浙江大学生物质特性课件

余春江教授余春江教授20172017年年3 3月月1010日日生物质燃烧发电生物质燃烧发电生物质能基本概念和意义生物质概念生物生物质是是讨论能源能源时常用的一个常用的一个术语，是指直接或者，是指直接或者间接由光合作用而接由光合作用而产生的可生的可被作被作为能源的各种有机体；能源的各种有机体；直接通直接通过光合作用利用太阳能合成的有机物属于通常概念上的，或者狭光合作用利用太阳能合成的有机物属于通常概念上的，或者狭义的生物的生物质能，包括木材、秸能，包括木材、秸秆、植物油脂、果、植物油脂、果实以及藻以及藻类等植物、微生物有机体；等植物、微生物有机体；广广义生物生物质能能还包括包括间接利用光合作用合成的有机接利用光合作用合成的有机质，即以上述植物、微生物，即以上述植物、微生物为食物的食物的动物及其生物及其生产的的废弃物，例如禽畜弃物，例如禽畜粪便、生活便、生活废水、有机水、有机废水和城市固水和城市固废等；等；光合作用利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气的过程，光合作用是生命活动中的关键过程，植物光合作用的简单过程如下：光合作用的能量转化本质：光合作用的能量转化本质：生物质的生产累计过程就是太阳能转化存储在有机物生物质的生产累计过程就是太阳能转化存储在有机物质中的过程质中的过程生物质利用和温室气体生物质虽然是碳基能源，利用过程中有CO2排放，但是理论上排放量于作物生长合成有机质过程中固定的CO2等量，是碳中性或者CO2零排放燃料生物质能大规模现代化利用可以替代化石燃料的耗用，从而降低温室气体的排放生物质能的利用避免了大量废弃有机质在自然环境下厌氧分解而排放的大量的CO2和CH4，后者是具有强烈致温室效应能力的气体。各种气体各种气体对温室效温室效应的的贡献献气体种类气体种类CO2CH4CFC1112N2O其他（其他（O3）影影响响（%）491814613来源来源化石燃料化石燃料燃烧燃烧农业农业化工化工肥料、焚肥料、焚烧烧臭氧臭氧生物质能利用历史生物质能是一种古老的能源，伴随着人类的起源和发展整个过程，工业革命之前一直占据人类用能的主体地位目前，世界能耗中，生物质能约占14，在不发达地区占60以上，主要为传统利用模式。生物生物质能在全球能源供能在全球能源供应中的中的历史地位史地位人类利用生物质人类利用生物质能的历史长达百能的历史长达百万年，贯穿人类万年，贯穿人类的文明发展史的文明发展史19世纪世纪煤炭利煤炭利用兴起用兴起20世纪以来石世纪以来石油天然气成为油天然气成为主要能量来源主要能量来源一百多年的高强度开采消费使化一百多年的高强度开采消费使化石能源渐趋枯竭，其对环境的沉石能源渐趋枯竭，其对环境的沉重压力也引起国际社会的极大忧重压力也引起国际社会的极大忧虑。自上世纪虑。自上世纪9090年代以来年代以来“可持可持续发展续发展”成为时代的最强音。生成为时代的最强音。生物质能重新成为可再生能源的亮物质能重新成为可再生能源的亮点！点！中国的一次能源构成中国的一次能源构成中国的商业用能构成中国的商业用能构成碳循碳循环与温室效与温室效应控制控制 全球碳全球碳库和碳循和碳循环 独特的可再生能源生物质是独特的，它是贮存固化的太阳能，是唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。生物质生物质(秸秆秸秆)向高品位能源的转化向高品位能源的转化民用固体、民用固体、气体燃料气体燃料液体燃料液体燃料燃烧燃烧 热热/电电生物质（秸秆）生物质（秸秆）生物质燃烧利用可生物质燃烧利用可以利用化石燃料燃以利用化石燃料燃烧的成熟经验，最烧的成熟经验，最具产业化前景！具产业化前景！生物质能资源生物质能源的资源量受下列诸因素影响：植物、藻类的品种生长周期、繁殖与种值方法、收获方法日照的时间与强度、环境的温度与湿度、雨量、土壤条件等，从整体能源转化角度，在太阳能直接转换的各种过程中，光合作用的效率并不高：总体转化率范围在0.5-5温带地区植物光合作用的转化率按全年平均计0.5-2.5，整个生物圈的平均转化率可达3-5世界上约有250000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815%生物质资源总量由于植物和藻类的数量巨大，据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