十分復(fù)雜，屬于氣固兩相流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象[22-24]，傳熱模型如圖5所示。存在顆粒間、顆粒與擋板之間、顆粒與壁面之間、顆粒與高溫?zé)煔庵g的對(duì)流換熱以及加熱器內(nèi)壁對(duì)顆粒的輻射等傳熱方式。通過(guò)陶瓷球在豎直管內(nèi)的可視化研究，除了邊壁和擋板處，陶瓷球下落過(guò)程中顆粒之間、顆粒與壁面間不存在相互接觸，而管壁富有絕熱型材料，因此可以忽略顆粒碰撞壁面時(shí)的熱傳導(dǎo)；在加熱器內(nèi)壁溫度低于600 ℃時(shí)，對(duì)管內(nèi)輻射傳熱很小，可以忽略不計(jì)；熱電偶具有熱慣性小，靈敏度高，熱容小等特點(diǎn)，可以忽略熱電偶吸收的熱量。因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在進(jìn)行熱量分析時(shí)只考慮陶瓷球與高溫?zé)煔獾膶?duì)流換熱。

3 結(jié)果與分析

3.1 流化床燃燒器燃燒性能分析

生物質(zhì)燃料中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素是其主要的易燃部分，生物質(zhì)在燃燒過(guò)程中纖維素和半纖維素會(huì)首先釋放出揮發(fā)分物質(zhì)，木質(zhì)素最后轉(zhuǎn)化成炭[25-26]。生物質(zhì)粉體燃料燃燒過(guò)程中沒(méi)有污染物排放，是一種清潔能源。

根據(jù)生物質(zhì)揮發(fā)分含量高、析出迅速的特點(diǎn)[27]，生物質(zhì)粉體燃料在流化床燃燒器內(nèi)燃燒主要分為3個(gè)階段。第1階段：生物質(zhì)粉在燃燒室密相區(qū)下部被點(diǎn)燃，同時(shí)析出所有揮發(fā)分；第2階段：揮發(fā)分在燃燒室密相區(qū)上部充分燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔?；?階段：燃燒室稀相區(qū)顆粒濃度變小，氣流攜帶的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)燃燒室稀相區(qū)，然后經(jīng)過(guò)煙氣凈化層，通過(guò)煙氣管道進(jìn)入熱載體加熱器進(jìn)行換熱，其中燃燒室密相區(qū)、稀相區(qū)、煙氣凈化層分別對(duì)應(yīng)于圖2中的10、9、8部件。

流化床燃燒的基本原理是燃料顆粒在流態(tài)化狀態(tài)下進(jìn)行燃燒，是一種介于層燃和懸浮燃燒之間的燃燒方式。風(fēng)粉溶度（即粉體質(zhì)量與進(jìn)風(fēng)量之比，g/m3）是燃燒效果的關(guān)鍵參數(shù)[28]。為了研究風(fēng)粉濃度對(duì)生物質(zhì)粉體燃燒的影響，在進(jìn)風(fēng)量不變的前提下，改變生物質(zhì)喂料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，尋找適宜的風(fēng)粉濃度，保證流化床燃燒器產(chǎn)生穩(wěn)定的高溫?zé)煔狻?/p>

圖6是風(fēng)粉濃度與流化床燃燒器不同位置的最高溫度的關(guān)系。可知風(fēng)粉質(zhì)量濃度低于220 g/m3時(shí)，燃燒器內(nèi)不能保持連續(xù)穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，且整個(gè)系統(tǒng)溫度較低；當(dāng)粉體質(zhì)量濃度在280 g/m3以上時(shí)，排煙口出現(xiàn)深黃色的濃煙，表明燃燒器內(nèi)空氣供氧不足，生物質(zhì)粉體燃燒不充分，還很容易在點(diǎn)火時(shí)出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象，爐內(nèi)瞬間壓強(qiáng)增大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定；當(dāng)風(fēng)粉質(zhì)量濃度為240 g/m3時(shí)，主燃室溫度能達(dá)到1 021 ℃，排煙口為淺白色的清煙，表明粉體燃料燃燒效果理想。通過(guò)燃燒性能試驗(yàn)研究，確定燃燒爐的最佳風(fēng)粉質(zhì)量濃度為240 g/m3。

圖7給出了在最佳風(fēng)粉濃度下，粉體在燃燒過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布變化關(guān)系。從圖7中可以看出，燃燒室密相區(qū)下部的溫度最高，整個(gè)燃燒器內(nèi)的溫度由下至上依次降低，溫度梯度逐漸增大，但密相區(qū)的溫度梯度較小，表明生物質(zhì)粉體燃料主要以體積式懸浮燃燒為主；粉體燃燒15 min左右，爐內(nèi)的溫度達(dá)到穩(wěn)定，在達(dá)到穩(wěn)定之前各測(cè)試點(diǎn)溫度均有所上升，但溫升速率會(huì)隨著時(shí)間的增加而有所減少。在整個(gè)燃燒過(guò)程中，粉體燃燒非常迅猛，在喂料5 min后燃燒器內(nèi)溫度迅速升高，15 min爐內(nèi)溫度場(chǎng)達(dá)到平衡，整個(gè)燃燒過(guò)程持續(xù)穩(wěn)定，且排煙口為淺白色的清煙，表明生物質(zhì)粉體燃燒效果理想，燃燒器能連續(xù)、穩(wěn)定的產(chǎn)生高溫?zé)煔狻?/p>

