生物质流化床热裂解加热系统设计

广西工学院毕业设计说明书生物质流化床热裂解加热系统设计DESIGNONHEATINGSYSTEMOFBIOMASSFLUIDIZEDBEDPYROLYSIS系别生物与化学工程系专业化学工程与工艺，4年班级072班学号200700601049姓名覃杨鸿指导教师谢清若二○一一年五月三十日39 摘要本设计是南宁六景工业园“生物质热裂解制备生物油”项目的一部分。南宁地区农林剩余物非常丰富，开发本项目有很大的市场潜力。通过热裂解能够将生物质转化为高品质、高能量密度、清洁的液体燃料，有利于提高该地区农村生物质能的利用率，改善能源生产和消费结构。广西生物质热裂解制备生物油项目开发起步较晚，至今没有生物质热裂解制备生物油工程设计和商业化生产的相关报道。基于大量的试验研究，又针对具体问题对流程、工艺、装置等加以改进，设计了生物质热裂解制备生物油的加热系统技术参数，确定了三大部分：反应系统采用流化床反应器、等离子体为主加热系统、电阻丝加热为辅助加热系统，详细地进行这些系统的选型和设计计算，自行设计了流化床反应器的温控装置。该技术设计的完成，期望能对生物质热裂解制备生物油提供实践上的指导。本设计的结果是：加热系统的等离子机功率为32kw，电阻丝功率为15kw，加热速率为1200℃/s本设计的结果是：等离子机功率为关键词：生物质；热裂解；加热系统；等离子体；电阻丝；设计生物质；等离子体；加热系统；设计39 AbstractThisresearchisapartoftheprojectsubsidizedbyindustryzoneofNanningLiujingsuburbs,namedas“PreparationofBio-oilbyPyrolysisfromBiomass”.TheagricultureandforestryremainderinNanningdistrictareabundant,soithasagreatmarkpotentialtodevelopthebio-oilproject.Biomasscanbechangedintocleanliquidfuelofhighquality,highdensityofenergybypyrolysis.Notonlyitcouldenhancetheefficiencyofbiomassenergyinrural,butalsoimproveenergyproductionandconsumptionstructure.Theprojectdevelopmentofpreparationofbio-oilbypyrolysisfrombiomassisstartinglaterinGuangxi,therehavenonereportaboutengineeringdesignandconsumptiveproductionaboutit.Basedonexperimentalinvestigation,technologicalprocess,technologyanddeviceweredesignedbetterinordertoimprovesomedefects.Technologicalprocessofheatingsystemwasdesignedofpreparationofbio-oilbypyrolysisfrombiomass,threeunitsofdesigntaskintheproject:fluidizedbedreactorasthereactionsystem,plasmageneratorastheprimaryheatingsystem,resistancewireassupplementaryheatingsystem.Andthetypeofmainpartoftechnologicalprocesswasdeterminedaccordingtotheenumerativeprocessofreactionsystem,primaryheatingsystem,andsupplementaryheatingsystem.Theautocontrolheatingsystemwasalsodesigned.Thedesignexpectedthatitcouldofferthepracticalconducttodevelopthebiomasspyrolysis.Theresultsshowthattheplasmaheatingsystemunitpower,resistancewirepower,andtheheatingratiois32kw,15kw,and1200℃/s,respectively.Theresultsshowthatthearticle,b,c,is33,44,55,respectively.Theresultsofdesignareasfollows:pyrolysistemperatureat519℃,vaporresidencetimein2.05s,andtheparticlesizeof0.18mm.Keyword:Biomass;thermalcracking；Heatingsystem;plasma;heatingwire；DesignBiomass;sawdust;Heatingsystem;Design39 目录1.绪论11.1生物质能11.2松木资源概况及其理化性质21.2.1资源概况21.2.2理化性质21.2.3木材的传热特征31.3加热方式的介绍31.3.1电加热31.3.2微波加热31.3.3红外线加热31.3.4感应加热41.3.5等离子加热41.4常用的生物质热裂解的加热方式41.5本设计的选题背景和主要内容51.5.1课题选题背景51.5.2主要研究内容51.6本章小结52.生物质热裂解热能供给方案确定62.1热量传递过程62.2生物质热裂解加热速率62.3加热系统的确定63.热能供给系统的基本构成83.1生物质热裂解工艺流程83.2加热系统的基本构成83.2.1等离子体加热部分93.2.2电阻丝加热部分93.2.3保温部分93.2.4控温部分94.工艺计算及主要设备计算与选型104.1工艺计算104.1.1物料衡算1039 4.1.2.能量衡算114.2.设备计算及选型134.2.1.流化床选择134.2.2.加热系统热强度计算154.2.3.等离子机164.2.4.电阻丝174.2.5控温器的选择174.2.6保温材料的选择185.车间平面布置205.1车间布置设计原则205.2布置形式206.非工艺专业设计216.1厂房建筑216.1.1地基选择216.1.2墙体的选择216.2厂房的建筑结构216.3变配电及电气设计226.3.1变配电选择226.3.2电气设计226.4给排水设计237.技术经济分析247.1总论247.2市场分析与预测247.2.1与国内外同类产品或技术的竞争分析247.3原材料与动力供应257.4建厂条件和厂址选择257.5工程项目设计257.6环境保护与“三废”治理267.7生产规模和产品方案267.8生产机构、人员配备和劳动培训267.9投资估算与资金筹措277.10生产成本预算288.结论与展望3039 8.1.结论308.2.展望309.参考文献3110.致谢与体会3311.附录3411.1.主要符号表3411.2.主要工艺设备一览表341.绪论11.1生物质能11.2松木资源概况及其理化性质21.2.1资源概况21.2.2理化性质21.2.3木材的传热特征31.3加热方式的介绍31.3.1电加热31.3.2微波加热31.3.3红外线加热31.3.4感应加热41.3.5等离子加热41.4已用于生物质热裂解的加热方式41.5本设计的选题背景和主要内容51.5.1课题选题背景51.5.2主要研究内容51.6本章小结52.生物质热裂解热能供给方案确定62.1热量传递过程62.2生物质热裂解热能供给速率62.3加热系统的确定63.热能供给系统的基本构成83.1生物质热裂解工艺流程83.2加热系统的基本构成83.2.1等离子体加热部分93.2.2电阻丝加热部分939 3.2.3保温部分93.2.4控温部分94.工艺计算及主要设备计算与选型104.1工艺计算104.1.1物料衡算104.1.2.能量衡算114.2.设备计算及选型134.2.1.流化床选择134.2.2.等离子机164.3.电阻丝174.3.1电阻丝加热高度的计算174.4.控温器的选择174.5.保温材料的选择184.5.1保温层厚度的计算185.车间平面布置205.1车间布置设计原则205.2布置形式206.非工艺专业设计216.1厂房建筑216.1.1地基选择216.1.2墙体的选择216.2厂房的建筑结构216.3变配电及电气设计216.3.1变配电选择226.3.2电气设计226.4给排水设计237.