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生物质的物化特性（一）

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生物质的物化特性（一）来源:中国五金商机日期:燃料的元素成分是热化学转换的物质基础。生物质燃料中大部分是由碳、氢、氧、氮、硫、磷等基本元素组成的可燃质，只有少量的无机物和一定量的水分。

燃料的元素成分是热化学转换的物质基础。生物质燃料中大部分是由碳、氢、氧、氮、硫、磷等基本元素组成的可燃质，只有少量的无机物和一定量的水分。

1、元素分析

    燃料的元素成分是热化学转换的物质基础。生物质燃料中大部分是由碳、氢、氧、氮、硫、磷等基本元素组成的可燃质，只有少量的无机物和一定量的水分。

（1）基本元素

    A、碳

    碳在自然界中是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳的一系列化合物—有机物是生命的根本，碳是占生物体干重比例最多的一种元素。植物通过光合作用吸收二氧化碳，然后通过呼吸作用、植株腐烂分解及燃烧等方式释放二：氧化碳完成碳循环。

在生物质燃料中，碳的含量大小决定着燃料发热量的大小，其完全燃烧的热化学反应方程式为

C（s）+O2（g）=CO2（g）    △H=-393.5KJ/mol

    燃烧热值为393.5 KJ/mol。

    在秸秆燃料中，碳的含量一般在45%左右，煤炭中含碳量为80%-90%。一般来说，含碳越高，燃点越高，因此秸秆比煤炭易点燃。

    B、氢

    氢是所知道的元素中最轻的，在正常情况下，氢是无色、无臭、极易燃烧的双原子气体，在地球上和地球大气中只存在极稀少的游离状态氢。氢在生物质中的含量约为6%，主要来源于水，是仅次于碳的主要可礁物质，氢燃烧可放出142 256 kj/kg的热量，在生物质中常以碳氢化合物的形式存在，燃烧时以挥发分气体析出。由于氢容易着火燃烧，所以含氢”越高，燃点越低。氢燃烧后主要生成水。

    C、氮

    在自然界，氮元素以分子态（氮气）、无机结合氮和有机结合氮三种形式存在。大气中含有大量的分子态氮。但是绝大多数生物都不能够利用分子态的氮，植物只能从土壤中吸收无机态的铵态氮（铵盐）和硝态氨（硝酸盐），用来合成氨基酸，再进一步合成各种蛋白质，通过动物身体的利用和代谢及植物体自身的分解和燃烧转化为无机氮，完成氮循环。在生物质中，氮不能燃烧，但会降低燃料的发热量。

    D、氧

    氧是地壳中最丰富、分布最广的元素，氧通过呼吸作用进入生物体，再以水或者C02的形式回到大气，水可以光合作用变成02，完成氧循环。氧可以助燃，它的存在使反应物质内部出现一个均匀分布的体热豫。生物质中氧含量为35%～40%，远高于煤炭等化石燃料，因此在燃烧时的空气需求量小于煤。

    E、硫

    硫是植物生长必需的矿物质营养元素之一，是构成蛋白质和酶所不可缺少的元素。植物从土壤中吸收硫是逆浓度梯度进行的，主要以SO42-的形式进入植物体内。植物体内的硫可分为无机硫酸盐和有机硫化合物两种形态，大部分为有机态硫。无机态硫多以硫酸根的形式在细胞中积累，其含量随着硫元素供应水平的变化存在很大差异，既可以通过代谢合成有机硫，又可以转移到其他部位被再次利用。

    硫在植物体中的含量一般为0.1%～0.5%，其变动幅度受植物种类、品种、器官和生育期的影响。通常，十字花科植物需硫最多，禾本科植物最少。硫在植物开花前集中分布于叶片中，成熟时叶片中的硫逐渐减少并向其他器官转移。例如，成熟的玉米叶片中含硫量为全株硫量的10%，茎、种子、根分别为33%、26%和11%。

    在生物质颗粒燃料中，硫也是可燃物质，硫燃烧放出的热量为9210 kl/kg。其燃烧产物是二氧化硫和三氧化硫，然后在高温下与水蒸气反应生成亚硫酸和硫酸。这些物质对金属有强烈的腐蚀作用，污染人气。在燃烧过程中，硫元素从燃料颗粒中挥发出来，与气相的碱金属元素发生化学反应生成碱金属硫酸盐，在900℃的炉膛温度下，这些化合物很不稳定。在秸秆燃烧过程中，气态的碱金属、硫、氯及它们的化合物将会凝结在灰颗粒或水冷壁的沉积物上。如果沉积物不受较大的飞灰颗粒或吹灰过程的扰动时，它们就会形成白色的薄层。这一薄层能够与飞灰混合，促进沉积物的聚集和黏结。在沉积物表面上，含碱金属元素的凝结物还会继续与气相含硫物质发生反应生成稳定的硫酸盐，而且在沉积物表而温度下，多数硫酸盐呈熔融状态，这样会增加沉积层表面的黏性，加剧了沉积腐蚀的程度。现场运行实践表明，单独燃烧钙、钾含量高，含硫量少的木柴时，沉积腐蚀的程度低；而当将木材与含硫较多的稻草共燃时，则沉积腐蚀的就很严重，而且沉积物中富含K2 S04和CaS04。同时，在燃烧过程中，硫元素还可以被钙元素捕捉。在运行的固定床和流化床燃烧设备中可以观察到，当循环流化床中加入石灰石后，会导致回料管和对流烟道中含钙、硫物质的聚集。值得注意的是，硫酸钙被认为是在过热器管表面灰颗粒的黏合剂，能够加重沉积腐蚀的程度。

    不同生物质的元素含量是不相同的，这主要是由生物质种类、生长时期和生长条件等因素决定。扣除灰分变化的影响后，碳、氢、氧这三种主要的元素分析只有细微的差别。下表给出了部分生物质原料的主要元素干燥基分析结果。

部分生物质原料的主要元素分析

原料

灰分/%

碳/%

氢/%

氧/%

氮/%

硫/%

麦秸

7.2

45.8

5.96

40

0.45

0.16

玉米秸

5.1

46.8

5.74

41.4

0.66

0.11

稻草

19.1

38.9

4.74

35.3

1.37

0.11

稻壳

15.8

38.9

5.1

37.9

2.17

0.12

棉柴

17.2

39.5

5.07

38.1

1.25

0.02

树屑

0.9

49.2

5.7

41.3

2.5

0

树皮

4

50.3

5.83

39.6

0.11

0.07

白桦

0.4

48.3

6.4

44.5

0.08

0

    图2. 29是以这三种元素的总量为1作出的相对含量曲线，两条曲线的变化是平缓的。一般认为以CH1.4O0.6。作为生物质的假想分子式已有相当的精度。这提示了生物质的利用工艺具有广泛的原料适用性。

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