生物質(zhì)的能量預測及建模

第31卷第2期東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報Vol. 31 No. 22003年3月OURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITYMar,2003生物質(zhì)的能量預測及建模1)王述洋譚文英趙殊王立娟劉建孫仁山(東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱l5040)摘要選擇20種中國草本、木本生物質(zhì)為試樣粉碎至0.8-1.2mm在110±5)C條件下連續干燥12h以上取岀后立即進(jìn)行C、HN元素含量和發(fā)熱量測定并根據測定結果分別建立了基于C、H元素含量的能量預測經(jīng)驗公式該公式分別通過(guò)了α=0.01和α=0.1檢驗。研究表明生物質(zhì)的能量大小與其CH元素的含量呈線(xiàn)性正比關(guān)系泩生物質(zhì)的發(fā)熱量隨著(zhù)其氮元素含量的增加呈明顯減少趨勢但未達到顯著(zhù)水平關(guān)鍵詞生物質(zhì)能量測定能量預測建模分類(lèi)號TK6The Predict of Biomass Energy and the Establishment of Modeling/Wang Shuyang, Tan Wenying Zhao Shu Wang LijuanLiu Jian, Sun Renshar( Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China )/Journal of Northeast Forestry University2003,3K2).-72~74In this thesis the authors choose 20 kinds of Chinese herbaceous and woody biomass as samples smash to 0.8-1.2 mm sizeand continually dry above 12 hours in the condition of 110+ 5 )C then immediately measure the content and the heat quantityof the element of C, H,N. According to the measurement result established the energy predict experiential formulations basethe content of the element of C and H, and passed respectively the checkout of a=0. 01 and a=0. 1. The research indicatesthat the relationship between biomass energy quantity and the content of C and H shows linearly direct ratio and the heat quantityhas an obvious reducing tendency along with the adding content of the n element, but it doesn t achieve the marked levelKey words Biomass Energy measurement Energy predict Establishment of modeling不論是生物質(zhì)熱解氣化還是熱解液化都需要事先估算生物質(zhì)能來(lái)源于生物質(zhì)主要指直接或間接地通過(guò)綠色植所用生物質(zhì)原料充分燃燒時(shí)所能釋放岀的全部能量。以前人物的光合作用把太陽(yáng)能轉化為化學(xué)能后固定和貯藏在生物質(zhì)們主要用氧彈式熱量分析儀來(lái)測定生物質(zhì)的能量(即發(fā)熱(包括動(dòng)物體內的能量。廣義地講生物質(zhì)還包括由綠色植物量)這種方法既費時(shí)、又耗資而且需要有良好的儀器和實(shí)派生旳各種生物質(zhì)如有機生活垃圾、有機物廢水、人畜糞便和驗室條件。而事實(shí)上任何一種生物質(zhì)的發(fā)熱量必然與它的各種水生植物如藻類(lèi)、浮萍、水葫蘆、水風(fēng)信子等)含碳量和含氬量有關(guān)而科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天絕大部分生物從組成成分看生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素質(zhì)的化學(xué)成分已被測定并可從相關(guān)資料中查取。因此如果以及灰分等成分組成。對木材而言,CH、O、N的含量一般分能將生物質(zhì)的發(fā)熱量與其碳、氬元素的含量相互聯(lián)系起來(lái)建別為52%、6.3%、40.5%、0.4%左右纖維素、木質(zhì)素與半纖立一種簡(jiǎn)捷方便的生物質(zhì)發(fā)熱量預測經(jīng)驗公式必將對推廣維素一般分別占43%、35%和22%2。