CN105925333A - 一种生物质处理方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了生物质处理方法，所述生物质处理方法包括：生物质预处理和生物燃料炭化两大步骤。所述生物质预处理包括烯酸预处理和稀碱预处理两种方法。所述烯酸预处理的步骤为：把5.7ml浓度为98%的硫酸缓慢加入到蒸馏水中并定容至1000ml，配置成浓度为1%的溶液；取生物质原料100g，粉碎至粒径3~4mm，加入配置好的硫酸溶液，直至原料被完全浸没，常温密封状态下浸泡24h，取出至烘干箱68℃烘干15h，粉碎过0.25mm筛，密封保存。本发明生物质处理方法及装置可将秸秆等生物质迅速转化为可燃气体，从而替代天然气、煤、电、油等不可再生能源。

Description

一种生物质处理方法及其装置

技术领域

本发明涉及生命科学技术领域，特别涉及一种生物质处理方法及其装置。

背景技术

生物质(biomass)是大部分物质经过光合作用，或者利用空气，产生的水，土地和其他种类的生物，全部的有生命的、能够生长的有机物质都可以被称为生物质。它包括所有的植物以及其产生的废物，微生物以及其产生的废物，以及农业和畜牧业生产过程中产生的各种粪便以及其他废弃物等。具有很多独特的特点，如低污染、分布广等。

林林总总的生物质相互联系、相互影响，构成了自然界一个有机的总体。同时，生物质在很多领域也有着广泛的应用，如：食品行业、化工行业、生态行业等，因此受到了科学家们的广泛关注。

生物质能源是利用自然界中的太阳能，然后以化学能方式来将太阳能le藏在生物体中的能量，如植物的光合作用，所以说，生物质便是生物质能的储存场所。

太阳能最重要的载体便是生物质有机体。当太阳光照射到地球上时，有一部分太阳能将会转化成热能，但是热能的能量密度较低，不容易收集，只有很少一部分可以被大多数人所用。但是，另一部分太阳能却被生物质利用，生物质进行光合作用，将太阳能转化为生物质能，人们不管是生存还是发展都需要这些能量，此外，生物质能也是我们最重要的一种可再生能源。

生物质碳，就是由植物、农业和畜牧业在生产过程中产生的各种粪便以及其他垃圾等生物质制备而成的一类多孔的碳材料。碳材料具有独特的特性，如良好的耐热性，较高导热性，优良的耐腐烛性，导电性高等长处。鉴于此，近些年，碳材料被广泛应用于机械工程、电子开发、航空、冶金工程、化工等许个领域。近些年中，由于自然资源的枯竭，人们在发展和应用碳材料的过程中受到了约束。如今，人们发现，大部分生物质材料中都都含有大量的碳元素，所以人们开始用生物质材料来代替化石资源来用于资源的开发，并且这项研究的热度越来越高。

近年来，化石能源严重短缺，并且化石燃料的开发也给人们带来了严峻的环境污染问题。生物质变成了人类类赖以生存的重要能源。所以，如何利用生物质为原材料来得到可再生的资源的想法变得愈发迫切。据估算，21世纪中期，各种生物质能的总和将占世界总能源的40％，所占比例将会超过我们现在使用的燃料。对生物质材料进行充分利用，尤其是存在于自然界中的纤维素类的材料，可以把其中含量很多的的纤维素无污染地转化为我们能够使用的能源，还可以在一定程度上减轻化石能源短缺的现状。

厌氧发酵技术(Anaerobicdigestion，简称AD)是指在厌氨的环境下，利用厌氧或者兼性厌氧微生物的代谢作用处理有机废弃物，从而将这些有机组分转化为其他可利用的产物的过程，是利用各种生物质废弃物生产甲烧等清洁能源的重要途径之一，能够将固态生物质废弃物转化为清洁能源如甲烧、氨、甲醇、甲酸等，产品可以作为汽车 能源或者供热、发电等，应用广泛。厌氧发酵产生的各种副产物也具有很高的经济价值。

在生物质沼气方面，欧洲一些发达国家目前走在世界前列，过去的15年间，欧洲的废弃物和生物质沼气产业己经建立起来，虽然发展参差不齐，但是在几个国家如德国、丹麦等成功的发展成为了羽異丰满的实业部门。

但是目前中国生物质沼气工程进展并不顺利，主要原因是厌氧消化效率低，并且反应器造价与运行维护费用髙，我国沼气工程技术目前尚未形成专业化，沼气工程系统质量无法得到较为有效的控制，导致我国沼气工程发展整体水平较低。中国上个世纪推广的大量农村户用沼气因为没有后续的维护补贴，大量小型沼气站被废弃。

生物质热解是指在缺氧或者无氧的条件下对生物质材料进行加热，通过热化学反应将生物质内的大分子物质如木质素等分解成小分子的热解气、生物油等，同时剩余生物炭的一种热化学转换方法。生物质热解技术有一定的优势，比如热解产物多样化，可根据不同的需要发挥不同的作用，在封闭性条件下进行热解可有效进行污染物挖制，适用于处理不适于焚烧的生物质材料。

