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第3章 生物质的分类及工业分析
3.1 生物质的分类
生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。它包括植物、动物和微生物。广义概念：生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。狭义概念：生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。特点：可再生性、低污染性、广泛分布性。
依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。
林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等
农业生物质资源是指农业作物(包括能源作物)；农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。
生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物。
城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。
畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质（主要是粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。
沼气就是由生物质能转换的一种可燃气体，通常可以供农家用来烧饭、照明。
3.2 生物质的工业分析
3.2.1 基本原理
一、水分
根据水分在生物质中存在的状态，可分为三种形式。
1、外在水分 外在水分也称为物理水分，它是附着在生物质表面及大毛细孔中的水分。
将生物质放置于空气小，外在水分会自然蒸发，直至毕空气中的相对湿度达到平衡为止。失去外在水分的生物质，称为风干生物质。生物质中外在水分的多少与环境有关，与生物质的品质无关。
2、内在水分 内在水分也称为吸附水分。将风干的生物质在102一l05℃下加热，此时所失去的水分称为内在水分。它存在于牛物质的内部表面或小毛细管中。内在水分的多少与
生物质的品质有关。生物质中的水分越高，在热加工时耗能也越大，导致有效能越低。内在水分高对燃烧和热加上制气都不利。
3、结晶水 结晶水是生物质中矿物质所含的水分，这部分水分非常少。工业分析所得到水分不包括结晶水，只包括外在水分和内在水分，两者综合称为生物质的全水分。
二、灰分
灰分是指生物质中所有可燃物质完全燃烧后所剩下的固体(实际亡还包含有生物质中一些矿物质的化台物)。生物质灰的熔融特性是燃烧和热加工制气化的重要指标。
由于生物质灰分中存在一些矿物质的化合物，它们可能对热加工制气过程起到催化作用。灰熔点，对热加工过程的操作温度有决定性的影响，操作温度超过灰熔点，可能造成结渣，导致不能正常运行。一般生物质的灰熔点在900—l050℃之间，有的还可能更低。
三、挥发分和固定碳
在隔绝空气的条件下，将生物质样在900℃下加热一定时间，将所得到的气体中的水分除去，所剩下的部分即为挥发分。挥发分是生物质中有机物受热分解析出的部分气态物质，它以占生物质样品质量的百分比表示。加热后所留下来的固体检为焦炭，焦炭中含有生物质样的全部灰分，除去灰分后，所剩下的就是固定碳。水分、灰分、挥发分和固定碳质量的总和即生物质试样的质量。
挥发分的主要组分是碳氢化合物、碳氧化物、氢气和焦油蒸气。挥发分反映了生物物质的许多特性，如生物质的热值的高低、焦油产率等。
3.2.2 实验仪器设备
1、干燥箱：又称烘箱或恒温箱，供测定水分使用。干燥箱应带有自动调温装置，内附风机，由其顶部的温度计指计箱内温度，并能保持105~110℃或145±10℃的温度范围。
2、箱形电炉：供测定灰分、挥发分之用。它应带有调温装置、最高温度能保持在1000左右，炉膛中具有相应的恒温区。测定灰分时，要具有一定的通风排气条件。
3、分析天平：精确到0.0001克。
4、干燥器：内装变色硅胶干燥剂。
5、玻璃称量瓶:供测水分使用。直径为40毫米，高为25毫米，并带有严密的磨口盖，见图3-1。
6、灰皿：供测定灰分使用。长方形灰皿的底面为长45毫米，宽22毫米，高为14毫米，见图3-2。
7、挥发分坩锅：供测定挥发分用之，瓷质，高为40毫米，上口外径为33毫米，底径为18毫米，壁厚为1.5毫米。盖槽的外径为35毫米，盖槽的内径为29毫米，外槽深为4毫米，坩锅总重量为15~19克，见图3-3。
8、托盘天平：感量为1克。
9、浅盘：由镀锌簿铁板或铝板等耐腐蚀又耐热的材料制成，其面积能以大约每平方厘米0.8克煤样的比例容纳500克煤样。而且盘的重量应小于500克。
10、坩锅架及秒表等。

