生物质快速热解下行式流化床反应器研究进展.pdf

化工学报 2023年 第74卷 第6期|,2023,74(6):2249-2263 CIESC Journal生物质快速热解下行式流化床反应器研究进展杨峥豪1，何臻1，常玉龙1，2，3，靳紫恒1，2，江霞1，2（1 四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065；2 四川大学碳中和未来技术学院，四川 成都 610065；3 天府永兴实验室，四川 成都 610213）摘要：在碳中和目标下，未来发展之路是从化石能源的原料体系转变到可再生能源的原料体系。作为化石资源的重要替代品，生物质是唯一能够大规模取代化石资源的可再生碳资源。生物质快速热解技术是实现生物质资源转化为液体燃料的重要途经，其技术核心是反应器。下行式循环流化床反应器具有产物停留时间短、近平推流性能等优点，在生物质快速热解方面具有广阔的应用前景。本文介绍了流化床反应器的特点及其中试和示范/商业级装置的研究现状，详细总结了下行床反应器的特点、结构、分类及流体力学特性，并分析了目前下行床反应器放大过程中的瓶颈问题以及进一步研究的方向，为推动下行床反应器在生物质快速热解工业应用提供参考。关键词：生物质；热解；下行床反应器；流化床中图分类号：TQ 35 文献标志码：A文章编号：0438-1157（2023）06-2249-15Research progress in downer fluidized bed reactor for biomass fast pyrolysisYANG Zhenghao1,HE Zhen1,CHANG Yulong1,2,3,JIN Ziheng1,2,JIANG Xia1,2(1 College of Architecture&Environment,Sichuan University,Chengdu 610065,Sichuan,China;2 College of Carbon Neutrality Future Technology,Sichuan University,Chengdu 610065,Sichuan,China;3 Tianfu Yongxing Laboratory,Chengdu 610213,Sichuan,China)Abstract:Under the goal of carbon neutrality,the future development path is to change from the raw material system of fossil energy to the raw material system of renewable energy.As an important substitute for fossil resources,biomass is the only renewable carbon resource that can replace fossil resources on a large scale.Fast pyrolysis of biomass is an important way to convert biomass resources into liquid fuels,and its core technology is the reactor.The downer circulating fluidized bed reactor has the advantages of short product residence time and near-plug flow performance,and has broad application prospects in fast pyrolysis of biomass.In this paper,the characteristics of fluidized bed reactor and the research status of pilot and demonstration/commercial units are introduced.The characteristics,structure,classification and hydromechanical properties of downer reactor are