技术经济分析247.1总论247.2市场分析与预测247.2.1与国内外同类产品或技术的竞争分析257.3原材料与动力供应257.4建厂条件和厂址选择257.5工程项目设计2639 7.6环境保护与“三废”治理267.7生产规模和产品方案267.8生产机构、人员配备和劳动培训277.9投资估算与资金筹措277.10生产成本预算288.结论与展望305.1.结论305.2.展望309.参考文献3110.致谢与体会3311.附录348.1.主要符号表348.2.主要工艺设备一览表3439 391.绪论1.1生物质能生物质是有机物中除矿物燃料外的所有来源于动植物而能够再生的物质[1]，它是自然界中有生命的可以生长的各种有机物质，包括动植物和微生物。可再生资源，最常见的有农业加工剩余物、林业加工剩余物、水生生物和城市有机垃圾等[2]。生物质本身具有一定的能量，2吨生物质能的热值约相当1吨标煤[3]的热值，并可转化成不同形式的能。生物质中可以被人们当作能源加以利用的部分称为生物质能。它是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮存在生物质内的能源，是未来可持续发展型能源结构的基础”[4]。生物质能分布十分广泛，远比石油丰富，可以不断再生。生物质能是地球上最普通的一种可再生能源，它遍布于世界陆地和水域的千万种植物之中，犹如一个巨大的太阳能化工厂，不断地把太阳能转化为化学能，并以有机物的形式贮存于植物内部，从而构成一种贮量极其丰富的可再生能源一生物质能源。地球每年由光合作用产生的生物质约有120亿吨，其所含能量为目前世界能源消费总量的5倍。而生物质能仅仅作为能源来利用还不到其总量的l％，但给人们提供的能量却占世界总能耗的14％[5]。从生物质能资源中提取或转化得到的能源载体更具有市场竞争力：一方面，改进传统的利用方式，提高生物质能的利用率，节约现有的生物质能资源。另一方面，研究开发出新的生物质利用技术，在各种生物质能利用的新技术中，发展生物质能高品位能源转化技术和产品更具有潜在市场[6-7]。因此，无论从解决我国能源短缺问题，还是从生态和环境保护出发，对生物质能转化和利用的研究都是一项迫在眉睫的大课题例。生物质是唯一可以转化为液体燃料的可再生资源[8]。从化学的角度上看，生物质的组成是C、H、O的化合物，大体与常规的矿物能源如石油、煤等是同类，（煤和石油都是生物质经过长期转换而来的），所以它的特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似性，可以充分利用已经发展起来的常规能源技术开发利用生物质能，这也是开发利用生物质能的优势之一。将生物质转化为液体燃料不仅能够弥补化石能源的缺乏，而且有助于保护生态环境。即使生物质能在深加工开发利用中存在一定的难度，比如成本问题，但是作为能源战略考虑而进行的技术开发、实验研究和小规模试产是目前的热点问题。在战略上说，开发生物质能具有高度的战略意义。39 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它仅次于煤炭、石油和天然气，位居世界第四大能源，在整个能源系统中占有重要地位。生物质能将成为可持续能源系统的重要组成部分，到21世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40％以上。我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用以生物质能为代表的可再生清洁能源，对实现国民经济可持续发展和环境保护具有重要意义。发展生物质经济可以根除有机污染。将作物秸秆、畜禽粪便、林产废弃物、有机垃圾等农林废弃物和环境污染物为原料，使之无害化和资源化，将植物蓄存的光能与生物质资源深度开发和循环利用，发展生物质经济可以减轻化肥污染[8]。用生物质肥料和饲料逐步替代化学肥料和粮食饲料，是减轻化肥污染、减轻粮食生产对环境压力的根本途径。我国有九亿多人口生活在农村，占农村居民生活用能的70％的生物质能是在普通炉灶上直接燃烧，生物质资源利用永平低，严重阻碍了农村经济和社会的发展。自1997年开始，国家在能源工业中采取了许多重大决策，使农村能源由当地能源和自然资源为主的状况逐步向商品能源的方向转变，生物质热裂解制取生物油技术对于开辟新能源领域，促进当地经济发展，加快我国农村经济建设，维护社会稳定和社会可持续发展有重意义。