農作物類(lèi)生物質(zhì)的纖和普及生物質(zhì)能利用技術(shù)提供方便維素木質(zhì)素與半纖維素各組分的具體含量見(jiàn)表p。筆者在國家863″計劃支持下試圖通過(guò)對常見(jiàn)的20種表1生物質(zhì)成分分析質(zhì)量百分比db)生物質(zhì)發(fā)熱量及碳氬含量測試和建摸研究建立起生物質(zhì)發(fā)生物質(zhì)類(lèi)型纖維素半纖維素木質(zhì)素萃取物惰性灰熱量預測估計經(jīng)驗公式以期為生產(chǎn)實(shí)際中快速查閱和計算甘蔗渣41.323.818.313.72.9生物質(zhì)的發(fā)熱量及能量轉化率提供便捷手段和參考方法。椰樹(shù)殼6.38.30.7生物質(zhì)的物質(zhì)組成及其分布玉米棒40.316.615.42.8玉米桿42.7所謂生物質(zhì)是指有機物中除礦物燃料外的所有來(lái)源于動(dòng)棉花網(wǎng)廢物7.8植物而又能夠再生的物質(zhì)。筆者研究所涉及的生物質(zhì)主要指落地花生17,9各種林業(yè)剩余物、薪柴和各種農作物的根、莖、葉及谷物殼皮谷殼等如玉米秸桿、豆秸、稻殼、玉米芯、各種樹(shù)木的樹(shù)皮、樹(shù)枝、稻殼31.314.3423.5樹(shù)葉等經(jīng)光合作用而產(chǎn)生的各種有機體。在各種可再生能源稻桿13.613.119.8中生物質(zhì)是儲存太陽(yáng)能的一種惟一可再生的炭源可轉化成小麥桿30.513.411.2常規的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料d表示干生物質(zhì)( Dry biomass或 Dry base1)國家863“高技術(shù)(200144514060)國家自然科學(xué)基金2中國煤化工測定(30170758X948″國外先進(jìn)農業(yè)技術(shù)引進(jìn)(2001-28)黑龍江省自然科學(xué)基金項目(SJD-011鄭分內容CNMHG定的。但就其發(fā)熱量測定第一作者簡(jiǎn)介汪述洋男,1958年3月生東北林業(yè)大學(xué)機電工研究而言假定其含水量不變則影響生物質(zhì)發(fā)熱量的因素主程學(xué)院教授要是生物質(zhì)的元素成分具體主要體現在生物質(zhì)的碳、氫、氮、收稿日期2002年12月4日。氧等元素的含量。因此,首先應對所選生物質(zhì)的碳、氫、氮、氧責任編輯張建華等元素的含量進(jìn)行準確測定然后測量各個(gè)試樣的發(fā)熱量。第2期王述洋等生物質(zhì)的能量預測及建模732.1試樣來(lái)源表3生物質(zhì)發(fā)熱量測試數據記錄本研究的目標主要面向我國的農林廢棄生物質(zhì)利用需要因此其實(shí)驗用原料選擇充分考慮了國內常見(jiàn)生物質(zhì)的種類(lèi)生物質(zhì)類(lèi)型實(shí)驗發(fā)熱量主期溫樣質(zhì)量CH為使研究結果及擬建的生物質(zhì)發(fā)熱量預測模型具有廣泛色木59818745.81.3060.732548.186.500.65的代表性筆者選擇了國內比較常見(jiàn)的20種生物質(zhì)為測定試水曲柳591946.31.650.82449.096.49157樣對其發(fā)熱量和碳、氬氮氧等元素的含量進(jìn)行準確測定。暴馬丁香001831301.4508044896714試樣種類(lèi)詳見(jiàn)表33.試樣產(chǎn)地除竹子(浙江杭州市知廢橡子628s.11531082594碗河北青龍縣栲膠廠(chǎng)外其余均來(lái)自黑龍江省農林地區。白松6031965.5-1.4100.741049.96.92-0.362.2實(shí)驗方法和實(shí)驗儀器柞木60420091.71.6460.856847.876.521.282.2.1試樣制備方法稻17180.61.4300.876440.215.340.08為保證測量準確對選定的生物質(zhì)原料進(jìn)行必要的預處樺19890.31.7000.883648.26.561.99玉米芯粉碎和干燥。16750.41.2860.781046.756.322.52豆秸60817441.31.7291.000144.995.621.12首先對生物質(zhì)原料進(jìn)行洗滌以去除可能的雜質(zhì)、灰塵,紅松60919374.31.8851.000549.466.350.09并在陽(yáng)光下適當晾曬然后將其切制成小于1cm3的塊狀送榆木61019439.,31.801.00548.746.721.50入101-1AS型電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干干燥箱溫度設定為(110核桃611190.21:811.00248.416.262.30±5)℃連續干燥12h以上然后再用rZO2型植物粉碎機進(jìn)玉米秸61217026.81.6421.000245.946.142.16行二次粉碎。粉碎后分別用20、406080目的標準篩將其篩白楊61319230.21.8491.0048.626.571.65廢橡碗61419893.61.9100.999546.565.171.