summarized in detail,and the bottleneck problems in the process of downer reactor scale-up and the direction of further research are analyzed,which can provide reference for promoting the industrial application of downer reactor in fast pyrolysis of biomass.Key words:biomass;pyrolysis;downer reactor;fluidized bedDOI：10.11949/0438-1157.20230170收稿日期：2023-02-27 修回日期：2023-06-09通信作者：江霞（1978），女，博士，教授，第一作者：杨峥豪（1998），男，硕士研究生，基金项目：四川省科技厅重点研发项目（2023YFS0357）；四川省科技创新基地（平台）和人才计划项目（2021ZYCD006）引用本文：杨峥豪,何臻,常玉龙,靳紫恒,江霞.生物质快速热解下行式流化床反应器研究进展J.化工学报,2023,74(6):2249-2263Citation：YANG Zhenghao,HE Zhen,CHANG Yulong,JIN Ziheng,JIANG Xia.Research progress in downer fluidized bed reactor for biomass fast pyrolysisJ.CIESC Journal,2023,74(6):2249-2263综述与专论第74卷化 工 学 报引言随着经济总量迅速增长，中国CO2排放量2021年达到了114.7亿吨，占全球总排放量的33%1。在严峻的减排形势下，我国亟需碳中和技术创新。新形势下，我国亟待转变建立在化石能源基础上的产业体系，抢占可再生能源替代技术创新制高点，保障国家能源独立、自主和安全。生物质是唯一能够大规模取代化石资源的可再生碳资源，也是国际公认的可再生能源中唯一零碳含碳燃料。据 3060零碳生物质能发展潜力蓝皮书2统计计算，我国生物质资源丰富，年产量超过35亿吨，生物质资源作为能源利用的开发潜力为4.6亿吨标准煤，生物质资源替代的 CO2减排潜力约 20 亿吨。国际能源署（IEA）预测，到2050年全球运输燃料的27%可由生物质和废物资源进行可持续供应3。因此，生物质零碳燃料替代技术是重点发展的方向。生物质燃料制备技术包括液化技术、沼气发酵技术、气化技术、燃料乙醇技术、生物柴油技术等。与其他技术相比，生物质液化技术能够直接得到液体燃料以代替常规燃料，或是进一步提质以获得更广泛的应用4-5。在各种生物质液化技术中，快速热解被IEA工作组评估为最有前途的生物质直接液化路线6：生物质在完全缺氧或有限氧供给的情况下快速加热到400600后分解为气体产物（热解气）和一部分固体产物（热解炭），其中一部分气体产物快速冷凝即得到液体产物（生物油）7。生物质快速热解技术由于其具有反应条件（温度、压力等）适中，液体产率高（约70%），产物便于运输和储存等优势，有着较高的应用价值4,8，因此越来越受到国内外学者的关注和重视。生物质快速热解技术的核心部分是反应器，其类型和运行方式决定了生物油的产率和品质9。在各种生物质热解反应器中，流化床反应器最具代表性，其处理量大、产物停留时间短、可连续运行。下行式流化床反应器则具有良好的流动结构和推流性能，赋予其在超短接触时间过程中的独特应用优势，特别是可以实现极短反应和停留时间的高操作要求，并且载气需求量相对较小，成本较低，应用前景大。目前，国内外一些团队聚焦于下行式热解反应器的研究，但大多仍处于试验或中试阶段，尚未有较为全面的下行床反应器研究进展的报道。因此，本文首先介绍了生物质快速热解技术的特点及其技术类型，其次分析了各类生物质快速热解反应器，着重介绍了流化床反应器的优势及其试验应用情况，最后详细综述了下行式循环流化床反应器的研究进展，对现有的下行式反应器的特点和结构进行总结，并从加热方式的角度提出分类，展望了未来发展的方向。本文为推动下行床反应器在生物质快速热解工业应用提供参考，以期达到碳减排目标和实现碳中和。1 生物质快速热解技术1.1 生物质快速热解技术特点生物质快速热解技术作为生物炼油厂转化工艺的重要手段之一，具有工艺短、适应性强、响应快、转化率高、易商业化、反应条件温和等优点10。