一种水热焦产率的预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物质水热资源化技术领域，具体涉及一种水热焦产率的预测方法。
【背景技术】
[0002] 生物质水热炭化是一种强制腐殖化和矿化技术，它利用一定温度和压力的热水或 饱和水蒸气使生物质在缺氧的条件下发生脱氢、脱氧、缩聚、腐殖化和芳香化等复杂的化学 反应，生成高含碳量和高能量密度的炭化产物。水热炭化产物接近泥煤甚至褐煤乃至煤的 燃料特性，可被称为水热焦，用于改良土壤、燃料、污染物吸附、气化与热解、或化工的原料。
[0003]目前，化石能源日益减少，环境污染越来越严重，因此高值化和高效利用数量巨 大、分布广发、可再生的生物质资源变得尤为重要。据估计，我国每年农作物秸杆产量约为 7. 2亿多吨，林业剩余物资源也高达3亿多吨。这些木质纤维类生物质因其化学组分的特点 是生物质炭化原料的良好选择，而不同来源的生物质因其化学组分的变化对炭化产品的产 量有着重要的影响，急需对各种生物质进行详细的研宄，找到其中存在的规律，更好的指导 工业应用。
[0004] 木质纤维类生物质的主要化学组分为半纤维素、纤维素、木质素和少量水溶性抽 提物及灰分。水溶性抽提物和半纤维素在水热炭化条件下极易进入液相产物，而纤维素和 木质素对水热炭化生物炭的形成起着关键性的作用，纤维素在水热炭化条件下部分进入液 相产物，部分形成水热焦，其形成生物炭的比例取决于炭化反应条件。木质素在水热炭化条 件下，基本全部形成水热焦炭。
[0005] 开发一种水热焦产率的预测方法，可以使用于不同植物源的生物质，而且准确度 较高，对生物质水热炭化工艺的设计与运行有着一定的指导作用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种水热焦产率的预测方法，用于预测各种木质纤维类生 物质水热炭化的水热焦产率，解决了目前无法依靠经验公式计算而获得水热焦产率的问 题。
[0007] 本发明中所述的一种水热焦产率的预测方法，具体方案如下：
[0008] 一种水热焦产率的预测方法，包括以下步骤：（1)对生物质进行水热炭化实验：将 所述生物质与水按质量比1:5~1:15放入高温高压反应釜中，密闭反应釜，从室温加热至 225~255°C，反应10~20小时，反应结束后，通入冷却水迅速冷却至室温，得到固液产物； (2)取出步骤（1)所得的固液产物进行过滤、真空分离，得到水热焦，将所述水热焦烘干、称 重，以水热焦干基质量与原料干基质量之比计算得到水热焦的产率为X，（3)然后测得所述 生物质的半纤维素、纤维素、木质素和灰分的质量百分含量，基于水热炭化实验数据和生物 质的半纤维素、纤维素、木质素和灰分质量百分含量的关系，结合纤维素、半纤维素及木质 素平行一级水热反应动力学模型模拟计算结果，建立生物质水热炭化水热焦产率预测模型 为：X= (aHe+bC+eL+fA)*100%，
[0009] 式中：X为生物炭产率预测值、He、C、L、A分别代表半纤维素、纤维素、木质素和灰 分的质量；
[0010] (4)模型校核：在步骤（1)所述水热炭化实验中生物质原料特性、生物质给料量、 水量不变的条件下，在水热炭化反应时间10~20小时内，通过变动反应温度，测得所述生 物质的水热焦产率，结合纤维素、半纤维素、木质素及灰分平行一级水热反应动力学模型模 拟计算，对预测模型得到的水热焦产率进行校核分析，使校核后的预测模型的计算结果更 接近于生物质水热炭化实验实际测得的实验数据。
[0011] 所述水热焦产率的预测方法，包括以下步骤：（1)对生物质进行水热炭化实验：将 所述生物质与水按质量比1:5~1:15放入高温高压反应釜中，密闭反应釜，从室温加热至 225~255°C，反应10~20小时，反应结束后，通入冷却水迅速冷却至室温，得到固液产物； (2)取出步骤（1)所得的固液产物进行过滤、真空分离，得到水热焦，将所述水热焦烘干、称 重，以水热焦干基质量与原料干基质量之比计算得到水热焦的产率为X，（3)然后测得所述 生物质的半纤维素、纤维素、木质素和灰分的质量百分含量，基于水热炭化实验数据和生物 质的半纤维素、纤维素、木质素和灰分质量百分含量的关系，结合纤维素、半纤维素、木质素 和灰分平行一级水热反应动力学模型：如式（1)、
[0012] (2)、（3)、⑷及其积分（5)~（12)，建立生物质水热炭化水热焦产率预测模型，见 公式（14):
【主权项】
