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(hù)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(shè)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(nóng)林剩余物在一定的熱力學(xué)條件下轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?、固體炭液體產(chǎn)物(木醋液和木焦油)的過程。該反應(yīng)過程受原料特性、反應(yīng)溫度等諸多因素影響,同時(shí)各產(chǎn)物間有不同程度的轉(zhuǎn)換。文章結(jié)合北京聯(lián)合創(chuàng)業(yè)建設(shè)工程有限公司建設(shè)的多個(gè)工程實(shí)例,以實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)生物質(zhì)干餾氣化過程進(jìn)行物料衡算,運(yùn)用sps對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,并與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以期為生物質(zhì)干餾氣化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:物料衡算;生物質(zhì)氣化;熱解;干餾中圖分類號(hào):TK6;TK01文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):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)人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,已引起世能源是人類生存與發(fā)展的重要保障,隨著社界各國的廣泛關(guān)注。會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類面臨著經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境保我國生物質(zhì)資源可開發(fā)潛力較大,據(jù)統(tǒng)計(jì),農(nóng)護(hù)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(dá)6億ta,約有3億t可作為能變能源生產(chǎn)方式和消費(fèi)方式,積極探索并尋找替源使用,折合1.5億t標(biāo)準(zhǔn)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。基金項(xiàng)目: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(dǎo)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)過程的物料衝其分析2億t標(biāo)準(zhǔn)煤。目前這些有機(jī)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(jù)總物料質(zhì)量守恒得下式的主要污染源。因此,對(duì)農(nóng)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?jǐn)?shù),kg農(nóng)林剩余物可通過熱解技術(shù)轉(zhuǎn)化生成高品質(zhì)C液體產(chǎn)物中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%的生物質(zhì)燃?xì)獾雀吒郊又诞a(chǎn)品。推廣生物質(zhì)干餾氣C,固體產(chǎn)物中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)化技術(shù),不僅可以帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,提供部分C一—原料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;就業(yè)崗位,而且能加快社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)步伐G—?dú)怏w產(chǎn)物體積,m3;是促進(jìn)我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)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(yīng)過程復(fù)雜,產(chǎn)物種類多H—?dú)怏w產(chǎn)物中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)kgm3因此無法直接從反應(yīng)式中推導(dǎo)出產(chǎn)物及相互之間H—液體產(chǎn)物中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;的量的關(guān)系構(gòu),國內(nèi)同行業(yè)也一直沒有明確生物H—固體產(chǎn)物中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%質(zhì)熱解產(chǎn)物數(shù)量的相關(guān)定義,導(dǎo)致相關(guān)人員進(jìn)行H?！现袣涞馁|(zhì)量分?jǐn)?shù),%生物質(zhì)氣化工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理時(shí)缺乏準(zhǔn)確詳細(xì)氣體產(chǎn)物的密度,kg/m3的依據(jù)。從元素分析的角度進(jìn)行物料衡算具有現(xiàn)生物質(zhì)干餾氣化的物料衡算過程見圖2。實(shí)意義。物料衡算是所有工藝計(jì)算的基礎(chǔ)四,通過物料衡算可確定設(shè)備容積數(shù)量、主要尺寸,同時(shí)可進(jìn)行熱量衡算、管路尺寸計(jì)算等,為實(shí)際生產(chǎn)及反應(yīng)釜提高經(jīng)濟(jì)效益提供理論依據(jù)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?jǐn)?shù))北京聯(lián)合創(chuàng)業(yè)建設(shè)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(qū)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(jié)的蒸汽冷生物質(zhì)棒。在原料種類、升溫速度及反應(yīng)時(shí)間相凝為木醋液、木焦油,可燃?xì)怏w通過輸送設(shè)備進(jìn)入同的條件下,采用 Vario macre元素分析儀分析儲(chǔ)氣裝置。木炭在干餾釜或?qū)ｉT的冷卻設(shè)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(tǒng)為生物質(zhì)干餾提供熱量。生物質(zhì)析結(jié)果,得出反應(yīng)原料與產(chǎn)物的元素含量均值數(shù)干餾氣化流程見圖1。據(jù)(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(xiàng)目原料氣體木醋液木焦油固體炭[風(fēng)機(jī)去焦悔中和洗[氣能分離C元素質(zhì)景百分?jǐn)?shù)414484683842887H元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)58599108油水分將表1中數(shù)據(jù)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(jì)算可得固體產(chǎn)物產(chǎn)率為3088%,液體產(chǎn)根據(jù)物料中碳元素質(zhì)量守恒得下式:物產(chǎn)廠V中國煤化工為2871%GxC+LxCL+SXCC乘料×1000(1)3賽CNMHG根據(jù)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(duì)含量見表2可再憲能獐2009,27(2)表2熱解產(chǎn)物的相對(duì)含量通過數(shù)據(jù)分析可知,在生物質(zhì)干餾氣化過程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(jì)算數(shù)據(jù),而氣體產(chǎn)物的產(chǎn)量略低于理論計(jì)算數(shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)據(jù),但碳、氫轉(zhuǎn)換達(dá)到平衡,這主要是因?yàn)樵趯?shí)際生HC-I35.2528.56HC-228.75產(chǎn)過程中,不同熱解產(chǎn)物之間存在一定的相互轉(zhuǎn)化。HC-3375024.35結(jié)論2465①將實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行HC-535.5023.82比較可知,實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)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(yàn)公式及MT-I3100關(guān)鍵數(shù)據(jù)。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通過對(duì)理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)能力黃坨子生物質(zhì)氣化站關(guān)系如下。首先假設(shè)H0:固體產(chǎn)物產(chǎn)率為30.88%,液體Gx1.17+L+S=M設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)提供通過sps軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,處理結(jié)了必要的依據(jù),為生物質(zhì)熱解生產(chǎn)過程中的進(jìn)、出果見表3。物料數(shù)量提供核算依據(jù),據(jù)此可檢驗(yàn)生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)是表3數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計(jì)描述否正常及存在的問題,為進(jìn)一步對(duì)熱解過程進(jìn)行Table 3 Basic statistical analysis能量衡算及經(jīng)濟(jì)核算提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。樣本項(xiàng)目容均值標(biāo)準(zhǔn)差均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差參考文獻(xiàn)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(xiàn)代化利用技術(shù)M]北京:95%置信區(qū)間化學(xué)工業(yè)出版社,2003.項(xiàng)目值甪由度P值均值差低高3]國家發(fā)展計(jì)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M北京:中國計(jì)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(zhuǎn)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(yīng)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(shè)檢驗(yàn)的P值大于005,原假設(shè)成[ N P. Chopey,化學(xué)工程計(jì)算手冊(cè)M大連:大連I學(xué)院立,檢驗(yàn)結(jié)論是接受原假設(shè)H拒絕假設(shè)H1,即認(rèn)出版社,1986.為實(shí)際生產(chǎn)所得產(chǎn)物的量與理論計(jì)算結(jié)果一致;[8]杜志淵常用統(tǒng)計(jì)分析方法—sps應(yīng)用M濟(jì)南:山氣體產(chǎn)物產(chǎn)率相應(yīng)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量t值為-7308,自東人民出版社,2006由度為10,假設(shè)檢驗(yàn)的P值小于005,檢驗(yàn)結(jié)論⑨中國煤化工modeling drying是拒絕原假設(shè)H0,接受假設(shè)H,即認(rèn)為實(shí)際生產(chǎn)dHa所得產(chǎn)物的量與理論計(jì)算結(jié)果存在一定的差異。CNMHG