生物质干馏气化过程中的物料衡算_魏晓明

表 4-b
t值ห้องสมุดไป่ตู้
数据的基本统计描述
df 自由度
One-Sample Statistics
Mean Difference 均值差 95%Confidence Interval of the Difference 置信区间 Lower Upper 3.5660 2.431 -2.5112
农业秸秆可以通过气化技术转化生成高品质的生物质燃气，以村镇为单元建设众多的农业废弃物集中 气化供气系统，将为农村的能源结构带来一场新的革命，并将会产生巨大的环境效益、经济效益和社会效 益[5]。不仅可以带动区域经济的发展，而且能解决部分劳力就业；同时，村级气化系统的建设，方便了群 众，提高了农民的生活质量，缩小了城乡差别，推动了农村两个文明建设和社会进步，是增强我国农村经 济可持续发展的重要途径。
N
数据的基本统计描述
Mean 均值 32.6482 41.396 25.6373
One-Sample Statistics
Std.Deviation 标准差 2.69104 2.1055 1.63966 Std.Error Mean 均 值的标准误差 0.81138 0.6348 0.49438
样本容量 固体产率 液体产率 气体产率 11 11 11
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根据总物料守恒得下式：
ρ G × G + L + S = 1000 ；
将以上三式连立得以下方程组：
⎧ ρ G × G + L + S = 1000 ⎪ ⎨G × C G + L × CL + S × CS = C原料 × 1000 ⎪G × H + L × HL + S × H = H原料 × 1000 G S ⎩
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及相互之间的量的关系；同时，国内同行业一直没有明确生物质热解产物数量的相关定义，导致工程设计 及运行管理没有准确详细的依据。因此从元素分析的角度进行物料衡算就有现实意义。物料衡算是所有工 艺计算的基础[7]，通过物料衡算可确定设备容积、台数、主要尺寸，同时可进行热量衡算、管路尺寸计算 等，为实际生产及提高经济效益提供了理论依据。
首先建立假设：H0：固体产物产率为 30.88%；液体产物产率为 40.40%；气体产物产率为 28.71%。 H1：固体产物产率不等于 30.88%；液体产物产率不等为 40.40%；气体产物产率不等 28.71%。 通过 spss 软件对表三数据进行处理，得出结果表 4（a、b）
1022
表 4-a
作者简介：魏晓明,男，硕士学位，现在北京联合创业工程建设有限公司工作，任助理研究院，研究方向废弃物资源化处理; 刘广青(通信作者)，北京化工大学，Email:guangqing.liu@gmail.com
1018
1 概述
1.1 工艺介绍
能源是人类生存与发展的重要保障，也是国民经济增长与发展的根本动力与基本保证。随着社会经济 的快速发展，人类面临着社会经济增长、环境保护、生存发展与能源消耗的多重矛盾与压力[1]。改变能源 生产方式和消费方式，积极探索并寻找矿物替代能源，加快生物质能源等可再生能源的开发和利用，促进 人类经济社会的可持续发展，已引起世界各国的广泛关注。 与此相对应的是，根据统计，我国已成为世界上有机废弃物产生量最大的国家[2]，仅农业废弃物秸秆 量就高达 6 亿吨/年。如此数目众多的固体有机废弃物未被资源化利用，而是被随意焚毁、丢弃或直接排放 到环境中，使“资源”成为“污染源”。尤其是在广大农村地区，秸秆焚烧现象非常严重，已成为威胁我国环 境质量和安全的主要污染源。因而，对农作物秸秆进行合理开发与利用迫在眉睫。 表 1 所示是我国主要的农作物秸秆产量,从表中可以看出，秸秆来源最主要的三大农作物分别是玉米、 小麦和稻谷。而我国目前对秸秆的综合利用主要是还田、覆盖果园、生产有机肥、栽培食用菌、燃气发电 和集中气化供气等[4]。 表 1 中国主要农作物秸秆生成量
图 1 生物质干馏过程流程示意图 该过程的物料衡算过程示意图如下图所示：
图 2 生物质干馏过程物料衡算过程示意图 根据物料中碳元素守恒得下式： G × C G + L × CL + S × Cs = C原料 × 1000 ； 根据物料中氢元素守恒得下式： G × H G + L × HL + S × Hs = H原料 × 1000 ；
１.2
物料衡算的意义
农作物秸秆废弃物气化包括干燥、热解、氧化和还原反应 [6] ，涉及到的主要反应反应式包括：
C + H 2O ⎯ ⎯→ CO + H 2 C + 2H 2 ⎯ ⎯→ CH 4
C + CO 2 ⎯ ⎯→ 2CO
以上反应式为气体产物主要的反应式，由于反应复杂，产物众多，故而无法直接从反应式中推导产物
农作物种类 稻谷 小麦 玉米 豆类 薯类 油料 棉花 甘蔗 其他杂粮 合计 产量/万吨 19871.3 10972.6 13295.4 2000.6 3604.2 2313.9 450.1 8343..8 1458.4 谷草比/t·t-1 0.623 1.326 2 1.5 0.5 2 3 0.1 1 秸秆量/万吨 12379.82 14659.39 26590.80 3000.90 1802.10 4627.80 1350.30 834.38 1485.40 66730.89
2 物料衡算方法的提出及确定
2.1 计算方法
生物质干馏气化的工艺包括生物质干燥、生物质成型、气体冷凝冷却、木炭冷却和供热系统。生物质 干燥一般要求原料含水率低于 20%[9]。生物质干馏产生的蒸汽气体混合物在焦油分离器或列管冷凝器中进 行冷凝冷却，使其中可凝结的蒸汽冷凝为木醋液、 木焦油。 木炭可在干馏釜或专门的冷却设备中进行冷却。 供热系统可为生物质干馏提供热量。 其反应流程如下所示：
HL ：液体中氢的质量分数，%； H S ：固体中氢的质量分数，%；
H 原料
：原料中氢的质量分数，%；
ρ G ：气体的密度， kg m 3 ；
2.2 方程组各系数的确定方法
