作者：郑晓敏
木屑是木材生产、林业加工中产生的剩余物，是重要的生物质资源。实际生产中主要用于生物质颗粒燃料、填充物、加工成夹板等。近年来木屑在生物质热解工艺中得以应用和发展。
控制裂解的反应温度和升温速率等条件，生物质热裂解能够得到气液固3种不同产品。近年来，国外学者对木屑和其他农业废弃物热裂解的各种产物特性进行了相关研究。其中，中温热解产出的生物油是一种黑褐色黏稠液体，其成分非常复杂，可以分析出的成分有100多种。热解产生的气体含有CO，CO2，H2，CH4及饱和或不饱和烃类化合物等不可凝气体。
国内外研究人员开展了不可凝空气、N2对水蒸气冷凝特性产生影响的相关研究。研究表明，当冷蓬纯蒸汽时，主要的热阻来自于冷凝液膜，而当冷凄组分含不可凝气体时，不可凝气体在液薹酣近形成了热阻，尤其在垂直管的上部。此外，国外研究人员进行了含不可凝气体的蒸汽冷凝理论研究．基于Nusselt液膜理论提出了相应的理论模型和经验公式。
由于木屑热解挥发物包括可凝的生物油挥发分和不可凝的气体，在连续热解装置冷却分离生物油时需考虑不鼍气对冷凝的影响。国内外对热解挥发物中不凝气对冷凝的影响研究较少，本文通过对在木屑不同热解温度产生的挥发物的冷凝特性进行测试，并展开相关研究，为连续热解装备中生物油冷凝器的设计提供参考。
1材料与方法
1.1实验原料
生物质木屑原料采自广州某木材厂，对木屑原料进行粉碎和过20目筛，工业分析及热值如表
1所示。
1.2冷凝特性测试装置
热解挥发物冷凝特性测试系统如图1所示，主要由连续热解部分、测试管及数据记录部分、冷却水部分和冷凝液处理及排气部分组成，其中，连续热解反应发生装置为华南农业大学生物质能实验室自行研制的变螺距连续热解装置。木屑原料通过连续热解装置热解后，产生的挥发物进入冷凝测试管冷凝，并排出不可凝气体。
冷凝测试管包括内管测试部分、外管水套部分和温度传感器分布测试与数据采集部分。测试内管和外管的尺寸如图2所示，内管长度为2.00m，外管长度为1.80 m，内管材质为304不锈钢，外管材质为201不锈钢，图中1为pt100热电阻，2为K型热电偶。
传感器用于测定内管挥发物温度、水温和内管外壁温度。Pt100热电阻有两种规格，一种为长度0.02 m，外径0.003 m,用于测量内管挥发物温度，另一种为长度0.03 m,外径0.004 m,用于测量水温；点状K型热电偶用于测量内管外壁温度，Pt100和K型传感器的精度为+-0.1 0C。pt100传感器均通过螺纹连接垂直固定于内管和外管的壁面上，K型传感器焊接在内管外壁上。以外管最高点为原点，垂直向下为x轴正方向，3种不同规格传感器均安装在x轴正向6个点，距原点距离为0.08, 0.38, 0.72, 1.06, 1.40, 1.76 m。
2实验与结果分析
2.1热解三态产率
在冷凝测试装置上对木屑进行热解温度为400，500℃和600℃冷凝测试实验，木屑原料的处着热解温度的升高，炭产率减少，不凝气产率升高，生物油产率先升后降，600℃时的热解产率最低。挥发物中的不凝气含量随着热解温度的升高而升高。
2.2测试温度值
对内管挥发物温度、冷却水温度和内管外壁温度测试的结果如图3所示，3种温度值整体呈下降趋势，在相同轴向距离的温度随着木屑热解温度的升高而升高；内管挥发物温度和冷却水温度在轴向0.08~0.76 m的差值较大，其他段差值较小二内管外壁温室在轴向0.72~1.6 m的差值较大。
2.3换热系数计算及结果
木屑热解挥发物冷凝局部表面换热系数由局部热流密度求出，局部热流密度通过冷却水侧温度和流量的热流量得出[i8]，局部热流密度计算公式为
式中：mcw为冷凝水质量流量，117 kg/h；Cp为比定压热容．J／（kg．K）；Tcw为轴向位置x测得的水温，0C；di为测试管内径，m。
