一种木质生物质燃料中灰分含量的快速测定方法和装置

摘要

本发明公开了一种木质生物质燃料中灰分含量的快速测定方法，通过质量为0.50～0.75g的受测生物质燃料样品在575～600℃的灰化温度下进行40～50min的灼烧，并记录下灼烧前后受测生物质燃料样品的质量，从而计算出受测生物质燃料中空气干燥基灰分含量。本发明能够对生物质燃料灰分含量可以进行快速高效的测定，并具有测定结果准确度高、实施成本低的优点。本发明还公开了一种应用上述快速测定方法的木质生物质燃料中灰分含量的测定装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种木质生物质燃料中灰分含量的快速测定方法，本发明还涉及 一种应用该快速测定方法的木质生物质燃料中灰分含量的自动测定装置。

背景技术

由于生物质具有环境友好和可再生的双重属性，生物质燃料被认为是最有潜 力代替石油的资源，据统计我国生物质资源现存量6.5亿吨标准煤以上，被认为 是世界上最为丰富的潜在可再生能源资源。生物质的基础性质，如工业分析指标， 对生物质燃料收集、加工、给料的应用以及对燃烧锅炉的选型都有着至关重要的 影响。生物质灰分是生物质燃料中挥发分、固定碳燃烧以后，残留下来的灰烬物 质，是评价生物质燃料质量的主要指标之一。一般地，生物质燃料灰分中含有： Ca、Al、Mg、Na、K、Fe、O、Si、Cl等，还有少量的Zn、P等元素。灰分是 可以降低生物质燃料质量的物质，在生物质加工利用的各种场合下都能带来有害 影响，同时，根据灰分还可以大致计算生物质的发热量等工业指标。生物质的灰 含量和灰成分随生物质的种类、产地的不同而不同，并受种植条件的影响。因此， 准确测定生物质的灰分对于正确评价相关生物质燃料的质量具有理论和实践两 方面的重要意义。

目前，随着生物质资源在我国应用规模逐步增大，尤其是生物质发电领域， 由于生物质燃料来源分散复杂，运料频繁，导致对生物质灰分实际测定中要求在 准确的基础上，更要便捷快速。美国材料与试验协会和欧盟技术规范均提出了相 应的生物质燃料的灰分检测方法，我国国家标准化管理委员会和质量监督检验检 疫总局也于去年颁布了《GB/T28731-2012固体生物质燃料工业分析方法》，其 中用于对灰分检测仲裁分析的为缓慢灰化法。然而，在实际生物质燃料生产、装 车外运以及应用等工作过程中，一方面由于国家标准规定的缓慢灰化法所需时间 较长，使得缓慢灰化法在检测出相关生物质燃料灰分的及时性上存在一定局限 性；另一方面，由于生物质燃料自身的灰分和煤相比，含量差距较大，其中草本 生物质的灰分在10%左右，而木质生物质的灰分则要低出很多，若利用国家颁布 的煤质标准GB212-2008中的快速灰分检测法检测生物质灰分含量，则检测结果 误差相差较大，在准确性方面存在一定局限性。此外，生物质灰分测试国家标准 和煤质灰分快速测定标准均需要较多装置设备，操作繁琐，进一步影响了在实际 应用中的测定效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种木质生物质燃料中灰分含量的快速 测定方法，以克服现有技术中木质生物质燃料的灰分含量测定效率与准确度不能 兼顾的问题。

本发明所要解决的技术问题是：提供一种应用上述快速测定方法的木质生物 质燃料中灰分含量的测定装置。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种木质生物质燃料中灰分含量的快速测定方法，包括：

步骤一，取一灰皿将其灼烧至恒重，该灼烧过程中灰皿由室温逐渐升温至 575～600℃的灰化温度，灼烧完成后对恒重的灰皿进行称量，其质量记为m₀；

步骤二，将受测生物质燃料制成粒度小于0.2mm的颗粒状，从中取出一份质 量为0.50～0.75g的受测生物质燃料样品均匀的平摊在步骤一所述灰皿中，使得其 每平方厘米的质量在0.15g以下，并对该盛有受测生物质燃料样品的灰皿进行称 量，其质量记为m₁；

