第24卷第1期佳木斯大學學報(自然科學版)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(zhuǎn)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)大學黑龍江哈爾濱15000;2佳木斯大學黑龍江佳木斯154007)摘要:近年來科技界對生物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化生物燃油技術進行了大量的研究,并且取得了很大的成就,本文就該技術中的關鍵設備錐式熱解液化反應器的動力學問題進行了詳細的分析,建立了力學模型,并且得出熱載體和生物質(zhì)混合顆粒的運動方程,利用該結(jié)論可以進一步對旋轉(zhuǎn)錐體進行優(yōu)化設計關鍵詞:生物質(zhì);錐式熱解液化反應器;動力學;模型中圖分類號:X941文獻標識碼:A0引言各種工業(yè)燃油鍋爐的燃料,也可通過對現(xiàn)有內(nèi)燃機供油系統(tǒng)進行簡單改裝,直接作為各種內(nèi)燃機、引能源短缺是當前中國所面臨的重大問題,近擎的燃料,并且不含硫,不會造成酸雨,其它排放物年來生物質(zhì)利用技術有了很大突破,一些新技術已均在可接受的范圍內(nèi)來生產(chǎn)運載工具用柴油對生能夠?qū)⑸镔|(zhì)經(jīng)濟快速地轉(zhuǎn)化成生物燃油(一種新物原油進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),如各分別稱為生物汽油和生物柴油,可同石化汽油和柴種廢棄農(nóng)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、拖拉機和各種內(nèi)燃機和動力有機垃圾等)為原料,在特定的熱裂解工藝條件下,機械,是物美廉價的石化柴油、汽油的替代品經(jīng)快速分離、轉(zhuǎn)化所獲得的新型、綠色可再生的生現(xiàn)在,英國、荷蘭和加拿大等幾個國家已經(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,加拿大已開始向商業(yè)化的方向邁進(產(chǎn)油當今國際能源與環(huán)保領域的重大課題25噸/日),荷蘭完成的中試設備能力為200kg/h廢1國內(nèi)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,英國則在研制生物燃油發(fā)動機、燃氣發(fā)電90年代中期開始到現(xiàn)在,國外已經(jīng)有少量的機方面遙遙領先研究表明生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化生物燃油技2關鍵設備錐式熱解液化反應器的術方面取得突破.國內(nèi)的一些高校和科研院所也已設計研究問題開始研制用廢棄物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化生物燃油的工藝與設備如,山東理工大學易唯明教授領導的生物質(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)大學王述洋院長組建的研發(fā)階段,尚未形成高轉(zhuǎn)化率的規(guī)?；a(chǎn)受設備裝團隊,浙江大學朱清石校長領導的研發(fā)團隊等都在置的限制,尤其是錐式反應器,它的內(nèi)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,角、內(nèi)部結(jié)構、尺寸參數(shù)、角速度等眾多設計參數(shù)都并且均已取得了技術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進國際先進農(nóng)業(yè)技術項目(輸號作者介:奎選澤(332龍江結(jié)杰頂人北業(yè)夫?qū)W機餐查形奇被工程學院教投,第1期朱聰玲,等:生物質(zhì)裂解旋轉(zhuǎn)錐式熱解液化反應器的設計研究大生產(chǎn)的關鍵如果用實際實驗裝置或設備優(yōu)化這運動的動力學微分方程,對深入研究錐體的結(jié)構尺些參數(shù),又實驗量太大、造價太高,經(jīng)濟上難以承寸設計和優(yōu)化結(jié)構尺寸參數(shù)能夠起到關鍵的作受即使經(jīng)濟上可行,其實驗測試也常常無法實現(xiàn),用4因為在高溫和高速的情況下,普通測試儀器無法進行測試.