与欧美国家相比，中国对生物质热解的研巧起步较晚，而且热解过程中会产生大量的焦油，产气效率低，同时散发出强烈的气味，所目前大多数热解气化站仍处在示范性工程阶段。根据调查，全球每年有400万人以上由于使用固体燃料进行炊事和取暖而产生的空气污染导致过早死亡。但是目前我国仍有一半以上的人口(主要是农村人口) 依靠煤炭和木柴秸秆等固体燃料进行炊事和采暖。

为了利用生物质资源，固化成型技术是能量转化最高的能量转化利用方式，生物质固体成型燃料包括颗粒、压块等，按照成型方式可分为冷成型技术和加热成型技术。利用这些燃料配合新型生物质炉灶，可以很好地利用生物质可再生能源解决农村地区炊事取暖问题，同时降低室内污染物排放。

生物质炉化有多种分类，根据使用情况可分为炊事炉、取暖炉、烤火炉、水暖炉等；如果空气通过自由对流进入炉灶，被称为自然通风炉，如果空气通过风扇供给，被称为强制通风炉；根据进料方式可分为批次进料型和连续进料型等。

如图1所示，为现有技术中批次进料、上点火式的生物质锅炉的原理图。上个世纪末，中国开始出现批次进料、上点火式的生物质锅炉。现有技术中的这种生物质锅炉利用反式燃烧技术，控制进入燃烧室的空气来达到高效清洁的燃烧效果，主要使用的燃料为生物质压块或者木块等。使用时将炉化炉膛内一次性填满生物质燃料，由顶部点燃，使燃料由上往下缓慢燃烧，而进入炉膛的空气分为一次风和二次风，由底部进入炉灶的一次风由下而上进入燃烧区域，燃料在缺氧的条件下进行不完全燃烧，产生可燃气体之后与二次风混合燃烧，可使气体充分混合实现清洁燃烧，可将CO、颗粒物、焦油等燃烧殆尽，同时还可通过控制一次风和二次风的大小来控制炉灶的火力强度

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供了一种生物质处理方法及其装置。当下，秸秆焚烧、工业生产的排放等对环境的污染，已成为当下刻不容缓急需解决的大事，各级政府高度重视，采取各种措施，但都不能从根本上解决问题。本发明不仅可有效解决燃煤锅炉改造的替代能源问题，而且与使用天然气和电、油相比，成本低，效率高、无污染。本发明装置能够满足不同用户需要，每台装置每年能消耗秸秆约4000吨。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种生物质处理方法，所述生物质处理方法包括：生物质预处理和生物燃料炭化两大步骤。

所述生物质预处理包括烯酸预处理和稀碱预处理两种方法。

所述烯酸预处理的步骤为：

把5.7ml浓度为98％的硫酸缓慢加入到蒸馏水中并定容至1000ml，配置成浓度为1％的溶液；

取生物质原料100g，粉碎至粒径3～4mm，加入配置好的硫酸溶液，直至原料被完全浸没，常温密封状态下浸泡24h，取出至烘干箱68℃烘干15h，粉碎过0.25mm筛，密封保存。

所述烯酸预处理的步骤为：

用电子秤称取1g NaoH固体，加入到100ml水中，配置成浓度为1％的溶液；

取生物质原料100g，粉碎至粒径3～4mm，加入配置好的NaoH溶液，直至原料被完全浸没，常温密封状态下浸泡24h，取出至烘干箱68℃烘干15h，粉碎过0.25mm筛，密封保存。

所述生物燃料炭化，包括以下阶段：

(1)预加热和干燥阶段：温度在100℃以下生物质原料被预加热，在温度为100-150℃的区间里，原料水分全部蒸发；

(2)预热解阶段：在温度上升至150-300℃时，生物质的化学组分开始发生改变，不稳定的成分分解成二氧化碳、一氧化碳、少量乙酸，标志着炭化反应的开始；

(3)固体分解阶段：温度升高至300-600℃范围时，生物燃料发生复杂化学反应，挥发性物质生成，是炭化的主要反应阶段；生成的液态生物油，气态的一氧化碳、二氧化碳、氨气、甲烷泡合气，且气体产物随着溫度的升高不断增加；

(4)焦炭分解阶段：当温度继续升高时，C-O、C-H键进一步断裂，深层的挥发物继续向外扩散，炭的质量逐渐下降并趋于稳定，同时一次生物油开始进行各种二次反应。兙

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种如前述任一项所述生物质处理方法使用的生物质处理装置，所述装置包括炭化炉体和监测系统。

所述炭化炉体的构造是一个四层复合结构；

所述炭化炉体进一步包括：炭化室、储炭室、保温层和外壳；

所述炭化室的制备原料采用不锈钢，为一个圆柱体，并且一端密闭另一端开口；

所述炭化室的开口端配置有密封盖，密封盖上设有出气通道与传感器插入口；

所述装置共配置炭化室两个，当一组炭化完成后，将炭化室取出炉体进行冷却降温，能够用另一个炭化室继续炭化，提高工作效率。

所述监测系统包括：上位机，气体浓度传感器，交流接触器，温度控制电路，温度监控模块，气体浓度采集和历史数据查询模块，实时数据显示模块；兙

所述监测系统能够在上位机的监控界面上直接对制备过程进行设置与监控。

所述温度控制电路包括：加热源电阻丝、中间继电器和USB数据采集卡；所述USB数据采集卡与中间继电器连接，中间继电器再与加热源的电阻丝连接；电路通过上位机发出的脉冲信号去控制中间继电器的工作状态，最后通过电胆丝的工作状态去决定炭化温度的状态。兙

