生物质气化(干馏)过程的物料衡算分析

第27卷第2期可耳生能獯Vol 27 No.22009年4月Renewable Energy ResourcesApr.2009生物质气化(干馏)过程的物料衡算分析魏泉源,曲永水2,魏晓明’,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,北京10003;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一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干馏气化过程进行物料衡算,运用sps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;TK01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-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,折合约收福日期:2008-12-17。基金项目:科技部中小企业技术创新基金(08C262l00122)。中国煤化工作者简介:魏泉源(1979-),男,硕士,助理研究员,从事固体废物资源化利用研CNMHG通讯作者:刘广青(1978-),男博士,硕土生导师从事可再生能源利用的研究。c魏泉源,等生物质气化(千馏)过程的物料衝其分析2亿t标准煤。目前这些有机废弃物大部分被GxH+L×H1+×H=H料X1000(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p×G+L+S=1000化利用迫在眉睫。式中:C气体产物中碳的质量分数,kg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,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一—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G—气体产物体积,m3;是促进我国农村经济可持续发展的重要途径。L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H—气体产物中氢的质量分数kgm3因此无法直接从反应式中推导出产物及相互之间H—液体产物中氢的质量分数,%;的量的关系构,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H剩—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气体产物的密度,kg/m3的依据。从元素分析的角度进行物料衡算具有现生物质干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四,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,为实际生产及反应釜提高经济效益提供理论依据木液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、图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Fg2 Materiel balance calculation for biomass pyrolysis燥一般要求原料含水率低于20%(质量分数)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 macre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,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热解釜Table 1 Ultimate analysis of Raw materials and products冷却测试项目原料气体木醋液木焦油固体炭[风机去焦悔中和洗[气能分离C元素质景百分数414484683842887H元素质量百分数58599108油水分将表1中数据代入式(1)~(3)中,可知每处木藤液木焦油理1t生物质棒,得气体产物2454m3,木醋液图1生物质干馏气化流程38378kg,木焦油2018kg,木炭30885kgFig. I Biomass pyrolysis process经计算可得固体产物产率为3088%,液体产根据物料中碳元素质量守恒得下式:物产厂V中国煤化工为2871%GxC+LxCL+SXCC乘料×1000(1)3賽CNMHG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可再宪能獐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Table2 The relative content of pyrolysis products第中,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质量分数质量分数质量分数据,但碳、氢转换达到平衡,这主要是因为在实际生HC-I35.2528.56HC-228.75产过程中,不同热解产物之间存在一定的相互转化。HC-3375024.35结论2465①将实际生产数据与理论计算所得数据进行HC-535.5023.82比较可知,实际生产数据与理论计算数据有较好MX-131,86MX-231.132707的相关性,由此确定了物料衡算基本经验公式及MT-I3100关键数据。MT231982698②以1t生物质为原料进行干馏气化,可得MT-329.2927.34到气体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黄坨子生物质气化站关系如下。首先假设H0:固体产物产率为30.88%,液体Gx1.17+L+S=M设计力产物产率为40.40%,气体产物产率为2871%;Gx0.448+L×0.064+S×0.887=C料XM设计能力H1:固体产物产率不等于30.88%,液体产物产率G×0.0599+L×106+S×0.024=H原料XM设什能力不等于4040%,气体产物产率不等于2871%。上述公式的提出为生物质热解工程设计提供通过sps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。样本项目容均值标准差均值的标准误差參考文献固体产物产率11326482269104081138朱清时,立峰,郭庆祥生物质清洁能源「M]北京:化液体产物产率1141.3962105506348学丁业出版社,2002气体产物产率2563731.639382]吴创之,马隆尼生物质能现代化利用技术M]北京:95%置信区间化学工业出版社,2003.项目值甪由度P值均值差低高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21671000551.75818-04973.566白皮书M北京:中国计划出版社,1999液体产物产率1601100.14010164-03982434]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-7100000-3.61273-4.714-2511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S]朱锡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t值分别为2l67与1601,(6程备久生物质能学围北京:化学工业出版社,2006自由度为10,假设检验的P值大于005,原假设成[ N P. Chopey,化学工程计算手册M大连:大连I学院立,检验结论是接受原假设H拒绝假设H1,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—sps应用M济南:山气体产物产率相应的检验统计量t值为-7308,自东人民出版社,2006由度为10,假设检验的P值小于005,检验结论⑨中国煤化工modeling drying是拒绝原假设H0,接受假设H,即认为实际生产dHa所得产物的量与理论计算结果存在一定的差异。CNMHG