理論與實(shí)踐: 木屑熱解揮發(fā)物冷凝特性及實(shí)驗(yàn)研究
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作者：鄭曉敏
木屑是木材生產(chǎn)、林業(yè)加工中產(chǎn)生的剩余物，是重要的生物質(zhì)資源。實(shí)際生產(chǎn)中主要用于生物質(zhì)顆粒燃料、填充物、加工成夾板等。近年來木屑在生物質(zhì)熱解工藝中得以應(yīng)用和發(fā)展。
控制裂解的反應(yīng)溫度和升溫速率等條件，生物質(zhì)熱裂解能夠得到氣液固3種不同產(chǎn)品。近年來，國外學(xué)者對(duì)木屑和其他農(nóng)業(yè)廢棄物熱裂解的各種產(chǎn)物特性進(jìn)行了相關(guān)研究。其中，中溫?zé)峤猱a(chǎn)出的生物油是一種黑褐色黏稠液體，其成分非常復(fù)雜，可以分析出的成分有100多種。熱解產(chǎn)生的氣體含有CO，CO2，H2，CH4及飽和或不飽和烴類化合物等不可凝氣體。
國內(nèi)外研究人員開展了不可凝空氣、N2對(duì)水蒸氣冷凝特性產(chǎn)生影響的相關(guān)研究。研究表明，當(dāng)冷蓬純蒸汽時(shí)，主要的熱阻來自于冷凝液膜，而當(dāng)冷凄組分含不可凝氣體時(shí)，不可凝氣體在液薹酣近形成了熱阻，尤其在垂直管的上部。此外，國外研究人員進(jìn)行了含不可凝氣體的蒸汽冷凝理論研究．基于Nusselt液膜理論提出了相應(yīng)的理論模型和經(jīng)驗(yàn)公式。
由于木屑熱解揮發(fā)物包括可凝的生物油揮發(fā)分和不可凝的氣體，在連續(xù)熱解裝置冷卻分離生物油時(shí)需考慮不鼉氣對(duì)冷凝的影響。國內(nèi)外對(duì)熱解揮發(fā)物中不凝氣對(duì)冷凝的影響研究較少，本文通過對(duì)在木屑不同熱解溫度產(chǎn)生的揮發(fā)物的冷凝特性進(jìn)行測(cè)試，并展開相關(guān)研究，為連續(xù)熱解裝備中生物油冷凝器的設(shè)計(jì)提供參考。
1材料與方法
1.1實(shí)驗(yàn)原料
生物質(zhì)木屑原料采自廣州某木材廠，對(duì)木屑原料進(jìn)行粉碎和過20目篩，工業(yè)分析及熱值如表
1所示。
1.2冷凝特性測(cè)試裝置
熱解揮發(fā)物冷凝特性測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，主要由連續(xù)熱解部分、測(cè)試管及數(shù)據(jù)記錄部分、冷卻水部分和冷凝液處理及排氣部分組成，其中，連續(xù)熱解反應(yīng)發(fā)生裝置為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)能實(shí)驗(yàn)室自行研制的變螺距連續(xù)熱解裝置。木屑原料通過連續(xù)熱解裝置熱解后，產(chǎn)生的揮發(fā)物進(jìn)入冷凝測(cè)試管冷凝，并排出不可凝氣體。
冷凝測(cè)試管包括內(nèi)管測(cè)試部分、外管水套部分和溫度傳感器分布測(cè)試與數(shù)據(jù)采集部分。測(cè)試內(nèi)管和外管的尺寸如圖2所示，內(nèi)管長度為2.00m，外管長度為1.80 m，內(nèi)管材質(zhì)為304不銹鋼，外管材質(zhì)為201不銹鋼，圖中1為pt100熱電阻，2為K型熱電偶。
傳感器用于測(cè)定內(nèi)管揮發(fā)物溫度、水溫和內(nèi)管外壁溫度。Pt100熱電阻有兩種規(guī)格，一種為長度0.02 m，外徑0.003 m,用于測(cè)量內(nèi)管揮發(fā)物溫度，另一種為長度0.03 m,外徑0.004 m,用于測(cè)量水溫；點(diǎn)狀K型熱電偶用于測(cè)量內(nèi)管外壁溫度，Pt100和K型傳感器的精度為+-0.1 0C。pt100傳感器均通過螺紋連接垂直固定于內(nèi)管和外管的壁面上，K型傳感器焊接在內(nèi)管外壁上。以外管最高點(diǎn)為原點(diǎn)，垂直向下為x軸正方向，3種不同規(guī)格傳感器均安裝在x軸正向6個(gè)點(diǎn)，距原點(diǎn)距離為0.08, 0.38, 0.72, 1.06, 1.40, 1.76 m。
