（机械设计及理论专业论文）生物质煤双燃料气化炉设计及试验研究.pdf

摘要 我国的人均次性能源十分贫乏，而同时，我国每年仍有巨量的各科，农林废弃 物、城市有机垃圾等生物质得不到有效的处理和利用。因此，研究一种将各种生物 质经济、快速、高效地转化成新能源的技术和方法，具有重大的经济意义和社会意 义。 本文作者在查阅国内外大量相关资料的基础上，进1 9 t 生物质热解的实验，并 做了生物质发热量预测及建模研究，建立了以h 和c 为自变量的生物质能量预测经 验公式，为生物质气化装置能量转化率计算和生物质能量利用率计算提供了依据和 记寝、 本论文同时自主设计研制了一台s m _ i 新型生物质煤双燃料气化炉，并主要 利用锯术生物质对其各项设计参数做t i e 交实验，求得最佳结果，在实验的基础上 提i n 了相应的改进意见，为广大农村推广应用新型节能设备的试验提供了一种先 进、理想的选择。 关键浏：生物质；热解；气化炉；正交实验 a b s t r a c t i nc h i n at h eo n e o f fe n e r g yi sv e r yn e e d y o nt h ec o n t r a r y , e v e r yy e a rt h e r es t i l la r e l a r g eq u a n t i t y o fa l lk i n d so fa g r i c u l t u r ea n df o r e s t r yw a s t e sa n dt h e c i t yo r g a n i s m g a r b a g ew h i c hc a n t b ee f f i c i e n t l yu s e d s or e s e a r c ho n et e c h n o l o g ya n dm e t h o do f e c o n o m i c a l l y f l e e t l y , h i g h e f f i c i e n t l yc o n v e r t a l lk i n d so fb i o m a s st on e w e n e r g nw h i c h h a v et h ei m p o r t a n te c o n o m i cm e a n i n ga n ds o c i a lm e a n i n g 7 l h ee s s a ya u t h o rc o n s u l tt h el o t so f n a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lr e l a t e di n f o r m a t i o n ，a n d p r o c e e dt h eb i o m a s sp y r o l y s i se x p e r i m e n t ，p r e d i c tt h eb i o m a s s h e a tv a l u ea n de s t a b l i s h t h em o d u l e ，a n de s t a b l i s ht h ee x p e r i m e n tf o r m u l at h r o u g hc ，ho ft h ei n d e p e n d e n t v a r i a b l e e s i g n ，p r o v i d et h ee v i d e n ta n dt h ec o n v e n i e n c ef o rc a l c u l a t i n gt h e r a t eo ft h e e n e r g yc o n v e r t i n ga n du s i n g o f t h eb i o m a s se q u i p m e n t t h ee s s a ya u t h o ra l s od e s i g nas m in e wb i o m a s s c o a lt w of u e lg a s i f y k i l na n d t h r o u g ht h es a w d u s to r t h o g o n a lt e s tt h ep a r a m e t e r s ，g e t t h eo p t i m a lr e s u l t s ，a n dt h r o u g h t h et e s t ，w ea d v a n c et h ei m p r o v e dm e t h o d ，p r o v i d eaa d v a n t a g e ，p e r f e c tc h o i c ef o rt h e c o u n t r ya p p l y t h en e w s a v i n ge n e r g ye x p e r i m e n t k e d v o r d s ：b i o m a s s ，p y r o l y s i s ，g a s i f yk i l n ，o r t h o g o n a l t e s t 生物质一煤域燃料气化炉设计及试验研究i l 绪论 1 1 问题的提f 如及其研究意义 1 1 1 世界能源已面临严重短缺 随着全球经济的发展，世界各国已经充分认识到能源的重要性与短缺性，因此 丌发新能源将是促进经济增长和解决环境保护的重要战略举措。