摘 要

生物质能源具有其他可再生能源无可比拟的优势，它是可以提供气体、液体和固体三种形态燃料的能源，在整个能源体系中占据独特地位。而我国是一个农业大国，生物质种类多样，开发利用林农业废弃生物质能源，有利于发展循环经济，实现经济、社会和环境保护的可持续发展。

本文首先分别进行了不同温度和停留时间的棉秆水热碳化实验，在实验测得固体产物质量和液体产物质量的基础上，通过质量平衡计算出气体产物的质量，分析了温度和停留时间对水热碳化三相产物产率分布的影响，确定了最佳停留时间为25min；探讨了五种温度下棉秆水热碳化过程中各项能量输入项和能量输出项，根据能量平衡计算出能量损失并分析了能量损失较大的原因，通过比较固体产物能量占比和固体产物能量产率，得出最佳反应温度为250℃；估算了生物质水热碳化系统的初始投资成本，比较了年度运行收入和年度运行成本，计算了净现值、投资回报期和投资回报率，说明了水热碳化系统的经济可行性。

关键词：水热碳化 质量平衡 能量平衡 经济分析

ABSTRACT

Biomass energy has incomparable edges over other renewable energy sources. It is the only energy source that can provide gas, liquid and solid forms of fuel, and occupies a unique position in the whole energy system. China is a large agricultural country with rich biodiversity. The exploitation and utilization of biomass energy and the exploitation and utilization of waste biomass energy in forestry and agriculture are conducive to the development of circular economy and the sustainable development of economic, social and environmental protection.

This article first has carried on the different temperature and residence time of cotton hydrothermal carbonization experiment. The experiment measures liquid product quality and solid product quality. Then I calculate the mass of the gas product based on its mass balance and analyze the effects of temperature and residence time on the yield distribution of hydrothermal carbonation products. Furthermore, I determine that the optimal residence time is 25 min.

This article discusses the energy input and energy output of cotton hydrothermal carbonization process under the five kinds of temperature. I calculate energy loss based on its energy balance and analyze the reason of large energy loss. Then I compare the energy ratio and energy yield of the solid products and determine that the best reaction temperature is 250℃. I estimate the initial outlay of biomass hydrothermal carbonation system and compare annual operating cost and income. I calculated the net present value, payback period and the rate of investment. Lastly, I support the economic feasibility of hydrothermal carbon system.

KEYWORDS: Hydrothermal carbonization; Mass balance; Energy balance; Economic analysis

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2生物质能源概况 2

1.3生物质水热技术 2

1.3.1生物质水热技术介绍 2

1.3.2生物质水热碳化技术的研究现状 2

1.4本文主要研究目的和内容 4

1.4.1本文研究目的 4

1.4.2本文研究内容 4

第二章 棉秆水热碳化实验 5

2.1实验材料 5

2.2实验装置 5

2.3实验流程与步骤 6

2.4元素分析 7

第三章 水热碳化系统的质量平衡 8

3.1引言 8

3.2水热碳化系统的质量平衡 8

3.3温度对水热碳化产物的影响 8

3.4停留时间对水热碳化产物的影响 9

3.5本章小结 10

第四章 水热碳化系统的能量平衡 11

4.1引言 11

4.2水热碳化系统的能量平衡 11

4.3水热碳化系统的能量输入项 12

4.3.1 水热碳化原料棉秆所具有的化学热 12

4.3.2 25℃、110g溶剂水所具有的能量 13

4.3.3 外界输入的热量 13

4.4水热碳化系统的能量输出项 13

4.4.1 气体中的能量 13

4.4.2 液体中的能量 16

4.4.3 反应后110g溶剂水所具有的能量Q_wc2 16

4.4.4 固体中的能量 17

4.4.5 能量损失Q_Loss 17

4.5能量效益分析 18

4.6本章小结 19

第五章 水热碳化系统的经济性分析 20

5.1引言 20

5.2经济分析方法 20

5.3水热碳化系统的经济性分析 21

5.3.1 初始投资成本 21

5.3.2 年度运行成本 22

5.3.3 年度运行收入 22

5.3.4 经济效益分析 23

5.4本章小结 24

第六章 结论与展望 25

6.1 主要结论 25

6.2展望 26

参考文献 27

致 谢 30

第一章 绪 论

1.1课题背景及意义

近年来世界能源开始供需紧张，按照目前能源的开采和消费的速度，地球储备了亿万年的化石能源将在本世纪消耗殆尽^[1]。有数据显示，2017年全球一次能源消费总量为13511.2百万吨油当量，二氧化碳排放总量为33444百万吨。其中，我国一次能源消费占比23.2%，碳排放量占全球的27.6%，仍然是世界第一大一次能源消费国和世界第一大碳排放国，在国际上承担着巨大压力^[2]。

在日益严峻的能源危机和环境污染的双重压力下，从可持续发展和能源结构转型的角度出发，发展对环境友好的替代能源具有现实意义。近年来我国高度重视可再生能源的开发和利用，2017年可再生能源发展势头强劲，在我国一次能源消费总量中占比11.8%，成为第三大能源消费来源，具有美好前景^[3]。在众多的可再生能源中，生物质能源原料来源广泛，是唯一一种可以同时提供固、液、气三种形态燃料的能源，具有其他可再生能源无法比拟的优势^[4]。作为农业人口众多的国家，我国农业资源丰富，开发利用生物质能源不仅可以增加农民收入，促进新农村建设，而且还可以减少环境污染，维持国家能源供需平衡的局面^[5]。

表1-1 2017年我国一次能源消费量^[1]