生物質(zhì)的分類及工業(yè)分析.doc

第3章 生物質(zhì)的分類及工業(yè)分析3.1 生物質(zhì)的分類生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，即一切有生命的可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)通稱為生物質(zhì)。它包括植物、動(dòng)物和微生物。廣義概念：生物質(zhì)包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動(dòng)物及其生產(chǎn)的廢棄物。有代表性的生物質(zhì)如農(nóng)作物、農(nóng)作物廢棄物、木材、木材廢棄物和動(dòng)物糞便。狹義概念：生物質(zhì)主要是指農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中除糧食、果實(shí)以外的秸稈、樹木等木質(zhì)纖維素（簡(jiǎn)稱木質(zhì)素）、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料、農(nóng)林廢棄物及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中的禽畜糞便和廢棄物等物質(zhì)。特點(diǎn)：可再生性、低污染性、廣泛分布性。依據(jù)來(lái)源的不同，可以將適合于能源利用的生物質(zhì)分為林業(yè)資源、農(nóng)業(yè)資源、生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水、城市固體廢物和畜禽糞便等五大類。林業(yè)生物質(zhì)資源是指森林生長(zhǎng)和林業(yè)生產(chǎn)過程提供的生物質(zhì)，包括薪炭林、在森林撫育和間伐作業(yè)中的零散木材、殘留的樹枝、樹葉和木屑等；木材采運(yùn)和加工過程中的枝丫、鋸末、木屑、梢頭、板皮和截頭等；林業(yè)副產(chǎn)品的廢棄物，如果殼和果核等 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源是指農(nóng)業(yè)作物(包括能源作物)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物，如農(nóng)作物收獲時(shí)殘留在農(nóng)田內(nèi)的農(nóng)作物秸稈（玉米秸、高粱秸、麥秸、稻草、豆秸和棉稈等）；農(nóng)業(yè)加工業(yè)的廢棄物，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中剩余的稻殼等。能源植物泛指各種用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳?xì)浠衔镏参锖退参锏葞最?。生活污水主要由城?zhèn)居民生活、商業(yè)和服務(wù)業(yè)的各種排水組成，如冷卻水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、糞便污水等。工業(yè)有機(jī)廢水主要是酒精、釀酒、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)過程中排出的廢水等，其中都富含有機(jī)物。城市固體廢物主要是由城鎮(zhèn)居民生活垃圾，商業(yè)、服務(wù)業(yè)垃圾和少量建筑業(yè)垃圾等固體廢物構(gòu)成。其組成成分比較復(fù)雜，受當(dāng)?shù)鼐用竦钠骄钏?、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)建設(shè)、自然條件、傳統(tǒng)習(xí)慣以及季節(jié)變化等因素影響。畜禽糞便是畜禽排泄物的總稱，它是其他形態(tài)生物質(zhì)（主要是糧食、農(nóng)作物秸稈和牧草等）的轉(zhuǎn)化形式，包括畜禽排出的糞便、尿及其與墊草的混合物。