表1将生物质快速热解技术与其他热解技术的特点进行了对比，快速热解可最大限度地提高液体产率11。生物质快速热解工艺流程如图 1所示，在各个热解工艺系统中，最基本的四个单元就是预处理、热解、热解蒸汽冷凝和液体产物收集。生物质快速热解技术最主要的四个影响参数是加热速率、500左右的反应温度、不超过2 s的气相停留时间以及生物油的快速冷凝和收集。气体产率会随着温度和停留时间的增加而增加，而固体产率又会随着温度和加热速率的降低而增加。因此，三相产物的产率极大程度地由以上四个热解工艺参数决定16。表 1生物质热解技术特点Table 1Characteristics of biomass pyrolysis technology技术类型快速热解12-13慢速热解13常规热解14闪速热解15加热速率/(/s)1000.110.111000温度/4006005509505006509001200压力/MPa0.10.10.10.1停留时间/s23005000.52075固体102535152515气体第6期1.2 生物质快速热解反应器类型生物质快速热解工艺中热解单元（即反应器部分）的设计最为关键，反应器的类型和加热方式在很大程度上决定了其产物的分布和质量9。按反应器类型的不同可以分为流化床反应器、旋转锥反应器、烧蚀反应器、真空热解反应器和携带床反应器等。如表2所示，流化床反应器具有设计操作简便、可连续运行以及液体产率较高等优点。其不含运动部件，结构较为简单，工作可靠性大，运行寿命长。但流化气体的引入提高了系统的运行能耗，并且流化气体还稀释了热解产生的不可凝气体，使其热值大为降低17。其产物选择性更具优势18，运行成本更低。表3汇总了国内外中试和示范/商业级的热解装置。目前研究较多的热解反应器是流化床反应器，据Web of Science统计，近10年，国内外研究中流化床反应器占比高达40%。热解工艺在商业化过程中往往存在批量生产成本高和效率低的问题，而流化床在扩大生产规模方面具有明显优势，其因连续性、生物油产率高、操作方便等特点，得到广泛研究26。1.3 生物质快速热解循环流化床在 20世纪 70年代，循环流化床反应器得到开发并在工业上得到广泛应用，如生物质的热解液化、煤的热解液化和热解提质、石油催化裂化等35。循环流化床反应器中通常不包括任何床层，热载体在内部循环，且处理量更大，流体力学更为复杂36，对于要求气固流通量高，生产能力大，反应速率快，或是需要用颗粒将大量热量补入反应器的操作，其都是十分理想的反应器。在循环流化床中颗粒浓度较大，提高了生物质与流化颗粒接触，增强传质传热效率37，使得原料及设备利用率高，能耗小，投资少，维修费用低，同时流化颗粒对反应器内壁面的作用和对流体的扰动还可以减少壁面附着的焦油，能够避免床层结焦堵塞的问题。现有的循环流化床反应器从颗粒流动方式来分，主要分为两类（图2）：一是气固并流上行流化床反应器，也被称为提升管反应器，颗粒在气体的提升作用下由提升管底部逆重力向上流动；二是气固并流下行床反应器，即并流下行式循环流化床，也就是下行床。2 下行式循环流化床反应器20世纪80年代开始，人们逐渐对下行式循环流化床反应器进行研究。Berg等38-39提出了一种超快速流化反应器，并且成功地应用于生物质热解。其表 2各类快速热解反应器特点Table 2Characteristics of various fast pyrolysis reactors反应器类型流化床反应器12-13,19-20旋转锥反应器12-13烧蚀反应器21真空热解反应器22-24携带床反应器25优点设计简单、操作方便、可连续运行、适合扩大规模设计紧凑、不需要载气、磨损小载气需求量小、生物质粒径要求低、设备规模小、操作成本低产品质量良好、生物质粒径要求低、载气需求量小、易提取组分且没有结焦问题挥发分停留时间短，无结渣问题，适用于高温高压条件，且适合扩大规模缺点生物质预处理要求高、载气需求量高、固体损耗大颗粒粒径要求高、工艺复杂、难以放大反应速率较慢且难以放大投资和维护成本高且难以放大生物质粒径要求高、载气需求量高、设备规模大，并且很难从较低的蒸气分压中收集液体生物油产率/%7075707570655055图1 生物质快速热解工艺流程图Fig.1 Flow chart of biomass pyrolysis and liquefaction process2251第74卷化 工 学 报通常由一个混合器、一个下降管和一个气固分离器组成。