图3-1 玻璃称量瓶 图3-2 灰皿

图3-3 挥发分坩锅
3.2.3 技术要求和试验步骤
根据本实验的研究目标和研究内容，选取杨杨树枝（Poplar Branch）、核桃壳（Walnut Shell）两种生物质为研究对象。
实验要求：1、实验前，必须认真阅读实验指示书，并写出预习报告；
2、熟悉掌握分Mar、Mad、Vad、及Aad的试验方法；
3、实验中要细心操作，精确称量，实事求是地详细记录实验数据；
供测定生物质中的灰分、挥发分等成分以及发热量所用的生物质样叫分析生物质样。它是指在制取生物质样的过程中,得到的生物质的粒度小于0.2毫米且在室温下连续干燥一小时后生物质样的质量变化不超过0.1％的生物质样。分析生物质样的基准为空气干燥基。
实验中，为了检查分析结果的可靠程度，每项分析试验应对同一生物质样重复进行两次测定。如果两次测定之差不超过规定的允许误差，则取其算术平均值作为测定结果。否则，应重新测定。
（一）空气干燥基水分的测定
1、试验步骤
用预先烘干和称出质量（称准到0.0002克）的称量瓶称取粒度为0.2毫米以下的生物质样1±0.1克(称准到0.0002克)。然后把盖开启,将称量瓶放入预先鼓风并加热到105~110℃的干燥箱中。在一直鼓风条件下，干燥1小时，从干燥箱中取出称量瓶并立即加盖。在空气中冷却2~3分钟后，放入干燥器中冷却到室温（约20分钟）称量。
然后进行检查性的干燥试验，每次30分钟，直到生物质样的质量变化小于0.001克或质量增加为止。在后一种情况下采用增量前一次质量为依据。水分在2％以下时不进行检查性干燥。
2、结果计算
试样中失去的质量占试样质量的百分数，既为分析试样的水分百
分含量
式中；Mad——空气干燥基生物质样的水分％
m——分析生物质样的原有质量，克
m1－－烘干后的生物质样质量，克。
3、允许误差
两次水分测定结果的误差不得超过下列规定；
水分Mad %
同一化验室的允许误差，%
＜5
0.20
5～10
0.30
＞10
0.40
（二）灰分的测定
１、试验步骤
在预先灼烧和称出质量（准确到0.0002克）的灰皿中，称取粒度为0.2毫克以下的分析生物质样1±0.1克（称准到0.0002克）。生物质样在灰皿中要铺平，使其每平方米不超过0.15克。将灰皿送入温度不超过100℃箱形电炉中，在自然通风和炉门留有15毫米左右缝隙的条件下，用30分钟缓慢升至500℃。在此温度下保持30分钟后，升至815±10℃然后关上炉门并在此温度下灼烧1小时，灰化结束后从炉内取出灰皿，在空气中冷却5分钟，然后放入干燥器中，冷却至室温（约20分钟），称量。
然后进行检查性灼烧，每次20分钟，直到质量变化小于0.001克为止，采用最后一次测定的质量作为计算依据，灰分小于15％时不进行检查性灼烧。
2、结果计算方法
残留物质量占原质量的百分数，即为分析生物质样的灰分Aad
式中； Aad——空气干燥基生物质样的灰分，％；
M1——灼烧后灰皿中残留物的质量，克；
M——灼烧前分析生物质样的质量，克
3、允许误差
两次灰分测定结果的误差不得超过下列规定。
灰分Aad ％
同一化验室的允许误差 ％
＜15
0.20
15~30
0.30
＞30
0.50
(三)挥发分的测定
1、试验步骤
用预先在900℃的箱形电炉中灼烧至恒重并已知质量的挥发分坩埚称取粒度小于0.2毫米的分析试样1±0.01克(称准到0.0002克)，轻轻震动使煤样摊开，然后加盖，放在坩埚架上。
箱形电炉预热到920℃,打开炉门，迅速将摆好坩埚的架子送入炉内恒温区，关好炉门。使坩埚继续加热7分钟。试验开始时，炉温会有所下降，要求3分钟内炉温应恢复到900±10℃并继续保持此温度到试验结束，否则此试验作废。
从炉中取出坩埚。在空气中冷却5~6分钟后，放入干燥器中，冷却到室温（约20分钟），称量。
2、结果计算：
试验中失去的质量占试样原质量的百分数，再减去该试样的空气干燥基水分Mad，即为分析生物质样的空气干燥基挥发分Vad：
式中：Vad——空气干燥基生物质样的挥发分，％；
m——分析生物质样试验前的质量，克；
m1——分析生物质样试验后的残留质量，克；
Mad——分析生物质样的水分，％
3、允许误差：
两次试样的测定结果的误差，不得超过下表规定的允许值。

挥发分Vad ％
同一化验室的允许误差 ％
＜20
0.30
20~40
0.50
＞40
0.80
（四）固定碳的计算
利用水分`灰分及挥发分的测定结果，分析生物质样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 实验数据记录及计量表格
表3-1 生物质原料的工业分析结果/%
种类
Mar
Aad
Vad
FCad
PB
6．73
3．37
78.27
11.63
WS
11.87
1.56
76.89
9.68
由表3-1工业分析结果可知，2种生物质原料水分和挥发分含量都较高，对收到基而言，其水分含量在6.73%-11.87%之间，挥发分都在60%以上。木质类生物质挥发分含量相对较高，高挥发分着火迅速、火焰长、燃烧稳定，且有利于在热解反应过程中挥发分的析出。木本类和草本类生物质的灰分含量存在着较大差异，势必会影响其灰分中无机矿物质含量和灰形态，同样会影响整个热解过程。生物质原料固定碳的含量相对于煤粉的40%的固定碳含量偏低，导致了生物质发热量比煤粉低很多，生物质的低位发热量多在12-19MJ/kg，而煤粉的低位发热量普遍在20-30 MJ/kg。