2實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
2.1熱解三態(tài)產(chǎn)率
在冷凝測(cè)試裝置上對(duì)木屑進(jìn)行熱解溫度為400，500℃和600℃冷凝測(cè)試實(shí)驗(yàn)，木屑原料的處著熱解溫度的升高，炭產(chǎn)率減少，不凝氣產(chǎn)率升高，生物油產(chǎn)率先升后降，600℃時(shí)的熱解產(chǎn)率最低。揮發(fā)物中的不凝氣含量隨著熱解溫度的升高而升高。
2.2測(cè)試溫度值
對(duì)內(nèi)管揮發(fā)物溫度、冷卻水溫度和內(nèi)管外壁溫度測(cè)試的結(jié)果如圖3所示，3種溫度值整體呈下降趨勢(shì)，在相同軸向距離的溫度隨著木屑熱解溫度的升高而升高；內(nèi)管揮發(fā)物溫度和冷卻水溫度在軸向0.08~0.76 m的差值較大，其他段差值較小二內(nèi)管外壁溫室在軸向0.72~1.6 m的差值較大。
2.3換熱系數(shù)計(jì)算及結(jié)果
木屑熱解揮發(fā)物冷凝局部表面換熱系數(shù)由局部熱流密度求出，局部熱流密度通過冷卻水側(cè)溫度和流量的熱流量得出[i8]，局部熱流密度計(jì)算公式為
式中：mcw為冷凝水質(zhì)量流量，117 kg/h；Cp為比定壓熱容．J／（kg．K）；Tcw為軸向位置x測(cè)得的水溫，0C；di為測(cè)試管內(nèi)徑，m。
局部表面換熱系數(shù)為
式中：Tb為內(nèi)管揮發(fā)物溫度，℃；Tw,i為內(nèi)管內(nèi)壁溫度，℃。
其中，內(nèi)管內(nèi)壁溫度通過K型熱電偶測(cè)得的內(nèi)管外壁溫度求出：
式中：Tw,o為內(nèi)管外壁溫度，℃：do為內(nèi)管外直徑，m; Ksus為304不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m-K)。
表面換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值如圖4所示，同一熱解溫度下的表面換熱系數(shù)隨x軸向距離的增加而減小。400 0C木屑揮發(fā)物在入口處的表面換熱系數(shù)為130 W／(m2．K)，高于500℃揮發(fā)物的116 W/(m2.K)和600℃揮發(fā)物的98 W/(m2.K)。受不凝氣熱阻的影響，在軸向0.38～1.76 m．木屑500℃和600℃的可凝物質(zhì)在冷凝管后半段繼續(xù)冷凝，而400℃揮發(fā)物中可凝部分基本在軸向0.08～0.38 n，冷凝為液體，因此在軸向0.38—1.76 m的換熱強(qiáng)度比500℃和600℃時(shí)低10～20W/(m2.K)。
3模型及擬合分析
運(yùn)用Nusselt經(jīng)典液膜理論值分析和衰變因子廠經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�，�?duì)3種熱解溫度的木屑熱解揮發(fā)物冷凝特性進(jìn)行模擬及分析。
Nusselt模型的理論值為
式中：k1為液膜導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m -K)；
為液膜厚度，m;r為汽化潛熱，J/kg；u為液膜動(dòng)力粘度，Pa/s；
為豎直壁面平均溫差，℃。
