¿Cuáles son las tecnologías de pirólisis de residuos agrícolas y forestales?
1. La biomasa es el producto de la conversión directa o indirecta de la fotosíntesis vegetal. La energía de biomasa se refiere a la energía producida a partir de biomasa. En la actualidad, la biomasa utilizada como energía se compone principalmente de residuos agrícolas y forestales, residuos orgánicos urbanos e industriales y estiércol animal. La biomasa a que se refiere este artículo se refiere específicamente a los residuos agrícolas y forestales, es decir, los desechos y basuras generados durante la recolección y procesamiento de cultivos agrícolas y forestales, tales como la paja (paja de maíz, paja de maní, paja de algodón, paja de sorgo, paja de frijol, etc.), grano Corteza de concha, pasto de montaña, ramas de arbustos, hojas muertas, enredaderas, aserrín, paja, virutas, aserrín, etc. , así como los residuos vertidos de la industria alimentaria, como tortas, serrín, etc.
Mi país produce 1.500 millones de desechos agrícolas y forestales cada año, de los cuales los recursos de desechos agrícolas están ampliamente distribuidos. Sólo la producción anual de paja agrícola alcanza los 700 millones de toneladas, y alrededor de 350 millones de toneladas de paja se pueden utilizar como energía, lo que equivale a 180 millones de toneladas de carbón estándar. Los recursos de residuos forestales, forestales y de procesamiento de madera para leña equivalen a unos 300 millones de toneladas de carbón estándar, lo que equivale a 1/10 del consumo de energía petroquímica de mi país. Además, algunos cultivos oleaginosos son excelentes materias primas para preparar combustibles líquidos, como la jatrofa, la colza, el ricino, el zumaque, la pistacia y el sorgo dulce. Se estima que para 2020, los residuos agrícolas y forestales serán de aproximadamente 165.438+65 millones de toneladas de carbón estándar, y el volumen explotable será de aproximadamente 830 millones de toneladas de carbón estándar. Además, mi país tiene actualmente entre 5.700 y 1.000 hectáreas de tierras forestales adecuadas y terrenos desérticos, y hay 100 millones de hectáreas de recursos de tierras marginales no aptas para el desarrollo agrícola. Existe un enorme potencial para el desarrollo de la energía de biomasa forestal.
Aunque actualmente existen muchas formas de utilizar de manera integral los recursos de biomasa recientemente desarrollados, algunos de los cuales tienen altas tasas de utilización y buenos beneficios económicos, el consumo es pequeño y no puede resolver fundamentalmente el procesamiento y utilización de los recursos agrícolas y forestales. cuestión de desperdicio de recursos. Como fuente de energía, la biomasa puede recuperar en gran medida los recursos de residuos agrícolas y forestales. Sus productos no sólo no tienen problemas de mercado, sino que también pueden sustituir a los combustibles tradicionales, aliviar la cada vez más grave crisis energética y producir buenos beneficios sociales, económicos y medioambientales.
2 Mecanismo y enfoque técnico de la conversión de energía de la biomasa
La biomasa está compuesta por celulosa, hemicelulosa, lignina y otros polímeros. Sus reacciones básicas de licuefacción son las siguientes: Según el análisis termogravimétrico se demuestra que. la celulosa comienza a degradarse a 325 K. A medida que aumenta la temperatura, la degradación se intensifica y se degrada en fragmentos de bajo peso molecular a 623 ~ 643 K. El proceso de degradación es el siguiente:
La hemicelulosa tiene una estructura de cadena ramificada y es más fácil de degradar que la celulosa. Su mecanismo de degradación es similar al de la celulosa. Las unidades estructurales de la lignina están conectadas mediante enlaces éter y enlaces C-C, y su estructura es mucho más compleja que la de la celulosa y la hemicelulosa. La reacción termoquímica de licuefacción de la lignina comienza con la reacción de escisión de los enlaces alquil éter. Las macromoléculas de lignina se rompen primero en fragmentos de bajo peso molecular mediante reacciones de radicales libres a altas temperaturas y en presencia de disolventes donantes de hidrógeno. La reacción básica es la siguiente:
A través del proceso anterior, se forman pequeños fragmentos de moléculas, y estos fragmentos se rompen aún más a través de enlaces C-O de cadena lateral, enlaces C-C y enlaces C-O de anillos aromáticos para formar compuestos de bajo peso molecular. . Las anteriores son las reacciones básicas de fragmentación de la degradación de la biomasa en moléculas bajas.