2x1011t，含能量达3x1021J每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能（直接生物质能），相当于全世界每年耗能量的10倍生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就相当于目前人类消耗矿物能的20倍，或相当于世界现有人口食物能量的160倍中国的生物质能构成中国的生物质能构成中国生物质能源的可利用量中国生物质能源的可利用量中国生物质能源的可利用量中国生物质能源的可利用量农作物秸杆总量为农作物秸杆总量为农作物秸杆总量为农作物秸杆总量为7.057.057.057.05亿吨亿吨亿吨亿吨/年年年年农业加工残余物约为农业加工残余物约为农业加工残余物约为农业加工残余物约为0.840.840.840.84亿吨亿吨亿吨亿吨/年年年年薪材及林业加工剩余物合理资源量薪材及林业加工剩余物合理资源量薪材及林业加工剩余物合理资源量薪材及林业加工剩余物合理资源量1.581.581.581.58亿吨亿吨亿吨亿吨/年年年年人畜粪便生物质资源总量为人畜粪便生物质资源总量为人畜粪便生物质资源总量为人畜粪便生物质资源总量为4.434.434.434.43亿吨亿吨亿吨亿吨/年年年年城市生活垃圾污水中有机物约城市生活垃圾污水中有机物约城市生活垃圾污水中有机物约城市生活垃圾污水中有机物约0.560.560.560.56亿吨亿吨亿吨亿吨/年年年年我国生物我国生物质资源源类型分布型分布 不考虑种植不考虑种植,农作物秸秆是我国生物质资源主体，占一半以上农作物秸秆是我国生物质资源主体，占一半以上,这是我国这是我国生物质资源区别于其他国家的重要特征！生物质资源区别于其他国家的重要特征！我国我国农作作物秸物秸秆资源情况源情况单位：百万吨标准煤单位：百万吨标准煤越来越多的秸秆（尤其是南方的稻秆、北方的玉米秆）被大越来越多的秸秆（尤其是南方的稻秆、北方的玉米秆）被大量废弃、焚烧，带来了严重的环境污染量废弃、焚烧，带来了严重的环境污染在高速公路两侧、机场附近随地焚烧秸秆现象已对民航及公在高速公路两侧、机场附近随地焚烧秸秆现象已对民航及公路交通带来了严重影响路交通带来了严重影响环境污染现状环境污染现状我国秸我国秸秆消消费流向流向 中国生物质能问题总体上应该是解决秸秆问题我国生物质能源化利用意义我国生物质能源化利用意义降低温室气体排放，降低温室气体排放，缓解化石能源消耗带缓解化石能源消耗带来的环境问题来的环境问题 增加农村就业和农增加农村就业和农民收入，有利于解民收入，有利于解决决“三农三农”问题和问题和新农村建设新农村建设能源供应多元化，能源供应多元化，有助于解决农村能有助于解决农村能源问题源问题 生物质能利用生物质能利用生物生物质特性和分析方法特性和分析方法主要内容生物质特性概述含水率、物理特性工业分析和元素分析燃料特性及分析无机杂质及分析检测生物质特性概述n生物质原料作为能源使用的品位是由生物质的物理、化学性质和热化学性质决定的，这些性质对于生物质原料利用转化技术的适用和产品性能影响极大。n水分含量n密度、形貌n化学组成和特性n热化学特性n无机杂质特性n灰渣特性生物质中的水分n植物在生长过程中，其根部从土壤中吸收含有矿物营养的水分，通过特定结构输送到作物机体各个器官；活体生物质中的水分以汁液形式出现，是矿物质和有机质的混合液，水分含量随作物品种、季节和部位的不同而异。n此外由于生物质是多孔体，在水存、水运、水热处理过程中，水均可渗入木材内部。n较干的生物质还能从空气中吸收蒸汽状态的水分。木材含水量的表示与木材含水量的表示与测定定木材中水分的重量和木材自身重量之百分比称为木材的含水率以全干木材的重量为计算基准的称为绝对含水率以湿木材的重量为计算基准的称为相对含水率。式中：M 绝对含水率;M 相对含水率;G0 全干生物质重量(g);GM 测定时生物质重量(g)。水分对生物质利用的影响n降低生物质的热值n增加生物质的黏附性能，影响其流动性，引起喂料器堵塞n使生物质着火困难，影响燃烧速度，使炉内温度降低，使机械和化学不完全燃烧的热损失增加。n燃烧后的烟气体积较大，随烟气带走的热量损失较多，同时，烟气体积增加，排风机所消耗的电能也随之增加。