步骤三，将步骤二所述灰皿放入加热至恒定在所述灰化温度的马沸炉中，对 所述受测生物质燃料样品进行40～50min的灼烧，以使得受测生物质燃料样品完 全灰化；

步骤四，将步骤三所述灰皿从马沸炉中取出，待其冷却至室温后，对该盛有 受测生物质燃料样品灰化后残留物的灰皿进行称量，其质量记为m₂；

步骤五，根据下式计算出受测生物质燃料中空气干燥基灰分含量A_ad：

$A_{\mathrm{ad}}=\frac{m_2-m_0}{m_1-m_0}\times 100\%·$

作为本发明的优选实施方式，所述灰化温度为575℃，所述一份受测生物质 燃料样品的质量为0.50g，所述马沸炉对受测生物质燃料样品的灼烧时间为 40min。

作为本发明的一种实施方式，所述步骤一中，灰皿的灼烧时间为2～3小时， 称量完成后的灰皿放置在干燥器中，以供所述步骤二取用。

一种实现上述快速测定方法的木质生物质燃料中灰分含量的自动测定装置， 其特征在于：所述的自动测定装置包括：

添料模块，用于受测生物质燃料样品均匀的平摊在灼烧至恒重的灰皿中；

马沸炉，用于对盛装在灰皿中的受测生物质燃料样品进行灼烧，以使得受测 生物质燃料样品完全灰化；

称样模块，用于分别对灰皿以及盛有灰化前、后的受测生物质燃料样品的灰 皿进行称量；

传送机构，用于将灰皿在马沸炉与称样模块之间进行自动传送；

计算模块，用于接收称样模块称量得出的数据，并计算出受测生物质燃料中 空气干燥基灰分含量。

作为本发明的一种实施方式，所述自动测定装置还包括用于存放所述灼烧至 恒重的灰皿的干燥器，所述传送机构将存放在干燥器中的灰皿自动传送到称样模 块。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明的快速测定方法通过质量为0.50～0.75g的受测生物质燃料样品 在575～600℃的灰化温度下进行40～50min的灼烧，并记录下灼烧前后受测生物 质燃料样品的质量，从而计算出受测生物质燃料中空气干燥基灰分含量。其检测 效果较为理想，相较于现有技术中生物质标准的缓慢灰化法所需几小时的测定周 期，改进的灰分快速测定方法测定周期较短（50min），并且测定结果较为接近缓 慢灰化法（仲裁方法），另外，本发明的测定方法所需的样品量少，各测定步骤 简单，快速，所需仪器设备价格低廉，因此设备维护费、试剂消耗费用较低，对 环境造成的污染也小。所以本发明在实际生物质生产、运输和应用活动中，对生 物质燃料灰分含量可以进行快速高效的测定，并具有测定结果准确度高、实施成 本低的优点。

第二，发明的装置可以并行测定多组样品，因而具有更高的测定效率；与煤 质标准的灰分快速测定方法相比较，误差显著降低，具有更高的测定准确性和稳 定性，并且本发明的测定方法能够实现一定程度上的多组同时测量，免去了繁琐 的人工操作。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明的快速测定方法的流程框图；

图2为由表格2得出的二种方式测定灰分含量相对误差的对比示意图；

图3为由表格3得出的二种方式测定灰分含量相对误差的对比示意图；

图4为由表格4得出的二种方式测定灰分含量相对误差的对比示意图；

图5为由表格5得出的二种方式测定灰分含量相对误差的对比示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和有点更加清楚，下面将结合本发明实 施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所 描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施 例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下多获得的所有 其他相关实施例，均属于本发明的保护的范围。

在本发明的测定方法开始前，应先检查确认本发明所需用到的仪器设备工作 状态良好。

实施例一

参见图1，本发明实施例一的木质生物质燃料中灰分含量的快速测定方法， 包括：

步骤一，取一灰皿将其灼烧2～3小时直至恒重，该灼烧过程中灰皿由室温逐 渐升温至575℃的灰化温度，灼烧完成后对恒重的灰皿进行称量，其质量记为m₀， 称量完成后的灰皿放置在干燥器中，以作备用；

步骤二，将受测生物质燃料制成粒度小于0.2mm的颗粒状，从中取出一份质 量为0.50±0.05g的受测生物质燃料样品均匀的平摊在步骤一所述灰皿中，使得其 每平方厘米的质量在0.15g以下，并对该盛有受测生物质燃料样品的灰皿进行称 量，其质量记为m₁；

步骤三，将步骤二所述灰皿放入加热至恒定在所述灰化温度的马沸炉中，对 所述受测生物质燃料样品进行50min的灼烧，在灼烧过程中，炉内高温将生物质 样品中水分析出，并同时燃尽可燃的挥发分和固定碳等物质，使得受测生物质燃 料样品完全灰化，最终剩下灰分；