La pirólisis rápida es un proceso con una velocidad de calentamiento extremadamente rápida, un tiempo de residencia extremadamente corto y un enfriamiento rápido. Es un proceso instantáneo. El proceso anterior sigue siendo adecuado para la degradación de biomasa, pero el tiempo es muy corto y puede aproximarse a un proceso isotérmico. Desde la perspectiva de reactivos y productos, existen los siguientes procesos:
Después de una extensa investigación, Larfldt J et al. propusieron cuatro modelos de pirólisis basados en la cinética de reacción:
Mediante cálculos predicen la fracción de carbono para los Modos 2 y 3, con reacciones competitivas en los Modos 1 y 4 y, por lo tanto, cambios en los rendimientos de carbono.
En el proceso de producción, incluso si se utilizan los parámetros óptimos del proceso, es imposible producir un solo producto, pero ajustando los parámetros, la reacción puede desarrollarse lo más posible hacia el producto deseado. Por ejemplo, cuando la temperatura en el modelo 1 es de alrededor de 500 °C, el valor de K2 se puede aumentar mediante una velocidad de calentamiento extremadamente alta, un tiempo de residencia corto y un enfriamiento rápido, y el producto principal es el alquitrán, por lo que el modelo 1 es más adecuado para una pirólisis rápida. .
Actualmente existen tres tecnologías principales de conversión de energía de biomasa: (1) La biomasa se convierte en combustible rico en energía mediante un tratamiento bioquímico. Por ejemplo, la fermentación de biomasa (paja de cultivos, estiércol, aguas residuales orgánicas, etc.) produce biogás, y la fermentación de azúcar y almidón produce alcohol. La tecnología de China en esta área es relativamente madura, pero el procesamiento de biomasa a gran escala estará limitado por los tipos de biomasa y la biotecnología. (2) La biomasa se convierte en productos químicos de alto valor mediante tratamiento químico. Por ejemplo, la hemicelulosa de la biomasa se calienta en un medio ácido para obtener furfural y la cáscara de arroz se utiliza para producir sílice. (3) Tratamiento termoquímico de biomasa, es decir, pirólisis de biomasa de forma aislada o con una pequeña cantidad de oxígeno para obtener gas inflamable, carbón sólido y bioaceite líquido, también llamada pirólisis de biomasa (pirolisis de biomasa). En términos generales, la pirólisis de biomasa se divide en pirólisis de baja temperatura y pirólisis lenta (
La mayor ventaja de la tecnología de pirólisis rápida con un rendimiento de producto líquido relativamente alto es que su producto bioaceite es fácil de almacenar y transportar, y Son bienes de consumo a granel industriales y agrícolas, la escala del producto y el consumo no están limitados por la geografía. El biopetróleo no solo puede simplemente reemplazar los combustibles tradicionales, sino que también puede extraer muchos productos químicos de mayor valor agregado mediante la descomposición térmica y la generación de energía centralizada. generar electricidad a través de motores de combustión interna, turbinas de gas y turbinas de vapor. Estos sistemas pueden generar calor y energía y pueden lograr una alta eficiencia del sistema, generalmente del 35% al 45%, resolviendo así la eficiencia de escala requerida para la generación de energía y reduciendo en gran medida los desechos agrícolas y forestales.