含水率的测定方法-烘干法（重量法）n取一定量生物质试样；称取初重GM n放入烘箱，先低温，后逐步使温度上升到1032（1055），保持恒温n烘至试样全干，称取全干重量G0n将GM 和G0代入上式即可计算出原料的含水率n判断试样是否达到全干的方法是：在试样放入烘箱h 后，每隔h 试称一次，至最后两次称重之差极小（不超过0.3%），即可认为达到全干。电测法电测法是根据生物质中水分含量与如电导率、介电常数、损耗角正切等电学性质之间的关系设计出测定仪来测定原料中的含水率。电测法的特点是简便迅速，不破坏试件；但能测定的深度较浅，测定含水率范围受到限制（含水率在723%范围内较准确），精度较低（需作温度和原料密度、原料品种等修正）平衡含水率生物质（木材）长期暴露在一定温度和相对湿度的空气中，最终会达到相对恒定的含水率，即吸湿与解吸的速度相等，此时材料所具有的含水率称平衡含水率平衡含水率随大气温度和湿度的不同而异，因此不同地区、不同季节的平衡含水率也不尽相同。我国北方地区年平均平衡含水率约为12%，南方约为18%，长江流域约为15%。表部分地区年平均平衡含水率(%)地区平衡含水率地区平衡含水率地区平衡含水率地区平衡含水率拉萨8.6银川11.8哈尔滨13.6福州15.6呼和浩特11.2乌鲁木齐12.1西安14.3成都16.0兰州11.3天津12.1桂林14.4南昌16.0北京11.4郑州12.4南京14.9上海16.0西宁11.5长春13.3广州15.1杭州16.5太原11.7沈阳13.4武汉15.4长沙16.5济南11.7昆明13.5贵阳15.4海口17.3其他物理特性密度密度、容积重和比重的概念是有区别的，但通常不作区分。现多用单位体积生物质的重量来表示生物质的密度：式中:为密度(g/cm3)；G为重量（g）；V为体积（cm3）由于生物质的体积和重量都是随含水率的变化而变化的，因此表示生物质的密度时应注明测定时的含水率。堆积密度n堆积密度是指在自然堆积情况下包括生物质颗粒堆积密度是指在自然堆积情况下包括生物质颗粒空间在内的密度，反映了单位体积中生物质的质空间在内的密度，反映了单位体积中生物质的质量量n真实密度：即通常所说的物质的密度，是指颗粒真实密度：即通常所说的物质的密度，是指颗粒间空隙为零时计算的物质密度（比较难界定，一间空隙为零时计算的物质密度（比较难界定，一般认为木材的真密度约般认为木材的真密度约1.51.5，秸秆的真密度约，秸秆的真密度约1.21.2）褐煤560600kg/m3；烟煤800900kg/m3。生物质的堆积密度远远低于煤的堆积密度。玉米秸秆的堆积密度为3050kg/m3部分生物质的堆积密度热特性导热性能n生物质是多孔性物质，孔隙中充满空气，空气是热的不良导体，所以生物质的导热性较小。n生物质导热性除受温度影响外，还取决于材质的密度、含水率和纤维方向。生物质导热性随着密度或含水率的增加而提高。三种木材在不同纤维方向的热导率导热系数小于等于0.12W/m.k的材料可称为保温材料，碳钢的导热系数209W/m.k热特性比热容某物质平均温度升高所需的热量称为该物质的热容量。通常用Q/t表示，单位为J/K，其中Q表示所需热量，t为温差。比热为单位质量的物质在温度升高时所需的热量。水在15时的热容量为4.18KJ/(KgK)杜拉普利用热量计法测定了20个树种,每种100个试样，在0106 之间得出绝干木材比热的经验式：C01.112+0.00485t KJ/(KgK)（0100范围，平均温度为50时绝干木材的平均比热为1.35KJ/(KgK)）木材的比热仅受温度和含水率的影响，而与树种、木材密度和在树干中的部位无关。因为水的比热远大于木材和空气的比热，所以木材的比热随木材中含水率的增加而加大。生物质的工业分析和元素分析工业分析是指用工业分析法得出生物质工业分析是指用工业分析法得出生物质燃料的规范性组成，该组成可给出固体燃料的规范性组成，该组成可给出固体燃料中可燃成分和不可燃成分的含量。燃料中可燃成分和不可燃成分的含量。可燃成分包括挥发分和固定碳，不可燃可燃成分包括挥发分和固定碳，不可燃成分为水分和灰分。可燃成分和不可燃成分为水分和灰分。可燃成分和不可燃成分都是以质量分数来表示，其总和应成分都是以质量分数来表示，其总和应为为100%100%。