Murphy40提出了一种催化裂化/重油裂化装置，该装置包括一个下流式反应器和一个提升管再生器。目前，下行式循环流化床主要有两方面的工业应用：一是针对重油的催化裂化；二是煤、生物质、固体废物的热解41。一些工业示范工厂已经建成，如催化裂化工艺以及煤热解制乙炔42，但对生物质热解的应用研究较少43。2.1 下行式循环流化床特点如图2(b)和图3所示，在下行式循环流化床反应器中，生物质经过粉碎、干燥等预处理后成为含水率较低、粒径较小的生物质颗粒。预处理后的生物质颗粒从进料口进入下行式热解反应器，和来自燃烧室的热载体顺着重力场同时向下流动，在热解反应器中生物质颗粒在快速下落过程中经热载体或其他加热组件加热后发生热解反应，而后产物和热载体进行分离，热载体进入再生室，在再生室中燃烧再生后再次进入热解反应器，不断在系统中循环。而产物则继续通过气固分离器（如旋风分离器）将油气分离出来，油气再经过喷淋塔快速冷却下来得到产品油和其他不可凝气体。在下行床中，流化气体与固体颗粒顺着重力场向下流动，气固流动属于广义流态化。因此，下行式循环流化床除具有循环流化床的一般特征，还具有以下特征44：（1）颗粒浓度及颗粒速度在径向分布较为均匀；（2）有效地克服了提升管中颗粒的轴向表 3国内外中试和示范/商业级生物质热解反应器研发情况Table 3Research and development of domestic and foreign pilot and demonstration/commercial biomass pyrolysis reactors年份201920182017201420132005200420002000199819971996199519931993国家韩国中国加拿大荷兰芬兰马来西亚中国加拿大荷兰加拿大加拿大加拿大中国西班牙荷兰研发单位Research Institute of Petroleum Technology上海交通大学AE Cote-Nord Bioenergy/EnsynBTG-BTL/EMPYROFortum-VALMETGenting中国科学技术大学PyrovacBTG/KaraRTIDynamotiveRed Arrow-Ensyn沈阳农业大学/TwenteUnion Fenosa/WaterlooUniversity of Twente规模/(kg/h)4220009000500010000200020350020020380016675020010反应器类型流化床/提升管流化床/下行床流化床/提升管旋转锥流化床/提升管旋转锥流化床真空热解旋转锥流化床鼓泡流化床流化床/提升管旋转锥流化床旋转锥加热方式不凝性气体的燃烧热载体和电加热器焦炭和不凝性气体的燃烧反应器壁加热焦炭和不凝性气体的燃烧反应器壁加热焦炭和不凝性气体的燃烧反应器壁加热反应器壁加热热解气、炭、其他生物质产品燃烧焦炭和不凝性气体的燃烧反应器壁加热丙烷燃烧，热循环气反应器壁加热文献272829-303132313329,323329,3332,3432-33333333图2 提升管式循环流化床反应器(a)；下行式循环流化床反应器(b)Fig.2 Riser circulating fluidized bed(a);Downer circulating fluidized bed(b)第6期返混，对于需要传热在极短时间完成，产物停留时间短的快速热解反应是有利的；（3）气固受重力驱动，操作成本更低；（4）可以减少气流输送的动量损耗；（5）气固在重力场作用下流动速度更快，气固或固固停留时间极短、反应快；（6）可灵活调节气固比或固固比。表4对比了下行床与提升管反应器的优缺点。与提升管反应器相比，下行床反应器具有颗粒浓度和速度的轴、径向分布相对均匀，轴向返混更小，气固流动近平推流等优点45，弥补了提升管式循环流化床的缺陷，从而可使反应器性能得到大幅度改善，提高目的产品收率，减少过度反应及结焦量。2.2 下行式循环流化床反应器结构下行式循环流化床反应器主要包括反应器入口、反应器主体和反应器出口结构，分别需要考虑固固（固体热载体和固体原料颗粒）混合、下行床中的加热方式以及固固（固体热载体和焦炭）或气固（载气和固体）分离。