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生物炭及生物质炭化《生物质能工程》11.生物炭的基本概念定义：生物炭(biochar)是由生物残体在缺氧的情况下，经高温慢热解(通常＜700℃，目标产物木炭)产生的一类难熔的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质。生物质炭化（CarbonizationCharring)也被称为慢速热解，在隔绝空气或限制空气（氧气）的条件下，将生物质燃料在400-600℃条件下进行热分解，目标产物是木炭，同时得到木醋液和木煤气等副产物的过程。2不同材质烧制成的生物炭玉米秸秆炭玉米芯炭花生壳炭⒉3概念内涵生物炭Biochar强调生物质原料来源和农业科学、环境科学中的应用，主要用于土壤肥力改良、大气碳库增汇减排以及受污染环境修复。炭Char泛指炭材料，尤其强调天然火在自然状态下烧制形成。木炭/炭黑Charcoa制作过程和性质特点与生物炭相似，多使用木头、煤炭作为原料．强调应用于燃料、工业热炼、除臭脱色的生物质热解残渣，具有高热值和高内表面积。农业炭Agrichar强调用于农业土壤改良、作物增产的炭质材料，可认为生物炭在农业科学的特定称谓。活性炭Activatedcarbon强调制作过程中为增强表面特性的应用而人为采用极高温(通常＞700℃)、物理化学手段(如高温气体或化学药剂)活化的、高比表面积、高吸附特性的疏松多孔性物质，常用于受污染环境的修复、环境工程处理等方面。黑炭Blackcarbon/Blackchar泛指各类有机质不完全碳化生成的残渣，包括炭黑、生物炭、活性炭、焦炭等各种炭质材料。⒋4•生物炭的主要成分：••除C元素外，还有H和O等元素。各种元素含量多少，依赖于热裂解方法和炭化最终温度，与原料无关。随炭化最终温度的升高，生物炭中C元素的含量增加，H和O的含量降低。5固定碳放入白金坩埚内，900℃喷灯火焰下煅烧5min，或在电炉内加热2.5h将温度升高到900℃来测定其固定碳的含量，由于热裂解方法和炭化最终温度不同，生物炭中可能含有70%~86%的固定碳。随着煅烧温度的升高，生物炭中固定碳的含量将会增加。6•水分•生物炭与水接触时的吸水能力取决于其结构特性和表面浸润的情况，能吸收超过它自身质量的水分。长时间储存在空气中，即使不淋雨雪，其含水量可能超过50%，此时生物炭很容易破碎，而且不能用于冶炼。7灰分•生物炭中的灰分含量及其组成与炭化最终温度、原料种类和组成等因素有关。炭化最终温度越高，灰分含量越大。82.炭化工艺技术类型•生物炭制取的主要方法：•堆烧法（欧美国家常用方法）窑烧法（我国常用方法）•炉烧法。9生物炭制造工艺10生物质炭化过程中的化学变化炭化温度/℃反应与现象热解产物＜150℃生物有机质分解速度非常缓慢，主要是水分蒸发化学组分几乎不发生变化220℃～270℃半纤维素开始分解CO2、CO等气体270℃～360℃半纤维素纤维素分解开始生成醋酸、焦油360℃～400℃发生剧烈的热分解，生产大量的气体CO2和CO逐渐减少，CH4、H2等开始增多，冷凝液体产物中含有大量的醋酸、甲醇、焦油等物质＞400℃进入木炭煅烧阶段排出其中的大部分挥发组分，此时生成的液体产物已经很少•炭化结束后木炭中固定炭含量在75%～85%之间。11•（1）堆烧法••程序：将炭化原料竖立或横放在垫木上，上铺一层小树枝或柴草，再用黏土覆盖密封，同时修筑一排烟口或装一根排烟管，然后点火烧制。烧炭过程中，要注意供给的空气量。••出炭率：硬木原料20%~35%，软木原料14%~18%。12•比利时兰姆比奥特公司利用立式干馏釜进行连续生产，由于这种大规模生产投资强度大，所以限制了在发展中国家的应用。13（2）窑烧法•程序：烘窑、缺氧闷烧、闷窑。••出炭率：黑炭15%~20%，白炭比黑炭少•1/4~1/3。••现状：发展中国家许多地方使用最简易的烘窑，用土覆盖木•柴或将木柴放入地坑内。这种窑不仅炭化过程慢而且•效果和质量都很差。1415••用窑烧法烧制木炭，其木炭的质量和产量与操作水平关系甚大。如果控制不好，火候太过，产炭量减少；若火候不足，会烧出夹生炭。16（3）节柴炭烧炉•节柴炭烧炉由砖砌成，烧炭同时，可利用产生的热量取暖或烧水。•结构：由炉盖、炭化室、燃烧室、火山墙、迎风•墙、烟囱、炉门等组成。•程序：装料、缺氧闷烧、闭炉和出炭。