元素分析组成是用元素分析法得出的组元素分析组成是用元素分析法得出的组成生物质各种元素含量的多少成生物质各种元素含量的多少生物质的工业分析组成和元素分析生物质的工业分析(PROXIMATEANALYSIS)分析过程非常简便的定量方法：通过把生物质升温加热，依据不同温度阶段析出或剩下的物质分别分为水分，灰分，挥发分和固定碳四个项目结果表示：质量百分数 工业分析中水分的测试n工业分析中测取得是生物质中的全水分：工业分析中测取得是生物质中的全水分：n n 全水分全水分MtMt外在水分外在水分 内在水分内在水分 n 生生物物质质全全水水分分，是是指指生生物物质质中中全全部部的的游游离离水水分分，即即生生物质中外在水分和内在水分之和。物质中外在水分和内在水分之和。n 全全水水分分测测定定：生生物物质质样样品品在在105105（5 5）下下并并鼓鼓风风干干燥至恒重失去的重量燥至恒重失去的重量n概念：是指以机械方式附着在生物质的表面上以及在较大毛细孔（直径10-4mm）中存留的水分。n自然干燥可去除。外在水分的蒸汽压与空气中水蒸汽压力相平衡时失去的水分即外在水分。n外在水分的数值随测定时空气湿度和温度而变化。水分u 外在水分（外在水分（Surface moistureSurface moisture）u 内在水分（内在水分（Inherent moistureInherent moisture）n概念：生物质中以物理化学结合力吸附在生物质内部毛细管(直径10-5cm)中的水分为内在水分。n内在水分的蒸汽压力小于同温度下纯水的蒸汽压力，所以很难在室温下除去，必须在105110的温度下干燥才能除去。n生物质中内在水分含量较稳定，有近似的固定值（5%左右）。工工业分析分析-挥发分分VOLATILE(V)VOLATILE(V)n将生物质在限定的条件下隔绝空气加热后，所得挥发性有机物质的产率为挥发分。主要组分：永久性气体（H2、CO、CH4等可燃气体和少量的H2O、O2、N2、CO2等不可燃气体）和焦油蒸汽，是生物质中有机质热分解的产物。n约占原料总质量的60-80%，比煤炭高n本质是热解过程，不同温度，不同停留时间获得的量是不一样的n测定：去水分后的生物质样品（0.2mm，1g)在隔绝空气条件下加热到90010），约7分钟所失去的重量生物质挥发分含量特点高燃料种类挥发分含量（质量分数）/%秸秆6380木材7278无烟煤10烟煤2040工工业分析分析-固定碳固定碳FIXEDCARBONFIXEDCARBON(FC)(FC)挥发分析出后剩下的残渣除去灰分。主要成分为碳，但也含有少量的氧、氮、硫等 测定：0.2mm，1g析出挥发分后的焦炭在空气中（81510）下烧1小时后冷却（干燥箱）称重并检查性灼烧（30min)，失去的量即焦炭；固定碳固定碳是相对于挥发分中碳而言的，例如在灰渣中包含的未燃烧的碳一般就是这种碳。固定碳的燃点很高，需在较高温度下才能着火燃烧，所以燃料中固定碳的含量越高，则燃料愈难燃烧，着火燃尽所需的温度也就越高。和煤炭相比，在柴草等生物质中固定碳的含量较少（14%25%），挥发分较多，因此容易点燃，也容易燃尽。工业分析中的灰分n生物质有高温（500600）灼烧后留下的残余物即为灰分。称量残留物的重量即可计算出样品中总灰分的含量。n一般地，生物质中灰分含有：Ca、Al、Mg、Na、K、Fe、O、Si、Cl等，还有少量的Zn、P等。n生物质灰分来源生物质中的无机矿物质，在空气气氛下被氧化、分解，并失去结晶水后产生，和煤炭工业分析高温灼烧（81510）相比，生物质工业分析推荐采用较低的灼烧温度。生物质中灰分来源n生物质中的灰来源有两类：n原生矿物质：植物本身所含的矿物质，主要为碱金属及碱土金属的盐类，12%。n外来矿物质：原来不在生物质中，在收获、储运、预处理过程时混入的无机杂质。主要成分为：SiO2、Al2O3、CaCO3、CaSO4、FeS2等。可以用物理方法除去。几种常见生物质的工业分析（%）种种 类类水分水分灰分灰分挥发分挥发分固定碳含量固定碳含量豆 秸5.103.1374.6517.12稻 草4.9713.8665.1116.06玉米秸4.875.9371.9517.75高粱秸4.718.9168.9017.48谷 草5.338.9566.9318.79麦 秸4.938.9067.3619.35棉花秸6.783.9768.5420.71杂 草5.439.4668.7116.40杨树叶2.3413.6567.5916.42柳木（安徽）6.723.6777.1712.44杨木（安徽）6.263.5073.6816.56松木（安徽）6.250.7678.9514.04稻壳2.7115.869.3012.19常用的有机组成表示法-元素分析由于很难测定生物质的有机化学结构及存在形态，实际应用时，通常用元素分析的方法来了解生物质的有机组成 生物质的元素分析(ultimate analysis)概念：对生物质中碳、氢、氧、氮、硫五种元素的总称结果表示：用各种元素的质量百分数表示。