沼氣就是由生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換的一種可燃?xì)怏w，通?？梢怨┺r(nóng)家用來(lái)燒飯、照明。3.2 生物質(zhì)的工業(yè)分析3.2.1 基本原理一、水分 根據(jù)水分在生物質(zhì)中存在的狀態(tài)，可分為三種形式。 1、外在水分 外在水分也稱為物理水分，它是附著在生物質(zhì)表面及大毛細(xì)孔中的水分。將生物質(zhì)放置于空氣小，外在水分會(huì)自然蒸發(fā)，直至畢空氣中的相對(duì)濕度達(dá)到平衡為止。失去外在水分的生物質(zhì)，稱為風(fēng)干生物質(zhì)。生物質(zhì)中外在水分的多少與環(huán)境有關(guān)，與生物質(zhì)的品質(zhì)無(wú)關(guān)。 2、內(nèi)在水分 內(nèi)在水分也稱為吸附水分。將風(fēng)干的生物質(zhì)在102一l05下加熱，此時(shí)所失去的水分稱為內(nèi)在水分。它存在于牛物質(zhì)的內(nèi)部表面或小毛細(xì)管中。內(nèi)在水分的多少與生物質(zhì)的品質(zhì)有關(guān)。生物質(zhì)中的水分越高，在熱加工時(shí)耗能也越大，導(dǎo)致有效能越低。內(nèi)在水分高對(duì)燃燒和熱加上制氣都不利。3、結(jié)晶水 結(jié)晶水是生物質(zhì)中礦物質(zhì)所含的水分，這部分水分非常少。工業(yè)分析所得到水分不包括結(jié)晶水，只包括外在水分和內(nèi)在水分，兩者綜合稱為生物質(zhì)的全水分。二、灰分 灰分是指生物質(zhì)中所有可燃物質(zhì)完全燃燒后所剩下的固體(實(shí)際亡還包含有生物質(zhì)中一些礦物質(zhì)的化臺(tái)物)。生物質(zhì)灰的熔融特性是燃燒和熱加工制氣化的重要指標(biāo)。 由于生物質(zhì)灰分中存在一些礦物質(zhì)的化合物，它們可能對(duì)熱加工制氣過程起到催化作用?；胰埸c(diǎn)，對(duì)熱加工過程的操作溫度有決定性的影響，操作溫度超過灰熔點(diǎn)，可能造成結(jié)渣，導(dǎo)致不能正常運(yùn)行。一般生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)在900l050之間，有的還可能更低。三、揮發(fā)分和固定碳 在隔絕空氣的條件下，將生物質(zhì)樣在900下加熱一定時(shí)間，將所得到的氣體中的水分除去，所剩下的部分即為揮發(fā)分。揮發(fā)分是生物質(zhì)中有機(jī)物受熱分解析出的部分氣態(tài)物質(zhì)，它以占生物質(zhì)樣品質(zhì)量的百分比表示。加熱后所留下來(lái)的固體檢為焦炭，焦炭中含有生物質(zhì)樣的全部灰分，除去灰分后，所剩下的就是固定碳。水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳質(zhì)量的總和即生物質(zhì)試樣的質(zhì)量。 揮發(fā)分的主要組分是碳?xì)浠衔?、碳氧化物、氫氣和焦油蒸氣。揮發(fā)分反映了生物物質(zhì)的許多特性，如生物質(zhì)的熱值的高低、焦油產(chǎn)率等。3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備1、干燥箱：又稱烘箱或恒溫箱，供測(cè)定水分使用。干燥箱應(yīng)帶有自動(dòng)調(diào)溫裝置，內(nèi)附風(fēng)機(jī)，由其頂部的溫度計(jì)指計(jì)箱內(nèi)溫度，并能保持105110或14510的溫度范圍。2、箱形電爐：供測(cè)定灰分、揮發(fā)分之用。它應(yīng)帶有調(diào)溫裝置、最高溫度能保持在1000左右，爐膛中具有相應(yīng)的恒溫區(qū)。測(cè)定灰分時(shí)，要具有一定的通風(fēng)排氣條件。