据美国能源情报局 近1 1 公币i 的国际能源前景年度报告统计，未来2 0 年内，在全球能源方面，消 耗将增长6 0 。目前，这种能源需求主要通过增加石油、煤炭的消耗量来满足，这 不仅涉及到有限的石油、煤炭资源的维持问题，而且会使危及人类的环境污染问题 变得f 趋严重。因此，发展新能源，提高能源利用效率，尽可能多地利用可再生能 源，已经成为世界各国优先发展的战略目标。 1 1 2 我国未来能源不足及传统能源也将消耗殆尽 我国是最大的发展中国家，又是一个人口大国，能源短缺，利用水平低是阻碍 国家经济和社会发展的重要瓶颈之一。我国未来能源不足和仅靠传统能源产业无法 解决已成定局，据权威专家预测，按现行经济增长模式和计划目标发展，到2 0 5 0 年，我国一次能源的实际需求量保守估计将超过1 0 0 亿吨标准煤，而届时，一次能 源的供应能力大约总共只有3 0 亿3 5 亿吨标准煤( 其中煤炭约占6 0 ) ，相差6 5 亿吨标准煤。这一分析表明，到本世纪中叶，我国人均次性能源占有最仅为2 吨 左右，仅比1 9 9 5 年增加一倍。如果和世界相比，现今世界总能耗约为2 0 0 亿吨标 准煤，世界人均占有能源为4 吨标准煤，显而易见，我国未来能源形势不容乐观。 而我国能源资源相对不足，如果按现行经济模式发展下去，届时，我国一次能源的 需求量将超过i 0 0 亿吨标准煤，这是仅靠传统能源产业所无法解决的“。而如果继 续增加煤炭燃烧则必然将加剧环境污染，2 1 世纪我国将面临着经济增长和环境保 护的双重压力。 i i 3 我国农林生物质资源严重浪费 我国生物质资源十分丰富( 见图i - i ) ，据有关资料统计，我国林业生物质能源 薪材年资源最达3 0 0 0 多万吨，农业生物质能源秸秆和稻壳分别达6 亿吨和0 1 5 亿 吨，另外还有城镇有机废物能源。全国的生物质的可再生能量按热量折合约为2 3 亿吨煤，相当于r p 国农村能耗的5 3 1 2 1 p 。特别秸秆作为一种十分重要的可再生能 2 东北林业大学硕士学位论文 源，其) 1 ：发及利用价值极高。然而虽然我国每年生产大量的农作物秸秆，但一些可 再生的生物质能源却面临着大量的闲置与浪费，除了少数用作家畜饲料外，其中的 大部分都丢弃在田埂地脚，有的则用焚烧的办法进行处理。据有关专家和部门估计， 我国每年生产的秸秆扣除现有各种利用，尚有4 5 亿吨5 5 亿吨农! i 秸秆、谷物壳 皮和13 亿吨1 5 亿吨的林业树皮、锯末、枝丫等剩余生物质由于没有先进、经济、 商效的利用技术而被白自废弃删9 儿jo j l 川f 】2 】f j 3 】，严重忽视了生物质的能源与生态环 境作用，既污染了环境，又造成了资源的大量浪费，如此，不仅使国家的能源交通 业不堪重负，而且农村的生态环境问题也将日趋严重。 图1 1 我国可开发生物质能资源 为了改善我国的生态环境、制止水土流失，贯彻执行可持续发展的基本国策， 国家于1 9 9 8 年实施了天然林保护工程。在禁止砍伐天然林，进行封山育林之后， 农村能源的供求矛盾日益突出。因此，开发适用于农村的低成本能源已经成为政府 和社会亟待解决的一个重要课题。 1 1 4 将废弃生物质进行气化是解决农村能源问题的有效途径 从能源长远发展战略高度来审视，寻求一条可持续发展的能源道路，大力利用 新能源和可再生( 新) 能源以减少对环境的污染，加快新能源对传统能源的新旧更 替，已经成为我国近期急需解决的重大问题。因此改变能源生产和消费方式，开发 利用生物质能等可再生清洁能源、资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发 展和环境保护具有重大意义。 作为绿色能源，将废弃生物质进行气化，变低品位能源为高品位能源，在环境 效益上，生物质生产工程中会吸收大气中的c 0 2 ，这就意味着使用生物质燃料还能 减少c 0 2 的净排放，有助于缓解地球温室效应。在现实生产生活中，特别是在农村 地区，具有效率高、原料适应性强、设备简单、投资较低的优点，现在仍然占有重 生物质一煤双燃料气化炉设计及试验研究3 要的地位。i 玉lj l l ，立足于农村现有的生物质资源，研究新型生物质气化转换技术， j r 发新型设备，既是农村发展的迫切需要，又是减少排放、保护环境、实施可持续 发展战略的需要。所以，尽快丌发生物质能源，补充国家能源总体不足，势在必行。 1 2 国内外同类技术研究综述 1 2 1 生物质能在能源系统中的地位 生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能 源，在全球能源结构中占有十分重要的地位。生物质能源的合理刀：发和有效利用关 系到世界的未来。