可燃质：C,H,S(SO2,SO3)（有机，无机，硫酸盐硫）不可燃质：N(NOx),O(内部废物)应用：原料特性研究，工业利用过程计算，环境评价碳碳是燃料中最基本的可燃元素，1kg碳完全燃烧时生成二氧化碳，可释放出大约33858kJ热量，固体燃料中碳的含量基本决定了燃料热值的高低。生物质中Cdaf 44%58%，而煤的形成年代愈长，碳元素含量愈高，泥煤Cdaf 50%60%，褐煤Cdaf 60%77%，无烟煤Cdaf 90%98%。碳在燃料中一般与H、O、N、S等元素形成复杂的有机化合物，在受热分解（或燃烧）时以挥发物的形式析出（或燃烧）。此外有单质形式固定碳和残留灰渣中的碳。氢氢是燃料中仅次于碳的可燃成分，1kg氢完全燃烧时，能放出约125400kJ的热量，相当于碳的3.53.8倍。氢含量多少直接影响燃料的热值，着火温度以及燃烧的难易程度。氢在燃料中主要以碳氢化合物形式存在，当燃料被加热时，碳氢化合物以气态挥发出来，所以燃料中含氢越高，越容易着火燃烧，燃烧得越好。含有大量氢的固体燃料在储藏时易于风化，风化时会失去部分可燃元素，其中首先失去的是氢。氢在固体燃料中的含量很低，煤中约为2%8%，并且随着碳含量的增多逐渐减少；生物质中约为5%7%。在固体燃料中有一部分氢与氧化合形成结晶状态的水，该部分的氢是不能燃烧放热的；而未和氧化合的那部分氢称为“自由氢”，它和其他元素（如碳、硫等）化合，构成可燃化合物，在燃烧时与空气中的氧反应放出很高的热量。氮是生物体内重要的营养元素，富含在植物体内生长旺盛的部位。氮在高温下与O2发生燃烧反应，生成NO2或NO，统称NOx。NOx排放造成环境污染。但氮在较低温度（800）与O2燃烧反应时产生的NOx显著下降，而是呈游离态氮气N2状态。生物质中含硫量极低，一般少于0.3%，有的生物质甚至不含硫。1kg硫完全燃烧时，可放出9033kJ的热量。生物质中的硫主要是有机硫，来源于植物中蛋白质和微生物中蛋白质，由硫醚或硫化物等组成。生物质中可能夹带硫酸盐硫，这部分硫性质稳定不计入元素分析的硫份中，而归于灰分中氧、氮、硫氧存在于生物质有机和无机组分中，和煤相比含量较高，对热值无贡献几种木质纤维素原料的元素组成和热值原料种类元素含量（%）低位发热量（kJ/kg）CHONS麦秸49.046.1643.411.050.3415371稻草48.875.8444.380.740.1713977玉米秸49.955.9743.120.830.1315547高梁秸48.636.0844.920.360.0115047稻壳46.206.1045.002.580.1414557玉米芯48.45.5044.300.3014395花生壳54.96.7036.901.370.121417豆秸44.795.8143.445.850.1116154棉花秸49.85.7043.100.690.2215999松木52.35.838.80.2016811生物质组成计算基准：不同状态下的生物质原料成分组成数据有变化，需要明确基准：收到基-As Received(ar):生物质在所收到状态下各成分的质量百分组成；（应用基）空干基Air Dry(ad):在室温20，相对湿度60下经干燥后各成分的质量百分组成；（分析基）干燥基Dry(d):把生物质中水分除去后的各组份质量百分组成；干燥无灰基Dry and Ash Free(daf):把煤中水分、灰分除外的各组份质量百分组成（可燃基）生物质的组成基准水分M 挥发分V固定碳Fc灰分AMfMadSrONHCCS1yA干燥无灰基（daf)干燥基(d)空气干燥基(ad)收到基(ar)Mf外部水分，Mad内部水分，Sr可燃硫（有机硫），Sly硫酸盐硫（归入灰分）生物质元素分析计算基准收到基（应用基）收到基（应用基）:as received basis:as received basis Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%空气干燥基（分析基）空气干燥基（分析基）:air dried basis:air dried basis Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%干燥基干燥基:dry