生物质气化(干馏)过程的物料衡算分析

第27卷第2期可再生能源Vol.27 No,.22009年4月.Renewable Energy ResourcesApr.2009生物质气化(干馏)过程的物料衡算分析魏泉源'，曲永水”，魏晓明3，赵洪叶3，徐冬利3,刘广青2(1.北京市环境保护科学研究院，北京10037; 2.北京化工大学环境科学与工程系，北京100029; 3.北京联合创业建设工程有限公司，北京100013)摘要: 生物质干馏气化是将秸秆、薪柴等农林剩余物在-定的热力学条件下转化为可燃气固体炭、液体产物(木醋液和木焦油)的过程。该反应过程受原料特性、反应温度等诸多因素影响.同时各产物间有不同程度的转换。文章结合北京联合创业建设工程有限公司建设的多个工程实例.以实际生产数据为基础.对生物质千馏气化过程进行物料衡算,运用spss对生产数据进行分析处理,并与理论计算数据进行比较.以期为生物质干馏气化技术的实际应用提供可靠的理论依据。关键词:物料衡算;生物质气化;热解;干馏中图分类号: TK6; TK0I文献标志码: B文章编号: 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,促进人类经济社会的可持续发展，已引起世能源是人类生存与发展的重要保障，随着社界各国的广泛关注。会经济的快速发展,人类面临着经济增长、环境保我国生物质资源可开发潜力较大，据统计,农.护、生存发展与能源消耗的多重矛盾与压力"。改作物秸秆产量高达6亿ta,约有3亿t可作为能变能源生产方式和消费方式，积极探索并寻找替源使用 ,折合1.5 亿t标准煤;林业废弃物年可获代能源，加快生物质能源等可再生能源的开发和得量约9 亿t,约3亿t可作为能源利用,折合约收稿日期: 2008-12-17。葛金项目:科技部中小企业技术创新基金(8C2621100122)0作者简介:魏泉源(1979-),男,硕士.助理研究员,从事固体废物资源化利用研究。E-mail :quanyuan _wei@ 163.com通讯作者:刘广青(1978-).男,博士,硕士生导师,从事可再生能源利用的研究。E mai:liumailbuct.du.cn.88.魏泉源,等生物质气化(干馏)过程的物料衡算分析2亿↑标准煤内州。目前这些有机废弃物大部分被GxHe+LxHz+SxH=H原wX1 000 (2)直接燃烧、随意焚毁或堆放,已成为威胁环境质量根据总物料质量守恒得下式:的主要污染源。因此,对农林剩余物进行高效资源paxG+L+S=1 000(3)化利用迫在眉睫。式中:Co-气体产 物中碳的质量分数,kg/m';农林剩余物可通过热解技术转化生成高品质C--液体产 物中碳的质量分数,%;的生物质燃气等高附加值产品。推广生物质干馏气C,一-固体产物中碳的质量分数 ,%;化技术,不仅可以带动区域经济的发展，提供部分C系料- -原料中碳的质量分数,%;就业岗位,而且能加快社会主义新农村建设步伐,C-一气体产物体 积,m';是促进我国农村经济可持续发展的重要途径风。[一液体产物质量, 包括木醋液和木焦油,kg;1物料衡算的意义s-固体产物质量,kg;由于生物质气化反应过程复杂,产物种类多,Ho--气体产物中 氢的质量分数,kg/m?;因此无法直接从反应式中推导出产物及相互之间H一液体产 物中氢的质量分数,%;的量的关系问，国内同行业也一直没有明确生物H,-- -固体产物中 氢的质量分数，%;质热解产物数量的相关定义，导致相关人员进行Hxw-- -原料中氢的质 量分数,%;生物质气化工程设计及运行管理时缺乏准确详细p一-气体产 物的密度,kg/m’。的依据。从元素分析的角度进行物料衡算具有现生物质千馏气化的物料衡算过程见图2。实意义。物料衡算是所有工艺计算的基础”,通过物料衡算可确定设备容积数量、主要尺寸,同时可进行热量衡算、管路尺寸计算等,为实际生产及_原料反应釜提高经济效益提供理论依据。本隔液木焦油发2物料衡算方法 .生物质干馏气化工艺包括生物质干燥、成型、圈2生物质干馏气化的物料衡算过程气体冷凝冷却、木炭冷却和供热等流程。生物质干Fig.2 Materiel balance calculation for biomass pyrolysis燥一般要求原料含水率低于20%(质量分数)凹。北京联合创业建设工程有限公司在北京郊生物质干馏产生的气体混合物在焦油分离器或列区县建有6座生物质气化站,气化原料均为自制管冷凝器中进行冷凝冷却，其中可凝结的蒸汽冷生物质棒。在原料种类、升温速度及反应时间相凝为木醋液、木焦油,可燃气体通过输送设备进入同的条件下，采用Vario Macro元素分析仪分析储气装置。木炭在干馏釜或专门的冷却设备中进原料及产物中元素的含量，并用spss软件处理分行冷却。供热系统为生物质干馏提供热量。生物质析结果阁，得出反应原料与产物的元素含量均值数干馏气化流程见图1。据(表1)。表1原料及各产物中元素含量Table 1 Ultimate analysis of Raw malerials and products%测试项目原料气体木醋液木焦油固体炭阿机一法除燃间一中和氏路}气限分商]C元素质量百分数4I 44.8 4.68 38.42 88.7H元素质址百分敷5.85.99 10.86.18 2.