生物质能潜力很大，世界上约有2 5 0 0 0 0 种生物，在提供理想的 环境与条件下，光合作用的最高效率可达8 1 5 ，一般情况下平均效率为0 5 左 右，可以转化为大量的生物质能源。生物质具有能量的潜在应用价值，全球c 0 2 平衡不受生物质燃烧影响，因为生物质是天然碳循环的一部分。生物质的优点是资 源量大、价格便宜、含硫量低、灰分少，而且可以再生，具有生物可降解特性，与 石油化工原料相比较，污染小，符合环境保护及人身安全等法规，因此只要因地制 宜地采取措施，利用人类现有的科学技术，选择合理的技术方案，采用先进的工艺， 发展新的能量转化方法，注意提高生物系统的能量利用率和经济性，就能够使生物 质资源得到有效的利用。有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系 统的组成部分，到本世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总 能耗的4 0 以上。 1 2 2 生物质气化工艺及原理流程 生物质气化是生物质能高品位利用的一种主要技术，它是一种热化学反应技 术，通过气化装鼹的热化学反应，将生物质原料在缺氧状态下燃烧和进行还原的能 量转换过程，可以将固态生物质原料转换成使用方便而且清洁的高品位的可燃气 体。秸秆生物质气化技术是在秸秆直燃方式的基础上，通过先进的生物质燃气制造 技术和科学的快速热解方法，将各类植物秸秆在缺氧状态下进行复杂的物化反应而 进行能最转换的过程。当生物质原料进入气化炉后被干燥，伴随着温度的升高，析 出挥发物，并在高温下裂解( 热解) 。热解后的气体和炭在氧化区与供入的气化介 质( 空气、氧气、水蒸气等) 发生氧化反应并燃烧。燃烧放出的热量用于维持干燥、 热解和还原反应，最终生成了含有一定量的一氧化碳、氢气、甲烷及部分碳氢化合 物的混合气体，去除焦油、杂质后即可燃用。煤和秸秆等生物质的热裂解制气在原 4 东北林业大学硕士学位论文 理上足一样的，均是将各类煤炭和各种秸秆等生物质在密闭缺氧的条 f - t ：下，运用高 温热裂解及清洁能源转化技术，在不加任何添加剂的条f + b t - 进行复杂的热化学反 成，史现粗制能源向精制洁净能源的转化。 原理流程： 秸秆( 围体、煤) 生物制气技术一一生物质燃气( 气体) 一一管道连接灶具一 一燃烧( 高效利用) 。 即：让富含碳氢元素的植物秸秆经秸秆生物质燃气发生炉作用使其变成一氧化 碳、氢气、甲烷等可燃气体，致使秸秆中的能量全部转变成气体。具体反应流程如 f ：物料从炉予顶部加入，原料中的水分蒸发后随空气进入炉内参加还原反应，不 再混入产品气中，从而提高了产品气中氢气和碳氢化合物的含量，同时气体不被水 蒸气稀释，使气体的热值提高2 5 左右；控制床层高度在5 0 0 8 0 0 m m ，使热分解 反应在较高温度下进行，以保证反应物料最上层温度不低于5 0 0 。c ，使热分解在 5 0 0 8 0 04 c 之间进行，产生可燃气体，再将可燃气体经管道与燃气灶连接，来实现 蒸煮食物及满足各类加热需要【2 0 1 。 1 2 3 国i a ) j l , 生物质气化技术发展现状 目前，我国对生物质进行气化处理取得了可喜的进展，将农林生物质废弃物转 化为可燃气的技术已初见成效，主要应用于集中供气、供热、发电等方面。从“六 五”计划以来，先后对农作物秸秆热解气化技术进行了一系列研究与开发，并取得 了定成绩。从“七五”计划开始，投入大量科研经费，组织众多的科研机构和专 业人员，对生物质气化技术进行重点攻关，并先后有多项成果问世。在热解气化方 面，一些秸秆气化装置，如低热值的n d - 4 0 0 、n d 一6 0 0 、n d - 9 0 0 型设备已相继研 制成功并投放市场，并建立了1 0 0 多个气化集中供气村。另外，以生物质l l 断1 ! j l j 技 术为核一心的综合利用技术模式，由于其明显的经济和社会效益而得到快速发展，这 也成为中国生物质能利用的特色。1 9 8 1 年，江苏省研制出第一台稻壳气化发电装 置，装机容量为1 6 0 k w 。中国林科院林产化学工业研究所，从二十世纪八十年代 开始研究开发了集中供热、供气的上吸式气化炉，并且先后在黑龙江、福建等地得 到j h k 化应用，气化炉的最人生产能力达6 3 1 0 6 k a h 。i | 科院j l 能i ! i ： 形f 究所j i 1 9 8 6 年在黑龙江省海伦县建成了直径8 5 0 m m 、加料量l o o k g h 、工作能力为 1 0 0 1 0 4 i c i 1 1 的上吸式气化炉。不久，又研制成直径为l ，1 m ，工作能力为3 0 0 1 0 4 k j h 的上l 吸式气化炉【5 1 。山东省能源研究所研究开发了下吸式气化炉，主要用于秸秆等 农业废弃物的气化，在农村居民集中居住地区得到较好的推广应用，并已形成产业 生物质一煤烈燃料气化炉殴计及试验研究5 讫斓揆。到1 9 9 8i f 底，我幽如建成秸耔气化集中供气站1 6 4 处，供气4 5 7 2 万m 3 ， 阁，。7 7 0 0 芦4 。