所述温度监控模块具体的控制过程如下：

(1)温度传感器感知炉内温度，将信号送入计算机；计算机将存储的设定温度值与当前接受的温度值进行计算，得出温度差值e；而后计算机再将此时计算的温度差值与以前存储的采样时刻的温度差值进行比较，进而计算出温度变化率ec，再将e，ec作为模糊控制器的输入；

(2)根据模糊控制器中预先设置的隶属度函数，计算出输入e和ec分别相对应的隶属度：当e＝100℃，ec＝25℃/min时，隶属度划分如下：

e对应的模糊子集隶属度函数如下：

正大：u(e)＝0.2

正中：u(e)＝0.6

正小：u(e)＝0.7

正很小：u(e)＝0

ec对应的模糊子集隶属度函数如下：

正大：u(ec)＝0.2

正中：u(ec)＝0.7

正小：u(ec)＝0.8

正很小u(ec)＝0

(3)将上述的u(e)，U(ec)进行相应的模糊推理运算，得出与之相关的模糊控制规则条件；

规则1：IF u(e)＝0.2AND u(ec)＝0.2THEN u(f)＝0.1

规则2：IF u(e)＝0.2AND u(ec)＝0.7THEN u(f)＝0.7

规则3：IF u(e)＝0.6AND u(ec)＝0.7THEN u(f)＝0.1

(4)根据模糊控制的条件规则直接推导出输出端的模糊控制量，利用模糊规则条件得出规则结论部分对应的模糊子集的隶属度：变频器频率对应的模糊子集隶属度：

最大(MAX)：u(f)＝0.0

大：u(f)＝0.2

中：u(f)＝0.8

小：u(f)＝0.7

最小(MIN)：u(f)＝0.1

(5)将模糊量转化为精确的控制输出量。

本发明有益的技术效果在于：

本发明生物质处理方法及装置可将秸秆等生物质迅速转化为可燃气体，从而替代天然气、煤、电、油等不可再生能源，和其它同类 产品相比具有划时代领先水平，能为广大用户大幅降低燃料成本以及解决了秸秆等生物质的回收利用。具有极大的社会效益和经济效益，发展前景十分广阔。因生物质裂解制气无排放的原理特性，设备全程运营对环境污染近乎于零。

附图说明

图1为现有技术中批次进料、上点火式的生物质锅炉的原理图；

图2为本发明实施例完整的生物燃料炭化反应的过程图；

图3为本发明实施例炭化炉体的结构图；

图4为本发明实施例炭化炉炉体与气袋连接的示意图；

图5为本发明实施例监测系统的结构图；

图6为本发明实施例温度差变化率ec模糊集合的隶属度函数图；

图7为本发明实施例洗气装置示意图。

其中，各个附图标记分别为：

101烟囱，102二次风喷口，103燃料炉，104二次进风口，105炉箅，106一次进风口兼灰门；

301传感器接线柱，302导线接线柱，303左接线盒，304右接线盒，305镍铬合金电阻丝，306温度传感器，307外壳，308能源架，309固定棒，310出气通道，311节能层，312固定螺丝，313支架，314固定开关，315炭化室，316密封盖；

401热电偶，402电阻接线柱，403出气口，404集气袋，405气体传感器，406焦油收集瓶，407隔热箱，408电阻丝；

701进水口，702进气口，703出气口，704气水分离器，705焦油仓，706出水过滤口。

具体实施方式

以下将结合实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明一实施方式提供了一种生物质处理方法，所述生物质处理方法包括：生物质预处理和生物燃料炭化两大步骤。

所述生物质预处理包括烯酸预处理和稀碱预处理两种方法。

所述烯酸预处理的步骤为：

把5.7ml浓度为98％的硫酸缓慢加入到蒸馏水中并定容至1000ml，配置成浓度为1％的溶液；

取生物质原料100g，粉碎至粒径3～4mm，加入配置好的硫酸溶液，直至原料被完全浸没，常温密封状态下浸泡24h，取出至烘干箱68℃烘干15h，粉碎过0.25mm筛，密封保存。

所述烯酸预处理的步骤为：

用电子秤称取1g NaoH固体，加入到100ml水中，配置成浓度为1％的溶液；

取生物质原料100g，粉碎至粒径3～4mm，加入配置好的NaoH溶液，直至原料被完全浸没，常温密封状态下浸泡24h，取出至烘干箱68℃烘干15h，粉碎过0.25mm筛，密封保存。

所述生物燃料炭化，包括以下阶段：

(1)预加热和干燥阶段：温度在100℃以下生物质原料被预加热，在温度为100-150℃的区间里，原料水分全部蒸发；

(2)预热解阶段：在温度上升至150-300℃时，生物质的化学组分开始发生改变，不稳定的成分分解成二氧化碳、一氧化碳、少量乙酸，标志着炭化反应的开始；

(3)固体分解阶段：温度升高至300-600℃范围时，生物燃料发生复杂化学反应，挥发性物质生成，是炭化的主要反应阶段；生成的液态生物油，气态的一氧化碳、二氧化碳、氨气、甲烷泡合气，且气体产物随着溫度的升高不断增加；

