生物质热解液化技术被认为是最具潜力的生物质能开发技术之一,油、气、炭三种热解产物都已被认定具有很高的应用价值或应用潜力。目前,生物质热解的相关研究已经在实验室取得了很好的效果,但是大多数都还局限在微反应器或小试装置上。具有工业化应用前景的流化床热解反应器的开发和完善,目前主要面临两方面的问题。一是生物质颗粒高效和稳定流化的实现。生物质颗粒由于形状不规则、表面毛刺多、含水量高等特点而使其流化特性较石英砂、煤粉等颗粒更为复杂,不能直接借鉴现有流态化成果;而且生物质流化床热解反应器内的气固两相存在着动量、热量和质量的交换,故流动状态和传热传质过程都极其复杂,相关研究尚不完备。另一问题是,对于生物质流化床热解而言,很多工艺参数之间存在耦合关系,从而给流化床热解反应器的精准操作和稳定控制带来很大困难。基于此,本文拟对生物质颗粒流化及热解特性进行研究。即首先建立一个可视化流化床实验平台,并通过数值模拟对其布风系统进行优化;然后在该实验台上探究生物质颗粒流化的主要影响因素,提出相应的改善方案,并模拟生物质流化床热解过程中的颗粒分离过程;最后,在流化床热解耦合分级冷凝中试装置上对生物质流化热解过程中的挥发分析出特性、产物分布与富集规律进行试验研究。本文具体研究如下:1.流化床热解反应器布风系统的数值模拟研究在常见生物质流化气速范围内,利用Fluent软件对流化床热解反应器的布风系统进行了数值模拟。研究发现,送风管道中的气流经扩散管调整进入风室,在整个风室内各部位的静压基本相等,而在风室底部气速呈现出中间高于两侧的不一致现象,只有在临界风室高度以上气速才能均匀分布,并且进口流量越大,临界风室高度也越大。风帽的阻力特性受风帽内部结构和流动介质特性的影响。蘑菇型风帽内部结构较简单,阻力主要为在进出口部位所产生的局部阻力,因此只需调整风帽进出口的尺寸即可控制整个风帽的阻力大小;开孔率和进出口尺寸与风帽的阻力表现为负相关关系;风帽出口孔的排布形式不影响风帽的阻力特性,但对流化床内的流场却有着较大影响。对安装有蘑菇型风帽(8个出风口呈两层错位排布)的四种布风板进行了数值模拟,结果表明:布风板风帽越少、开孔率越低、布风板阻力则越大,且随着流量的增大、阻力增大得越快;布风板的阻力与板上的风帽布置方式无关,从阻力流量关系的角度看,可以认为布风板上的风帽相当于并联关系;但布风板上的风帽排布方式对床内流场有较大影响,在开孔率相同的情况下,三角形排布更有利于流场的均匀分布。通过对流化床布风系统的数值模拟,并经分析研究后确定:布风板安装合适的位置高度Hg应大于0.4m;选取配装37个蘑菇型风帽(8个出风口两层错位排布),帽间三角形排布,开孔率为6.04%的布风板作为生物质热解流化床装置的布风系统。2.生物质颗粒冷态流化特性研究以稻壳和核桃壳为生物质代表,从物料粒径大小及分布、起始床层高度和生物质含水量三个方面对生物质颗粒的流化特性展开进一步研究。结果表明:稻壳和核桃壳的颗粒粒径对其流化特性有着显著影响。A类和D类粒径的稻壳及核桃壳颗粒均不能被流化,前者与颗粒间范德华力有关,后者与床层大气泡有关。B类稻壳颗粒呈现出类似D类颗粒流化特性,而B类核桃壳颗粒的流化行为与A类颗粒类似。对于宽粒径分布物料,去除C类细粉可使其流化质量明显提高;起始床层高度对生物质的最小流化速度影响较小,但对床层稳定性影响较大。稻壳和核桃壳颗粒的临界流化速度与含水量均呈S型变化关系,但二者的含水量上限不同,分别为16.2wt%和26.3wt%。S型曲线上缓慢增长段主要与含水量增加导致的颗粒密度增大有关,而快速增长段主要与颗粒间液桥力导致的颗粒团聚有关。此外,低含水量生物质在流化过程中由于受静电力的作用,而易被吸附在床体壁面上。随后,选用不同粒径的石英砂为助流化粒子,研究了不同掺混比例核桃壳/石英砂二元混合物的流化特性和混合与分离行为。与单组分流化不同,核桃壳/石英砂双组分流化过程中床层颗粒从固定床到流化床的状态转变存在一个过渡区间;核桃壳流化过程中,若选择60～80目石英砂作为助流粒子,则过渡区间最小、流化状态更稳定。此外,随着助流粒子掺混量的增大,二元混合物的过渡区间先减小后增加,流化指数先增加后趋于稳定。气速对核桃壳/石英砂双组分流化过程中的混合分离状态有着很大影响。在流化过渡区间,随着气速的增大,两组分的分离程度逐渐增大;而在完全流化段,进一步增加气速,过渡区间末端处于完全分离的物料又被重新反混。整个混合分离过程主要与气泡的生长、聚并、破裂等行为有关。在流化过程中,混合与分离行为同时存在,相互竞争。当气速确定时,二者则处于动态平衡状态。3.生物质流化床热解过程中颗粒分离特性研究为了模拟不同工况下流化床热解反应器内的颗粒夹带和扬析特性,建立了核桃壳、半焦、炭粉三者之间不同比例的多元混合物料模型,随后在冷态流化床上进行了混合物料夹带扬析的实验。分析实验结果可知,在炭粉和核桃壳的终端速度(ut,i～ut,f)范围内,沿床体轴向床层依次呈现出底部浓密相鼓泡区、中部分离沉降区和顶部稀相气力输送区三种不同的流动形态。依赖于气速的不同,三种流型的区间范围有所差异。在底部鼓泡区域存在气泡顶端和尾涡两种粒子夹带机制。在高气速条件下,颗粒夹带主要受气泡尾涡控制,并且自由空域内更多原本低气速时沉降返回浓相区的粗颗粒将“转化”为可扬析颗粒被带离床体;随着气速的增大,沉降分离高度(TDH)逐渐增大,气速高于临界值后,整个床层进入气力输送状态,TDH不存在;此外,床料中轻质组分越多,TDH增大的则越快;床料扬析率常数K随气体速度增大而增大,但扬析颗粒的纯净度却呈现相反的变化。4.流化床热解耦合分级冷凝试验研究在流化床热解耦合分级冷凝中试装置上对核桃壳进行了流化热解试验研究。在不同热解温度和载气流量下收集炭粉,并对其进行工业分析可知:随着热解温度的升高,炭粉挥发分含量变低、热解气的产率则越高;当温度达到525℃时,核桃壳中的挥发分可被完全析出。此外,降低载气流量也有利于增大热解气的产率。热态工况下,由于挥发分析出而生成的内生气泡,极大地促进了颗粒的扬析,并导致颗粒停留时间不足。对不同载体气速和热解温度条件下核桃壳热解获得的炭粉、热解气和各级生物油的产率及组成分析可知:当热解温度为500℃时,生物油总收率最高,酚类物质和烃类物质分别在二、三级生物油中较好地富集;随着载气流量的增大,热解气的产率先增加后减小,固体产物则呈现相反变化。此外,过高的载气流量会导致热解气中不可冷凝气含量增大,因而一方面使得可冷凝组分的传质阻力增大,另一方面使可冷凝组分分压减小、露点降低,从而导致二级生物油收率下降,三级生物油收率上升。