此外，开发利用生物质能对我国农村经济具有特殊的意义。生物质能技术的发展，为广大农村地区提供生活和生产能源，可以帮助农村地区脱贫致富，实现小康生活的目标，构建社会主义和谐社会。1.2松木资源概况及其理化性质1.2.1资源概况我国松木资源丰富，松木的种类、面积、蓄积量和年采伐量均居世界前茅。据统计，松木是我国蓄积量最大、分布区域最广、人工林面积最多的一个针叶树种[9]。南方以马尾松、湿地松、油松和南亚松为主，北方则主要是落叶松、樟子松、红松和白松。在南方的15个省区内，松木蓄积量占森林总蓄积量的50%。目前，我国可采伐松木面积为1284.6万hm2，全国年产木材量较大，效益相当可观。1.2.2理化性质新鲜松木木材的含水率[10]一般在60%以上，最高可达120%，平均为70%～80%。绝干的松木密度一般为0.64-~0.95g/cm3。松木木材是天然高分子聚合物[11]，主要由纤维素、木质素和半纤维素构成。应当指出的是：和其他植物基生物材料类似，纤维素、木质素和半纤维素在松木中的分布并不均一，各种组分的含量都与取样部位、松种、松龄、产地等因素密切相关。研究表明，松木木材的基本元素组成以C、H、O为主。松木屑的成份分析如表1-1和表1-2所示。表1-1松木屑的工业成份分析[12]样品名水分%挥发分%灰分%固定碳%松木86752039 表1-2松木屑的干基成份分析[13]样品名抽出物%木质素%纤维素%半纤维素%松木18.25820.52448.04813.1701.2.3木材的传热特征木材颗粒在加热过程中，流动性较差，容易粘结成团，而且其传热系数低。一般设计要求热裂解具有极高的加热速率，才能获得良好的传热效果。对于加热传热系数低的原料，加热方式要求较高。针对生物质没有较好的传热特征，所以本设计在相关研究基础上，对生物质热裂解过程的加热方式进行有针对性的设计。1.3加热方式的介绍常规的加热方式有：电加热，微波加热，红外线加热，感应加热，等离子加热等，各种加热方式有不同的优缺点。1.3.1电加热电加热是最常见的一种加热方式。一般是指电阻炉加热，这类电阻炉所用的电热元件，大部分为金属丝绕制成螺旋状(或带状)电热体。电热体主要是布置在炉内四壁和炉底，也有配置在炉顶上的。螺旋状电热丝多是嵌在耐热绝缘的炉壁上的凹槽内，只有不到一半的传热面直接面向被加热的物体，也就是说有一半以上的功率用来加热炉壁，借高温的炉壁来辐射热能[14]。电阻炉加热的优点是能源供应方便，结构紧凑，控温简单，便于安装维护，无污染。它的缺点是加热速率小。1.3.2微波加热微波加热[15]是通过被加热体内部偶极分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使被加热物料温度升高，不需任何热传导过程，就能使物料内外部同时加热、升温，加热速度快且均匀，仅需传统加热方式的几分之一或几十分之一就可达到加热的目的。微波加热的优点是不需对炉体加热，没有额外热量消耗，可最大限度地提高能源利用率，而且加热速度高。但是它加热的适用场所有一定的局限性。1.3.3红外线加热红外线加热[16]是利用电磁辐射热传递原理，以直接方式传热而达到给物体加热的目的。39 红外线加热是否有效，主要取决于被加热物体的吸收程度，吸收率越高，红外线辐射效果就越好。而吸收率取决於被加热物质的类别、表面状态、红外线辐射源的波长等。物质反射的辐射能量与入射能量的比值叫反射率，不同材料和不同表面状况的反射率各不相同。物质透过的辐射能量与入射能量的比值叫穿透率，穿透率随材料的性质及厚度不同而变化。不同材料的有效穿透范围也不一样。通常把非透明材料的穿透率看作零。一般金属晶体十分緻密，透过表面的电磁辐射能在很短的距离内迅速衰减，因此热辐射对金属的穿透深度在微米数量级上。红外加热有强穿透力，不需要热传介质传递就可以使加热物体内外同时加热，热效率高从而节省能源。同时它的加热过程干净，安全，容易操作。和微波加热一样，红外加热的适用场所有一定的局限性。1.3.4感应加热感应加热[17]是根据涡流的热效应加热原理，交变电磁场对于其中的金属内部的自由电子施加洛仑兹力或感生电场力，自由电子在力的作用下高速旋转形成涡流，从而产生焦耳热而达到加热目的。