在改革，l ：赦2 0 多年寒，我辍瓣生携矮气纯技术取褥了氏足熬逡步， 并在实际生产生活中发撵了煎大的作用1 6 1 。 1 静，生物顼能技术的研究与) 1 ：发已成为l 丛界重火热门课题之，受到世界各 溺政府与荤萼学家豹关注。溺羚生物蔟爱技术开发蹩觚= 一 一邋纪强年饯术潮，1 ：戆静， 撬在已有了很大避震。许多黼家都铡定了稳应开发弼 究计划，如r 本豹辫光计划、 e i 】度的绿色能源工程、美阂的能源农场和鼹西的酒精能源汁划等，其中生物质能源 鹣拜笈秘蹋占有榛当戆毙黧。在生甥霞气纯技术镢域，国外生貔矮气化装餮一般娥 模较大，自动化程度较高，工艺较复杂，主要以供热和发电为主，如加拿大摩尔公 司( m o o r ec a n a d al t d ) 设计和发展的固定床瀑式上吸式气化装置、加零火通用燃 秘气 芑装饕煮黻公司( o m n if u e lg a s i f i c a t i o ns y s t e ml i m i t e d ) 设诗露逡熬溅 芑床气 化装霞、荚国标缓固体燃辩公嗣( s t a n d a r ds o l i df u e l si n c ) 设计象造瀚炭化气纯术 煤气发生系统、德国茵贝尔能源公司( i m b e r te n e r g i e t e c h r t i kg m b h ) 设计制造的 下啜式气化炉一内燃壤发魄擞缎系统等，气纯效率可达6 0 9 0 ，可燃气热值为 1 7 以5 4 搿矗费 5 j 。强魏，藏接燃浇穗程的先进设备己投放市场，生物覆供热、 发电或热电联产( c h p ) 已成为现实，在热解气化技术方面图外的生物质能技术和装 鼹多已达到商业化应用程度，熨现了规模化产业经营。如虢兰b t g 开发成功的生 瀚矮赢温热悠装黉产气率大予6 6 ，德謦、荚嗣等7 发如蠢动彳乞程淡稳誊麓虢家瓣 生物质气化炉，用于用户热水和供暖，产热量达1 5 0 - - 5 0 0 万k c a b h 的大型生物质气 纯装嚣也置开发成功。以荚灏、瑞典和舆地苇g 三国为倒，生懿质转化为您菇位能源 秘弼已其毒稳当霹鼹熬娥搂，分剐占该因次戆源溃耧萋豹4 、1 6 零11 0 。 i 3 本论文研究目标及主要研究内容 强瓣，我謦镬莠l 熬生彩矮热瓣气纯技术主要密裁定霖、滚纯寐秘懑袋于落燕籍 三种工艺形式。但是，无论嘴一释形式，郝窍藩稃静的不足之处，熟缮铡的生耪袋 燃气热值低，一般只有5 0 0 0 k j m 3 左右，且生物质燃气中焦油含量高，容易造成管 路壤塞，分摄冀主要缀因，主骚蠢以下两今方露：第一，蜜予工艺鼹线髑瀑，多采 j i 】空气为气化剂，得到的生物腰燃气q - l 氮气含量商，通常在5 0 左右；第二二，由于 生物质原料有些不利于气化因褰，如生物簸原料挥发成分食量高，阉定碳食量相对 较低，使得获褥的生物袋气体中焦涵台璧麓，势虽生物质蹶辩容夔小e 除) g z p b ， 翻静应羽予农村的大部分生物矮气化妒普遍存在蕾藏本较高、效率及热德较低、镄 有污染等缺点，不能满足广大农村广泛使用的震求，无法达到大面积推“及产业化 东北林业大学硕士学位论文 的目的。 1 3 1 研究目标 基于以上的背景资料，本论文在导师的“国家自然科学基金项目”的资助下， 旨在通过对多种生物质原料热解分析，研究生物质热值理论，并研制一种新型的家 川生物质气化炉，并对装置进行试验研究，使之能够成为广大农村可以接受并推。 的新型节能设备，以期解决目前农村普遍存在的能源浪费、环境污染等严重问题。 1 3 2 主要研究内容 研究多种生物质试样的物质组成、化学成份，进行生物质能量、发热量测定及 其预测建模研究，选出2 0 种我国常见的农林生物质，将生物质粉碎至 o 2 m m 1 2 m m ，在1 1 0 5 条件连续烘干1 2 小时以上，然后用w g r 1 微电脑热 最测定仪测其发热量( 热值) ：用p e 一2 4 0 0 c h n 元素分析仪( 美国p e 公司制造) 测定其c 、h 、n 含量，建立用含碳量或含氢量预测生物质能量的经验公式，设计 并研制一一台面向农村的新型家用生物质煤双燃料气化炉，并对其做正交实验，通 过币交实验研究分析其各项设计最佳参数，得到最优结果。 综上所述，随着煤炭、石油、煤气、液化气、天然气价格的不断提高，以秸秆 为原料的人工煤气的经济效益也越来越好，生物质燃气将成为一种廉价优质燃料， 生物质气化技术必将得到快速发展及广泛应用。本论文研究对于满足国家日益增长 的能源需求，减轻环保压力，加快农村现代化建设进程及促进经济的可持续发展均 具有重大意义。 生物质一煤烈燃料气化炉没计及试验研究7 2 生物质发热量预测及建模研究 为了更好地研究生物质气化特性，需要对生物质的物质组成及其发热量关系做 进。步深入研究。基于上述目标，本章重点对生物质发热量做出了预测并对其进行 了建模研究。 2 1 生物质的物质组成及其分布 生物质是讨论能源问题时常用的一个术语。所谓生物质是指有机物中除矿物燃 料外的所有来源于动植物而又能够再生的物质。本论文研究所涉及的生物质主要指 各种林业剩余物、薪柴和各种农作物的根、茎、叶及谷物壳皮等，如玉米秸秆、豆 秸、稻壳、玉米芯、各种树木的皮、枝叶等经光合作用而产生的各种有机体。