本公司在北京四个郊区县建有六个生物质气站，原料采用自制秸秆棒。在原料、升温速度及反应 时间相同的前提下，采用 Vario Macro 元素分析仪分析原料及产物中元素的含量，并用 spss 软件处理 结果[8]，得出反应原料与产物的元素含量均值数据如表 2 所示： 表 2 各组分元素含量
Materiel Balance Calculation for Biomass Gasification
WEI Xiaoming1 , QU Yongshui2 , ZHAO Hongye1 , WEI Quanyuan3, LIU Guangqing2
(1. Beijing Lianhe Chuangye Construction Engineering Co.,Ltd.,Beijing:100013；2.Beijing University of Chemical Technology, Beijing:100029; 3.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection,Beijing:100037) Abstract: Under given thermochemical conditions biomass pyrolysis can convert the biomass waste straw, into good quality fuels, charcoal, wood vinegar and wood tar oil with noncombustible conditions. The reaction is influenced by raw materiel, temperature etc. The output of production is variational because of the transformation of different output. Combined with the production of Beijing Lianhe Chuangye Construction Engineering Co., Ltd., we analysis the balance of biomass pyrolysis process and we get many valuable data through the calculations. Using Spss method of statistical analysis to analyze the product data and compared it with theoretical data. These data are useful for potential analysis of the process. Keywords: Materiel Balance, Biomass Gasification, pyrolytic gas making, dry distrllation
生物质干馏气化过程中的物料衡算
魏晓明 1 曲永水 2 赵洪叶 1 魏泉源 3 刘广青 2
（1.北京联合创业建设工程有限公司，北京：100013； 2.北京化工大学，北京：100029； 3.北京市环境保护科学研究院，北京：100037）
摘要：生物质热解气化是将秸秆等农业废弃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。其反应过程受原料、温度等因素影响，产物间有不同程度的转换并由此产生数量的变化。本文 结合北京联合创业公司多个建设运行的工程实例，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， 并运用 spss 对生产数据分析处理与理论计算数据进行比较，得到比较符合实际的理论数据。 关键词：物料衡算；生物质气化；热解制气；干馏
3
s=308.85 kg 。
相对于原料，固体产物产率为 30.88%，液体产物产率为 40.40%，气体产物产率为 28.71%。
3 衡算公式的检验与确定
根据气站实际生产运行情况，热解产物相对量如表 3 所示： 表 3 干馏热解产物相对量
项目 HC-1 HC-2 HC-3 HC-4 HC-5 MX-1 MX-2 MT-1 MT-2 MT-3 MH-1 MH-2 固体产物的质量分数（%） 35.25 28.75 37.50 33.14 35.50 31.86 31.13 31.00 31.98 29.29 33.73 35.25 液体产物的质量分数（%） 40.2 38.2 38.9 42.2 40.7 42.7 41.8 42.9 45.0 43.4 39.3 40.2 气体产物的质量分数（%） 28.56 23.74 24.35 24.65 23.82 24.47 27.07 26.09 26.98 27.34 24.94 28.56
测试项目 含 C 元素质量百分数（%） 含 H 元素质量百分数（%） 原料 41 5.8 气体 44.8 5.99 木醋液 4.68 10.8 木焦油 38.42 6.18 固体碳 88.7 2.4
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将上述各系数带入方程组，每处理一吨自制秸秆棒，计算得气、液、固的量分别为： 气体： g=245.4 m ；液体中木醋液：383.78 kg 、木焦油：20.18 kg ；木炭：
其中各项表示物理意义如下：
C G ：气体中碳的质量分数， kg m 3 ；
CL ：液体中碳的质量分数，% ；
C S ：固体中碳的质量分数，% ；
C原料
：原料中碳的质量分数，%；
3
G：气体体积， m ； L：液体质量，包括木醋液和木焦油 kg ； S：固体质量， kg ；
H G ：气体中氢的质量分数， kg m 3 ；
[3]
折算系数 0.429 0.500 0.529 0.543 0.486 0.529 0.543 0.411 0.050
折标煤/万吨 5320.943 7329.697 14066.530 1629.489 875.8206 1448.106 733.2129 367.9616 74.27 32836.030