basis:dry basis Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%干燥无灰基（可燃基）干燥无灰基（可燃基）:dry ash-free basis:dry ash-free basis 最稳定的基准，燃料分类依据最稳定的基准，燃料分类依据 Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%生物质工业分析计算基准收到基收到基:as received basis:as received basis Mar+FCar+Var+Aar=100%Mar+FCar+Var+Aar=100%空气干燥基（分析基）空气干燥基（分析基）:air dried basis:air dried basis FCad+Vad+Aad+Mad=100%FCad+Vad+Aad+Mad=100%干燥基干燥基:dry basis:dry basis FCd+Vd+Ad=100%FCd+Vd+Ad=100%干燥无灰基（可燃基）干燥无灰基（可燃基）:dry ash-free basis:dry ash-free basisFCdaf+Vdaf=100%FCdaf+Vdaf=100%生物质燃料的特性生物质的发热量生物质的热解和燃烧活性生物质的发热量n概念：生物质完全燃烧发热量(kJ)n 单位质量生物质(kg)n 用于定量衡量生物质中可燃物燃烧放出热量（C,H,S)n 单位质量的物质完全燃烧时所放出的热量，称为该物质的发热量单位质量的物质完全燃烧时所放出的热量，称为该物质的发热量（或称热值）。（或称热值）。发热量是以焦发热量是以焦/克（克（J/gJ/g）或兆焦）或兆焦/千克（千克（MJ/kgMJ/kg）为单位。）为单位。1MJ/kg=1000J/g1MJ/kg=1000J/g。注意：热量和发热量（或称热值）是两个不同概念。注意：热量和发热量（或称热值）是两个不同概念。测定方法（氧弹法）原理原理 当要测某种可燃物质的热值时，只需将一定量的该物质置于量热当要测某种可燃物质的热值时，只需将一定量的该物质置于量热体系中燃烧，测出量热体系的温升值，即可算出该物质的热值。体系中燃烧，测出量热体系的温升值，即可算出该物质的热值。将一定量的生物质样品放在一个密闭的容器中（俗称氧弹），在将一定量的生物质样品放在一个密闭的容器中（俗称氧弹），在过剩高压氧存在的条件下（过剩高压氧存在的条件下（2.2-3.5*106Pa2.2-3.5*106Pa）使其完全燃烧放热，）使其完全燃烧放热，并冷却到燃料的原始温度状态下的放热量。并冷却到燃料的原始温度状态下的放热量。绝热式量式量热仪技技术参数：参数：测量范量范围：0-650-65分辨率：分辨率：0.00010.0001测试精度：精度：优于国于国标GB/T213-2008GB/T213-2008测试时间：1515分分钟 电源源电压：AC220VAC220V15%15%，50Hz50Hz氧氧弹容量：容量：300mL300mL充氧充氧压力：力：2.8-3.0MPa2.8-3.0MPa外水筒容量外水筒容量 约65L65L内水筒容量内水筒容量 约2.1L2.1L热容量容量约10500J/K10500J/K燃烧条件燃烧条件 燃烧产物种类及其相态燃烧产物种类及其相态 热力学状热力学状态态 CHSN氧弹内氧弹内 CO2(g)H2O(I)H2SO4(I)HNO3(I)恒容状态恒容状态 空气中空气中 CO2(g)H2O(I)SO2(g)N2(g)恒压状态恒压状态 锅炉中锅炉中CO2(g)H2O(g)SO2(g)N2(g)恒压状态恒压状态 氧弹发热量和高位（低位）发热量Qgr=Qb-SQgr=Qb-S、N N生成酸的校正值生成酸的校正值Qad,gr=Qad,b-(95Sad,b+Qad,gr=Qad,b-(95Sad,b+Qad,b)Qad,b)（为硝酸放为硝酸放热比例）热比例）高位发热量（高位发热量（Qgr)Qgr)：将燃烧后所产生水蒸汽的潜热计入：将燃烧后所产生水蒸汽的潜热计入低位发热量（低位发热量（Qnet):Qnet):不计水蒸气潜热不计水蒸气潜热 关系：关系：Qar=Qgr-25(M+9H)Qar=Qgr-25(M+9H)由于锅炉排烟温度下烟气中的水蒸汽不会凝结，所以可由于锅炉排烟温度下烟气中的水蒸汽不会凝结，所以可利用热量一般为利用热量一般为QnetQnet水分对生物质低位发热量的影响生物质（秸秆）的热解特性生物质的燃烧活性典型煤炭燃烧过程典型生物质燃烧过程生物质中无机杂质及分析检测生物质的无机杂质主要汇集在生物质的灰分中，灰成分是表征燃生物质的无机杂质主要汇集在生物质的灰分中，灰成分是表征燃料特性的一项非常重要的指标。