在各 种t 叮再生能源中，生物质是独特的，它是储存太阳能的一利，唯一碳源，可方便地转 化成常规的固态、液态和气态燃料。主要转换途径有直接燃烧、热解气化和液化。 生物质经过气化可转化为一氧化碳、氢气和甲烷等可燃气体；经过厌氧消化，生物 质可转化为沼气。 生物质能来源于生物质，主要指直接或i 可接地通过绿色植物的光合作用，把太 阳能转化成化学能后固定和贮藏在生物质( 包括动物体) 内的能量。广义地讲，生 物质还包括由绿色植物派生的各种生物质，如有机生活垃圾、有机物废水、人畜粪 便和各种水生植物( 如藻类、浮萍、水葫芦、水风信子等) 。目前，世界各国正逐 步采用如下方法利用生物质能： ( 1 ) 热化学转换法。以获得木炭、焦油和可燃气体等品位的能源产品为目标， 该方法又按其热加工的方式不同，分为高温干馏、热解、生物质液化等方法。 ( 2 ) 生物化学转换法。主要指生物质在微生物发酵作用下，生成沼气、酒精 等能源产品。 ( 3 ) 利用油料植物生产生物油。 ( 4 ) 制取生物质成型燃料( 如块型、棒状燃料) ，以便可以集中利用和提高热 效率。 2 2 生物质的化学成份及发热量测定 从组成成份看，生物质主要由纤维素、半纤维素、木质素以及灰分等成分组成。 对术材而言，c 、h 、o 、n 的含量一般分别为5 2 、6 3 、4 0 5 、0 4 左右，纤 维素、木质素与半纤维素一般分别为4 3 、3 5 、2 2 7 1 。不同树种的纤维素、木 东北林业人学硕士学位论文 质粜。j 、 吲l ：素i 3 - f l l 份的贝休含戢j 【! | 投2 - l ，农作物类生物质的纤维索、小质岽 jt 纡维素各纽份的具体含量见表2 _ 2 d t 。 表2 - 1 生物质成分自l 成( k g k g 生物质，d b ) 生物质类型纤维素、r 纤维素+水质素米源 什蔗o 3 60 4 7o 1 7m o ke ta 1 ( 1 9 9 2 ) 山毛榉 0 4 8o 2 80 2 4m a s c h i oe ta l ，( 1 9 9 2 ) 樱桃 0 4 20 3 40 2 4w a r de ta 1 ( 1 9 8 5 ) 枫树 0 4 00 3 80 2 2m o ke ta 1 ( 1 9 9 2 ) 橡树 0 3 504 00 2 5 s e 刚f 1 9 7 9 ) 橄榄党 0 2 2o 3 30 4 5m a s c h i oe ta 1 ( 1 9 9 2 ) 松树 0 5 0o 2 70 2 3w a r de ta 1 ( 1 9 9 2 ) 白杨树 0 4 80 3 0o 2 2m a s c h i oe ta 1 ( 1 9 9 2 ) 小麦杆 o 4 20 4 20 1 6c h u me ta 1 ( 1 9 9 2 ) 甜菜渣 o 3 6 0 4 8o 1 6m o ke ta 1 f 1 9 9 2 ) 甜橡胶树 0 4 00 4 l0 1 9m o k e ta 1 ( 1 9 9 2 ) 注：* 一半纤维索包括萃取物和惰性灰 2 2 1 试样来源 理论上讲，生物质能量含量是一定的，但就其发热量测定研究而苗假定其含 水量是不变的，则影响生物质发热量的因素主要是生物质的元素成份，具体主要体 现在生物质的碳、氢、氧、氮等元素的含量。因此，首先应对所选生物质的碳、氢、 氧、氮等元素的含量进行准确测定，然后测最各个试样的发热罱。在充分考虑田内 生物质种类情况下，本论文具体研究方法和过程如下。 在论文的实验前期，做了大量的准备工作，其中，标准生物质试样的采集就是 比较辛苦的工作，经老师指导必须采集2 0 种标准试样来做实验，这样所获得的理 论数据爿具有准确性和可靠性。为采集试样，实验室的老师和同学先后去了秦争岛 市青龙具阿城市周家镇，呛尔滨市香坊粮库哈尔滨市实验林场，东北林、l k 大学 木器厂，前后用了近半个月的时间采集试样。各试样产地具体分布如表2 - 3 所示。 生物质一煤双燃料气化炉设计及试验研究 嵌2 - 2 生物质成份分析( w t ，d b + ) ( r a v e e n d r a nk ，1 9 9 5 ) ，| 二物质类裂纤维索、r 纤维素 水质素蒂取物惰性灰 十 蔗渣 4 1 32 3 81 8 31 3 7 29 椰树壳3 6 32 5 02 878 - 30 7 玉米棒 4 0 32 6 91 6 61 5428 玉米秆4 2 7 2 3 21 7 5 9 86 8 棉花网废物 7 7 8 1 5 7o 01 154 落地花生3 5 7 1 7 93 021 0 35 9 谷壳 3 3 32 2 81 4 01 0 8 1 8 1 稻壳 3 1 32 2 5 1 438 42 3 5 稻秆 3 7 01 6 51 3 61 3 11 9 8 小麦秆 3 0 52 8 5 1 6 41 3 41 1 2 注：d b 表示干生物质( d r yb i o m a s so rd r yb a s e ) 表2 - 3 洳定试样及产地 生物质类型 产地生物质类型产地 玉米秸哈尔滨市周家镇 竹子哈尔滨市周家镇 玉米芯哈尔滨市周家镇 柳树眙尔滨i r 周家镇 稻壳 哈尔滨市香坊粮库榆树 哈尔滨市周家镇 上i 群哈尔滨农人试验田 白杨哈尔滨市周家镇 废橡梳 河北省青龙县栲胶厂 落叶松小兴安岭 核桃楸 小兴安岭 白桦 小兴安岭 水曲柳 小兴安岭暴马_ r 香 尔北林业人学林场 樟子松 小兴安岭糖槭 东北林业大学林场 柞水 小兴安岭红松 小兴安岭 极小 小兴安岭 白松 小兴安岭 2 2 2 实验仪器及工作原理 实验测定热量所用仪器为长沙仪器厂所生产的w g r - 1 型微电脑热量计，仪器 组成如下： ( 1 ) 主机( 含控制箱和测温探头) ； 1 0 东鸵秫业大学礤七学位论文 ( 2 ) 附件：充瓴髅薅、压块帆、摊气阀、减瞧阀、微机。 