一种利用Halbach永磁阵列实现生物质热解油增产提质的方法与流程

一种利用halbach永磁阵列实现生物质热解油增产提质的方法
技术领域
1.本发明属于生物质热解技术领域，具体涉及一种利用halbach永磁阵列实现生物质热解油增产提质的方法。


背景技术：

2.传统化石燃料储量有限，燃烧排放大量二氧化碳，导致全球变暖，制约了经济社会可持续发展。联合国政府间气候变化专门委员会(ipcc)预计，若将全球平均升温控制在1.5℃，需要在2050年实现全球温室气体净零排放，为此，世界各国纷纷做出减排承诺。中国也积极应对气候变化，采取有力行动。目前我国能源结构仍是以煤炭为主，中国能源结构转型还有很大发展空间实。生物质作为唯一的可再生碳源，凭借其可持续再生、产量丰富、清洁环保的特点成为当下研究热点。生物质热解技术是一种清洁高效的生物质转化技术，可将生物质转化为燃烧清洁的生物燃料。
3.生物质热解得到的生物油是一种很有前途的替代能源，但是其粘度高、含氧量高、不稳定性等原因阻碍了它的推广应用。为了使热解油得到更广泛的应用，就要对热解油进行改性提质，使其早日替代石油产品，成为高值燃料油。黏度直接影响燃料的使用效果，影响热解油的流动性。因此，探寻高效可行的热解油降黏提质方法成为生物质热解制油技术的核心问题。
4.目前，国内外主要采取催化裂解、催化加氢、催化酯化等方法对热解油进行降粘提质。虽然催化热解手段应用广泛，技术成熟，但存在影响产率、结焦失活、与产品分离困难等问题，仍需探寻新的技术手段实现热解油的提质降粘。磁场作为一种能量场，能够改变物质的微观特性，从而影响物质的理化性质及化学反应进程。据此，磁场有望成为新型的、经济的油品降粘途径。
5.halbach阵列是工程上一种近似理想的磁体结构，可用最少量的磁体产生最强的磁场。这种磁场阵列将磁化方向不同的磁体按某些特殊规则进行排列，使得整个磁场由各单体的磁场叠加而成，出现一侧磁场增强，另一侧磁场抵消的情况，在体积有限的永磁体阵列中实现磁场系统效率的最大化。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中心存在的问题，本发明提供一种利用halbach永磁阵列实现生物质热解油增产提质的方法。本发明首次将halbach磁场阵列应用于生物质热解过程，解决现有技术中生物质热解油产率低、粘度高，催化热解后催化剂结焦失活难以分离的问题。该发明旨在占据热解炉内最少空间而营造最优磁场，实现热解产物的定向调控，为热解油增产提质提供新的工艺路线。
7.本发明的技术方案是：一种利用halbach永磁阵列实现生物质热解增油提质的方法，包括以下步骤：
8.(1)构建圆柱形halbach永磁阵列，由期望的中心磁场强度，确定halbach阵列内外径与剩磁大小；
9.(2)确定离散磁块位置、尺寸、数量，并计算相邻磁块的夹角及磁化方向改变角；
10.(3)基于热解反应器形状尺寸、实际加工难度和磁化方向等问题，选择合适的离散磁块截面形状，选择具有耐高温特性的磁性材料进行充磁；
11.(4)将halbach永磁阵列放置于热解反应器底部，将生物质原料平铺于阵列周围进行高温热解， halbach永磁阵列可在有限空间内营造强而均匀的磁场，有助于生物质原料与气流充分反应，加速升温，促进热解；
12.(5)热解结束后收集热解油，计算油相比例，并对热解油进行粘度测定。
13.所述步骤(1)中halbach永磁阵列中心磁场强度计算公式为b
p
＝brln(do/di)，其中，b
p
为阵列中心磁场， br为磁体材料剩磁，di为阵列内径，do为阵列外径。
14.所述步骤(2)中离散磁块数量为m，相邻磁块的夹角为α＝2π/m，磁化方向改变角为β＝4π/m。