衰變因子f經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算公式為
采用指數(shù)衰減方程對(duì)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行擬合，得出相應(yīng)的曲線方程，擬合方程為
基于實(shí)驗(yàn)值的指數(shù)衰減曲線方程的擬合系數(shù)及擬合度如表3所示，3個(gè)熱解溫度的擬合度R2大于0.93，其中400℃的擬合度為0.981 636，能較好地模擬木屑熱解揮發(fā)物冷凝特性。
木屑不同熱解溫度揮發(fā)物擬合結(jié)果如圖5所示，Nusselt模型對(duì)于3種不同溫度的熱解揮發(fā)物的模擬值均大于實(shí)驗(yàn)值，誤差大于40%，故不適用于實(shí)驗(yàn)值模擬；f因子模型對(duì)400℃的模擬值均比實(shí)驗(yàn)值大60~80 W／(m2．K)，誤差為50%~200%；對(duì)500℃的模擬值誤差值約為40W/( m2,K)，誤差為30%~40%；對(duì)600 0C的模擬值小于實(shí)驗(yàn)值，誤差值為20～40 W/( m2 .K)，誤差為15%～40%。由此得出Nusselt模型和f因子模型均不適用于木屑不同熱解溫度揮發(fā)物的冷凝特性的模擬�？赡苡捎谶@兩種模型均以水蒸氣為介質(zhì)，而實(shí)際生物質(zhì)熱解揮發(fā)物的成分比水蒸氣復(fù)雜得多。
4結(jié)論
本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，木屑原料熱解揮發(fā)物在同一熱解溫度下的表面換熱系數(shù)隨x軸向距離的增加而減小。在人口段0.08—0.38 m中,400℃生物質(zhì)揮發(fā)物的表面換熱系數(shù)高于500 0C和600℃的實(shí)驗(yàn)值，原因是不同溫度下熱解揮發(fā)物的不凝氣含量增大了人口段表面換熱系數(shù)的熱阻，從而減弱對(duì)流換熱強(qiáng)度；在后半段，由于400 0C生物質(zhì)揮發(fā)物在前半段冷凝量大，同一軸向位置的表面對(duì)流換熱強(qiáng)度隨熱解溫度的升高而升高。
運(yùn)用Nusselt模型，因子模型和指數(shù)衰減曲線對(duì)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行擬合分析的結(jié)果表明，Nusselt模型和廠因子模型均不適用于木屑不同熱解溫度揮發(fā)物的冷凝特性的模擬。基于實(shí)驗(yàn)值的指數(shù)衰減曲線方程能夠模擬木屑熱解揮發(fā)物的冷凝特性，可為連續(xù)熱解裝備中生物油冷凝器的設(shè)計(jì)提供參考。
5摘要：
文章建立了生物質(zhì)熱解揮發(fā)物冷凝特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，開展了木屑在熱解溫度分別為400,500,600 0C下的熱解揮發(fā)物冷凝特性研究。結(jié)果表明，在同一熱解溫度下表面換熱系數(shù)均隨x軸向距離的增加而減小，在入
口段中，400℃生物質(zhì)揮發(fā)物的表面換熱系數(shù)高于500 0C和6000C的實(shí)驗(yàn)值。對(duì)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行模型擬合，Nusselt模型和f因子模型均不適用于木屑不同熱解溫度揮發(fā)物的冷凝特性的模擬。通過指數(shù)衰減曲線方程對(duì)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行擬合，得出的方程能夠較好模擬木屑熱解揮發(fā)物冷凝特性，可為連續(xù)熱解裝備中生物油冷凝器的設(shè)計(jì)提供參考。