(4)焦炭分解阶段：当温度继续升高时，C-O、C-H键进一步断裂，深层的挥发物继续向外扩散，炭的质量逐渐下降并趋于稳定，同时一次生物油开始进行各种二次反应。兙

本发明另一实施方式还提供了一种如前述任一项所述生物质处理方法使用的生物质处理装置，所述装置包括炭化炉体和监测系统。

所述炭化炉体的构造是一个四层复合结构；

所述炭化炉体进一步包括：炭化室、储炭室、保温层和外壳；

所述炭化室的制备原料采用不锈钢，为一个圆柱体，并且一端密闭另一端开口；

所述炭化室的开口端配置有密封盖，密封盖上设有出气通道与传感器插入口；

所述装置共配置炭化室两个，当一组炭化完成后，将炭化室取出 炉体进行冷却降温，能够用另一个炭化室继续炭化，提高工作效率。

所述监测系统包括：上位机，气体浓度传感器，交流接触器，温度控制电路，温度监控模块，气体浓度采集和历史数据查询模块，实时数据显示模块；兙

所述监测系统能够在上位机的监控界面上直接对制备过程进行设置与监控。

所述温度控制电路包括：加热源电阻丝、中间继电器和USB数据采集卡；所述USB数据采集卡与中间继电器连接，中间继电器再与加热源的电阻丝连接；电路通过上位机发出的脉冲信号去控制中间继电器的工作状态，最后通过电胆丝的工作状态去决定炭化温度的状态。兙

所述温度监控模块具体的控制过程如下：

(1)温度传感器感知炉内温度，将信号送入计算机；计算机将存储的设定温度值与当前接受的温度值进行计算，得出温度差值e；而后计算机再将此时计算的温度差值与以前存储的采样时刻的温度差值进行比较，进而计算出温度变化率ec，再将e，ec作为模糊控制器的输入；

(2)根据模糊控制器中预先设置的隶属度函数，计算出输入e和ec分别相对应的隶属度：当e＝100℃，ec＝25℃/min时，隶属度划分如下：

e对应的模糊子集隶属度函数如下：

正大：u(e)＝0.2

正中：u(e)＝0.6

正小：u(e)＝0.7

正很小：u(e)＝0

ec对应的模糊子集隶属度函数如下：

正大：u(ec)＝0.2

正中：u(ec)＝0.7

正小：u(ec)＝0.8

正很小u(ec)＝0

(3)将上述的u(e)，U(ec)进行相应的模糊推理运算，得出与之相关的模糊控制规则条件；

规则1：IF u(e)＝0.2AND u(ec)＝0.2THEN u(f)＝0.1

规则2：IF u(e)＝0.2AND u(ec)＝0.7THEN u(f)＝0.7

规则3：IF u(e)＝0.6AND u(ec)＝0.7THEN u(f)＝0.1

(4)根据模糊控制的条件规则直接推导出输出端的模糊控制量，利用模糊规则条件得出规则结论部分对应的模糊子集的隶属度：变频器频率对应的模糊子集隶属度：

最大(MAX)：u(f)＝0.0

大：u(f)＝0.2

中：u(f)＝0.8

小：u(f)＝0.7

最小(MIN)：u(f)＝0.1

(5)将模糊量转化为精确的控制输出量。

本发明生物质处理方法包括：生物质预处理和生物燃料炭化两大步骤。

本发明生物质预处理的方法包括：

1、稀酸预处理

本发明实验采用成本较低的硫酸溶液，把5.7ml浓度为98％的硫酸缓慢加入到蒸馏水中并定容至1000ml，配置成浓度为1％的溶液，此溶液危险性较低，方便保存和携带。

取三种生物质原料各100g，粉碎至粒径2～5mm，分别加入配置好的硫酸溶液，直至原料被完全浸没，常温密封状态下浸泡24h，取出至烘干箱68℃烘干15h，粉碎过0.25mm筛，密封保存。测定其纤维素、半纤维素、木质素含量。同上，取100g原材料，将配置好的硫酸溶液喷洒在原料表面，并不断搅拌，使溶液混合均匀，常温下密封保存湿混72h后，取出至烘干箱68℃烘干3h，粉碎后过0.25mm筛，密封保存。分别测定其三种主要成分含量。

2稀碱预处理

本发明实验采用安全性高成本低的NaoH颗粒。用电子秤称取1gNaoH固体，加入到100ml水中，配置成浓度为1％的溶液，预处理方法等同稀酸预处理，完全浸泡24h和湿混72h，烘干后粉碎过筛，密封保存以备测定三种成分的含量进行研究。

每个生物质组分会有差异，包括同一种类的生物质，随着生长地域，环境，年龄的不同，组分有时会有较大差别，因此本实验测定三次取平均值以减小误差。详细组份含量见表1、表2、表3。