仪器缀或示意图觅整2 - i 。主虿实验仪器及蕊鑫觅表2 - 4 。 袭2 4 主要实验仪器及药品 w e r 一1 微电脑热凝计 k = 沙仪器厂生产艮沙舞特仪器厂监制 p e - 2 4 0 0 蹦n 元素分瓣仪荧国p e 公司 1 0 1 一a s 毅电熟鼓风干燎箱 i b 京市光电医疗仪器厂 电压2 2 0 v ，l 乜热功率1 8 k w ，鼓风机功率2 5 w ， 荧鼗发囊8 2 ，互露室尺度3 5 0 ；( 4 5 0 ) ( 5 0 0 囊米 f 1 2 0 型粉碎机河北省黄骅市中必仪器有限公司 l ! 号f 1 2 0 ，凝碎直径1 2 0 r i o n ，一l ：作 如愿2 2 ， 电凝秘率1 5 0 0 w 。生祝转速6 0 0 0 转分 微型横物试样粉碎机北京市光明鞋疗仪器厂 功率型号f 1 0 2 ，f ：作l j l 骶2 2 0 v1 8 0 w ，转速 1 4 0 0 转分 标准笳溉i ：凑求承铀纱薅厂 y q y - 3 7 0 氧气减雁气上海减艉气厂 光电分概天平上海天平仪器厂毅号t g - 3 2 8 a 溅 变色硅胶 上海谊恒工贸有限公司 乙醇9 5 1 瓶 苯警酸1 瓶 容藿瓶 5 0 蕊l4 个 烧杯 1 0 0 0 m l2 个2 0 0 m l2 个 鬟簿 i o k i l2 个5 0 0 m l2 个 灏斗 又1 个小1 个 胶头滴管 5 个 坩埚锩犬1 把小l 把 干澡艇4 个 酒精棉 适蛾 趿耳球 2 个 点灾丝 1 黪 生物质煤烈燃料气化炉漫汁殿试验 i 究ii 翻2 一 鹈r l 徽电薤燕鬃饺系统 ( 1 ) 适用范围：可用予测鬣煤、石油、炸药、粮食、饲料及其固态、液态可燃物 质的发热量。 ( 2 ) 主甏特点：测试过程数据及结果自动显示，热容量、弹桶发热鬣，由电脑自 动完成。校委司。在瑞方公式、隧梅公式、奔特公式之间自出选择，所测数据自动保 存，可疆整溺、努窜鞭表。慕瘸先逶戆线璧静偻写动悫校准方法，大大毽藏了仪器 的环境适应性，在内柄稍低于外桶时也可工作。 ( 3 ) 主戮技术指标：仪器热容量约1 0 0 0 0 j k ，溆度分辨率o 0 0 1 ，温媵测量范围 7 4 2 。 二 修簌理：试样的发热蘩夜氧氮热量诗申进行测定，一定量熬分橱试襻在氧氮 热量汁申，孬充有过量氧气懿襞氮内燃魏。氧氮热蕊诗静熬容量透遥在稳织条俘下 燃烧窟鬣的基准量热物笨甲酸来确定，根据试样点燃前后量热系统产生的温升， 并对点火缝等附加热进行校砸后，即可求的试样的弹桶发热量。 2 2 3 试榉处理 ( j ) 试群预处理 将钳获尘和泥土的试样吹洗干净，日光下晾嘲一天。目的为去除杂质，防止影 i 啊试样的纯洁度，以便对以后试验造成不良影响，再者防止对粉碎机刀具的j | ! 损。 ( 2 ) 试榉粉碎颈处理 稳蔽于试襻蘧割子、键及磐关处理戒最# 兹酾囊缀2 c m 左裹瑟醛渣，褥处理趋黪 渣试樽备收集2 k g ，分别放入烘干箱烘干。温度控镣4 在1 0 0 1 0 5 之间，烘干时间 为1 2 小时。烘干主要是为了去除水分，防止在打磨时因试样潮湿黏附刀具，增大 1 2 东北林业入学硕： 学位论文 | j n 力使川具过热，造成保险丝短路现象，从m j 影响卜步的筛分工作。 ( 3 ) 试样粉磨 将烘干好的试样依次用粉碎机粉磨成粉末，并用清洁干燥的小桶收集，每次粉 磨不同科试样都要将粉碎机机盖拆卸开，将内部清理干净，以防试样混杂影响实验 结果。 ( 4 ) 试样筛选 选择目数分别为2 0 、4 0 、6 0 、8 0 的筛子，每种试样筛选出4 种不同的粒度。 直径粒度分别为o 0 2 m 、0 2 o 5 哪、0 5 o 8 姗、0 8 1 2 m m 。目数与直径 粒度需一一对应。 ( 5 ) 试样装瓶 将每种粒度的试样分别装在2 5 0 m l 的烧瓶内，归类好放在实验架上备用。再用 5 m l 的小瓶装取每种粒度直径在0 2 0 5 m m 的试样2 瓶，共计4 0 瓶。并将大瓶及 小瓶0 1 i j if ：标签标注 _ “试样名称和直径粒度。 ( 6 ) 试样烘干 将小瓶试样全部放入烘干箱内烘干，温度设嚣在1 0 0 1 0 5 。c 之间，烘干时间为 1 2d l j j 。然后取出全部试样，待冷却后放入干燥皿内备用。 ( 7 ) 试样实验 取j u 小瓶试样，分成相等的两部分，各2 0 瓶。4 部分用p e - 2 4 0 0 c i i n 元素分析 仪测量试样内碳、氢、氮元素的含量，另一部分用微电脑热量计测量试样发热量。 