这三个要素决定了整个热解表 4提升管反应器与下行床反应器的优缺点Table 4Advantages and disadvantages of riser reactor and downlink reactor反应器类型提升管46-48下行床48-49优点颗粒混合相对均匀，传热效果较好，可实现快速床操作，单位时间处理量大，存在多种进料方式，满足多种产品需求颗粒浓度和速度的轴、径向分布相对均匀，颗粒轴向返混更小，气固近平推流流动，载气需求量小，减少气流输送的动量损耗，可灵活调节气固比或固固比，气固或固固停留时间极短、反应快，单位时间处理量大缺点颗粒浓度、速度的径向分布不均匀，颗粒返混严重，易过度裂解，降低产率，由于壁面效应的影响，呈现出环核现象，载气需求量大颗粒径向混合传热需要加强，进料不稳定，易受到操作条件和预处理的影响图 3 下行式循环流化床反应器工艺图Fig.3 Process diagram of downer circulating fluidized bed2253第74卷化 工 学 报系统是否能正常运行。首先，针对下行床入管口设计，下行床内气固初始接触较难控制，气固流动行为较为复杂，往往受制于床层入口结构。不理想的入口结构会直接导致入口处气固分布变差，使整个床层内气固流动结构偏离平推流流型50-51。于是许多研究者针对下行床入口构型及其对流动的影响进行了大量研究工作52。魏飞等53-56为了使下行床进口段有一定的气固混合，并且能够继续快速发展近于平推流，还要在满足高流通量的情况下不发生堵塞，对下行床入口结构从单管式到多管式入口进行了一系列改进；Zhu等57-58针对下行床入口结构在原有研究基础上，进一步考察下行床颗粒入口处颗粒分布器形式、颗粒分布管的排布以及颗粒在分布板的开孔形式对下行床入口处颗粒均匀分布的影响。以上研究都一定程度加强了气固初始混合，同时也保证了床内气固的均匀分布，但是往往都牺牲了颗粒浓度，无法达到高流通量下的顺畅下料。针对下行床入口分布器难以兼顾高流通量和均匀分布的问题，刘文明等59提出了一种适用于下行床的新型入口分布器，其采用了分区流化、文丘里式溢流管和漏斗式设计的新型入口分布器的轴向固含率分布更加均匀，在颗粒循环量为 700 kg/（m2s）条件下，下行床反应器床层平均固含率可达0.06，且轴向均匀分布。但目前已有的研究往往局限于通过调控颗粒和气固入口结构来提高流通量兼顾颗粒均匀分布52。而下行床入口结构对颗粒增浓及颗粒均匀分布的影响的内在机制并没有得到较好的研究。因此，深入研究下行床入口构造平衡颗粒浓度和均匀分布，是实现下行床应用与推广的关键。最为核心的反应器主体部分采用下行床。由于生物质密度小、质地软、形状不规则、流化较难，在下行式反应器中颗粒流向与气流流向又和重力方向一致，扰动小，容易造成生物质颗粒与热载体混合不均匀，影响反应效果60。若不能使生物质颗粒与热载体及时混合，则会延长反应时间，使热解气体深度裂解，液体产率减小。为加强固固混合接触，李立新等60设计了一种下行式流化床生物质热解反应器，其包含固固混合器，内设有格栅和搅拌气进料，使固体快速混合，并进行预分解，极大优化了固固混合及生物质颗粒流化性能，使得传热效果更好，也不会发生生物质颗粒团聚堵塞；或是在下行床内部设置气体分布板或斜挡板，如刘冬梅61设计的生物质热解系统在反应器分布段分别设置了多层纵向分布板和多层横向分布板，使得固固充分混合接触传热。但增设内部构件会存在高温磨损的问题，同时使整个床层内气固流动结构偏离平推流，增加产物停留时间或导致产物停留时间不稳定。对于下行床的出口设计，通常利用气体和固体的惯性力差异来实现气固分离。图4显示了在下行反应器中广泛使用的五种典型出口结构62。在图4(a)中，下行床下端出来的气体和固体首先加速，沿管路流动，以不同的惯性力改变流线。其中，气体从上出口流出，从底部流出固体，可在50 ms内完成分离过程，分离效率高达98%63。如图4(b)所示，魏飞等64在分离器中引入离心作用，以增强气固分离。与前者相比，它的体积较小，但其分离效率仍可保持在 98%左右，更适合工业应用。图4(c)为一种内部装有圆锥的出口结构65。采用的弧形锥体，大大避免了细颗粒与壁面的黏附，可以有效地实现分离过程。实验结果表明，在较大范围的实验条件下，气固分离效率在99%以上。考虑到上述分离器连接于下行床出口，不可避免地延长了气体与固体的接触时间，增加了过度反应的风险。如图4(d)，Yu等66-68开发了置于下行床内部的气固分离器，在气体出口管上方设置锥形固体导流器，其分离效率甚至在99.99%以上。