表1玉米秸秆预处理组分含量

由表1可知，玉米秸秆经过四种预处理方法后纤维素含量有所提高，基本都在40％以上，半纤维素和木质素有所降低，相比较为经过预处理的原料，其半纤维素和木质素减少了将近50％。以NaoH浸泡24h纤维素含量最高，NaoH湿混72h的木质素含量最低。

表2中药残渣预处理组分含量

由表2可知，中药残渣经过预处理后，纤维素、半纤维素、木质素都有了明显的改变，以硫酸湿混72h纤维素提高最多，提高了将近50％，NaoH浸泡24h的木质素降低的最多，将近25％。

表3枝桠预处理组分含量

由表3可知，枝桠经过预处理后，纤维素、半纤维素、木质素含量变化不大，纤维素只提高了将近20％，但是木质素降低的较多，将近40％。

综上所述，经过预处理后的三种生物质原料，纤维素的含量都有提高，除玉米秸秆外，中药残渣和枝桠的木质素含量都有降低，因此，证明预处理工艺是可以提高生物质处理的品质的。

由以上结果可知，使玉米秸秆纤维素含量最高的预处理方法是：硫酸湿混72h，使中药残渣纤维素含量最高的预处理方法也是硫酸湿 混72h，枝桠纤维素含量最高的预处理方法是NaoH湿混72h；玉米秸秆半纤维素含量最高的预处理方法是：NaoH湿混72h，中药残渣半纤维素含量最高：NaoH浸泡24h，枝桠半纤维素最高：硫酸湿混72h；玉米秸秆木质素含量最低的预处理方法是：硫酸湿混72h，中药残渣木质素最低，为：NaoH浸泡24h，枝桠木质素含量最低：NaoH浸泡24h。

生物燃料炭化

生物燃料炭化是由热量传递所引起的热化学反应过程，热量从外界先传递到生物质原料的颗粒表面，化物质被加热后，含有的自由水及不稳定因子发生分解，形成挥发性物质和固体炭。随着热量的不断传递，能量逐渐到达生物质原料的内部，同时导致由外到内逐层的炭化。炭化分为一次炭化和二次炭化反应过程。一次炭化生成固体炭、炭化混合气和液态炭化油。二次炭化反应主要是挥发分在颗粒内部和气相进行的进一步反应，反应随着温度的升高和气相停留时间的延长而越来越剧烈。二次炭化最终可形成二次生物油和燃气。完整的生物燃料炭化反应的过程见图2。

以反应进程的角度分析生物燃料的炭化大致可分为4个阶段：

(1)预加热和干燥阶段。温度在100℃以下生物质原料被预加热，在温度为100-150℃的区间里，原料水分全部蒸发。

(2)预热解阶段。大约在温度上升至150-300℃时，生物质的化学组分开始发生改变，不稳定的成分分解成二氧化碳、一氧化碳、少量乙酸等，标志着炭化反应的开始。

(3)固体分解阶段。温度升高至300-600℃范围时，生物燃料发生复杂化学反应，大量挥发性物质生成，是炭化的主要反应阶段。生成的液态生物油，气态的一氧化碳、二氧化碳、氨气、甲烷等泡合气，且气体产物随着溫度的升高不断增加。

(4)焦炭分解阶段。当温度继续升高时，C-O、C-H键进一步断裂，深层的挥发物继续向外扩散，炭的质量逐渐下降并趋于稳定，同时一次生物油开始进行各种二次反应。

本发明生物质炭化装置

目前，大多数现有技术制备生物炭都采用传统的马弗炉，马弗炉虽然能够满足生物炭制备所需要的各种高温条件，但是，其本身的价格比较昂贵，而且不能提供制备过程的一些其它需要，例如：温度的精确控制与实时显示、产物的收集监测、数据的实时采集、历史数据的查询和存储等功能。本发明装置为一种多功能生物质热解炭化设备，它从能够满足高温环境需要和稳温效果出发，以温度精控和在线监测为目的，结合数据采集与记录、各态产物收集等相关制备要素，炉体的设计以四层复合结构为设计关键，并结合相关电路与机械设计的方法对装置进行总体设计。本发明装置由炭化炉体和监测系统两部分组成。

本发明炭化炉体的构造是一个四层复合结构，长：80cm，宽：40cm，高：55cm。主要由炭化室、储炭室、热源、保温层、外壳等组成。图3为本发明实施例炭化炉体的结构图。其中炭化室的制备原料采用不锈钢，外形设计为一个圆柱体，并且一端密闭另一端开口。开口端配置 有密封盖，密封盖上设有出气通道与传感器插入口。炭化室的作用是存放炭化原料并在其内部完成生物炭的制备。本发明装置共配置炭化室两个，当一组炭化完成后，将炭化室取出炉体进行冷却降温，这样可以用另一个炭化室继续炭化，因而可提高工作效率。

本发明采用电加热的方式提供炭化所需热量，出气孔处装有气袋，气袋内有气体传感器测量产生气体的浓度。图4为炉体与气袋连接的示意图。传感器的采集模块选用ADAM-4018，并且输入类型为电流型。经过测试，炭化炉体不但可完成制备过程，并且由于其四层复合结构的设计，具有较高的能量利用效率，同时两个炭化室的配置也比较方便、快捷。本发明装置首次炭化时需要进行预热，预热时间为8～12分钟min。