在此步骤中，若生物质样品着火发生爆燃，试验应作废，并返回步骤一重新 测定；

步骤四，将步骤三所述灰皿从马沸炉中取出，待其冷却至室温后，对该盛有 受测生物质燃料样品灰化后残留物的灰皿进行称量，其质量记为m₂；

步骤五，根据下式计算出受测生物质燃料中空气干燥基灰分含量A_ad：

$A_{\mathrm{ad}}=\frac{m_2-m_0}{m_1-m_0}\times 100\%·$

其中，A_ad为空气干燥基灰分的质量分数；m₁-m₀为受测生物质燃料样品的 质量，单位为克（g）；m₂-m₀为受测生物质燃料样品灰化后残留物的质量，单 位为克（g）。

“基”是表示化验结果是以什么状态下的生物质样品为基础而得出的。A_ad为 空气干燥基灰分含量，含义为以与空气湿度达到平衡状态的生物质为基准测定的 结果，由于空气干燥基结果可以反应出生物质燃料在正常状态下的灰分含量。因 此，实验室直接测定出的结果一般都是用空气干燥基下的测定结果表示。

按照上述步骤完成生物质燃料中灰分含量测定后，还可按照以下方法进行可 靠性的核验实验，以确保生物质燃料中灰分含量测定的可靠性，排除因各种干扰 因素对测定结果造成影响的可能性：

按照上述测定方法，选定与测定样品灰分含量相近的生物质标准物质进行2 次以上灰分的测定，若其平均值落入标准值不确定度范围内，则认为测定结果可 靠，否则应调整实验过程参数，重新进行试验参数的确定和测定结果可靠性的核 验试验直至满足要求。

实施例二

本发明实施例二的快速测定方法与实施例一基本相同，它们的区别在于：本 实施例二的灰化温度为575℃，一份受测生物质燃料样品的质量为0.75g，马沸 炉对受测生物质燃料样品的灼烧时间为50min。

实施例三

本发明实施例三的快速测定方法与实施例一基本相同，它们的区别在于：本 实施例三的灰化温度为600℃，一份受测生物质燃料样品的质量为0.75g，马沸 炉对受测生物质燃料样品的灼烧时间为50min。

实施例四

本发明实施例四的快速测定方法与实施例一基本相同，它们的区别在于：本 实施例四的灰化温度为575℃，一份受测生物质燃料样品的质量为0.75g，马沸 炉对受测生物质燃料样品的灼烧时间为40min。

实施例五

本发明实施例五的快速测定方法与实施例一基本相同，它们的区别在于：本 实施例五的灰化温度为600℃，一份受测生物质燃料样品的质量为0.75g，马沸 炉对受测生物质燃料样品的灼烧时间为40min。

实施例六

本发明实施例二的快速测定方法与实施例一基本相同，它们的区别在于：本 实施例二的灰化温度为575℃，一份受测生物质燃料样品的质量为0.50g，马沸 炉对受测生物质燃料样品的灼烧时间为40min。

实施例七

本发明实施例三的快速测定方法与实施例一基本相同，它们的区别在于：本 实施例三的灰化温度为600℃，一份受测生物质燃料样品的质量为0.50g，马沸 炉对受测生物质燃料样品的灼烧时间为50min。

实施例八

本发明实施例四的快速测定方法与实施例一基本相同，它们的区别在于：本 实施例四的灰化温度为600℃，一份受测生物质燃料样品的质量为0.50g，马沸 炉对受测生物质燃料样品的灼烧时间为40min。

下面选取桉树枝作为受测生物质燃料，分别用上述八个实施例以及《GB/T 28731-2012》中灰分仲裁分析的缓慢灰化法对桉树枝的灰分含量进行测定试验。 按照实施例中实验过程参数，以及所述发明内容中步骤一至步骤六要求，依次进 行灰分快速测定实验，并求得与仲裁分析法（GB/T28731-2012的缓慢灰化法） 下测得同样生物质燃料样品灰分含量的相对误差。其中，利用GB/T28731-2012 中灰分仲裁分析的缓慢灰化法测定的桉树枝灰分含量为1.973%。所测得结果如 表1所示：。

表1

试验编号 灰化温度/℃ 灼烧时间/min 样品质量/g 实测灰分含量（%） 相对误差（%） 实施例1 575 50 0.5 2.050 3.7561 实施例2 575 50 0.75 1.880 -4.9468 实施例3 600 50 0.75 2.014 2.0357 实施例4 575 40 0.75 1.850 -6.6486 实施例5 600 40 0.75 2.088 5.5077 实施例6 575 40 0.5 1.950 -1.1795 实施例7 600 50 0.5 2.018 2.2299 实施例8 600 40 0.5 1.916 -2.9749