局部表面换热系数为
式中：Tb为内管挥发物温度，℃；Tw,i为内管内壁温度，℃。
其中，内管内壁温度通过K型热电偶测得的内管外壁温度求出：
式中：Tw,o为内管外壁温度，℃：do为内管外直径，m; Ksus为304不锈钢导热系数，W/(m-K)。
表面换热系数实验值如图4所示，同一热解温度下的表面换热系数随x轴向距离的增加而减小。400 0C木屑挥发物在入口处的表面换热系数为130 W／(m2．K)，高于500℃挥发物的116 W/(m2.K)和600℃挥发物的98 W/(m2.K)。受不凝气热阻的影响，在轴向0.38～1.76 m．木屑500℃和600℃的可凝物质在冷凝管后半段继续冷凝，而400℃挥发物中可凝部分基本在轴向0.08～0.38 n，冷凝为液体，因此在轴向0.38—1.76 m的换热强度比500℃和600℃时低10～20W/(m2.K)。
3模型及拟合分析
运用Nusselt经典液膜理论值分析和衰变因子厂经验模型，对3种热解温度的木屑热解挥发物冷凝特性进行模拟及分析。
Nusselt模型的理论值为
式中：k1为液膜导热系数，W/(m -K)；
为液膜厚度，m;r为汽化潜热，J/kg；u为液膜动力粘度，Pa/s；
为竖直壁面平均温差，℃。
衰变因子f经验模型计算公式为
采用指数衰减方程对实验值进行拟合，得出相应的曲线方程，拟合方程为
基于实验值的指数衰减曲线方程的拟合系数及拟合度如表3所示，3个热解温度的拟合度R2大于0.93，其中400℃的拟合度为0.981 636，能较好地模拟木屑热解挥发物冷凝特性。
木屑不同热解温度挥发物拟合结果如图5所示，Nusselt模型对于3种不同温度的热解挥发物的模拟值均大于实验值，误差大于40%，故不适用于实验值模拟；f因子模型对400℃的模拟值均比实验值大60~80 W／(m2．K)，误差为50%~200%；对500℃的模拟值误差值约为40W/( m2,K)，误差为30%~40%；对600 0C的模拟值小于实验值，误差值为20～40 W/( m2 .K)，误差为15%～40%。由此得出Nusselt模型和f因子模型均不适用于木屑不同热解温度挥发物的冷凝特性的模拟。可能由于这两种模型均以水蒸气为介质，而实际生物质热解挥发物的成分比水蒸气复杂得多。
4结论
本文实验结果表明，木屑原料热解挥发物在同一热解温度下的表面换热系数随x轴向距离的增加而减小。在人口段0.08—0.38 m中,400℃生物质挥发物的表面换热系数高于500 0C和600℃的实验值，原因是不同温度下热解挥发物的不凝气含量增大了人口段表面换热系数的热阻，从而减弱对流换热强度；在后半段，由于400 0C生物质挥发物在前半段冷凝量大，同一轴向位置的表面对流换热强度随热解温度的升高而升高。
运用Nusselt模型，因子模型和指数衰减曲线对实验值进行拟合分析的结果表明，Nusselt模型和厂因子模型均不适用于木屑不同热解温度挥发物的冷凝特性的模拟。基于实验值的指数衰减曲线方程能够模拟木屑热解挥发物的冷凝特性，可为连续热解装备中生物油冷凝器的设计提供参考。
5摘要：
文章建立了生物质热解挥发物冷凝特性参数测试系统，开展了木屑在热解温度分别为400,500,600 0C下的热解挥发物冷凝特性研究。结果表明，在同一热解温度下表面换热系数均随x轴向距离的增加而减小，在入
口段中，400℃生物质挥发物的表面换热系数高于500 0C和6000C的实验值。对实验值进行模型拟合，Nusselt模型和f因子模型均不适用于木屑不同热解温度挥发物的冷凝特性的模拟。通过指数衰减曲线方程对实验值进行拟合，得出的方程能够较好模拟木屑热解挥发物冷凝特性，可为连续热解装备中生物油冷凝器的设计提供参考。
