生物质的能量预测及建模

第31卷第2期东北林业大学学报Vol. 31 No. 22003年3月OURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITYMar,2003生物质的能量预测及建模1)王述洋谭文英赵殊王立娟刘建孙仁山(东北林业大学哈尔滨l5040)摘要选择20种中国草本、木本生物质为试样粉碎至0.8-1.2mm在110±5)C条件下连续干燥12h以上取岀后立即进行C、HN元素含量和发热量测定并根据测定结果分别建立了基于C、H元素含量的能量预测经验公式该公式分别通过了α=0.01和α=0.1检验。研究表明生物质的能量大小与其CH元素的含量呈线性正比关系泩生物质的发热量随着其氮元素含量的增加呈明显减少趋势但未达到显著水平关键词生物质能量測定能量预测建模分类号TK6The Predict of Biomass Energy and the Establishment of Modeling/Wang Shuyang, Tan Wenying Zhao Shu Wang LijuanLiu Jian, Sun Renshar( Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China )/Journal of Northeast Forestry University2003,3K2).-72~74In this thesis the authors choose 20 kinds of Chinese herbaceous and woody biomass as samples smash to 0.8-1.2 mm sizeand continually dry above 12 hours in the condition of 110+ 5 )C then immediately measure the content and the heat quantityof the element of C, H,N. According to the measurement result established the energy predict experiential formulations basethe content of the element of C and H, and passed respectively the checkout of a=0. 01 and a=0. 1. The research indicatesthat the relationship between biomass energy quantity and the content of C and H shows linearly direct ratio and the heat quantityhas an obvious reducing tendency along with the adding content of the n element, but it doesn t achieve the marked levelKey words Biomass Energy measurement Energy predict Establishment of modeling不论是生物质热解气化还是热解液化都需要事先估算生物质能来源于生物质主要指直接或间接地通过绿色植所用生物质原料充分燃烧时所能释放岀的全部能量。以前人物的光合作用把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物质们主要用氧弹式热量分析仪来測定生物质的能量(即发热(包括动物体内的能量。广义地讲生物质还包括由绿色植物量)这种方法既费时、又耗资而且需要有良好的仪器和实派生旳各种生物质如有机生活垃圾、有机物废水、人畜粪便和验室条件。而事实上任何一种生物质的发热量必然与它的各种水生植物如藻类、浮萍、水葫芦、水风信子等)含碳量和含氬量有关而科学技术发展到今天绝大部分生物从组成成分看生物质主要由纤维素、半纤维素、木质素质的化学成分已被測定并可从相关资料中查取。因此如果以及灰分等成分组成。对木材而言,CH、O、N的含量一般分能将生物质的发热量与其碳、氬元素的含量相互联系起来建别为52%、6.3%、40.5%、0.4%左右纤维素、木质素与半纤立一种简捷方便的生物质发热量预测经验公式必将对推广维素一般分别占43%、35%和22%2。农作物类生物质的纤和普及生物质能利用技术提供方便维素木质素与半纤维素各组分的具体含量见表p。笔者在国家863″计划支持下试图通过对常见的20种表1生物质成分分析质量百分比db)生物质发热量及碳氩含量测试和建摸研究建立起生物质发生物质类型纤维素半纤维素木质素萃取物惰性灰热量预测估计经验公式以期为生产实际中快速查阅和计算甘蔗渣41.323.818.313.72.9生物质的发热量及能量转化率提供便捷手段和参考方法。椰树壳6.38.30.7生物质的物质组成及其分布玉米棒40.316.615.42.8玉米杆42.7所谓生物质是指有机物中除矿物燃料外的所有来源于动棉花网废物7.8植物而又能够再生的物质。笔者研究所涉及的生物质主要指落地花生17,9各种林业剩余物、薪柴和各种农作物的根、茎、叶及谷物壳皮谷壳等如玉米秸杆、豆秸、稻壳、玉米芯、各种树木的树皮、树枝、稻壳31.314.3423.5树叶等经光合作用而产生的各种有机体。在各种可再生能源稻杆13.613.119.8中生物质是储存太阳能的一种惟一可再生的炭源可转化成小麦杆30.513.411.2常规的固态、液态和气态燃料d表示干生物质( Dry biomass或 Dry base1)国家863“高技术(200144514060)国家自然科学基金2中国煤化工测定(30170758X948″国外先进农业技术引进(2001-28)黑龙江省自然科学基金项目(SJD-011郑分内容CNMHG定的。但就其发热量测定第一作者简介汪述洋男,1958年3月生东北林业大学机电工研究而言假定其含水量不变则影响生物质发热量的因素主程学院教授要是生物质的元素成分具体主要体现在生物质的碳、氫、氮、收稿日期2002年12月4日。氧等元素的含量。