3 Estado actual de la investigación de la tecnología de pirólisis rápida de biomasa en el país y en el extranjero
Esta tecnología comenzó a fines de la década de 1970 hasta ahora, con el fin de reducir el costo de producción de la pirólisis rápida (. Convertido aproximadamente según el valor isotérmico, 2 t de petróleo biocrudo se pueden convertir en 1 t de combustible petroquímico, por lo que el costo actual de producir L toneladas equivalentes de petróleo de petróleo biocrudo es mucho mayor que el de producir 1 t de petroquímico. costo del combustible), varios países han estudiado diversos reactores y procesos, especialmente en países desarrollados como Europa y Estados Unidos. El combustible líquido producido por pirólisis rápida puede sustituir al combustible utilizado en muchas calderas, motores y turbinas, y también puede extraerse. o derivar una serie de sustancias químicas como aditivos alimentarios, resinas, productos farmacéuticos, etc. Debido a estas ventajas, la tecnología de pirólisis rápida ha recibido cada vez más atención y el desarrollo de procesos también ha logrado grandes avances. En los Estados Unidos, se han fabricado reactores de lecho fluidizado circulante y de transporte. La producción de aditivos alimentarios en reactores de lecho se ha puesto en operación comercial, con una capacidad de producción de 1 ~ 2 t/h. La mayoría de los países europeos utilizan reactores de lecho fluidizado burbujeante. Ahora España y Reino Unido han construido plantas piloto de 200 kg/h, e Italia. Se construyó una unidad de demostración de 500 kg/h. Con el fin de promover los intercambios académicos y la cooperación técnica en pirólisis y licuación, se creó en Europa la organización PyNE. en 1995, con 18 países miembros. En 2001, se estableció GASNET (Red Europea de Gasificación de Biomasa) y actualmente cuenta con 20 países miembros y 8 unidades industriales. Desde el establecimiento de estas organizaciones, se ha realizado un trabajo muy fructífero en el desarrollo de. tecnología de licuefacción por pirólisis rápida y la utilización de bioaceite. La investigación de la pirólisis rápida de biomasa de mi país es relativamente débil, pero en los últimos años, muchos institutos de investigación científica han llevado a cabo trabajos en esta área. La Universidad Agrícola ha llevado a cabo trabajos de investigación sobre la "Tecnología de pirólisis y licuefacción de biomasa", un proyecto clave de la Comisión Nacional de Ciencia y Tecnología, la Universidad de Zhejiang, el Instituto de Industria Química y Metalurgia de la Academia de Ciencias de China. El Instituto de Energía de Guangzhou y el Instituto de Ciencias Ambientales de Hebei también llevaron a cabo un experimento de licuefacción de biomasa en lecho fluidizado o en lecho fluidizado circulante. La Universidad Tecnológica de Shandong desarrolló una tecnología de licuación de biomasa de calentamiento rápido por plasma y utilizó equipos de laboratorio para licuar polvo de paja de maíz para producir bio. -petróleo, y analizaron sus componentes
Trabajadores extranjeros de energía de biomasa apuestan por desarrollar diferentes tipos de reactores de pirólisis rápida para aumentar el rendimiento del biopetróleo. Dado que el reactor puede afectar en gran medida los procesos de transferencia de calor, momento y masa del sistema de reacción química, un reactor diseñado adecuadamente puede mejorar la distribución de materiales y temperatura en el sistema de reacción, aumentando así la velocidad y el alcance de la reacción química. En la práctica, algunos reactores desarrollados en el extranjero tienen rendimientos de biopetróleo muy elevados.
El personal nacional se está centrando en explorar cómo mejorar la producción y la calidad del bioaceite controlando la temperatura, utilizando catalizadores y encontrando materiales adecuados.
En el proceso de pirólisis rápida de biomasa para producir combustibles líquidos, el reactor es la parte central. La elección del tipo de reactor y del método de calentamiento determina en gran medida la distribución final del producto. Por lo tanto, la selección del tipo de reactor y del método de calentamiento es un eslabón clave en diversas rutas técnicas. Como proceso nuevo con una historia de más de 30 años, todavía existen muchas deficiencias en la tecnología, los productos y las aplicaciones, y aún no se ha aplicado a gran escala. Los problemas actuales que deben resolverse con urgencia incluyen: (1) Fomentar el desarrollo y la mejora de la tecnología y los equipos; (2) Ampliación industrial; (3) Reducir los costos; (4) Mejorar el rendimiento del biopetróleo; 5) Desarrollar valiosos subproductos del biopetróleo; (6) Manejar el saneamiento ambiental y la seguridad durante el transporte y el uso.
