生物質(zhì)氣化(干餾)過(guò)程的物料衡算分析

第27卷第2期可再生能源Vol.27 No,.22009年4月.Renewable Energy ResourcesApr.2009生物質(zhì)氣化(干餾)過(guò)程的物料衡算分析魏泉源'，曲永水”，魏曉明3，趙洪葉3，徐冬利3,劉廣青2(1.北京市環(huán)境保護科學(xué)研究院，北京10037; 2.北京化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京100029; 3.北京聯(lián)合創(chuàng )業(yè)建設工程有限公司，北京100013)摘要: 生物質(zhì)干餾氣化是將秸稈、薪柴等農林剩余物在-定的熱力學(xué)條件下轉化為可燃氣固體炭、液體產(chǎn)物(木醋液和木焦油)的過(guò)程。該反應過(guò)程受原料特性、反應溫度等諸多因素影響.同時(shí)各產(chǎn)物間有不同程度的轉換。文章結合北京聯(lián)合創(chuàng )業(yè)建設工程有限公司建設的多個(gè)工程實(shí)例.以實(shí)際生產(chǎn)數據為基礎.對生物質(zhì)千餾氣化過(guò)程進(jìn)行物料衡算,運用spss對生產(chǎn)數據進(jìn)行分析處理,并與理論計算數據進(jìn)行比較.以期為生物質(zhì)干餾氣化技術(shù)的實(shí)際應用提供可靠的理論依據。關(guān)鍵詞:物料衡算;生物質(zhì)氣化;熱解;干餾中圖分類(lèi)號: TK6; TK0I文獻標志碼: B文章編號: 1671- -5292(2009)02- 0088-03Materiel balance calculation for biomass gasification(pyrolysis) processWEI Quan-yuan'，QU Yong shuit, WEI Xiao-ming'，ZHAO Hong-ye', XU Dong-Lf, LIUGuang qing2(1.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China; 2.Beijjing University ofChemical Technology, Environmental Science and Prject Departmenl, Beijing 100029, China; 3.Beijing LianheChuangye Construction Engineering Co.Ltd, Beijing 100013, China)Abstract: Under given thermochemical conditions, biomass pyrolysis can convert the biomasswaste straw into good quality gas fuel, charcoal, wood vinegar and wood tar. The reaction is infu-enced by raw materiel, temperature etc. The output of production is variable because of the trans-formnation among different products. With the projects of Bejing Lianhe Chuangye ConstructionEngineering Co, Ld. as examples, we analyzed the mass balance of biomass pyrolysis process andsome valuable data was obtained through the calculations. Spss method of statistical analysis isused to analyze the product data and compared it with theoretical data. These data are useful foranalyzing the process in the future.Key words: materiel balance; biomass gasification; pyrolysis; carbonization0前言利用,促進(jìn)人類(lèi)經(jīng)濟社會(huì )的可持續發(fā)展，已引起世能源是人類(lèi)生存與發(fā)展的重要保障，隨著(zhù)社界各國的廣泛關(guān)注。會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類(lèi)面臨著(zhù)經(jīng)濟增長(cháng)、環(huán)境保我國生物質(zhì)資源可開(kāi)發(fā)潛力較大，據統計,農.護、生存發(fā)展與能源消耗的多重矛盾與壓力"。改作物秸稈產(chǎn)量高達6億ta,約有3億t可作為能變能源生產(chǎn)方式和消費方式，積極探索并尋找替源使用 ,折合1.5 億t標準煤;林業(yè)廢棄物年可獲代能源，加快生物質(zhì)能源等可再生能源的開(kāi)發(fā)和得量約9 億t,約3億t可作為能源利用,折合約收稿日期: 2008-12-17。葛金項目:科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新基金(8C2621100122)0作者簡(jiǎn)介:魏泉源(1979-),男,碩士.助理研究員,從事固體廢物資源化利用研究。