监测系统

监测系统能够在上位机的监控界面上直接对制备过程进行设置与监控，其结构如图5所示，包括：上位机，气体浓度传感器，交流接触器，温度控制电路，温度监控模块，气体浓度采集和历史数据查询模块，实时数据显示模块。

(1)温度监控模块：

温度监控模块可以实现温度实时测定和预先设定的控制功能，包括：温度传感器、温度控制器和温度控制电路。温度的测定采用温度传感器(本发明装置采用K型热电偶)直接接触测量的方法，即把K型热电偶直接插入炉膛中心内进行温度的测定，从而获得炉内温度变化情况。为了让测试的溫度反应准确，将K型热电偶的外形做成M6*8螺旋 状，在炉子上钻螺丝孔拧入炭化炉体内部，外部用绝缘胶涂抹固定，并与空气隔离。

温度控制电路包括：加热源电阻丝、中间继电器和USB数据采集卡。USB数据采集卡与中间继电器连接，中间继电器再与加热源的电阻丝连接。电路通过上位机发出的脉冲信号去控制中间继电器的工作状态，最后通过电胆丝的工作状态去决定炭化温度的状态。

温度控制器的作用是在电路中控制加热源工作状态，它在电路中与交流接触器直接连接，从将主电路开关的控制由温度控制器转变为交流接触器的控制。生物炭的制备前，要先在上位机上设置所需要的炭化温度，当温度高于这个值时，温度控制器便发出一个低电平，这个低电平通过交流接触器并停止加热。当温度下降到低于这个值时，温度控制器就会发出一个高电平，同样通过交流接触器来控制实现继续加热。

本发明温度控制器的炭化温度的精控是通过PID来实现的。实现方法为：首先通过A/D采样读入温度值和温度变化的速度，并进行离散化处理，然后将压差和压差变化率划分到相应的模糊集合中，这样就将清晰值转化成了模糊值，再由知识库中的存储的模糊控制规则进行模糊逻辑推理，得出相应的模糊控制量，最后经过解模糊处理将模拟信号输出到执行机构，进而达到装置温度的控制要求。

本发明装置模糊控制原理是由模糊推理模块中设定的隶属度函数来推出输入端的偏差和偏差变化率的隶属度，进而根据模糊规则推理得到控制输出，然后进行去模糊化处理得到精确的控制量，把控制 量输出到执行机构进行相关控制操作。

具体的控制过程如下：

(1)温度传感器感知炉内温度，将信号送入计算机。计算机将存储的设定温度值与当前接受的温度值进行计算，得出温度差值e。而后计算机再将此时计算的温度差值与以前存储的采样时刻的温度差值进行比较，进而计算出温度变化率ec，再将e，ec作为模糊控制器的输入。

(2)根据模糊控制器中预先设置的隶属度函数，计算出输入e和ec分别相对应的隶属度，现举例说明如下：当e＝100℃，ec＝25℃/min时，隶属度划分如下：

e对应的模糊子集隶属度函数如下：

正大：u(e)＝0.2

正中：u(e)＝0.6

正小：u(e)＝0.7

正很小：u(e)＝0

ec对应的模糊子集隶属度函数如下：

正大：u(ec)＝0.2

正中：u(ec)＝0.7

正小：u(ec)＝0.8

正很小u(ec)＝0

(3)将上述的u(e)，U(ec)进行相应的模糊推理运算，得出与之相关的模糊控制规则条件。

规则1：IF u(e)＝0.2AND u(ec)＝0.2THEN u(f)＝0.1

规则2：IF u(e)＝0.2AND u(ec)＝0.7THEN u(f)＝0.7

规则3：IF u(e)＝0.6AND u(ec)＝0.7THEN u(f)＝0.1

(4)根据模糊控制的条件规则直接推导出输出端的模糊控制量。利用模糊规则条件得出规则结论部分对应的模糊子集的隶属度。现举例说明如下：变频器频率对应的模糊子集隶属度：

最大(MAX)：u(f)＝0.0

大：u(f)＝0.2

中：u(f)＝0.8

小：u(f)＝0.7

最小(MIN)：u(f)＝0.1

(5)将模糊量转化为精确的控制输出量。

输出频率模糊控制量清晰化

模糊控制输出量清晰化(解模糊)有很多算法，最常用的是以下几种方式：

(1)最大隶属度法

这个方法是在模糊控制向量中，取最大隶属度论域元素为判决结果。如果在多个论域元素上同时出现隶属度最大值，则取它们的平均值作为判决结果。

假设隶属度最大的论域元素的数学表示如下：

举例说明：

MAXU(0.4/-3，0.5/-2，1/-2，0/-1，0/1，0.5/2，0.4/3)＝U(0.5/2)

取量化等级中的2级对应的精确值作为输出。

该方法在实施过程中比较简易，操作性强。仅用最大值作为其输出，忽略其它六个量的影响因素，并且能有效利用系统信息。

(2)加权平均法

该方法采用隶属度作为加权系数，此权系数是根据本发明装置设计者的经验和控制系统的设计要求来选取的。其表达式如式(3-1)所示：

$e_o=\frac{\underset{j}{\Σ}U\left(e_j\right)\×e_j}{\underset{j}{\Σ}U\left(e_j\right)}---(3-1)$