与传统的加热方法相比，感应加热具有诸多优点：加热温度高，而且是非接触式加热；加热效率高，节能；加热速度快，被加热物的表面氧化少；温度容易控制：可以局部加热，容易实现自动控制；加热均匀。但是感应加热对非金属物体的加热有很大的局限。1.3.5等离子加热等离子加热[18]是利用工作气体（如氩气、氮气等惰性气体）电离形成等离子体的高温和等离子体中自由电子与正离子复合时释放的能量进行的加热。等离子加热需要在惰性气体的环境才能进行，合适对惰性气体进行加热，也可以通过先加热气体而把热量传递给需加热的物体。它的优点是可以瞬间使惰性气体达到几千甚至几万摄氏度，对生物质有极强的热穿透力，可以活得较高的传热速率。它的缺点是必须在有惰性气体环境下才能实现，有很大的局限性。1.4已用于生物质热裂解的加热方式常用的生物质热裂解的加热方式生物质在隔绝氧气和450～500℃温度条件下，快速热解获得生物油的工艺要求高效的加热速率。目前，一些主要的热裂解装置使用的热能供给方式见表1-3。表1-3国外快速热解反应技术状况开发单位反应器类型生产能力/kg·h-1加热方式UFW(Spain)流化床200丙烷燃烧，热循环气BTG(Netherlands)旋转锥反应器50反应器壁加热Ensyn(Canada)循环流化床40炭气化后的热量加热Dynamotive(Canada)循环流化床1500热解生物质产品燃烧RTI(Canad)流化床20反应器壁加热NREL(USA)涡流烧蚀20反应器壁加热CRES(Greece)循环流化床10炭化热量对砂子加热39 Uni.OfAstion(UK)烧蚀盘5反应器壁加热BFH/IWC(GERmany)流化床5热砂加热以上的加热方式多数为电热体直接加热，也是较为成熟的热能供给方式。1999年，山东工程学院成功开发了等离子体快速加热生物质热解技术，并首次在国内利用实验室设备热解玉米秸粉制出了生物油。等离子体具有对生物质极强的热穿透力，可以活得较高的传热速率，经众多的中试实验表明该加热方式是可行的。在加热系统内，常常使用砂子为载热体，以克服生物质传热系数低的缺点，保证生物质颗粒迅速获得外界热量。由于砂子的热容是相同体积气体的103倍，当它与粉碎为细分的生物质颗粒直接接触时，可实现很高的传热速率(103℃/s以上)和极短的反应停留时间。同时，携有1%～2%焦炭的砂子颗粒流入另一个流化床中通过空气燃烧将焦炭除去，燃烧所产生的热量则可由砂子重新进入反应器与生物质混合时，提供给强吸热的裂解反应。1.5本设计的选题背景和主要内容1.5.1课题选题背景结合我国石油短缺，能源消耗大，可再生资源少的国情，从而作为一种可再生能源，生物质快速裂解为生物油成为了一种提供新能源的方式，开发生物质快速裂解成生物油的技术意义非凡。加热系统作为整个生物质快速裂解成生物油工艺的一部分，它的优劣直接影响生物油的质量和能耗，还会影响环境。目前，已用于生产的生物质快速裂解供能系统大多停留在常规的加热系统，还存在能耗大，加热速度慢等缺点。本文《生物质流化床热裂解加热系统设计》，其目的就是设计出一套优质的加热系统，给生物质快速热裂解营造低能耗，清洁的加热环境，为促进生物质快速裂解技术的发展提供支持。1.5.2主要研究内容（1）依据国内外生物质快速裂解加热方式的现状，进行分析和总结，确定本课题的设计方案。（2）进行物料能量衡算（3）结合实际的生产需要，选择合适的设备。（4）对生产车间进行合理的布置（5）进行经济预算分析，计算成本回收和预测未来发展。1.6本章小结本章的主要内容是介绍生物质能的特点，介绍生物质快速热裂解制取生物油的加热方式状况以及一些特别的加热途径，并提出本课题的选题背景及其主要研究内容。39 39 1.生物质热裂解热能供给方案确定2.1热量传递过程生物质热裂解是指在隔绝空气或者通入少量空气的条件下，利用热能切断生物质大分子的化学键，使之转化为低分子物质的过程。生物质加热进行热裂解时，热量首先传递到生物质颗粒表面，并由表面传递到颗粒的内部。热解过程由外向内逐层进行，生物质颗粒被加热成分迅速分解成木炭和挥发分。生物质热裂解过程如图2-1所示。图2-1生物质热裂解过程示意图脱水阶段(室温～100℃)在这一阶段生物质只是发生物理变化，依赖外部的热能供给使生物质失去水分；热解阶段(100～380℃)在这一阶段生物质在缺氧的条件下受热分解，并随着温度的不断升高，各种挥发组分相应析出，原料发生大部分的质量损失；炭化阶段(>400℃)在这一阶段发生的分解反应非常慢，产生的质量损失比第二阶段小得多。