1. 一种水热焦产率的预测方法，其特征在于包括以下步骤：（1)对生物质进行水热炭 化实验：将所述生物质与水按质量比1:5~1:15放入高温高压反应釜中，密闭反应釜，从室 温加热至225~255°C，反应10~20小时，反应结束后，通入冷却水迅速冷却至室温，得到 固液产物；（2)取出步骤（1)所得的固液产物进行真空过滤分离，得到水热焦，将所述水热 焦烘干、称重，以水热焦干基质量与原料干基质量之比计算得到水热焦的产率为X，（3)然 后测得所述生物质的半纤维素、纤维素、木质素和灰分的质量百分含量，基于水热炭化实验 数据和生物质的半纤维素、纤维素、木质素和灰分质量百分含量的关系，结合纤维素、半纤 维素及木质素平行一级水热反应动力学模型模拟计算结果，建立生物质水热炭化水热焦产 率预测模型为： X = (aHe+bC+eL+fA)*100 %， 式中：X为水热焦产率预测值，He、C、L、A分别代表半纤维素、纤维素、木质素和灰分的 质量； (4)模型校核：在步骤（1)所述水热炭化实验中生物质原料特性、生物质给料量、水量 不变的条件下，在水热炭化反应时间10~20小时内，通过变动反应温度，测得所述生物质 的水热焦产率，结合纤维素、半纤维素、木质素及灰分平行一级水热反应动力学模型模拟计 算，对预测模型得到的水热焦产率进行校核分析，使校核后的预测模型的计算结果更接近 于生物质水热炭化实验实际测得的实验数据。
2. 根据权利要求1所述的水热焦产率的预测方法，其特征在于包括以下步骤：（1)对生 物质进行水热炭化实验：将所述生物质与水按质量比1:5~1:15放入高温高压反应釜中， 密闭反应釜，从室温加热至225~255°C，反应10~20小时，反应结束后，通入冷却水迅速 冷却至室温，得到固液产物；（2)取出步骤（1)所得的固液产物进行过滤、真空分离，得到水 热焦，将所述水热焦烘干、称重，以水热焦干基质量与原料干基质量之比计算得到水热焦的 产率为X，（3)然后测得所述生物质的半纤维素、纤维素、木质素和灰分的质量百分含量，基 于水热炭化实验数据和生物质的半纤维素、纤维素、木质素和灰分质量百分含量的关系，结 合纤维素、半纤维素、木质素和灰分平行一级水热反应动力学模型：如式（1)、（2)、（3)、（4) 及其积分（5)~（12)，建立生物质水热炭化水热焦产率预测模型，见公式（14):
式（1)~（4)中He、C、L、A分别代表半纤维素、纤维素、木质素和灰分的质量，以He。、 Q、Ltl和A ^分别代表所述生物质中半纤维素、纤维素、木质素和灰分的初始质量，X Ηε、X。、\、 Xa分别代表所述生物质中半纤维素、纤维素、木质素和灰分经水热炭化生成的水热焦，a、b、 e、f分别代表所述生物质中半纤维素、纤维素、木质素和灰分经水热炭化生成的水热焦占半 纤维素、纤维素、木质素和灰分质量的百分比，对平行一级水热反应动力学模型（1)~（4) 进行积分：
目标产物水热焦X由未反应完全的所述生物质组分半纤维素 He、纤维素 C、木质素 L和 灰分A与半纤维素、纤维素、木质素和灰分分别经水热反应生成的水热焦共同组成，因此水 热焦X的产率表示为：
从式（13)可知，生物质水热反应完全，则水热焦完全由半纤维素、纤维素、木质素和灰 分转化生成，由式（13)可建立生物质水热焦产率预测模型为式（14):
，所述a、b、e、f均为常数，且所述a、b、e、f 根据步骤（1)水热炭化实验的操作条件而定，即反应温度为225~255°C，反应时间为10~ 20小时，经水热炭化实验所得水热焦得a = 0, b = 0. 64, e = 1，f = 1 ; (4)模型校核：在步骤（1)所述水热炭化实验中生物质原料特性、生物质给料量、水量 不变的条件下，在水热炭化反应时间10~20小时内，通过变动反应温度，测得所述生物质 的水热焦产率，结合纤维素、半纤维素、木质素及灰分平行一级水热反应动力学模型模拟计 算，对预测模型得到的水热焦产率进行校核分析，使校核后的预测模型的计算结果更接近 于生物质水热炭化实验实际测得的实验数据。
3. 根据权利要求1或2所述的水热焦产率的预测方法，其特征在于：所述a、b、e、f均 为常数，且所述a、b、e、f根据步骤（1)水热炭化实验的操作条件而定，即反应温度为225~ 255°C，反应时间为10~20小时，经水热炭化实验所得水热焦得a = 0, b = 0. 64, e = 1， f = 1〇
4. 根据权利要求3所述的水热焦产率的预测方法，其特征在于：所述步骤（1)中生物 质为木质或草类或秸杆类生物质，所述生物质的粒径为2~20mm。
【专利摘要】本发明公开了一种水热焦产率的预测方法，包括以下步骤：（1）对生物质进行水热炭化实验；（2）取出步骤（1）所得的固液产物进行真空过滤分离，以水热焦干基质量与原料干基质量比计算得到水热焦的产率为X，（3）基于水热炭化实验数据和生物质的半纤维素、纤维素、木质素和灰分质量百分含量的关系，结合纤维素、半纤维素及木质素平行一级水热反应动力学模型模拟计算结果，建立生物质水热炭化水热焦产率预测模型为：X=(aHe+bC+eL+fA)*100%；（4）模型校核：使校核后的预测模型的计算结果更接近于生物质水热炭化实验实际测得的实验数据。本发明对某木质纤维类生物质的水热炭化水热焦产率进行预测，指导设计，具有实用性。
【IPC分类】G06F19-00, C10B53-02
【公开号】CN104680003
【申请号】CN201510070864
【发明人】郭淑青, 董向元, 马富芹, 石凤娟, 刘海芳
【申请人】中原工学院
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月11日