為解決這一技術性問題,采取仿真實驗3.2動力學方程的建立來解決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)作為大關鍵難題錐式反應器的結(jié)構尺寸參數(shù)內(nèi)部涂層、地坐標坐標原點O建立在旋轉(zhuǎn)錐體圓形錐底的旋轉(zhuǎn)的角速度以及物料的顆粒大小和其他的參數(shù)圓心上,Z0與錐體軸線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(shù)的優(yōu)化,坐標系(Oxy)隨錐體旋轉(zhuǎn)運動,(A)是該坐標通過真實實驗是無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)點建立其空術才能夠?qū)崿F(xiàn)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用于推導計通過對轉(zhuǎn)錐式快速裂解液化反應器的仿真研算,其關系表達式如下究,能夠方便的獲得該機構在整個旋轉(zhuǎn)運動過程中的運動學和動力學性能,以及各種受力情況,結(jié)合歷遍計算機優(yōu)化方法,可以對各種結(jié)構參數(shù)的變化cosei sin aj進行虛擬仿真,其結(jié)果形象和直觀,便于理解和優(yōu)ea = sindi cosB化可以較好的解決轉(zhuǎn)錐式快速裂解液化反應器的3.22建立模型建模、控制錐內(nèi)熱載體的運動,控制生物質(zhì)在錐內(nèi)該機構由喉管原理的氣力裝置和旋風分離器的滯留時間,也可以為再次開發(fā)較大型的快速裂解的作用下進行熱載體的循環(huán),錐式熱解液化反應器反應器提供較好的設計手段,以便進行擴大再生即是主反應器,該反應器有內(nèi)外錐體,進料系統(tǒng),分產(chǎn)1以往的仿真試驗表明利用該技術開發(fā)的產(chǎn)離器接口保溫裝置動力輸入軸等組成對該機構品形象直觀結(jié)構合理精度較高,可以節(jié)約大量進行適當?shù)暮喕宰プ≈饕苓M行設計計算,的真實試驗研究費用,并且可以縮短設計周期,降所建立的簡化模型如圖1所示低產(chǎn)品的開發(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力學問題3.1錐式熱解液化反應器結(jié)構尺寸參數(shù)設計與動力學關系錐體的各種設計參數(shù)與轉(zhuǎn)錐內(nèi)的熱載體的動圖1旋轉(zhuǎn)錐體模型圖力學問題密切相關,適當控制熱載體在轉(zhuǎn)錐內(nèi)的運3.23動力學微分方程的建立動時間,即可以防止生物質(zhì)過熱碳化,又可以增加中國煤化衛(wèi)圖2,圖中其他細實氣體的生成比例,是錐式熱解液化反應器設計的難線CNMHG作用線其中重力G點和關鍵技術,如何得到轉(zhuǎn)錐內(nèi)熱載體相對于錐體=mgm取體料生切組成的混合顆粒),摩的運動規(guī)律就成為當前的一個必須解決的問題利擦力F=N,N為正壓力顆粒的牽連慣性力為用動力學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由該機構的整體動能和48佳木斯大學學報(自然科學版)2006年功等動力學分析可以得到下列關系式β-摩擦力和水平面的夾角4結(jié)論分析1)N的數(shù)值與F有較大關系,這個數(shù)值由轉(zhuǎn)錐的p和a決定,其數(shù)值越大錐體的正壓力越大,粒子獲得的能量越多,運動的越快2)由Z坐標的有關動力學運動微分方程,通過數(shù)值分析和計算得到粒子在旋轉(zhuǎn)錐體內(nèi)的運動F時間,對該數(shù)值加以限制,獲得熱載體在錐體內(nèi)的最佳運動時間控制的條件,如錐體的角度選擇,內(nèi)部涂層材料的選擇,錐體的高度數(shù)值等關鍵結(jié)構參數(shù)3)對上述動力學方程進一步求解,可以得到圖2熱載體真實受力分析粒子在錐體內(nèi)的運動軌跡F.=-mamw(xi yj)4)對所建立的簡化模型和粒子運動微分方程F.=20xv進行計算機仿真,可以模擬實驗,進行計算機輔助號m(F+號m(+mG)-號m(mP+設計,得到轉(zhuǎn)錐的物理樣機并進行仿真結(jié)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].林業(yè)勞動安全,2001,14(3):15-17v=(p)2+(0)2+(z)2[2]李濱,王述洋,譚文英轉(zhuǎn)錐式閃速熱解反應器結(jié)構的安全性Sina NsinB-mg = mz設計理論研究[J].林業(yè)勞動安全,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(shù)的意義如下[4]曾忠生物質(zhì)熱解液化實驗研究[J].應用科學學報,200,20顆粒初始相對錐體壁運動的相對速度(2):215-217a-錐體壁和垂直方向的夾角[5]鄭建榮 ADAMS虛擬樣機技術入門與提[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