由结果可知，改进的灰分快速测定方法与仲裁分析方法的相对误差较小，波 动区间为：-6.65%～5.51%。其中优选实施方式条件下（所述灰化温度为575℃， 所述一份受测生物质燃料样品的质量为0.50g，所述马沸炉对受测生物质燃料样 品的灼烧时间为40min）测定灰分的相对误差最小，为-1.1795%，灰分结果（i.e. 1.950%）最为接近仲裁分析法所测得的灰分含量。

本发明还对上述八个实施例进行了测定方法的验证实验，分别采用了本发明 改进的生物质灰分快速测定方法、GB212-2008中煤的灰分快速测定方法（B） 以及GB/T28731-2012中灰分仲裁分析法—即缓慢灰化法，分别对受测木质生物 质材料，包括东北杨木、徐州白杨、东北松木和湖南松木等树枝中的灰分含量进 行测定，（灰分仲裁分析法—缓慢灰化法测得四种木质生物质的灰分含量分别为： 4.69%、4.45%、2.87%和3.02%）它们的测定结果及相对误差如下表2-表5所示， 并且根据该表格的数据绘制成如图2-图5所示的相对误差对比示意图。

表2 东北杨木的测定分析结果

表3 徐州白杨的测定分析结果

表4 东北松木的测定分析结果

表5 湖南松木的测定分析结果

由表2-表5可知：通过本发明的测定方法、传统煤质标准灰分快速测定方法 与仲裁分析方法测定结果（即GB/T28731-2012中缓慢灰化法）测定的各生物质 燃料中灰分含量进行对比，可以发现，在本发明的测定步骤下，四种木质生物质 在优选实施方式下的灰分测定结果的相对误差均为最小，得到绝对误差分别为： -1.9236%、-1.7101%、-1.1795%及-0.8432%，其余实施方式下的测定误差虽均在 合理接受范围内，但都出现了不同程度的波动，均没有优选实施方式下测定结果 稳定、准确。同时，四种木质生物质得到相对误差波动范围分别为-6.28～6.48%、 -6.63%～6.19%、-6.50%～2.01%和-5.61%～5.78%，；而煤质标准下的灰分快速测定 方法误差则较大，波动范围分别为-32.75%～-18.78%、-36.40%～-19.15%、 -49.915%～-11.67%以及-27.44%～-13.49%，由此可知煤质标准测定的灰分含量误 差范围较大，且测定结果显著低于仲裁分析结果。其主要原因可能为大多数固体 生物质燃料中的钾、钠、氯含量都远高于煤，而以上元素的无机、有机化合物大 多在600℃以上就开始挥发，致使在815℃的灰化温度下（煤质标准）测得的灰 分结果偏低，不能正确反应样品中所含矿物质的量。因此，本发明测定方法的检 测结果要比现有煤质检测技术中灰分快速检测结果准确性要高，同时误差波动范 围较小；测量结果与仲裁分析方法较为接近，灰分检测结果较为稳定可靠，并且 由于测定时间短，发明装置可以并行测定多组样品，因此更为省时高效。

本发明木质生物质燃料中灰分含量的自动测定装置可以实现上述实施例的 快速测定方法的连续自动测定，该自动测定装置包括：

添料模块，用于受测生物质燃料样品均匀的平摊在灼烧至恒重的灰皿中；

马沸炉，用于对盛装在灰皿中的受测生物质燃料样品进行灼烧，以使得受测 生物质燃料样品完全灰化；

称样模块，用于分别对灰皿以及盛有灰化前、后的受测生物质燃料样品的灰 皿进行称量；

传送机构，用于将灰皿在马沸炉与称样模块之间进行自动传送；

计算模块，用于接收称样模块称量得出的数据，并计算出受测生物质燃料中 空气干燥基灰分含量。

本发明的自动测定装置还可以增设用于存放所述灼烧至恒重的灰皿的干燥 器，所述传送机构将存放在干燥器中的灰皿自动传送到称样模块。

若有多组样品需要测量，则不必等待第一组生物质样品灰分测试完毕，可在 第一组称量、移入高温灼烧模块后，直接进行第二组样品称量、记录存储，从而 实现自动连续称样、灰分含量测定。

本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术 知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出 其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。