15.所述步骤(3)中离散磁块截面形状包括但不限于正方形、圆形、梯形、扇形、正多边。
16.本发明的有益效果为：本发明方法创新性地将halbach阵列应用于生物质热解过程，实现热解产物的定向调控，达到提高生物油产率、降低生物油粘度的目的。该方法减少了催化剂成本，避免了催化剂结焦分离的繁琐步骤，简单经济。在有限空间内实现磁场优化，构建均匀且强度更大的磁场，有利于加速热解，实现源头降粘，兼顾热解油的产率和品质最优，对生物质热解工艺优化和生物燃料提质具有重要意义。
附图说明
17.图1是放置halbach阵列的固定床热解炉示意图；
18.图2是热解炉内halbach阵列磁块布置图；
19.图3是热解炉内halbach阵列磁场示意图；
20.其中：1-氮气瓶；2-保温加热层；3-热解炉；4-halbach永磁阵列；5-磁场；6-冷凝器
具体实施方式
21.下面结合附图及具体实施方案对本发明作进一步详细说明。
22.系统方法原理：halbach阵列磁场内部可以形成更为均匀且强度较大的磁场，而且条形磁块占据的体积更小，磁块放置位置顺应流体流动规律，有助于更多物料与气流充分反应。炉内生物质在无氧条件下进行高温热解生成包含大量逆磁性有机物的挥发分，挥发分在halbach磁场阵列中受到磁浮升力的作用，热磁对流增强，导致炉内流体传热增强，升温速率加快，推动热解反应进程。此外，halbach磁场影响热解过程中自由基反应，热解油内在组分有所改变，进而提高生物油产率与品质。
23.以油菜籽作为生物质原料，halbach阵列作为磁场发生源，采用固定床热解方式，进行halbach阵列磁场下磁化热解油菜籽为低粘度生物油的实验。具体实施方法如下：
24.——选取8块截面为正方形的离散磁块构建halbach阵列，相邻磁块的夹角为45
°
，磁化方向改变角为90
°
；
25.——将离散磁块按图2所示放置和充磁，采用不锈钢架固定于热解炉3底部，内部磁场分布如图3所示。该磁场为恒定磁场，磁块尺寸20mm*20mm*50mm，材质为杉钴，具有耐高温特性；
26.——将质量为300g的油菜籽，经过烘干后均匀平铺于炉膛底部halbach永磁阵列4周围，将炉体密封并连接组装固定床各部件；
27.——实验前开启制冷及循环系统，冷凝介质低于0℃后才可以开始实验；
28.——热解实验开始前，由氮气瓶1经气体分布器向炉内均匀通入氮气，以排空炉内氧气。实验中将氮气流量调到0.06m3/min，保持炉内无氧环境；
29.——根据热解实验要求，将热解终温设置在500℃，温度控制系统根据反馈温度自动调节加热。数据采集系统将定时对温度测点进行数据采集；
30.——实验过程中，保持氮气流量稳定，观察泄压管路压力变化，避免压力过高产生危险，实时记录产气流量；
31.——实验结束后，关闭温度控制系统。将氮气流量调至0.1m3/h，继续吹扫炉内残余热解气。顺次关闭制冷系统、循环系统、数据采集系统；
32.——待炉体冷却后，收集冷凝器6中热解液，通过分液漏斗将热解液油水分离后，得到油相比例为 57.6％。使用旋转粘度计测量热解油粘度，结果显示热解油粘度为13.17mpa
·
s；
33.将同等质量油菜籽经烘干后平铺于无halbach阵列的热解炉底部，按照上述热解步骤进行油菜籽无磁化热解，同样在实验结束后将冷凝器中收集的热解液进行油水分离，得到油相比例为55.1％。使用旋转式粘度计测量热解油粘度，结果显示热解油粘度为17.21mpa
·
s。将两组实验结果对比可知，halbach阵列下生物油产率比无磁场提高了2.5％，热解油粘度比无磁场降低约24％。结果表明，halbach永磁阵列对油菜籽热解得到的生物油有较好的增产提质降粘的效果。
34.尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。