此外，对于带热载体的热解反应器，为了热载体的循环利用，需要在下行床出口处进行热载体与热解炭的分离。李志合等69利用如图4(e)中的颗粒分离器，具有一定惯性的热载体与炭粉混合颗粒从反应器中落入分离器时水平位移的差异进行分离，少量被热载体携带未被分离的炭粉再进一步筛分。该方法既减少了颗粒分离所消耗的动力，同时又增强了装置的连续运行能力。但该工艺中热载体对生物质半焦颗粒携带作用明显，降低了分离效率。综上所述，下行床出口气固分离设计已相对成熟，而热载体与热解炭分离方面研究较少，如何在高温条件下快速高效地实现微米级颗粒的分选，亟需得到进一步研究。2.3 下行式循环流化床分类反应器的加热方式的选择是关键环节。下行式循环流化床反应器中热载体循环系统是必不可少的一环，其循环系统中的热载体一般分为两大类61：一类是气体热载体，主要为热烟气，依靠热气流或气固多相流对生物质颗粒进行快速加热，主要传热方式为对流传热，所以一般采用对流式反应器第6期以提高热量传递效率，如宋文立等70设计的一种逆流下行床热解反应器。Bonilla等71采用两种不同加热方式的下行反应器对原料进行加热，即使用气体热载体（直接加热）和加热壁（间接加热），结果表明，与间接加热相比，直接加热可以显著提高工艺产率，减少颗粒团聚。另一类是固体热载体，一般选用砂子或陶瓷球等热扩散系数高的材料，由于选用的固体热载体的单位体积热容量也高，从而相较于气体热载体而言，所需的设备体积更小，成本更低。固体热载体一般循环利用，能耗小，提高了系统热效率，且需要的载气量少，减少了对热解气的稀释，冷却负载小，总能耗小，结构简单，易扩大规模。表5总结了气体热载体与固体热载体的区别。因此热载体大多采用固体热载体，但其也涉及固体热载体与生物质颗粒的混合、均匀分布以及固体热载体的加热、提升、分离，导致其工艺设计复杂。对下行式循环流化床反应器按加热方式72进行分类，本文将其分为三类，如表6，总结了各类反应器的特点和相应的实验操作参数及产品产率。表5热解系统中固体热载体与气体热载体的优缺点Table 5Advantages and disadvantages of solid and gas heat carriers in pyrolysis system热载体种类气体固体传热方式热对流热传导优点避免固体混合，操作简便设备体积需求小，循环利用，提高系统热效率，载气需求量小，总能耗小，结构简单，易扩大规模缺点气体需求量大，成本较高，传热效率相对较低，稀释了热解蒸气，冷却负荷大易对设备产生磨损，固体混合、加热、提升、分离困难图4 气固惯性分离器(a)63；附壁式气固分离器(b)64；下行床弧面锥体气固分离装置(c)65；气固分离装置(d)66；颗粒分离器(e)69Fig.4 Gas-solid inertial separator(a)65;Wall-attached gas-solid separator(b)66;Downward bed cambered cone gas-solid separation device67(c);Gas-solid separation device(d)68;Particle separator(e)692255第74卷化 工 学 报（1）混合式反应器该类反应器的主要特征是由热扩散系数较高的热载体提供生物质热解所需的热量，其在重力作用下，与生物质颗粒在下落过程中被反应器中固定的分流元件多次快速分散合流，使其与生物质颗粒充分混合，起主导热量传递的方式主要为热传导，但热辐射也不可忽略。如自混合下行循环流化床，田原宇等16,73-74开发了一种自混合下行循环流化床热解技术，该反应器为下行自混合结构，不需流化气体，无机械运动部件，并已建成了产油3000 t/a的热模中试装置，得到木屑产油率可达65%，秸秆产油率可达40%，经简单处理后热值为1820 MJ/kg。在此基础上田原宇等75还设计了生物质下行循环毫秒热解液化装置，该装置同样是利用下行管的自由落体，在 450600下四种不同生物质原料的产油率：松木粉68%、杨木粉62%、玉米秸秆39%、棉花秸秆55%。但仅凭重力作用难以实现生物质与热载体的快速混合传热，于是刘冬梅61研究了一种固体热载体循环的生物质热解系统，其下行式热解反应器内部设有多层纵向及横向分布板图5(a)，将流化气体均匀分布在整个床层截面上，使得热载体与生物质颗粒的混合、分布均匀。