料特性的一项非常重要的指标。通过燃料的灰成分组成可以判断灰的熔融特性和燃料在炉内的结通过燃料的灰成分组成可以判断灰的熔融特性和燃料在炉内的结渣沾污特性等。渣沾污特性等。对于最常见的燃料煤来说，基于对其成灰过程的深入研究和大量对于最常见的燃料煤来说，基于对其成灰过程的深入研究和大量经验数据积累，在特定条件下，甚至可以利用煤的灰成分计算煤经验数据积累，在特定条件下，甚至可以利用煤的灰成分计算煤灰熔融的灰熔融的4 4个特征温度（个特征温度（DTDT、STST、HTHT、FTFT），另外还有大量基于煤），另外还有大量基于煤灰成分分析数据的经验判据，如酸碱比、结渣指数等，可以直接灰成分分析数据的经验判据，如酸碱比、结渣指数等，可以直接指导燃烧装置设计或者配煤作业。指导燃烧装置设计或者配煤作业。对于生物质的灰成分分析目前一般沿用煤炭灰分析的方法和标准对于生物质的灰成分分析目前一般沿用煤炭灰分析的方法和标准灰成分分析灰成分分析将燃料灰中的含量比较大的元素含量折算成氧化物的形式来将燃料灰中的含量比较大的元素含量折算成氧化物的形式来表示，再将这些氧化物按照质量百分比进行计算而得。表示，再将这些氧化物按照质量百分比进行计算而得。在常规燃料特性分析中，在常规燃料特性分析中，SiSi、CaCa、FeFe、MgMg、AlAl、TiTi、K K、NaNa这这8 8种元素是分析标准中统一要求的测试项目，而对种元素是分析标准中统一要求的测试项目，而对MnMn、C C、S S、ClCl、P P这几种元素因为在灰中含量较少，不同的标准有不这几种元素因为在灰中含量较少，不同的标准有不同的要求同的要求煤和生物煤和生物质的灰成分的灰成分测试结果果灰灰样Fe2O3MgOCaOTiO2Al2O3SiO2K2ONa2OSO3合合计差差值麦草麦草0.512.093.02-na-0.9947.0225.811.733.5282.8717.13树枝枝0.615.7525.31-na-4.097.12290.62.6275.124.9竹片竹片1.544.020.85-na-0.2846.9622.30.532.0678.5421.46煤煤1 15.131.261.052.1127.0959.010.880.410.4897.422.58煤煤2 25.51.014.392.3532.4249.171.050.572.4398.891.11麦草、麦草、杨树枝和竹片在枝和竹片在600下成灰下成灰 生物质灰成分分析误差分析针对煤的灰成分分析具有较高的可信度，各种氧化物总量接近针对煤的灰成分分析具有较高的可信度，各种氧化物总量接近100%100%，灰中主，灰中主要成分为要成分为SiO2SiO2和和Al2O3Al2O3，差值部分可能是由于未检其微量元素以及测试误差等，差值部分可能是由于未检其微量元素以及测试误差等因素，对整体结果影响不大。因素，对整体结果影响不大。但是几种生物质灰中的各组分之和仅有但是几种生物质灰中的各组分之和仅有80%80%左右，所以针对煤炭的灰成分分析左右，所以针对煤炭的灰成分分析方法应用于生物质存在适用性问题方法应用于生物质存在适用性问题对生物生物质灰灰进行了行了XRDXRD测试误差分析和改进生物质灰中的生物质灰中的KClKCl情况就有所不同，它无法用钾和氯的氧化物来表示，由于情况就有所不同，它无法用钾和氯的氧化物来表示，由于KClKCl在生物质灰中占有相当的质量份额，将钾盐中的钾归入钾的氧化物必然会在生物质灰中占有相当的质量份额，将钾盐中的钾归入钾的氧化物必然会产生偏差产生偏差生物质中的碱金属的量一般会多于氯的含量，根据水溶性碱金属优先与氯结生物质中的碱金属的量一般会多于氯的含量，根据水溶性碱金属优先与氯结合的原则，可以先通过氯的含量来确定合的原则，可以先通过氯的含量来确定KClKCl和和NaClNaCl的量，其中氯在的量，其中氯在KClKCl和和NaClNaCl中的比例要按照中的比例要按照K