生物質(zhì)氣化(干餾)過(guò)程的物料衡算分析

第27卷第2期可耳生能獯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2,魏曉明’,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,北京10003;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一定的熱力學(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)干餾氣化過(guò)程進(jìn)行物料衡算,運用sps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;TK01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-shui, WEI Xiao-ming, ZHAO Hong-ye, XU Dong-Li,LIUGuang-qing(1. Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China; 2. Beijing University ofChemical Technology, Environmental Science and Project Department, 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 influenced by raw materiel, temperature etc. The output of production is variable because of the trans-formation among different products. With the projects of Beijing Lianhe Chuangye ConstructionEngineering Co, Ltd 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; carbonization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,折合約收福日期:2008-12-17?；痦椖?科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新基金(08C262l00122)。中國煤化工作者簡(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CNMHG通訊作者:劉廣青(1978-),男博士,碩土生導師從事可再生能源利用的研究。c魏泉源,等生物質(zhì)氣化(千餾)過(guò)程的物料衝其分析2億t標準煤。目前這些有機廢棄物大部分被GxH+L×H1+×H=H料X1000(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p×G+L+S=1000化利用迫在眉睫。式中:C氣體產(chǎn)物中碳的質(zhì)量分數,kg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,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一—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G—氣體產(chǎn)物體積,m3;是促進(jìn)我國農村經(jīng)濟可持續發(fā)展的重要途徑。L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H—氣體產(chǎn)物中氫的質(zhì)量分數kgm3因此無(wú)法直接從反應式中推導出產(chǎn)物及相互之間H—液體產(chǎn)物中氫的質(zhì)量分數,%;的量的關(guān)系構,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H?！现袣涞馁|(zhì)量分數,%生物質(zhì)氣化工程設計及運行管理時(shí)缺乏準確詳細氣體產(chǎn)物的密度,kg/m3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)干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四,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)及反應釜提高經(jīng)濟效益提供理論依據木液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、圖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Fg2 Materiel balance calculation for biomass pyrolysis燥一般要求原料含水率低于20%(質(zhì)量分數)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 macre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,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)物中元素含量熱解釜Table 1 Ultimate analysis of Raw materials and products冷卻測試項目原料氣體木醋液木焦油固體炭[風(fēng)機去焦悔中和洗[氣能分離C元素質(zhì)景百分數414484683842887H元素質(zhì)量百分數58599108油水分將表1中數據代入式(1)~(3)中,可知每處木藤液木焦油理1t生物質(zhì)棒,得氣體產(chǎn)物2454m3,木醋液圖1生物質(zhì)干餾氣化流程38378kg,木焦油2018kg,木炭30885kgFig. I Biomass pyrolysis process經(jīng)計算可得固體產(chǎn)物產(chǎn)率為3088%,液體產(chǎn)根據物料中碳元素質(zhì)量守恒得下式:物產(chǎn)廠(chǎng)V中國煤化工為2871%GxC+LxCL+SXCC乘料×1000(1)3賽CNMHG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可再憲能獐2009,27(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Table2 The relative content of pyrolysis products第中,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質(zhì)量分數質(zhì)量分數質(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HC-I35.2528.56HC-228.75產(chǎn)過(guò)程中,不同熱解產(chǎn)物之間存在一定的相互轉化。HC-3375024.35結論2465①將實(shí)際生產(chǎn)數據與理論計算所得數據進(jìn)行HC-535.5023.82比較可知,實(shí)際生產(chǎn)數據與理論計算數據有較好MX-131,86MX-231.132707的相關(guān)性,由此確定了物料衡算基本經(jīng)驗公式及MT-I3100關(guān)鍵數據。MT231982698②以1t生物質(zhì)為原料進(jìn)行干餾氣化,可得MT-329.2927.34到氣體2454m3,木醋液383.78kg,木焦油20.18MH-133.732494MH-2kg,木炭308.85kg注HC代表海淀耳背生物質(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)量與設計能力黃坨子生物質(zhì)氣化站關(guān)系如下。首先假設H0:固體產(chǎn)物產(chǎn)率為30.88%,液體Gx1.17+L+S=M設計力產(chǎn)物產(chǎn)率為40.40%,氣體產(chǎn)物產(chǎn)率為2871%;Gx0.448+L×0.064+S×0.887=C料XM設計能力H1:固體產(chǎn)物產(chǎn)率不等于30.88%,液體產(chǎn)物產(chǎn)率G×0.0599+L×106+S×0.024=H原料XM設什能力不等于4040%,氣體產(chǎn)物產(chǎn)率不等于2871%。上述公式的提出為生物質(zhì)熱解工程設計提供通過(guò)sps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。樣本項目容均值標準差均值的標準誤差參考文獻固體產(chǎn)物產(chǎn)率11326482269104081138朱清時(shí),立峰,郭慶祥生物質(zhì)清潔能源「M]北京:化液體產(chǎn)物產(chǎn)率1141.3962105506348學(xué)丁業(yè)出版社,2002氣體產(chǎn)物產(chǎn)率2563731.639382]吳創(chuàng )之,馬隆尼生物質(zhì)能現代化利用技術(shù)M]北京:95%置信區間化學(xué)工業(yè)出版社,2003.項目值甪由度P值均值差低高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21671000551.75818-04973.566白皮書(shū)M北京:中國計劃出版社,1999液體產(chǎn)物產(chǎn)率1601100.14010164-03982434]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-7100000-3.61273-4.714-2511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)S]朱錫生物質(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t值分別為2l67與1601,(6程備久生物質(zhì)能學(xué)圍北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006自由度為10,假設檢驗的P值大于005,原假設成[ N P. Chopey,化學(xué)工程計算手冊M大連:大連I學(xué)院立,檢驗結論是接受原假設H拒絕假設H1,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—sps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-7308,自東人民出版社,2006由度為10,假設檢驗的P值小于005,檢驗結論⑨中國煤化工modeling drying是拒絕原假設H0,接受假設H,即認為實(shí)際生產(chǎn)dHa所得產(chǎn)物的量與理論計算結果存在一定的差異。CNMHG