[發明專利]一種水熱焦產率的預測方法

有效

• 申請號: 201510070864.5
• 申請日: 2015-02-11
• 公開（公告）號: CN104680003B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 郭淑青;董向元;馬富芹;石鳳娟;劉海芳
• 申請（專利權）人: 中原工學院
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;C10B53/02
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司41125
• 代理人: 張紹琳,孫詩雨

1.一種水熱焦產率的預測方法，其特征在于包括以下步驟：(1)對生物質進行水熱炭化實驗：將所述生物質與水按質量比1:5～1:15放入高溫高壓反應釜中，密閉反應釜，從室溫加熱至225～255℃，反應10～20小時，反應結束后，通入冷卻水迅速冷卻至室溫，得到固液產物；(2)取出步驟(1)所得的固液產物進行真空過濾分離，得到水熱焦，將所述水熱焦烘干、稱重，以水熱焦干基質量與原料干基質量之比計算得到水熱焦的產率為X，(3)然后測得所述生物質的半纖維素、纖維素、木質素和灰分的質量百分含量，基于水熱炭化實驗數據和生物質的半纖維素、纖維素、木質素和灰分質量百分含量的關系，結合纖維素、半纖維素及木質素平行一級水熱反應動力學模型模擬計算結果，建立生物質水熱炭化水熱焦產率預測模型為：

X＝(aHe+bC+eL+fA)*100％，式中：X為水熱焦產率預測值，He、C、L、A分別代表半纖維素、纖維素、木質素和灰分的質量，a、b、e、f分別代表生物質中半纖維素、纖維素、木質素和灰分經水熱炭化生成的水熱焦占半纖維素、纖維素、木質素和灰分質量的百分比；

(4)模型校核：在步驟(1)所述水熱炭化實驗中生物質原料特性、生物質給料量、水量不變的條件下，在水熱炭化反應時間10～20小時內，通過變動反應溫度，測得所述生物質的水熱焦產率，結合纖維素、半纖維素、木質素及灰分平行一級水熱反應動力學模型模擬計算，對預測模型得到的水熱焦產率進行校核分析，使校核后的預測模型的計算結果更接近于生物質水熱炭化實驗實際測得的實驗數據。

2.根據權利要求1所述的水熱焦產率的預測方法，其特征在于包括以下步驟：(1)對生物質進行水熱炭化實驗：將所述生物質與水按質量比1:5～1:15放入高溫高壓反應釜中，密閉反應釜，從室溫加熱至225～255℃，反應10～20小時，反應結束后，通入冷卻水迅速冷卻至室溫，得到固液產物；(2)取出步驟(1)所得的固液產物進行過濾、真空分離，得到水熱焦，將所述水熱焦烘干、稱重，以水熱焦干基質量與原料干基質量之比計算得到水熱焦的產率為X，(3)然后測得所述生物質的半纖維素、纖維素、木質素和灰分的質量百分含量，基于水熱炭化實驗數據和生物質的半纖維素、纖維素、木質素和灰分質量百分含量的關系，結合纖維素、半纖維素、木質素和灰分平行一級水熱反應動力學模型：如式(1)、(2)、(3)、(4)及其積分(5)～(12)，建立生物質水熱炭化水熱焦產率預測模型，見公式(14)：

$-\frac{dHe}{dt}=k_{1}He---\left(1\right)$

$-\frac{dC}{dt}=k_{2}C---\left(2\right)$

$-\frac{dL}{dt}=k_{3}L---\left(3\right)$

$-\frac{dA}{dt}=k_{4}A---\left(4\right)$

式(1)～(4)中He、C、L、A分別代表半纖維素、纖維素、木質素和灰分的質量，以He₀、C₀、L₀和A₀分別代表所述生物質中半纖維素、纖維素、木質素和灰分的初始質量，X_He、X_C、X_L、X_A分別代表所述生物質中半纖維素、纖維素、木質素和灰分經水熱炭化生成的水熱焦，對平行一級水熱反應動力學模型(1)～(4)

進行積分：

$He={\mathrm{He}}_0{e}^{-k_{1}t}---\left(5\right)$

$X_{He}={\mathrm{aHe}}_0(1-e^{-k_{1}t})---\left(6\right)$

$C=C_0{e}^{-k_{2}t}---\left(7\right)$

$X_C={\mathrm{bC}}_0(1-e^{-k_{2}t})---\left(8\right)$

$L=L_0{e}^{-k_{3}t}---\left(9\right)$

$X_L={\mathrm{eL}}_0(1-e^{-k_{3}t})---\left(10\right)$

$A=A_0{e}^{-k_{4}t}---\left(11\right)$

$X_A={\mathrm{fA}}_0(1-e^{-k_{4}t})---\left(12\right)$

目標產物水熱焦X由未反應完全的所述生物質組分半纖維素He、纖維素C、木質素L和灰分A與半纖維素、纖維素、木質素和灰分分別經水熱反應生成的水熱焦共同組成，因此水熱焦X的產率表示為：

X＝He+X_He+C+X_C+L+X_L+A+X_A

從式(13)可知，生物質水熱反應完全，則水熱焦完全由半纖維素、纖維素、木質素和灰分轉化生成，由式(13)可建立生物質水熱焦產率預測模型為式(14)：

所述a、b、e、f均為常數，且所述a、b、e、f根據步驟(1)水熱炭化實驗的操作條件而定，即反應溫度為225～255℃，反應時間為10～20小時，經水熱炭化實驗所得水熱焦得a＝0，b＝0.64，e＝1，f＝1；

(4)模型校核：在步驟(1)所述水熱炭化實驗中生物質原料特性、生物質給料量、水量不變的條件下，在水熱炭化反應時間10～20小時內，通過變動反應溫度，測得所述生物質的水熱焦產率，結合纖維素、半纖維素、木質素及灰分平行一級水熱反應動力學模型模擬計算，對預測模型得到的水熱焦產率進行校核分析，使校核后的預測模型的計算結果更接近于生物質水熱炭化實驗實際測得的實驗數據。