该阶段，C—C键和C—H键的进一步裂解需要大量的热量。2.2生物质热裂解热能供给速率生物质热裂解加热速率相对于传统裂解，生物质快速热裂解采用超高加热速率(102～104K/s)。本设计采用的加热方式，要求达到10500℃／s的加热速率。2.3加热系统的确定鉴于前面所述的几种加热方式的优缺点，结合生物质快速裂解所要求的无氧环境和快速升温要求，总结已使用的生物质热裂解加热方式状况，本设计确定以等离子为主要加热源和电阻丝辅助加热源组成的加热系统。该加热系统的等离子是等离子机对气体进行电离得到的能够由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物。39 在实际的热等离子体发生装置中，阴极和阳极间的电弧放电作用使得流入的工作气体发生电离，输出的等离子体呈喷射状，调节电流可得到900～1900℃的N2气流，加热速率从1000～10000℃／s连续可调。高温的N2气流从反应管底部通入，不但提供了热解需要的热量，而且N2又可作为流化气体，因此无须对流化气体进行预热，简化了结构。热电阻丝作为辅助热源在反应器外螺旋状缠绕供热，通过温控仪的通断控制保持反应区恒温。39 1.热能供给系统的基本构成3.1生物质热裂解工艺流程根据生物质热裂解制取生物油的原理，参考国内外一些不同类型的生物质热裂解制取生物油的工艺流程，确定了以流化床反应器为主体的生物质热裂解制取生物油工艺流程。本设计的热能供给系统的核心部分就是流化床的热能供给系统，其流程图如下：图3–1生物质闪速热裂解系统1-氮气储罐；2，5，11，16，19，29-压力表；3，6，9，22，25，26-阀门，10,15,27-玻璃温度计；4-气体缓冲罐；7-螺旋进料器；12,24-转子流量计；13-流化床反应器；14-控温仪；17-集炭器；18-气固分离器；20-金属管冷凝器；21-生物油收集器；23-过滤器。3.2加热系统的基本构成加热系统在整个装置中看似简单，但因为流化床反应器是生物质快速热裂解装置的关键设备，而加热系统集成在流化床反应器上，它的技术含量很高，可以说没有高性能的加热系统就无法获得生物油。通常其基本构成有四个部分：等离子加热部分、电阻丝加热部分、保温部分、控温部分。其简单结构图如下图3-2：39 图3-2等离子体加热流化床反应器结构示意图3.2.1等离子体加热部分该部分由惰性气体供应和等离子机组成。而惰性气体供应由氮气储罐和气体缓冲罐组成，氮气储罐和缓冲罐的容积大小则是自行设计并由制造商生产。等离子机包括等离子主机和等离子枪。氮气经过等离子主机的电离成为高温的等离子气体，从等离子枪喷出。作为流化气体的等离子氮气，可以直接与硫化床内的木屑接触，进行加热。3.2.2电阻丝加热部分该部分的组成是电阻丝，它均匀地绕在流化床反应器反应区段的外壁上。作为辅助加热源，电阻丝加热能保持反应区内的温度，让反应器内加热均匀，而且在一定程度上可以补充流化床反应器的热损失。3.2.3保温部分该部分是由保温材料制成的两个半圆柱壁膜，两个半圆柱壁膜边缘装有组合扣子，扣上扣子后两个壁膜就形成一个完整的圆柱筒，圆柱筒的内径就是加上电阻丝后整个反应器的外径。装上保温膜后，保温膜完全围住反应器。3.2.4控温部分该部分由感应热电偶、温度显示仪表、40段程序温度控制器、玻璃温度计组成。39 39 1.工艺计算及主要设备计算与选型4.1工艺计算设计的基础数据：单台流化床年处理松木屑800吨，设计年工作天数为300天，每天24个小时，计算得单位时间处理量。产品方案：生物油产率为55%，年产量主要原材料来自木材加工企业，要求木屑干基含水率小于10%，粉碎细度80目。4.1.1物料衡算物料衡算范围：松木屑氮气不可冷凝气可冷凝气硫化床反应器氮气图4–1反应工段物料衡算示意图生物质在流化床反应器中所发生的化学反应[19]如下：生物质热裂解反应：即是指固体燃料在初始加热阶段的脱挥发分或者热分解，反应从100℃左右开始，在几秒内完成，高温热裂解条件下时间甚至更短[20]。在500℃～600℃39 内热裂解反应最为剧烈，裂解出生物油、生物质和CO、CO2、CH4、H2等气体[19]。其化学反应方程式如下：氧化反应：主要是流化气体中少量的氧和生物质中的碳发生的反应，并放出热量供给干燥、热裂解和还原反应[21]。其化学反应式如下：；还原反应：在没有或者贫氧的条件下，在氧化反应中生成的CO2与碳和水蒸气发生还原反应，并吸收一部分热量。