在该热解系统内对稻壳和表 6各类下行式循环流化床反应器实验操作参数和产品产率Table 6Experimental operating parameters and product yield of various downward circulating fluidized bed reactors反应器混合式反应器123间接式和混合式联用反应器45机械接触式和混合式联用反应器67生物质原料种类稻壳锯末木屑秸秆松木粉杨木粉玉米秸秆棉花秸秆稻壳原生麦秸脱灰麦秸玉米秸秆木屑粒径/mm514.5260.210.8含水率/%11.214.520101.494.091010.52热载体种类陶瓷陶瓷河沙陶瓷陶瓷粒径/mm121.21.60.230.282323运行条件处理量/(kg/h)2330217021002190415240温度/502690450600550400440470500560400440470500560525400450500550停留时间/s131323液体产品生物油/%(质量)51.831.665406862395548.146.353.247.646.13738.536.850.760.9645049.833.153.3434552.544热值/(MJ/kg)16.215.318201817161617文献617275778382,第6期锯末分别在502和690下进行热解，稻壳产油率为51.8%，锯末产油率为31.6%。但增设内部构件会存在高温磨损的问题，如何权衡利弊也是亟需研究的方向。（2）间接式和混合式联用反应器间接式反应器的主要特征是由一高温的表面或热源提供生物质热解所需热量，其主要通过热辐射进行热量传递，如无热载体蓄热式辐射管反应器76。而间接式和混合式联用反应器就是在上述两类反应器的基础上，同时使用两种加热方式，因此主导热量传递的方式主要为热传导和热辐射。蔡文飞77对一种处理量为13 t/h的下行式循环流化床反应器进行研究，其主要特点是：生物质颗粒通过热载体传热和电加热器加热，在系统正常运行时不需要提供外部能量来加热热载体；热载体、不凝气和生物油（作为冷凝介质）在系统内部循环，所产生的不凝气可以再循环，以满足能量输入需求，保持热载体系统（反应传热）和给料系统（原料干燥）的持续供热，采用生物油作为喷淋冷凝介质，提高冷凝的效率。在550下对稻壳进行热解，气相停留时间约为2 s，主要产品生物油的收率达到53.2%(质量)。生物油可以含有高达75%的生物质能量，热值约为16 MJ/kg78。该反应器运转稳定，生物油的所有性质均达到G类生物油标准，只有含水率略微高于标准值28。该反应器供热充分，但电加热器的能耗成本较高，且副产物未能得到充分利用。各循环系统（给料系统、热载体系统、反应器系统、冷凝系统）内能量利用充分，产物质量较高，且已达到商业级规模，解决了装置在放大中遇到的实际问题，如反应器加热不均匀等造成的油品品质下降、产率降低等问题。（3）机械接触式和混合式联用反应器机械接触式反应器的主要特点是通过灼热的反应器表面直接或间接与生物质接触，将热量传递给生物质，使其高速升温，从而达到快速热解。其采用的热量传递方式主要为热传导。而机械接触式和混合式联用反应器就是将机械接触式反应器和混合式反应器的加热方式联用，因此其主导热量传递的方式主要为热传导。如新型下降管式反应器图 5(b)。李志合等69,79设计了一种处理量可达240 kg/h的新型下降管式反应器，反应管是由三段直管组成的“V”形管，其采用的V型下降管反应器相较于早先的Z型下降管反应器，不仅降低了整体高度，节省了空间和材料，而且固体在反应器下端出口处的速度较大，利用惯性分离装置对热载体进行分离并循环利用。加热速率可达1700/s，气相停留时间小于3 s，在 500下生物油最大产率可达 52.5%(质量)79-80。并且，在进行急冷时只需将热裂解产物冷却，急冷装置的负载较小。生物质颗粒主要通过热载体提供热量，V型下降管的设计起到类似于内部构件(挡板)的作用，解决了增设内部构件会存在高温磨损的问题，使得热载体与生物质充分混合，提高传热效率，确保充分的热解反应。但由于陶瓷球等固体热载体的热惯性较大以及热量损失等其他因素，热载体的加热时间较长，增加实验的时间消耗与能量消耗，需要对热载体类型、加热方式等进行优化。其次，反应器内壁被从气固换热器出口引入的热烟气图5 下行式热解反应器(a)62;V型下降管反应器(b)69,82Fig.5 Downer pyrolysis reactor(a)62;V-type down-tube reactor(b)69,822257第74卷化 工 学 报加热后同时为生物质颗粒提供热量，使整个系统能量利用效率大大提高。