Tecnología de pirólisis rápida en lecho fluidizado de circulación descendente y automezcla de biomasa
El Centro de Investigación de Energía Limpia de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shandong propuso una automezcla de biomasa tecnología de pirólisis rápida en lecho fluidizado de circulación descendente La tecnología se encuentra en la etapa de investigación experimental y se está construyendo un conjunto de dispositivos de demostración de 200 ~ 300 kg/h.
Los desechos agrícolas y forestales se dividen en partículas de biomasa adecuadas mediante la trituradora de martillos. Después del secado, el separador ciclónico los levanta y los separa del gas y los sólidos. luego ingrese al silo superior. La automezcla, el calentamiento y la pirólisis se realizan rápidamente en la parte superior de un reactor de pirólisis especial a través de un alimentador en espiral y un portador de calor circulante de alta temperatura que cae controlado por una válvula de mariposa. En la parte inferior del tubo ascendente del reactor, el petróleo y el gas se separan rápidamente del semicoque y del portador de calor. El petróleo y el gas pirolizados pasan a través de un condensador para obtener productos líquidos y gas. El semicoque y el portador de calor circulante ingresan al tubo ascendente de coquización a través de la válvula de retorno transportado por aire caliente para combustión y calentamiento, y el portador de calor calentado pasa a través del separador ciclónico.
Después de separarse del gas de combustión, ingresa a la parte superior del reactor de pirólisis especial para realizar el calentamiento cíclico del portador de calor. Después de precalentar el aire, los gases de combustión se dirigen al fondo del tubo ascendente de gases de combustión para levantar y secar las partículas de biomasa.
El flujo del proceso de pirólisis rápida en lecho fluidizado de circulación descendente y automezcla de biomasa se muestra en la Figura 1.
Las ventajas técnicas son:
(1) El reactor de pirólisis patentado tiene una estructura de mezcla estática y no tiene piezas mecánicas móviles, lo que puede resolver el problema del desgaste de la escoria de coque y las piezas móviles del equipo. bajo alta temperatura de equipos mecánicos Problemas como fallas fáciles y dificultades en la amplificación industrial.
(2) El reactor de pirólisis patentado puede utilizar la gravedad para lograr una mezcla rápida, un calentamiento rápido y una pirólisis de partículas de biomasa y un portador de calor circulante de alta temperatura sin gas portador, mejorando el rendimiento del líquido y la eficiencia térmica del sistema.
(3) El calor residual de los gases de combustión se utiliza para secar las partículas de biomasa, lo que reduce el contenido de humedad del bioaceite y mejora la eficiencia térmica del sistema.
(4) El petróleo, el gas, el semicoque y el portador de calor en la parte inferior del tubo ascendente del reactor pasan por un dispositivo especial de separación rápida, que reduce la reacción secundaria del petróleo y el gas de pirólisis a alta temperatura. y aumenta el rendimiento líquido.
La nueva tecnología de pirólisis rápida de lecho fluidizado de circulación descendente y automezcla de biomasa es una tecnología de pirólisis rápida con alta eficiencia térmica, baja inversión y fácil operación desarrollada utilizando tecnología avanzada basada en las condiciones nacionales de agricultura y silvicultura rural. Distribución de residuos en mi país. Proceso de pirólisis.
El proceso de pirólisis tiene como objetivo lograr la máxima utilización de los recursos de cultivos agrícolas y forestales, realizar una economía agrícola circular, aumentar los ingresos de los agricultores, mejorar la estructura industrial rural, mejorar la situación actual de escasez de energía rural, y resolver el problema de la quema local o el vertido aleatorio de paja restante. Proporciona apoyo técnico y orientación para una gran cantidad de problemas sociales, económicos y ecológicos causados por la contaminación del aire, el aumento de la mineralización del suelo, los incendios y los accidentes de tráfico, y es de gran utilidad práctica. importancia para el desarrollo agrícola y rural y aliviar la crisis de las energías fósiles.