%6分成直徑粒度分別為0.8~1.2、0.5~0.8、0.2~0.5mm<0落葉松樹(shù)皮61819847.00.9760.495051.486.151.062mm4個(gè)等級然后分別裝入瓷坩堝內再送入電熱鼓風(fēng)干椴木61719423.80.9761.00049.306.770.88燥箱內連續烘干12h以上取出后立即進(jìn)行元素含量和發(fā)熱樟子松62019630.9650.465250.156601.37量測定。注苯甲酸發(fā)熱量10275.4J/g,標定樣重0.9689g2.2.2實(shí)驗儀器設備采用美國PE-2400CNN型元素分析儀測定各種生物質(zhì)的CHN含量采用國產(chǎn)wGR-1型微電腦熱量測定儀測定各種生物質(zhì)的發(fā)熱量。具體測定時(shí)嚴格按上述儀器使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。實(shí)驗儀器設備有關(guān)技術(shù)性能和主要指標見(jiàn)表2。表2測量?jì)x器和設備儀器名稱(chēng)型號制造廠(chǎng)家精元素分析儀PE-240HN美國P公司0.001mg微電腦熱量測定儀長(cháng)沙儀器廠(chǎng)重復誤差≤0.2%分辨率0.001℃含碳量%電熱鼓風(fēng)干燥箱101-AS型北京永光明電醫療儀器廠(chǎng)靈敏度:±2%圖1生物質(zhì)發(fā)熱量與碳元素含量的關(guān)系光電分析天平TG-3284型上海天平儀器廠(chǎng)2.3測定結果及分析用上述儀器和方法對篩選出的20種生物質(zhì)的C、HN元9020素的含量和發(fā)熱量進(jìn)行了測定其測定結果見(jiàn)表3和圖1圖盞2、圖3。14觀(guān)察表3和圖1、圖2、圖3不難看出生物質(zhì)的發(fā)熱量分別具有隨C元素含量和H元素含量的增加而增加隨N元素含量的增加反而減少的基本趨勢。產(chǎn)生這種現象的原因,可用熱化學(xué)原理解釋。由熱化學(xué)理論碳、氬在一定的壓力和環(huán)含氫量%境溫度下的燃燒反應屬放熱反應。例如將碳、氬分別在0.1013MP298K條件下進(jìn)行燃燒反應將分別放出286.4圖2生物質(zhì)發(fā)熱量與氫元素含量的關(guān)系k和242.4k的熱量4。即s)+0xg)>8k0.103MB→xg)+3.7k;(1)H(8)+2Osg)3k D 1or 3 MPa-+H,g)+中國煤化工(2)CNMHGHg)+lo() D 101 3 MPa-H,(1)+2286.4kJl(3)1.5可見(jiàn)從熱化學(xué)角度生物質(zhì)的C、H含量越高發(fā)熱量就含氮量%圖3生物質(zhì)的發(fā)熱量隨氮元素含量的增加的變化74東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報第31卷3生物質(zhì)發(fā)熱量的預測建模勢但未達到顯著(zhù)水平玉米秸桿高梁秸稈引用一元線(xiàn)性回歸原理用最小二乘法估計擬建預測模豆秸麥秸型的系數a和b后分別得到了以C含量和H含量為自變量稻草的生物質(zhì)發(fā)熱量預測經(jīng)驗公式Qc=321.127C+3591.86Qm=930.505H+13103.832(5)之報挑式中Q—用含碳量百分率計算的發(fā)熱量J)Qn—用含氫量百分率計算的發(fā)熱量(J)C——生物質(zhì)含碳質(zhì)量百分率;5H—生物質(zhì)含氫質(zhì)量百分率含水率%經(jīng)顯著(zhù)性檢驗式4和(5的相關(guān)系數分別為圖4生物質(zhì)的發(fā)熱量隨含水率的變動(dòng)IR(20)=0.695>R0.o(20-2)=0.6787筆者所建立的基于生物質(zhì)碳元素含量自變量的生物質(zhì)RK20)=0.399>R020-2)=0.3788發(fā)熱量預測經(jīng)驗公式通過(guò)a=0.01水平檢驗,為生物質(zhì)能即公式4)(5)分別通過(guò)了0.01和0.1檢驗。其中式4通研究和開(kāi)發(fā)中的生物質(zhì)能量計算、預測和能量轉化效率計算,過(guò)0.01檢驗具有較高的置信度可用于生物質(zhì)能工程實(shí)際。提供參考。實(shí)際應用中生物質(zhì)的發(fā)熱量還與本身的含水率有關(guān)圖參考文獻4給出了5種生物質(zhì)發(fā)熱量受含水率影響的情況51可供使用時(shí)類(lèi)比和參考。陳冠益生物質(zhì)熱解試驗與機理研究【學(xué)位論文]杭州浙江大學(xué)998結論2胡成春.新能源和可再生能源發(fā)展戰略.農村能源發(fā)展問(wèn)題研究生物質(zhì)的發(fā)熱量能量玙其碳元素的含量高度線(xiàn)性正相3王述洋生物質(zhì)熱解動(dòng)力學(xué)建模及錐式閃速熱解裝置設計理論研關(guān)信度99%。究[學(xué)位論文]哈爾濱東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)的發(fā)熱量與其氫元素的含量線(xiàn)性正相關(guān),信度介禹,森林燃燒能量學(xué),哈爾濱東北林業(yè)大學(xué)出版社,1992.700%生物質(zhì)的發(fā)熱量隨著(zhù)其氮元素含量的增加呈明顯減少趨5中國農業(yè)工程設計院等編農業(yè)工程手冊第3分冊北京濃業(yè)出版社1993.4中國煤化工CNMHG