因此,首先应对所选生物质的碳、氢、氮、氧责任编辑张建华等元素的含量进行准确测定然后测量各个试样的发热量。第2期王述洋等生物质的能量预测及建模732.1试样来源表3生物质发热量测试数据记录本研究的目标主要面向我国的农林废弃生物质利用需要因此其实验用原料选择充分考虑了国内常见生物质的种类生物质类型实验发热量主期温样质量CH为使研究结果及拟建的生物质发热量预测模型具有广泛色木59818745.81.3060.732548.186.500.65的代表性笔者选择了国内比较常见的20种生物质为测定试水曲柳591946.31.650.82449.096.49157样对其发热量和碳、氩氮氧等元素的含量进行准确测定。暴马丁香001831301.4508044896714试样种类详见表33.试样产地除竹子(浙江杭州市知废橡子628s.11531082594碗河北青龙县栲胶厂外其余均来自黑龙江省农林地区。白松6031965.5-1.4100.741049.96.92-0.362.2实验方法和实验仪器柞木60420091.71.6460.856847.876.521.282.2.1试样制备方法稻17180.61.4300.876440.215.340.08为保证测量准确对选定的生物质原料进行必要的预处桦19890.31.7000.883648.26.561.99玉米芯粉碎和干燥。16750.41.2860.781046.756.322.52豆秸60817441.31.7291.000144.995.621.12首先对生物质原料进行洗涤以去除可能的杂质、灰尘,红松60919374.31.8851.000549.466.350.09并在阳光下适当晾晒然后将其切制成小于1cm3的块状送榆木61019439.,31.801.00548.746.721.50入101-1AS型电热鼓风干燥箱烘干干燥箱温度设定为(110核桃611190.21:811.00248.416.262.30±5)℃连续干燥12h以上然后再用rZO2型植物粉碎机进玉米秸61217026.81.6421.000245.946.142.16行二次粉碎。粉碎后分别用20、406080目的标准筛将其筛白杨61319230.21.8491.0048.626.571.65废橡碗61419893.61.9100.999546.565.171.%6分成直径粒度分别为0.8~1.2、0.5~0.8、0.2~0.5mm<0落叶松树皮61819847.00.9760.495051.486.151.062mm4个等级然后分别装入瓷坩埚内再送入电热鼓风干椴木61719423.80.9761.00049.306.770.88燥箱内连续烘干12h以上取出后立即进行元素含量和发热樟子松62019630.9650.465250.156601.37量测定。注苯甲酸发热量10275.4J/g,标定样重0.9689g2.2.2实验仪器设备采用美国PE-2400CNN型元素分析仪测定各种生物质的CHN含量采用国产wGR-1型微电脑热量测定仪测定各种生物质的发热量。具体测定时严格按上述仪器使用说明书进行。实验仪器设备有关技术性能和主要指标见表2。表2测量仪器和设备仪器名称型号制造厂家精元素分析仪PE-240HN美国P公司0.001mg微电脑热量测定仪长沙仪器厂重复误差≤0.2%分辨率0.001℃含碳量%电热鼓风干燥箱101-AS型北京永光明电医疗仪器厂灵敏度:±2%图1生物质发热量与碳元素含量的关系光电分析天平TG-3284型上海天平仪器厂2.3测定结果及分析用上述仪器和方法对筛选出的20种生物质的C、HN元9020素的含量和发热量进行了测定其测定结果见表3和图1图盏2、图3。14观察表3和图1、图2、图3不难看出生物质的发热量分別具有随C元素含量和H元素含量的增加而增加随N元素含量的增加反而减少的基本趋势。产生这种现象的原因,可用热化学原理解释。由热化学理论碳、氬在一定的压力和环含氢量%境温度下的燃烧反应属放热反应。例如将碳、氬分别在0.1013MP298K条件下进行燃烧反应将分别放出286.4图2生物质发热量与氢元素含量的关系k和242.4k的热量4。即s)+0xg)>8k0.103MB→xg)+3.7k;(1)H(8)+2Osg)3k D 1or 3 MPa-+H,g)+中国煤化工(2)CNMHGHg)+lo() D 101 3 MPa-H,(1)+2286.4kJl(3)1.5可见从热化学角度生物质的C、H含量越高发热量就含氮量%图3生物质的发热量随氮元素含量的增加的变化74东北林业大学学报第31卷3生物质发热量的预测建模势但未达到显著水平玉米秸杆高梁秸秆引用一元线性回归原理用最小二乘法估计拟建预测模豆秸麦秸型的系数a和b后分别得到了以C含量和H含量为自变量稻草的生物质发热量预测经验公式Qc=321.127C+3591.86Qm=930.505H+13103.832(5)之报挑式中Q—用含碳量百分率计算的发热量J)Qn—用含氢量百分率计算的发热量(J)C——生物质含碳质量百分率;5H—生物质含氢质量百分率含水率%经显著性检验式4和(5的相关系数分别为图4生物质的发热量随含水率的变动IR(20)=0.695>R0.o(20-2)=0.6787笔者所建立的基于生物质碳元素含量自变量的生物质RK20)=0.399>R020-2)=0.3788发热量预测经验公式通过a=0.01水平检验,为生物质能即公式4)(5)分别通过了0.01和0.1检验。其中式4通研究和开发中的生物质能量计算、预测和能量转化效率计算,过0.01检验具有较高的置信度可用于生物质能工程实际。提供参考。实际应用中生物质的发热量还与本身的含水率有关图参考文献4给出了5种生物质发热量受含水率影响的情况51可供使用时类比和参考。陈冠益生物质热解试验与机理研究【学位论文]杭州浙江大学998结论2胡成春.新能源和可再生能源发展战略.农村能源发展问题研究生物质的发热量能量玙其碳元素的含量高度线性正相3王述洋生物质热解动力学建模及锥式闪速热解装置设计理论研关信度99%。究[学位论文]哈尔滨东北林业大学生物质的发热量与其氢元素的含量线性正相关,信度介禹,森林燃烧能量学,哈尔滨东北林业大学出版社,1992.700%生物质的发热量随着其氮元素含量的增加呈明显减少趋5中国农业工程设计院等编农业工程手册第3分册北京浓业出版社1993.4中国煤化工CNMHG