这个方法反应了主要信息，也分离了其他信息。

(3)重心法

重心法就是计算出模糊集合隶属度函数曲线与横坐标所围成的区域面积的中心，作为输出值，也叫面积重心法。

为了实现对温度的模糊控制，应该先对炉内温度进行采样处理。在时间t处记录下当前的温度值，在时间t+T时刻记录下另一时刻的温度值，计算温度变化率。

针对该模糊控制系统选取温度差e(e＝实际温度-设定温度)，温度差变化率ec作为双输入单输出控制器的输入端。模糊控制器输入采用输出误差e和温度差变化率ec。输出端采用控制量变频器频率f。假设温度差e对应的模糊子集为M，其相应的模糊论域为X，这里根据一般经验X的模糊论域划分为5个等级。即^＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集M的语言集合取值如下：{负大NB，负小NS，正中ZE，正小PS，正大PB}；温度差变化率语言变量为ec，相应的模糊子集为iV，对应的论域为：K，将论域划分为5个相应的等级。即：^＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集JV的语言变量集合如下：{负大NB，负小NS，正中ZE，正小PS，正大PB}，输出量f也划分为5个相应的等级分别归属相应的隶 属函数。驱动电机的频率变化值设为f，其实际变化范围为[20，50]HZ。这里通过公式(3-2)进行离散处理。

$y=\[\frac{2n}{b-a}(x-\frac{a+b}{2})\]---(3-2)$

其中，xe[a，6]，n为禹散度。

在这里温度差e的离散度n取3，温度变化率ec的离散度n取4，频率f的离散度n取3。离散化后e的论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，ec论域为{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，f的论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

温度差的隶属度函数

温度差e对应的模糊语言集合取值如下：

{负大NB，负小NS，正中ZE，正小PS，正大PB}。温度差e的模糊集合的隶属度函数釆用工程上常用的三角形隶属度函数，如图5所示。

具体对应的温度差的隶属度数值表达如表4所示。

表4温度差的隶属度数值表达

温度差变化率隶属度函数

温度差变化率ec的模糊语言集合如下：{负大NB，负小NS，正中ZE，正小PS，正大PB}温度差变化率ec模糊集合的隶属度函数采用工程上常用的三角形隶属度函数，如图6所示。

温度差变化率ec在离散论域取值，其量化取值如表5所示。

表5温度差变化率的隶属度数值表达表

温度控制器模糊控制规则设计

温度控制器模糊控制系统采用“若A且B，则U”("if A andB then U")模糊语言条件生成控制规则表。根据操作经验总结的语言型模糊控制规则如下：偏差为负的情况下：若e为负大时，无论ec如何变化应 尽快消除误差，应使得电流变大，增加温度。控制规则组如下：

If E＝NB and EC＝NB then U＝PB；

If E＝NB and EC＝NS then U＝PB；

If E＝NB and EC＝ZE then U＝PB；

If E＝NB and EC＝PS then U＝PB；

If E＝NB and EC＝PB then U＝PB；

根据偏差为负的情况，总结经验得出的控制规律同样适用于偏差为正的情况。Mamdani合成算法取大一取小法进行模糊推理采用模糊推理中的取大取小法。釆用重心法解模糊，解模糊后与相应的比例因子相乘得到输出控制表。选取由MATLAB的FIS编辑器计算出输出温度的实际值。

气体浓度的在线采集与显示是通过LabVIEW中的DAQ助手函数来完成的。实时显示的窗口是在LabVIEW前面板选择一个波形显示控件，因为要显示四种气体浓度的曲线，所以在程序框图中将四种气体浓度采集的输出经过合并信号函数输入到波形显示控件。

(3)热解产物收集系统

热解产物收集系统由高温过滤、冷却、洗气、干燥和收集装置组成。高温气态产物流出炭化反应器后首先经过高温过滤装貴滤除气体中可能混杂的残渣等颗粒，然后经过洗气装置。由于焦油在高温下呈气态，在温度低于200℃时才会冷凝为液体，因此，通过洗气装置后不仅可去除气体中携带的焦油高温气，又可以对滤液进一步处理获得焦油。洗气装置示意图如图7所示。本发明多功能生物质处理装置， 在上位机上能够实现以下功能：炭化温度的精控监测、在线监测和保存，炭化温度的精控是用PID实现的，其控制精度可达到±1℃；炭化时间的预先设定；炭化气体的搜集与浓度实时监测、保存；历史数据的查找等功能。本发明生物质处理装置可使用玉米稻杆、稻壳等作为物料，进行生物质分解处理。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

Claims (10)