2 2 4 实验具体操作说明 ( 1 ) 氧弹装样 用分析天平称取0 4 1 1 9 试样，取一段点火丝，把两端分别接在电极上，保 持良好接触，然后把盛有试样的坩埚放在支架上，调节下垂的点火丝与试样接触。 在实验过程中，不能使点火丝接触到坩埚，否则将形成短路，导致点火失败，甚至 烧毁坩埚和支架。往氧氮中加入l o m l 蒸馏水，小心拧紧氧氮盖，注意避免坩埚和 点火丝的位置因受震动而改变，往氧氮中缓缓充入氧气，直到压力达2 8 3 o m p a ， 充氰州m 不得少于1 5 s ，当钢瓶巾氧气不足5 o m i a 时，充氰时间应酌最延长，不 足4 o m p a 时，应更换新的氧气瓶。 ( 2 ) 凋节内桶水温 实验时，预先测量外桶水温，使之室温相差不超过1 5 k 。往内桶内加入足够量 的蒸馏水，使氧氮盖的顶面能淹没在水下l c m 。进入“水温调节”菜单，按“丌始” 生物质一攥戳燃料气纯炉设计及试验研究1 3 羧 l 螽，挝示“ 蠢薅灏滠搽头救入努糖”，褥濑漱探头泼入癸殛戆测淤孔屠，羧“确 定”，系统自动测量拜椭潺发。待9 辆溢鹰稳定詹，系统掇示“诲将测潞搽头放入 勾掭，j ：调节水滋”，这时将测濑探头投入内 | l 轻轻凌动，采用鞠溶或加热承的方 法，使内椭水温比外桶水漏约低l k 。内椭的最初水温应稍低于外桶的温度，_ ：j ：能 捷实验终精秘溢渡 t 乡 稀麓l k 是右。内努糖终潮瓣过犬滋差籍导熬过犬酾冷鞠筱 l i ，蠢g | 越误差。发热羹过甄瓣试群澄嗣1 达不戮l 较或i 。5 k 时，内捅嬲拐戆滋度不 器求一定低予多 稀温度，其要终点温度越涟矫褥滠发馥5 i & 驭蕊终点有薅曼下 降i i i f _ j 。 ( 3 ) 称蕊内桶水 每次实验时豹用水量斑与糕是仪器热察量l i 寸的髑求一致( 耀差l g 以内) ，耀容 爨簸穆爨。跫装舞承爨蠹鬃藏在努援兹夔缘支絮上，孬跫襞氮枣心缝敖入恣榛支橥 ，_ = 竣凌氧氨的气密性。船有气泡出璜，则袭嘲袋氮漏气，找逝愿因，纠正后， 煎新充瓴，接丝，点火，黼上外桶盖子。渝度计嗣搅拌器均不得穰触弹桶和内桶。 ( ) 敞蠢祟霹上r e g 实验稷廖圆标，进入实验稚廖，玎始实验测试，根撼提示玎 始实验。 ( ) 实骏结象瑟，鞋毽濑浚诗， 夔歹 主懿莲子，激逡氧氮。瑟痿箴气游，藏警痿 气，洗剁干净，整个实验过程结束。 2 2 5 测定结果及分祈 瘸上述投器窝方法瓣裳麓溪瓣c 、鞋、n 元索蕊含量耪发热堑遴行了溅羹，冀 测定络暴冤表2 5 及交2 矗、瓣2 0 、圈2 碡。 可以蒋逛，整孛各点分蠢鞠熬线走势酃比较符合逻髯，说碉试撵热德数据静 鬟 定与c 、h 、n 元索含量数据的测定是比较准确的。就图形曲线的倾斜程度来看， 决定璺三褥缀发热爨太小静斑繁主鬃是生秘须碳元褰会爨熬大小，葵佘= 密，强形秘 羧承乎嫒避，影瓣蚕大。爨鬻澎番邀，生耪凄碳元素翻氢元素豹茸努岔豢与蒸发热 羹的关添楚令递灌靛一霜涵数关系，两氮元紊敬露分含鬃与其发热爨韵关系是递 减的一元函数关系。 产生这科，现象韵主要稼翻可以用热化学琢理解释。掇攒裁 纯学疆谂，戳、氢焱 定的璀力积环壤温度下的燃烧及斑属放热反应。例如，将碳、氢分舄n 在个大气 蕊、2 9 8 f ( 条转下逮行爨疑反应，耨努簧g 藏囊2 8 6 。融毅黧2 姆耱热蹙“”。瑟： i4 尔北林业人学硕：l ：学他论文 表2 生秘蠡匡发蘩l 鼙；| l 试羧攥过蒙表 生物斌发热磴cl ln 编号士期温度样m 类州( j g ) ( )( )( ) 色术 5 9 81 8 7 4 5 81 3 0 50 7 3 2 54 8 1 8 6 5 00 6 5 瓜魏秘5 9 9 9 4 3 6 31 6 5 50 8 8 2 44 9 0 96 + 91 5 7 7 j 番6 0 0 1 8 3 1 3 o1 4 2 50 。8 i 0 哇8 9 0 6 7 61 4 l 落松 6 0 l2 0 2 2 7 41 5 3 90 7 9 0 54 9 3 06 6 8o 1 5 毛竹 6 0 21 8 8 6 4 11 5 3 10 8 2 5 94 7 8 56 4 01 ：j 1 内松 6 0 31 9 9 0 5 51 ，4 1 00 7 4 1 04 9 9 26 9 2o 。3 6 檐奉 6 0 42 0 0 9 1 ，7l ，翻60 8 5 6 84 7 。8 76 ，5 2l ，2 8 稻壳 6 0 51 7 1 8 0 + 61 4 3 00 8 7 6 44 0 2 l5 3 40 0 8 向桦 6 0 61 9 8 9 0 31 7 0 00 8 8 3 6 4 8 2 26 5 61 9 9 二匿米芯6 0 71 6 7 5 0 4 l i2 8 60 7 8 l o4 6 7 56 3 22 5 2 豆旗 6 0 81 7 4 4 1 3i 7 2 9l 。0 0 0 1 4 4 9 95 ，鸵1 i 2 红松 6 0 91 9 3 7 4 3l ，8 8 5l 。