3、分析天平：精確到0.0001克。4、干燥器：內(nèi)裝變色硅膠干燥劑。5、玻璃稱量瓶:供測(cè)水分使用。直徑為40毫米，高為25毫米，并帶有嚴(yán)密的磨口蓋，見圖3-1。6、灰皿：供測(cè)定灰分使用。長(zhǎng)方形灰皿的底面為長(zhǎng)45毫米，寬22毫米，高為14毫米，見圖3-2。7、揮發(fā)分坩鍋：供測(cè)定揮發(fā)分用之，瓷質(zhì)，高為40毫米，上口外徑為33毫米，底徑為18毫米，壁厚為1.5毫米。蓋槽的外徑為35毫米，蓋槽的內(nèi)徑為29毫米，外槽深為4毫米，坩鍋總重量為1519克，見圖3-3。 8、托盤天平：感量為1克。9、淺盤：由鍍鋅簿鐵板或鋁板等耐腐蝕又耐熱的材料制成，其面積能以大約每平方厘米0.8克煤樣的比例容納500克煤樣。而且盤的重量應(yīng)小于500克。10、坩鍋架及秒表等。 圖3-1 玻璃稱量瓶 圖3-2 灰皿 圖3-3 揮發(fā)分坩鍋3.2.3 技術(shù)要求和試驗(yàn)步驟 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容，選取楊楊樹枝（Poplar Branch）、核桃殼（Walnut Shell）兩種生物質(zhì)為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)要求：1、實(shí)驗(yàn)前，必須認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指示書，并寫出預(yù)習(xí)報(bào)告；2、熟悉掌握分Mar、Mad、Vad、及Aad的試驗(yàn)方法； 3、實(shí)驗(yàn)中要細(xì)心操作，精確稱量，實(shí)事求是地詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；供測(cè)定生物質(zhì)中的灰分、揮發(fā)分等成分以及發(fā)熱量所用的生物質(zhì)樣叫分析生物質(zhì)樣。它是指在制取生物質(zhì)樣的過程中,得到的生物質(zhì)的粒度小于0.2毫米且在室溫下連續(xù)干燥一小時(shí)后生物質(zhì)樣的質(zhì)量變化不超過0.1的生物質(zhì)樣。分析生物質(zhì)樣的基準(zhǔn)為空氣干燥基。實(shí)驗(yàn)中，為了檢查分析結(jié)果的可靠程度，每項(xiàng)分析試驗(yàn)應(yīng)對(duì)同一生物質(zhì)樣重復(fù)進(jìn)行兩次測(cè)定。如果兩次測(cè)定之差不超過規(guī)定的允許誤差，則取其算術(shù)平均值作為測(cè)定結(jié)果。否則，應(yīng)重新測(cè)定。（一）空氣干燥基水分的測(cè)定1、試驗(yàn)步驟用預(yù)先烘干和稱出質(zhì)量（稱準(zhǔn)到0.0002克）的稱量瓶稱取粒度為0.2毫米以下的生物質(zhì)樣10.1克(稱準(zhǔn)到0.0002克)。然后把蓋開啟,將稱量瓶放入預(yù)先鼓風(fēng)并加熱到105110的干燥箱中。在一直鼓風(fēng)條件下，干燥1小時(shí)，從干燥箱中取出稱量瓶并立即加蓋。在空氣中冷卻23分鐘后，放入干燥器中冷卻到室溫（約20分鐘）稱量。然后進(jìn)行檢查性的干燥試驗(yàn)，每次30分鐘，直到生物質(zhì)樣的質(zhì)量變化小于0.001克或質(zhì)量增加為止。在后一種情況下采用增量前一次質(zhì)量為依據(jù)。水分在2以下時(shí)不進(jìn)行檢查性干燥。2、結(jié)果計(jì)算試樣中失去的質(zhì)量占試樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，既為分析試樣的水分百分含量式中；Mad空氣干燥基生物質(zhì)樣的水分 m分析生物質(zhì)樣的原有質(zhì)量，克 m1烘干后的生物質(zhì)樣質(zhì)量，克。