1.一种生物质处理方法，其特征在于，所述生物质处理方法包括：生物质预处理和生物燃料炭化两大步骤。

2.根据权利要求1所述生物质处理方法，其特征在于，所述生物质预处理包括烯酸预处理和稀碱预处理两种方法。

3.根据权利要求1所述生物质处理方法，其特征在于，所述烯酸预处理的步骤为：

把5.7ml浓度为98％的硫酸缓慢加入到蒸馏水中并定容至1000ml，配置成浓度为1％的溶液；

取生物质原料100g，粉碎至粒径3～4mm，加入配置好的硫酸溶液，直至原料被完全浸没，常温密封状态下浸泡24h，取出至烘干箱68℃烘干15h，粉碎过0.25mm筛，密封保存。

4.根据权利要求1所述生物质处理方法，其特征在于，所述烯酸预处理的步骤为：

用电子秤称取1g NaoH固体，加入到100ml水中，配置成浓度为1％的溶液；

取生物质原料100g，粉碎至粒径3～4mm，加入配置好的NaoH溶液，直至原料被完全浸没，常温密封状态下浸泡24h，取出至烘干箱68℃烘干15h，粉碎过0.25mm筛，密封保存。

5.根据权利要求1～4中任一项所述所述生物质处理方法，其特征在于，所述生物燃料炭化，包括以下阶段：

(1)预加热和干燥阶段：温度在100℃以下生物质原料被预加热，在温度为100-150℃的区间里，原料水分全部蒸发；

(2)预热解阶段：在温度上升至150-300℃时，生物质的化学组分开始发生改变，不稳定的成分分解成二氧化碳、一氧化碳、少量乙酸，标志着炭化反应的开始；

(3)固体分解阶段：温度升高至300-600℃范围时，生物燃料发生复杂化学反应，挥发性物质生成，是炭化的主要反应阶段；生成的液态生物油，气态的一氧化碳、二氧化碳、氨气、甲烷泡合气，且气体产物随着溫度的升高不断增加；

(4)焦炭分解阶段：当温度继续升高时，C-O、C-H键进一步断裂，深层的挥发物继续向外扩散，炭的质量逐渐下降并趋于稳定，同时一次生物油开始进行各种二次反应。

6.一种如权利要求1～5中任一项所述生物质处理方法使用的生物质处理装置，其特征在于，所述装置包括炭化炉体和监测系统。

7.根据权利要求6所述生物质处理装置，其特征在于，

所述炭化炉体的构造是一个四层复合结构；

所述炭化炉体进一步包括：炭化室、储炭室、保温层和外壳；

所述炭化室的制备原料采用不锈钢，为一个圆柱体，并且一端密闭另一端开口；

所述炭化室的开口端配置有密封盖，密封盖上设有出气通道与传感器插入口；

所述装置共配置炭化室两个，当一组炭化完成后，将炭化室取出炉体进行冷却降温，能够用另一个炭化室继续炭化，提高工作效率。

8.根据权利要求6或7所述生物质处理装置，其特征在于，

所述监测系统包括：上位机，气体浓度传感器，交流接触器，温度控制电路，温度监控模块，气体浓度采集和历史数据查询模块，实时数据显示模块；

所述监测系统能够在上位机的监控界面上直接对制备过程进行设置与监控。

9.根据权利要求6～8中任一项所述生物质处理装置，其特征在于，所述温度控制电路包括：加热源电阻丝、中间继电器和USB数据采集卡；所述USB数据采集卡与中间继电器连接，中间继电器再与加热源的电阻丝连接；电路通过上位机发出的脉冲信号去控制中间继电器的工作状态，最后通过电胆丝的工作状态去决定炭化温度的状态。

10.根据权利要求6～9中任一项所述生物质处理装置，其特征在于，所述温度监控模块具体的控制过程如下:

(1)温度传感器感知炉内温度，将信号送入计算机；计算机将存储的设定温度值与当前接受的温度值进行计算，得出温度差值e；而后计算机再将此时计算的温度差值与以前存储的采样时刻的温度差值进行比较，进而计算出温度变化率ec，再将e，ec作为模糊控制器的输入；

(2)根据模糊控制器中预先设置的隶属度函数，计算出输入e和ec分别相对应的隶属度:当e＝100℃，ec＝25℃/min时，隶属度划分如下:

e对应的模糊子集隶属度函数如下:

正大：u(e)＝0.2

正中：u(e)＝0.6

正小：u(e)＝0.7

正很小：u(e)＝0

ec对应的模糊子集隶属度函数如下：

正大：u(ec)＝0.2

正中：u(ec)＝0.7

正小：u(ec)＝0.8

正很小u(ec)＝0

(3)将上述的u(e)，U(ec)进行相应的模糊推理运算，得出与之相关的模糊控制规则条件；

规则1：IF u(e)＝0.2 ANDu(ec)＝0.2 THEN u(f)＝0.1

规则2：IF u(e)＝0.2 AND u(ec)＝0.7 THEN u(f)＝0.7

规则3：IF u(e)＝0.6 AND u(ec)＝0.7 THEN u(f)＝0.1

(4)根据模糊控制的条件规则直接推导出输出端的模糊控制量，利用模糊规则条件得出规则结论部分对应的模糊子集的隶属度：变频器频率对应的模糊子集隶属度：

最大(MAX)：u(f)＝0.0

大：u(f)＝0.2

中：u(f)＝0.8

小：u(f)＝0.7

最小(MIN)：u(f)＝0.1

(5)将模糊量转化为精确的控制输出量。