3.2 加熱器內(nèi)溫度變化分析

當(dāng)整個(gè)熱載體加熱系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，陶瓷球以3種不同的流量通過(guò)加熱器，通過(guò)改變陶瓷球的質(zhì)量流量，來(lái)研究加熱器內(nèi)高溫?zé)煔鉁囟扰c陶瓷球流量的關(guān)系，進(jìn)而分析陶瓷球與高溫?zé)煔庠诩訜崞鲀?nèi)的對(duì)流換熱規(guī)律。加熱器內(nèi)高溫?zé)煔鉁囟茸兓?guī)律（陶瓷球質(zhì)量流量為6.4 kg/min為例）如圖8所示。

根據(jù)陶瓷球在整個(gè)加熱器內(nèi)的溫度變化擬合曲線可以看出，高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣管道進(jìn)入加熱器時(shí)溫度在750 ℃左右，加熱器內(nèi)高溫?zé)煔忾_(kāi)始時(shí)降溫速率較大，隨后迅速減小，最后在接近煙氣進(jìn)口處對(duì)流換熱較弱。主要是因?yàn)殚_(kāi)始時(shí)陶瓷球和管內(nèi)高溫?zé)煔鉁夭畲?，陶瓷球通過(guò)與高溫?zé)煔鈱?duì)流換熱得到大量的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致高溫?zé)煔鉁囟鹊慕档?；隨著下降距離的增加，陶瓷球溫度升高，兩者之間的溫差逐漸降低，對(duì)流換熱強(qiáng)度減弱，陶瓷球的吸熱量減少，高溫?zé)煔獾慕禍厮俾蕼p??；在接近煙口處，陶瓷球和高溫?zé)煔獾臏夭钭钚?，?duì)流換熱量較小。此外，加熱器存在邊界效應(yīng)，因?yàn)榧訜崞魇情_(kāi)口系統(tǒng)，進(jìn)口處煙氣流動(dòng)劇烈，會(huì)加強(qiáng)對(duì)流換熱的效果[29]。

3.3 對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算

不同質(zhì)量流量的陶瓷球在加熱器內(nèi)經(jīng)過(guò)換熱后落入陶瓷球收集管，在距加熱器出口100、550、1 000 mm 3處布置熱電偶（如圖1），將溫控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間設(shè)定為3 000 ms，實(shí)時(shí)檢測(cè)陶瓷球的溫度變化。

根據(jù)陶瓷球在加熱器內(nèi)的換熱理論分析可知，豎直管內(nèi)陶瓷球的總表面積就是陶瓷球與管內(nèi)高溫?zé)煔獾目倱Q熱面積，利用牛頓冷卻公式，豎直管內(nèi)的對(duì)流換熱量的計(jì)算公式

Q=cmΔT=hAΔT （4）

式中為對(duì)流換熱量，kJ；c為陶瓷球的定壓比熱容，kJ/(kg×℃)；m為陶瓷球的質(zhì)量，kg；為陶瓷球和空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；為陶瓷球和高溫?zé)煔獾膿Q熱面積，m2；ΔT為陶瓷球換熱前后溫差，℃；ΔT為陶瓷球和高溫?zé)煔獾膶?duì)數(shù)平均溫差，℃。

對(duì)數(shù)平均溫差ΔT的計(jì)算公式[30]如下

表1表示的是陶瓷球與高溫?zé)煔獾膿Q熱初終溫度及兩者間對(duì)數(shù)平均溫差，根據(jù)假設(shè)陶瓷球的吸熱量完全來(lái)自于高溫?zé)煔?，忽略熱損失，依據(jù)能量平衡式（4），可以計(jì)算出陶瓷球質(zhì)量流量分別在6.2、6.4和6.6 kg/min時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)分別為481.8、468.2和476.5 W/(m2·℃)，綜合3種流量下陶瓷球與高溫?zé)煔獾膶?duì)流換熱系數(shù)，可以得到平均對(duì)流換熱系數(shù)在475 W/(m2·℃)左右。

表1 陶瓷球與高溫?zé)煔鈸Q熱初終溫度

3.4 熱能利用率的計(jì)算

為檢測(cè)熱載體加熱裝置的熱能利用率，同一天分3個(gè)時(shí)間段檢測(cè)熱載體加熱系統(tǒng)能量的變化，進(jìn)而計(jì)算出裝置的熱能利用率，計(jì)算公式如下

檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中陶瓷球質(zhì)量流量為6.2 kg/min，試驗(yàn)陶瓷球初溫為20 ℃，每組采樣的觀測(cè)時(shí)段大約為10 min，共3組，檢測(cè)的結(jié)果如表2。通過(guò)計(jì)算可知，流化床高溫?zé)煔饧訜崽沾汕驘彷d體的試驗(yàn)裝置平均熱能利用率為66.3%，表明裝置有很好的節(jié)能特點(diǎn)。

表2 熱載體加熱系統(tǒng)檢測(cè)報(bào)告

4 結(jié) 論

1）通過(guò)開(kāi)展生物質(zhì)粉在流化床燃燒器上的燃燒性能試驗(yàn)，獲得了本燃燒爐最適合的風(fēng)粉質(zhì)量濃度在240 g/m3左右。

2）固體熱載體高溫?zé)煔饧訜嵫b置實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定換熱，陶瓷球與高溫?zé)煔獾膶?duì)流換熱系數(shù)大約在475 W/(m2·℃)左右；裝置平均熱能利用率為66.3%。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高了換熱效率。

3）固體熱載體高溫?zé)煔饧訜嵫b置利用生物質(zhì)粉體燃料進(jìn)行熱載體加熱，節(jié)約了能源資源，為高溫固體熱載體加熱生物質(zhì)快速熱解液化制取生物油工藝的進(jìn)一步商業(yè)化和工業(yè)化提供技術(shù)支持。

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Design and experiment on solid heat carrier heating device heated by high temperature flue gas for pyrolysis of biomass

Wang Shaoqing,Li Zhihe※, Wu Houkai, Li Ning, Bai Xueyuan

(/,255049,)

Biomass is one of environment friendly and renewable resources, which is considered as an ideally clean energy. In general, the development and utilization of biomass energy aim at converting the solid agricultural and forestry wastes into gaseous, solid or liquid fuels by physical or chemical processing methods. Solid heat carrier heating biomass is one of the process means of preparing bio-oil from biomass pyrolysis. In order to solve the indirect heating slow and low efficiency problems of solid heat carrier heating, a solid heat carrier heating device heated by high temperature flue gas which was generated by fluidized bed combustor was designed, and its structure and principle were analyzed, including high temperature flue gas generator, feeder of ceramic ball, heat carrier heat exchanger, built-in baffle, data acquisition and control system. The device could carry out the solid heat carrier heating performance and the combustion characteristic of fluidized bed combustor. Furthermore, the heat balance analysis of test results was performed. Biomass powder fuel was conducted on proximate analysis, ultimate analysis and determination of low calorific value, the results showed that the biomass powder fuel was a kind of clean energy. By conducting tests of biomass powder fuel combustion on high temperature gas generating apparatus to determine optimum powder concentration was 240 g/m3. The fluidized bed combustion furnace temperature changes were analyzed under optimal wind powder concentration, which indicated that biomass powder burning had ideal effect, the burner could be continuous, stable producing high temperature flue gas. By studying the temperature variation during the heat exchange process of ceramic balls and high temperature flue gas, the convective heat transfer coefficient of ceramic ball and high temperature flue gas and the heat utilization efficiency of the device were obtained. The convection heat transfer coefficient between ceramic balls and the high temperature flue gas was calculated and heat energy utilization of heating equipment was detected. Results showed that the heat utilization efficiency of the heat carrier heater reached by 66.3%. The high temperature flue gas produced by biomass combustion in fluidized bed could satisfy the need of the heating of ceramic balls for biomass pyrolysis. The convection was the main heat transfer in the heat carrier heater and the convection heat transfer coefficient between ceramic balls and the high temperature flue gas was 475 W/(m2·℃). By heat balance analysis and heating capacity theory analysis of the device，it indicated that study results have important guiding significance for solving the biomass pyrolysis technology in the key solid heat carrier heating up issues.

biomass; combustion; heating equipment; fluidized bed; solid heater carrier

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.013

TK6

A

1002-6819(2017)-04-0089-07

2016-05-31

2016-12-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51276103），國(guó)家重點(diǎn)基金（51536009），泰山學(xué)者工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，山東省優(yōu)勢(shì)學(xué)科資助項(xiàng)目聯(lián)合資助。

王紹慶，男，山東滕州人，博士生，主要從事生物質(zhì)能方面的研究。淄博 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，255049。 Email：wangshasoqing987@163.com

李志合，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)和綜合利用技術(shù)研究工作，淄博山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，255049。Email：lizhihe@sdut.edu.cn

王紹慶，李志合，吳厚凱，李 寧，柏雪源. 生物質(zhì)熱解固體熱載體高溫?zé)煔饧訜嵫b置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(4)：89－95. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.013 http://www.tcsae.org

Wang Shaoqing, Li Zhihe, Wu Houkai, Li Ning, Bai Xueyuan. Design and experiment on solid heat carrier heating device heated by high temperature flue gas for pyrolysis of biomass[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 89－95. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.013 http://www.tcsae.org