Zhang等81从流体动力学、化学反应和停留时间分布等方面分析了V型下降管反应器中催化热解过程。结果表明，固体浓度梯度随流量向下流动而减小，研究了其对产品产率和停留时间分布的影响，以优化产品的选择性和催化剂的性能。该反应器总体能耗小，结构简单，规模扩大方便。3 下行式循环流化床流体力学特性20世纪90年代，巨大的工业潜力和下行床独特的多相流现象激发了世界各国的基础研究。人们对下行床反应器进行了大量的研究，试图揭示下行床反应器的流体力学、混合、传热、实验室冷模/热模实验等方面的细节。随着对下行床反应器的深入研究，人们发现下行床反应器因其独特的气固流动模式非常适合快速热解反应。因此，有必要了解颗粒在下行床中的流动行为。3.1 床层压降及截面平均颗粒浓度轴向分布祁春鸣等85进行了较大规模的实验，在内径0.14 m、高5.8 m的下行床中测定了不同物性的颗粒在不同操作条件下床层压降的轴向分布。根据轴向上气体及颗粒的质量守恒和动量守恒方程，建立了气固并流下行运动数学模型Cd=(1+2.78gUg/Gs)14.1(dpg)0.5/U(1)求解此模型的关键是求取气固系统中的曳力系数Cd。通过实验数据分析回归，得到Cd关联式，利用此模型方程，计算了轴向压降、颗粒浓度与速度，计算值与实测值吻合较好。漆小波等86在较宽的操作条件范围内系统测试了下行床床层压降，获得气固两相流与管内壁间的摩擦压降，提出了下行气固两相流与管壁间摩擦压降的计算模型(dPdz)total=g(1-s,act)+p-s,actg-(dPdz)f(2)(dPdz)total=g(1-s,act)+p-s,actg-(dPdz)f(3)该模型可以根据测得的压力梯度、气固物性、操作参数和下行床内径预测下行床充分发展段内的真实颗粒浓度，采用提出的摩擦压降模型对表观颗粒浓度进行修正后预测值与实验值吻合较好。3.2 颗粒浓度与速度的径向分布为了研究循环流化床中颗粒径向流动特性，Basu87提出了颗粒浓度及速度的径向不均匀指数S和Su，分别表示为S2=(2/R2)0R()-2rdr(4)S2u=(2/R2)0R()Up-U2prdr(5)由该模型可以得出，颗粒浓度不均匀指数S随操作气速增大而减小，在同一平均颗粒浓度下，提升管的S比下行床大1个数量级以上，表明下行床中颗粒径向分布的均匀性相较于提升管有显著提高。Sun等88对提升管式和下行式循环流化床的流体动力学进行了数值研究。研究表明，下行床床层变宽，流动结构的不均匀性略有增加，而与提升管相比，下行床反应器增强的不均匀性可以忽略不计。Wang等89-91和Zhang等92对下行床颗粒浓度径向分布不均匀结构做了大量实验研究，在此基础上，赵亚飞等93-94将空气动力学的 Kutta-Joukowski定理用于分析、量化气固下行床内颗粒浓度不均匀分布。结合前者实验结果，通过理论分析，获得了下行床内Kutta-Joukowski横向力的经验关联式FK-J=-g(p-g)(p/r)r(6)结果表明，局部Kutta-Joukowski横向力是下行床内颗粒浓度沿径向分布不均匀的主要原因，其作用方向由低密度区指向高密度区。为了更好地对比下行床和提升管中径向速度分布的差异，祝媛等95采用PV-4A光导纤维测速仪在一高2 m、直径30 mm的下行床反应器中系统地测定了两种不同物料各自在不同径向位置上局部颗粒速度的轴向及径向分布，研究了操作条件对该两种不同物料局部颗粒速度径向分布的影响，并分别给出了预测各自局部颗粒速度经验关联式。壁面条件也会影响壁面附近的不均匀结构，进而影响到壁面附近颗粒所受的曳力。袁守正96等探究了壁面效应对介尺度曳力模型的影响，发现不同床宽下受壁面影响区域占整个床的比例改变较小，且曳力系数相对误差的值受该位置的固含率、固含率梯度、固相剪切率及粒化温度分布等因素影响，并拟合了曳力系数相对误差关于径向位置的公式(Hd,w-Hd,p)/Hd,p=a+0.205+1.428()e-0.360/0.133-e-1-(r/R)/0.133,r/R 0.640a+0.205e-()0.640-r/R/0.075,r/R 0.640(7)3.3 气固停留时间的分布为了测定循环流化床中颗粒的停留时间，Wei等97利用荧光示踪法测算了提升管和下行床中颗粒的径向和轴向Peclet数Pea、Per，下行床的Per约第6期为