E-mail :quanyuan _wei@ 163.com通訊作者:劉廣青(1978-).男,博士,碩士生導師,從事可再生能源利用的研究。E mai:liumailbuct.du.cn.88.魏泉源,等生物質(zhì)氣化(干餾)過(guò)程的物料衡算分析2億↑標準煤內州。目前這些有機廢棄物大部分被GxHe+LxHz+SxH=H原wX1 000 (2)直接燃燒、隨意焚毀或堆放,已成為威脅環(huán)境質(zhì)量根據總物料質(zhì)量守恒得下式:的主要污染源。因此,對農林剩余物進(jìn)行高效資源paxG+L+S=1 000(3)化利用迫在眉睫。式中:Co-氣體產(chǎn) 物中碳的質(zhì)量分數,kg/m';農林剩余物可通過(guò)熱解技術(shù)轉化生成高品質(zhì)C--液體產(chǎn) 物中碳的質(zhì)量分數,%;的生物質(zhì)燃氣等高附加值產(chǎn)品。推廣生物質(zhì)干餾氣C,一-固體產(chǎn)物中碳的質(zhì)量分數 ,%;化技術(shù),不僅可以帶動(dòng)區域經(jīng)濟的發(fā)展，提供部分C系料- -原料中碳的質(zhì)量分數,%;就業(yè)崗位,而且能加快社會(huì )主義新農村建設步伐,C-一氣體產(chǎn)物體 積,m';是促進(jìn)我國農村經(jīng)濟可持續發(fā)展的重要途徑風(fēng)。[一液體產(chǎn)物質(zhì)量, 包括木醋液和木焦油,kg;1物料衡算的意義s-固體產(chǎn)物質(zhì)量,kg;由于生物質(zhì)氣化反應過(guò)程復雜,產(chǎn)物種類(lèi)多,Ho--氣體產(chǎn)物中 氫的質(zhì)量分數,kg/m?;因此無(wú)法直接從反應式中推導出產(chǎn)物及相互之間H一液體產(chǎn) 物中氫的質(zhì)量分數,%;的量的關(guān)系問(wèn)，國內同行業(yè)也一直沒(méi)有明確生物H,-- -固體產(chǎn)物中 氫的質(zhì)量分數，%;質(zhì)熱解產(chǎn)物數量的相關(guān)定義，導致相關(guān)人員進(jìn)行Hxw-- -原料中氫的質(zhì) 量分數,%;生物質(zhì)氣化工程設計及運行管理時(shí)缺乏準確詳細p一-氣體產(chǎn) 物的密度,kg/m’。的依據。從元素分析的角度進(jìn)行物料衡算具有現生物質(zhì)千餾氣化的物料衡算過(guò)程見(jiàn)圖2。實(shí)意義。物料衡算是所有工藝計算的基礎”,通過(guò)物料衡算可確定設備容積數量、主要尺寸,同時(shí)可進(jìn)行熱量衡算、管路尺寸計算等,為實(shí)際生產(chǎn)及_原料反應釜提高經(jīng)濟效益提供理論依據。本隔液木焦油發(fā)2物料衡算方法 .生物質(zhì)干餾氣化工藝包括生物質(zhì)干燥、成型、圈2生物質(zhì)干餾氣化的物料衡算過(guò)程氣體冷凝冷卻、木炭冷卻和供熱等流程。生物質(zhì)干Fig.2 Materiel balance calculation for biomass pyrolysis燥一般要求原料含水率低于20%(質(zhì)量分數)凹。北京聯(lián)合創(chuàng )業(yè)建設工程有限公司在北京郊生物質(zhì)干餾產(chǎn)生的氣體混合物在焦油分離器或列區縣建有6座生物質(zhì)氣化站,氣化原料均為自制管冷凝器中進(jìn)行冷凝冷卻，其中可凝結的蒸汽冷生物質(zhì)棒。在原料種類(lèi)、升溫速度及反應時(shí)間相凝為木醋液、木焦油,可燃氣體通過(guò)輸送設備進(jìn)入同的條件下，采用Vario Macro元素分析儀分析儲氣裝置。木炭在干餾釜或專(zhuān)門(mén)的冷卻設備中進(jìn)原料及產(chǎn)物中元素的含量，并用spss軟件處理分行冷卻。供熱系統為生物質(zhì)干餾提供熱量。生物質(zhì)析結果閣，得出反應原料與產(chǎn)物的元素含量均值數干餾氣化流程見(jiàn)圖1。據(表1)。表1原料及各產(chǎn)物中元素含量Table 1 Ultimate analysis of Raw malerials and products%測試項目原料氣體木醋液木焦油固體炭阿機一法除燃間一中和氏路}氣限分商]C元素質(zhì)量百分數4I 44.8 4.68 38.42 88.7H元素質(zhì)址百分敷5.85.99 10.86.18 2.由水分離將表1中數據代人式(1)~(3)中,可知每處[木精液]不焦街理1t生物質(zhì)棒，得氣體產(chǎn)物245.4 m'，木醋液圈1生物質(zhì)干餾氣化流程383.78 kg,木焦油20.18kg,木炭308.85 kg。Fig.1 Biomass pyrolysis process經(jīng)計算可得固體產(chǎn)物產(chǎn)率為30.88%,液體產(chǎn)根據物料中碳元素質(zhì)量守恒得下式:物產(chǎn)率為40.40%，氣體產(chǎn)物產(chǎn)率為28.71%。GxC&+LxCL+SxC,=C原和X1 000(1)3衡算公式的檢驗與確定根據物料中氫元素質(zhì)量守恒得下式:各氣化站熱解產(chǎn)物的相對含量見(jiàn)表2?？稍偕茉?009,27(2)表2熱解產(chǎn)物的相對含量通過(guò)數據分析可知，在生物質(zhì)干餾氣化過(guò)程Table 2 The relative content of pyrolysis products %中，固體產(chǎn)物與液體產(chǎn)物的實(shí)際產(chǎn)量要高于理論固體產(chǎn)物的液休產(chǎn)物的氣體產(chǎn)物的計算數據，而氣體產(chǎn)物的產(chǎn)量略低于理論計算數樣本質(zhì)量分數據,但碳、氫轉換達到平衡,這主要是因為在實(shí)際生35.2540.228.56HC-228.7538.223.74產(chǎn)過(guò)程中,不同熱解產(chǎn)物之間存在- -定的相互轉化。