由水分离将表1中数据代人式(1)~(3)中,可知每处[木精液]不焦街理1t生物质棒，得气体产物245.4 m'，木醋液圈1生物质干馏气化流程383.78 kg,木焦油20.18kg,木炭308.85 kg。Fig.1 Biomass pyrolysis process经计算可得固体产物产率为30.88%,液体产根据物料中碳元素质量守恒得下式:物产率为40.40%，气体产物产率为28.71%。GxC&+LxCL+SxC,=C原和X1 000(1)3衡算公式的检验与确定根据物料中氢元素质量守恒得下式:各气化站热解产物的相对含量见表2。可再生能源2009,27(2)表2热解产物的相对含量通过数据分析可知，在生物质干馏气化过程Table 2 The relative content of pyrolysis products %中，固体产物与液体产物的实际产量要高于理论固体产物的液休产物的气体产物的计算数据，而气体产物的产量略低于理论计算数样本质量分数据,但碳、氢转换达到平衡,这主要是因为在实际生35.2540.228.56HC-228.7538.223.74产过程中,不同热解产物之间存在- -定的相互转化。HC-337.5038.924.354结论HC-433.1442.224.65①将实际生产数据与理论计算所得数据进行HC-535.5040.723.82比较可知，实际生产数据与理论计算数据有较好MX-131.8642.724.47MX-231.1341.827.07的相关性，由此确定了物料衡算基本经验公式及MT-131.0026.09关键数据。MT-231.9845.026.98②以1t生物质为原料进行干馏气化，可得MT-329.2943.427.34到气体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代表海淀车耳营生物质气化站. MX代表密云西恒河③通过对理论计算数据与实际生产数据的拟生物质气化站.MT代表密云太师庄生物质气化站.MH代表密云合,可得气、液、固三相产物的产量与设计能力的黄坨子生物质气化站。关系如下。首先假设H:固体产物产率为30.88%,液体Gx1.17+L+S=M爱计颤力产物产率为40.40%，气体产物产率为28.71%;Gx0.448+Lx0.064+Sx0.887=C策mxM设计能力H:固体产物产率不等于30.88% ,液体产物产率I Gx0.059 9+Lx106+Sx0.024=H mxM设计能力不等于40.40% ,气体产物产率不等于28.71%。上述公式的提出为生物质热解工程设计提供通过spss软件对表2数据进行处理，处理结了必要的依据,为生物质热解生产过程中的进、出果见表3。物料数量提供核算依据,据此可检验生产运转是表3数据的基本统计描述否正常及存在的问题，为进一步对热解过程进行Table 3 Basic statistical analysis能量衡算及经济核算提供了基础数据。项目祥本均值标准差均值的标准误差参考文献:容量固体产物产率11 32.6482 2.691 040.811 38川朱请时,阎立峰,郭庆祥.生物质清洁能源[M).北京:化学T.业出版杜.2002.液体产物产率11 41.3962.10550.6348气体产物产事11 25.6373_ 1.639 660.494 38[2] 吴创之,马隆 龙生物质能现代化利用技术[MJ北京:95%置信区间化学工业出版社,2003.i值自由度P值均值差低[3}]国家发展计划委员会.中国新能源与可再生能源1999固体产物产率2.167 10 0.055 1.75818 -0.497 3.566白皮书{M]北京:中国计划出版社, 199.液体产物产率1.60110 0.140 1.0164 -0.398 2.431[4]姚向君,田宜水.生物质能资源清洁转化利用技术[M].气体产物产率-7.30810 0.000-3.61273-4.714 -2.511北京:化学L业出版社.2005.由表3可以看出,固体产物产率、液体产物产5] 朱锡铩生物质热解原理与技术[M].合肥:中国科学技术大学出版社.2006.率相应的检验统计量l值分别为2.167与1.601,[6] 程备久生物质能学{M].北京:化学工业出版社.2008.自由度为10,假设检验的P值大于0.05 ,原假设成[7] N.P.Chopey.化学 工程计算手册[M],大连:大连工学院立,检验结论是接受原假设Ho,拒绝假设H,即认出版社.1986.为实际生产所得产物的量与理论计算结果一致;[8] 杜志渊.常用统计分析方法-- spss 应用[M].济南:山气体产物产率相应的检验统计量t值为-7.308,自东人民出版社.2006.由度为10,假设检验的P值小于0.05,检验结论[9] MATEO J M. Hybird approaches for modeling drying是拒绝原假设H,接受假设H,即认为实际生产process for particulate eolids (J.Drying Technology,所得产物的量与理论计算结果存在一定的差异。1999, 17(4):809-823.●90.