K、NaNa的摩尔比进行分配，与氯结合后剩余的碱金属部分再表的摩尔比进行分配，与氯结合后剩余的碱金属部分再表示为碱金属氧化物示为碱金属氧化物名称名称非碱金属非碱金属氧氧化物化物总和和*KClNaClK2ONa2O合合计差差值麦草麦草57.1536.141.703.010.8398.831.17树枝枝45.5040.510.593.440.2990.339.67竹片竹片55.7132.280.541.930.2490.709.30树枝和竹片的偏差仍然较大的主要原因应该是生物质树枝和竹片的偏差仍然较大的主要原因应该是生物质灰中还有一定量的碳酸盐和磷酸盐，它们也可以表示灰中还有一定量的碳酸盐和磷酸盐，它们也可以表示为氧化物：为氧化物：P2O5P2O5、CO2CO2，而常规测试中依据的标准没有，而常规测试中依据的标准没有对对P2O5P2O5、CO2CO2等物质的分析进行要求。等物质的分析进行要求。显然，在灰成分分析中包含氯盐、显然，在灰成分分析中包含氯盐、P2O5P2O5、CO2CO2项是减少项是减少目前生物质灰成分分析总和偏低的有效途径目前生物质灰成分分析总和偏低的有效途径生物质灰熔融特性燃料在燃烧中的风险主要通过灰熔点或者灰的烧结温度的测试来预测燃料在燃烧中的风险主要通过灰熔点或者灰的烧结温度的测试来预测对化石燃料煤来说，根据标准对化石燃料煤来说，根据标准GB/T212-2001GB/T212-2001，通过，通过800800成灰，将煤灰制成标成灰，将煤灰制成标准的灰锥，通过灰锥在升温的过程中的变形程度来确定准的灰锥，通过灰锥在升温的过程中的变形程度来确定4 4个特征温度个特征温度DTDT、STST、HTHT、FTFT等，对燃煤工业判断煤的燃烧结渣风险有较强指导作用。等，对燃煤工业判断煤的燃烧结渣风险有较强指导作用。a、稻草灰熔点、稻草灰熔点测试测试灰锥法应用于生物质的局限性成灰过程导致的测试误差，宜采用低温成灰而不是高温成灰。成灰过程导致的测试误差，宜采用低温成灰而不是高温成灰。采用采用600600对稻草进行低温成灰，按照对稻草进行低温成灰，按照ASTMASTM标准在标准在600600制成灰锥制成灰锥后利用智能灰熔点测试仪（后利用智能灰熔点测试仪（5E-AF5E-AF）针对稻草灰进行灰熔点测试，）针对稻草灰进行灰熔点测试，得到稻草灰的变形温度约为得到稻草灰的变形温度约为10001000，软化温度约为，软化温度约为11501150，明显，明显高于实际的稻草灰烧结熔融温度（约高于实际的稻草灰烧结熔融温度（约760760）前述方法都是先进行燃料成灰，然后对的进行相关测试，即成灰前述方法都是先进行燃料成灰，然后对的进行相关测试，即成灰与灰的结渣熔融是通过两步来完成的，两步中灰所处的环境条件与灰的结渣熔融是通过两步来完成的，两步中灰所处的环境条件是不同的，这个可能是造成预测不准的主要原因。是不同的，这个可能是造成预测不准的主要原因。改进的评判办法烧结熔融指数的建立对于轻度熔融的散灰：对于轻度熔融的散灰：燃料粉碎到燃料粉碎到8080目以下进行成灰，记下成灰前的瓷舟质量目以下进行成灰，记下成灰前的瓷舟质量mpmp和成灰后瓷舟与灰和成灰后瓷舟与灰的总质量的总质量mtmt。成灰后将瓷舟倒扣在。成灰后将瓷舟倒扣在8080目筛子上并轻弹瓷舟，使没有粘连在瓷目筛子上并轻弹瓷舟，使没有粘连在瓷舟上的灰落到筛子上，然后在振筛机中筛灰到没有灰颗粒继续下落为止。此舟上的灰落到筛子上，然后在振筛机中筛灰到没有灰颗粒继续下落为止。此时记下落下的灰质量时记下落下的灰质量mama，那么烧熔强度指数：，那么烧熔强度指数：SII=1-ma/(mt-mp)SII=1-ma/(mt-mp)，SII0SII0，11对烧结熔融程度比较严重、已经结渣或者成块的灰样：对烧结熔融程度比较严重、已经结渣或者成块的灰样：参考莫氏（参考莫氏（Friedrich mohsFriedrich mohs，18821882）硬度的方法，利用熔融灰的硬度来衡量）硬度的方法，利用熔融灰的硬度来衡量熔融程度熔融程度参比物参比物海海绵条条白粉笔白粉笔HB铅铅芯芯滑石笔滑石笔方解石方解石铝片片不不锈钢刀片刀片SII值值1.01.52.02.53.03.54.0几种生物质SII随温度的变化关系生物质灰熔融风险马弗炉中弗炉中600（左）和（左）和700（右）燃（右）燃烧后的油菜后的油菜秆灰灰 常常见生物生物质的熔融的熔融级别分分类温度范围温度范围温度名称温度名称/风险级风险级别别常见生物质品种常见生物质品种1000F稻壳（余杭）、杨树枝、花生壳、桉稻壳（余杭）、杨树枝、花生壳、桉树皮、甘薯渣树皮、甘薯渣