其化学反应式如下：；；反应工段物料衡算计算，经计算得：木屑的输入量：流化气体：氮气的输出量：12.51kg/h可凝气体的输出量为111.1×55%=61.11kg/h生物质炭的输出量为111.1×25%=27.78kg/h由于不可凝气体的组成难以确定，在计算不可凝气体输出量时可按含量最高的组分估算，而不可凝气体中CO2的含量最高。因此，不可凝气体的输出量为111.1×20%=22.22kg/h。反应工段物料平衡表，如表3–5所示。表4-1反应工段物料平衡表输入物料量/kg·h-1输出物料量/kg·h-1竹粉木粉111.1流化气体：氮气12.5112.51可凝气体61.10不可凝气体22.22生物质炭27.78总计123.61123.614.1.2.能量衡算根据能量守恒定律可知，木屑从常温加热到裂解时所需热能等于等离子气体加热提供的热能与电阻丝加热提供的热能之和减去所损失的热能。木屑从常温加热到裂解所需热能为Q，根据升温热量计算公式[22]：式中——松木屑的质量流量，——常温下松木屑的比热容，39 ——常温下松木屑的温度，——裂解反应的温度，取常温温度为25℃，裂解反应温度为500℃，代入数据计算：等离子带进热量为Qs：等离子机的工作功率为28kwKw，等离子带入热量式中—为等离子气体带入的热量，—为等离子机的工作功率，—热能转换系数，0.915代入数据计算：加热电阻丝带入的热量为Q，电阻丝加热功率为15kw，以0℃为衡算基准。加热电阻丝带入的热量为：式中—电阻丝带入的热量，—电阻丝的加热功率，—有效传热系数，0.896带入数据计算：系统总供应热能为Q总：加热系统损失的热量为：表4-2反应器能量平衡表项目供给能量/kW消耗能量/kW等离子供应热量25.62电阻丝供应热量13.44设备损失热量2.27过程吸热36.79总计39.0639.0639 4.2.设备计算及选型如上所述，加热系统集成在流化床反应器上的，所以在进行加热系统计算时必需同时考虑其相关设备。4.2.1.流化床选择流化床反应器是热裂解装置中最重要的部件。生物质快速或闪速热裂解工艺能最大化生物油的产量，在满足生物质较细颗粒直径和气相产物较高冷却速率的条件下，生物质如何运动通过反应器以及如何将导热性很差的生物质迅速的加热至反应温度和将气相产物快速析出，是选择和设计反应器的关键问题。理论上计算得到的生物质裂解气化的热量需求量，合理的流化床反应器结构参数是影响热能强度和密度的一个关键因素。由于流化床能实现高的加热速率、较短的气相停留时间、温度控制方便简捷、炭回收方便、投资低而且设计方法较为成熟，是目前最有发展潜力的热裂解制取生物油的反应器之一。因此本研究选择流化床作为生物质热裂解制取生物油的反应器。流化床通常由一圆形管和安装在其下端的布风室组成。在床中装有1.5kg[37]的床料(石英砂)，具有一定流速的流化气由床底布风室通入，通过布风板及固定层向上流动，使床料流态化4.2.1.1流化床反应器设计的基本参数及要求流化介质：石英砂；石英砂颗粒密度：，堆积密度，砂粒平均直径；根据以往研究者的成功经验，选定反应温度：500℃；反应压力(整个流化过程)：1atmbar；反应器的生物质加工能力：110kg/h(设计计算中留有一定的设计裕度，此时加工能力为111.1kg/h)，木粉的平均直径(80目)，干木粉的容重；气相停留时间<1s。流化床类型：根据实验的性质和相关数据，选择柱行床；又根据流体与固体两相流动的特征性，我们选定鼓泡床。4.2.1.2.2工艺设计基础物性数据：选择氮气为气体流化气体，根据文献《化工原理》[23]查得：在100kPa,500℃下氮气的粘度，氮气的密度，常温常压下氮气的密度，根据计算近似求得500℃下，二氧化碳的密度与加热系统相关的流化床关键数据的确定：一般来说，进气管的最大进气速度U选取10m/s，流量的最大值V取10m3／h，进气温度为常温，则。氮气进气的体积流量：ms=1.251×10=12.51kg/h计算确定的进气管的直径：39 式中：U－进气管的最大气速，m/s；Vs－空气的体积流量，m3/h；A－进气管的截面积，m2，则D1=0.019mm本设计的进气管直径为19mm。根据Geldart提出的颗粒通用分类方法可知：本系统的石英砂属于B类颗粒。临界流态化速度Umf可由Leva关联式当，其中；:经检验Remf=0.187<10，计算合理。终端吹出速度Ut：石英砂颗粒属于非球形颗粒的物系。当2000