0 0 0 59 66 3 50 0 9 榆术 6 1 01 9 4 3 9 31 8 8 01 0 0 0 54 8 7 46 7 21 5 0 核桃 6 1 11 9 0 5 4 21 8 4 11 0 0 0 24 8 4 l6 2 62 3 0 忑米嵇 6 i 21 7 0 2 6 8 l 。6 4 21 + 0 0 0 24 5 9 46 1 42 1 6 - 爨褥 6 1 31 9 2 3 0 ，21 8 4 9i 0 0 4 8 ，6 26 5 71 6 5 废橡碗 6 1 41 9 8 9 3 6 l9 i o0 9 9 9 54 6 5 65 1 71 9 6 落叶树皮 6 1 81 9 8 4 7 00 9 7 6 0 4 9 5 05 1 4 86 1 51 0 6 紫椴 6 1 71 9 4 2 3 80 9 7 61 0 0 0 0 4 9 3 06 7 7o ，8 8 撩f 掇 6 2 0 1 9 9 6 6 ，30 。9 0 50 。4 6 5 2 5 0 i 55 。6 0| 3 7 注： 苯甲酸发热鼙：1 0 2 7 5 。4 j 祥照：0 9 6 8 9 9 , ：( 标准铖) 发热量：1 0 2 9 8 。3 j 样燕：1 0 8 3 3 9 c ( s ) + 0 2j 型出屿c 0 2 ( g ) + 3 9 3 ，7 k j ( 2 1 ) h 2 ( g ) + 当q 坠业坞月2 ( ) ( g ) + 2 4 2 6 k j ( 2 - 2 ) 蜊咖兰呸骂拦：鲫) + 2 弱“k j ( 2 - 3 ) 可见，从热化学角度，生物质的c 、h 含量越高，发热量就越大。 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 o1 5 0 0 0 掣鞫瓣。； 藩5 0 0 0 f ) l 4 0 l f i | ，、 ：掣 o 冀 臻 裂 囊黪爨妻蕊羹毒禽竣懿黪美囊 。、? ；菇： 4 2 4 4 4 6 4 8 禽碳撼( ) 2 2 垡魏疆发热鼙与碳茏裂窘塑蘸关系 鸯褥震发热蟹每寄戴瓣黥荚系 2 5 0 0 0 j22 0 0 0 0 ： ot 5 0 0 0 ；孽1 0 0 0 0 羹5 0 0 0 0 趣争3 箜爨曩瑟热鬟专惑露爨鸯藿曩蓉 。、 n 一 发热量与禽缀髓的关系 鬻2 吨嫩物质发燕量与餐e 霜漆盘赞黪关系 i6 东j 匕林业大学硕士学位论文 2 3 牛物质发热毋的预测建模 采用表2 - 7 巾生物质发热量的原始数据及应用附表后c 语言编写的测定发热量 程序，引用一元线性回归原理，用最小二乘法估计拟建预测模型的系数a 和b 后， 分别得到了以c 含量和h 含量为自变量的生物质发热量预测经验公式： q r = 3 2 i 1 3 c + 3 5 9 1 9 6 ( 2 4 ) q u = 9 3 0 5 1 1 t + 1 3 1 0 3 8 3 ( 2 - 5 ) 式中，q 。用含碳量( ) 计算的发热量( j ) ； q ，用含氢量( ) i 十算的发热量( j ) ； c 生物质碳含量( ) ； | i 生物质氢含量( ) 。 查概率论与数理统计，检验相关系数p = o 的临界值r o 表得， 恨( 2 0 ) f = 0 6 9 5 r 。( 2 0 2 ) = r 0 。，( 1 8 ) = o 6 7 8 7 直线回归高度显著 | l l ( 2 0 ) 卜o 3 9 9 r “( 2 0 2 ) = = - ( 1 8 ) = o 3 7 8 8 直线叫归比较显著 其中式( 2 4 ) 通过了0 0 1 检验，具有较高置信度，可用于生物质工程实际。 当然，在实际应用中，生物质的发热量还与本身的含水率有关，表2 - 6 ”2 1 给出 了几种生物质发热量受含水率大小的影响情况，可供使用时类比和参考。 表2 - 6 燃料低位发热晕和含水餐对照表单位：k j k g 生物质类型玉米秸秆高粱秸秆豆稍麦；f i l i稻草 5 1 5 4 2 2 21 5 7 4 4 41 5 8 3 6 61 5 4 3 91 4 1 8 3 8 7 1 5 0 4 1 51 5 3 9 5 51 5 3 1 3 41 5 0 5 8 21 3 8 3 2 3 9 1 4 6 6 0 71 4 9 7 0 41 4 9 4 9 41 4 6 8 1 71 3 4 8 0 8 含 1 1 1 4 2 8 0 01 4 5 8 5 41 4 5 6 8 71 4 3 0 1 o1 3 1 2 9 3 水 1 2 1 4 0 9 1 71 4 3 9 3 01 4 3 7 2 01 4 1 5 4 51 2 9 5 3 6 鼙 1 4 1 3 7 1 0 01 4 0 0 8 01 3 9 9 1 31 3 7 3 1 91 2 6 0 2 2 ( ) 1 6 1 3 3 3 0 21 3 6 2 3 11 3 6 0 6 41 3 3 5 5 31 2 2 5 0 7 1 8 1 2 9 4 9 51 3 2 3 8 21 3 2 1 1 41 2 9 7 4 61 1 8 9 9 3 2 0 1 2 5 6 8 71 2 8 5 3 2 1 2 8 3 6 51 2 5 9 8 0儿5 4 7 8 2 2