HC-337.5038.924.354結論HC-433.1442.224.65①將實(shí)際生產(chǎn)數據與理論計算所得數據進(jìn)行HC-535.5040.723.82比較可知，實(shí)際生產(chǎn)數據與理論計算數據有較好MX-131.8642.724.47MX-231.1341.827.07的相關(guān)性，由此確定了物料衡算基本經(jīng)驗公式及MT-131.0026.09關(guān)鍵數據。MT-231.9845.026.98②以1t生物質(zhì)為原料進(jìn)行干餾氣化，可得MT-329.2943.427.34到氣體245.4 m',木醋液383.78 kg,木焦油20.18MH-133.7339.324.94MH-2kg,木炭308.85 kg。注:HC代表海淀車(chē)耳營(yíng)生物質(zhì)氣化站. MX代表密云西恒河③通過(guò)對理論計算數據與實(shí)際生產(chǎn)數據的擬生物質(zhì)氣化站.MT代表密云太師莊生物質(zhì)氣化站.MH代表密云合,可得氣、液、固三相產(chǎn)物的產(chǎn)量與設計能力的黃坨子生物質(zhì)氣化站。關(guān)系如下。首先假設H:固體產(chǎn)物產(chǎn)率為30.88%,液體Gx1.17+L+S=M愛(ài)計顫力產(chǎn)物產(chǎn)率為40.40%，氣體產(chǎn)物產(chǎn)率為28.71%;Gx0.448+Lx0.064+Sx0.887=C策mxM設計能力H:固體產(chǎn)物產(chǎn)率不等于30.88% ,液體產(chǎn)物產(chǎn)率I Gx0.059 9+Lx106+Sx0.024=H mxM設計能力不等于40.40% ,氣體產(chǎn)物產(chǎn)率不等于28.71%。上述公式的提出為生物質(zhì)熱解工程設計提供通過(guò)spss軟件對表2數據進(jìn)行處理，處理結了必要的依據,為生物質(zhì)熱解生產(chǎn)過(guò)程中的進(jìn)、出果見(jiàn)表3。物料數量提供核算依據,據此可檢驗生產(chǎn)運轉是表3數據的基本統計描述否正常及存在的問(wèn)題，為進(jìn)一步對熱解過(guò)程進(jìn)行Table 3 Basic statistical analysis能量衡算及經(jīng)濟核算提供了基礎數據。項目祥本均值標準差均值的標準誤差參考文獻:容量固體產(chǎn)物產(chǎn)率11 32.6482 2.691 040.811 38川朱請時(shí),閻立峰,郭慶祥.生物質(zhì)清潔能源[M).北京:化學(xué)T.業(yè)出版杜.2002.液體產(chǎn)物產(chǎn)率11 41.3962.10550.6348氣體產(chǎn)物產(chǎn)事11 25.6373_ 1.639 660.494 38[2] 吳創(chuàng )之,馬隆 龍生物質(zhì)能現代化利用技術(shù)[MJ北京:95%置信區間化學(xué)工業(yè)出版社,2003.i值自由度P值均值差低[3}]國家發(fā)展計劃委員會(huì ).中國新能源與可再生能源1999固體產(chǎn)物產(chǎn)率2.167 10 0.055 1.75818 -0.497 3.566白皮書(shū){M]北京:中國計劃出版社, 199.液體產(chǎn)物產(chǎn)率1.60110 0.140 1.0164 -0.398 2.431[4]姚向君,田宜水.生物質(zhì)能資源清潔轉化利用技術(shù)[M].氣體產(chǎn)物產(chǎn)率-7.30810 0.000-3.61273-4.714 -2.511北京:化學(xué)L業(yè)出版社.2005.由表3可以看出,固體產(chǎn)物產(chǎn)率、液體產(chǎn)物產(chǎn)5] 朱錫鎩生物質(zhì)熱解原理與技術(shù)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.2006.率相應的檢驗統計量l值分別為2.167與1.601,[6] 程備久生物質(zhì)能學(xué){M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2008.自由度為10,假設檢驗的P值大于0.05 ,原假設成[7] N.P.Chopey.化學(xué) 工程計算手冊[M],大連:大連工學(xué)院立,檢驗結論是接受原假設Ho,拒絕假設H,即認出版社.1986.為實(shí)際生產(chǎn)所得產(chǎn)物的量與理論計算結果一致;[8] 杜志淵.常用統計分析方法-- spss 應用[M].濟南:山氣體產(chǎn)物產(chǎn)率相應的檢驗統計量t值為-7.308,自東人民出版社.2006.由度為10,假設檢驗的P值小于0.05,檢驗結論[9] MATEO J M. Hybird approaches for modeling drying是拒絕原假設H,接受假設H,即認為實(shí)際生產(chǎn)process for particulate eolids (J.Drying Technology,所得產(chǎn)物的量與理論計算結果存在一定的差異。1999, 17(4):809-823.●90.