3、允許誤差兩次水分測(cè)定結(jié)果的誤差不得超過下列規(guī)定；水分Mad % 同一化驗(yàn)室的允許誤差，%5 0.20510 0.3010 0.40（二）灰分的測(cè)定、試驗(yàn)步驟在預(yù)先灼燒和稱出質(zhì)量（準(zhǔn)確到0.0002克）的灰皿中，稱取粒度為0.2毫克以下的分析生物質(zhì)樣10.1克（稱準(zhǔn)到0.0002克）。生物質(zhì)樣在灰皿中要鋪平，使其每平方米不超過0.15克。將灰皿送入溫度不超過100箱形電爐中，在自然通風(fēng)和爐門留有15毫米左右縫隙的條件下，用30分鐘緩慢升至500。在此溫度下保持30分鐘后，升至81510然后關(guān)上爐門并在此溫度下灼燒1小時(shí)，灰化結(jié)束后從爐內(nèi)取出灰皿，在空氣中冷卻5分鐘，然后放入干燥器中，冷卻至室溫（約20分鐘），稱量。 然后進(jìn)行檢查性灼燒，每次20分鐘，直到質(zhì)量變化小于0.001克為止，采用最后一次測(cè)定的質(zhì)量作為計(jì)算依據(jù)，灰分小于15時(shí)不進(jìn)行檢查性灼燒。2、結(jié)果計(jì)算方法 殘留物質(zhì)量占原質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，即為分析生物質(zhì)樣的灰分Aad式中； Aad空氣干燥基生物質(zhì)樣的灰分，； M1灼燒后灰皿中殘留物的質(zhì)量，克； M灼燒前分析生物質(zhì)樣的質(zhì)量，克 3、允許誤差 兩次灰分測(cè)定結(jié)果的誤差不得超過下列規(guī)定。 灰分Aad 同一化驗(yàn)室的允許誤差 15 0.20 1530 0.30 30 0.50(三)揮發(fā)分的測(cè)定1、試驗(yàn)步驟用預(yù)先在900的箱形電爐中灼燒至恒重并已知質(zhì)量的揮發(fā)分坩堝稱取粒度小于0.2毫米的分析試樣10.01克(稱準(zhǔn)到0.0002克)，輕輕震動(dòng)使煤樣攤開，然后加蓋，放在坩堝架上。箱形電爐預(yù)熱到920,打開爐門，迅速將擺好坩堝的架子送入爐內(nèi)恒溫區(qū)，關(guān)好爐門。使坩堝繼續(xù)加熱7分鐘。試驗(yàn)開始時(shí)，爐溫會(huì)有所下降，要求3分鐘內(nèi)爐溫應(yīng)恢復(fù)到90010并繼續(xù)保持此溫度到試驗(yàn)結(jié)束，否則此試驗(yàn)作廢。從爐中取出坩堝。在空氣中冷卻56分鐘后，放入干燥器中，冷卻到室溫（約20分鐘），稱量。2、結(jié)果計(jì)算：試驗(yàn)中失去的質(zhì)量占試樣原質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，再減去該試樣的空氣干燥基水分Mad，即為分析生物質(zhì)樣的空氣干燥基揮發(fā)分Vad：式中：Vad空氣干燥基生物質(zhì)樣的揮發(fā)分，； m分析生物質(zhì)樣試驗(yàn)前的質(zhì)量，克； m1分析生物質(zhì)樣試驗(yàn)后的殘留質(zhì)量，克； Mad分析生物質(zhì)樣的水分，3、允許誤差： 兩次試樣的測(cè)定結(jié)果的誤差，不得超過下表規(guī)定的允許值。 揮發(fā)分Vad 同一化驗(yàn)室的允許誤差 20 0.30 2040 0.50 40 0.80（四）固定碳的計(jì)算利用水分灰分及揮發(fā)分的測(cè)定結(jié)果，分析生物質(zhì)樣的固定碳含量就可方便地由下式求得； （FC）ad=100-(Mad+Aad+Vad)3.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及計(jì)量表格表3-1 生物質(zhì)原料的工業(yè)分析結(jié)果/%種類MarAadVadFCadPB67333778.2711.63WS11.871.5676.899.68 由表3-1工業(yè)分析結(jié)果可知，2種生物質(zhì)原料水分和揮發(fā)分含量都較高，對(duì)收到基而言，其水分含量在6.73%-