17（3）可移出式烧炭炉•结构紧凑、操作容易、移动方便、出炭率高、炭质较好、劳动强度和受季节影响小。••结构：上炉体、下炉体、烟道、风孔、炉•盖、点火架、炉栅。••出炭率：25~30%。183.常用炭化炉的构造与操作•3.1砖窑•特点：制造成本低廉，需求的劳动力数量适度，生产的木炭质量也比较好。•最常使用的窑有:半橙形窑柱形拱顶窑•（一）砖窑构造用砖建造，砂浆成分为木炭颗粒和泥浆。19（1）半橙形窑：半球形，直径约5～7m，两扇窑门正好相对，门线必须与盛行风的方向垂直，门高为1.6～1.7m，底部宽1.1m，顶部宽0.7m。窑顶端有一个直径约0.22～0.25m的出烟孔，围绕着贴近地面的地基有10个均匀排列的进空气孔，孔尺寸为0.06m×0.2m；R半橙形窑空气进口出烟孔20•（二）操作装窑→炭化→冷却→卸窑•①装窑薪炭材或机制燃料棒在窑中要垂直放置，高度达1.2m后，上方的水平摆放；柱形拱顶窑为到达拱顶层后，上方的水平摆放，直到窑完全装满。•窑基上的空气进口不能关闭，窑顶部的孔下方堆放一些易燃的碎棒或树枝，使窑易于点燃。•装窑结束后两扇门必须密封好。21②炭化从窑顶排孔燃着的木炭，确保窑内棒材能被很好地点燃。炭化过程中根据烟的颜色来判断炭化程度，通过打开的关闭窑基的空气孔来控制进程。烟气的变化与反应过程：白色烟汽成型棒料中水分蒸发透明的蓝色无色透明发生热解反应炭化完成22•不同炭化阶段的控制措施：•点燃后不久，从烟囱冒出白色的烟，表明木材中水分蒸发，碳化面积正在增加，此时要通过空气进口控制空气供应量，依靠烟囱把炭化的气体排出。•注意：排烟口不能有火焰出现。•当烟色变为透明的蓝色，必须把所有的空气进口关闭。这一阶段称为煅烧。•当烟气变得无色透明时，就要把烟囱也关闭，碳化过程结束。•注意：烟囱不应过早关闭，以避免炭化不完全的情况发生。23•③冷却•将窑全部用砂浆粉刷几层，以把所有的开口、漏洞和裂缝全部封死。•目的：使空气不能继续渗透入窑，窑内迅速熄火。•④卸窑•为避免自燃现象发生，应在窑彻底冷却后再打开窑门，将木炭卸出。一般此时温度降至60～70℃。24大型窑的注意事项：对于大型窑，要在窑内选择几点安装上热电偶，监测窑内的冷点、热点及冷却过程；并通过关闭窑上的进气孔调节和控制窑内温度的平衡，从而保证木炭的产量及质量。253.2移动式简易炭化炉炭化炉下炉体上炉体烟道点火通风架炉栅点火口封闭盖风孔温度传感器（一）构造底部设有炉栅，距地面200mm；炉体中央竖立一个点火通风架，顶盖上设点火口，可用盖子封闭。炉体用钢板焊接而成，有效容积一般为2～3m3，可装成型棒料1.5～2.5t。26•（二）炭化操作•①装料：成型燃料棒竖直排列于炉内，装满后盖好炉盖，炉体各连接处封严。•②点火：从点火口投入火种，并不断添加燃料。当烟道口温度达到60℃以上时，封闭点火口。•③干燥：点火口关闭后，烟道冒出浓浓的白烟，进入原料的干燥阶段。经3～4h后，干燥阶段结束，烟道气由白色转为黄色，此时要逐渐关闭通风口。•④炭化：通风口关闭后再过6～8h,烟道口会出现火焰，烟气颜色也转为青色，即为炭化终点。此时炉内温度上部可达600℃,下部温度450～470℃。•⑤闷烧：封闭通风管口，再经过0.5h后，封闭排烟管口，进行封闭闷烧。•⑥冷却出炭：过10h左右，炉内温度冷却到50～60℃,即可出炭。27•移动式简易炭化炉特点：•结构紧凑、操作容易、移动方便；•出炭率高（25%～30%）、炭质较好；•能源利率高，环境污染小。炭化过程中烟道口排出的可燃烟气可引回烧炭炉作燃料，在管道中间用冷却法可回收木焦油和木醋液。28•炭化炉操作注意事项：•铁窑保温性能很差，炭化过程中温度控制非常重要。•①装置在室外且风力较大时，干燥阶段要将迎风侧的风管适当关闭，防止炉内燃烧过快。•②炭化阶段，出口处和烟道中会深沉一定量焦油，会妨碍废气排出，应及时清除。•③当烟道出烟几乎透明时，炭化完成，此时炉表面温度约150～200℃,该阶段必须反碳化炉完全密封。293.3外热式干馏炭化釜（一）炭化釜结构一般由12～14mm的钢板焊接而成，外形尺寸为Φ1200～1800mm，容量1200kg。干馏快速炭化窑釜体测温孔出气孔法兰排烟孔支撑旋转支架上盖外热式干馏炭化釜30（二）干馏工艺过程及其产物•干馏：干馏是在隔绝空气的条件下，通过加热使生物质发生热分解的过程。•干馏产物：木炭、木焦油、木醋液、可燃气体•干馏过程是生物质的热分解过程，是根据不同的受热温度分阶段进行的。热分解温度不同，则产物成分也不同。31成型燃料装釜干馏冷却木炭副产品外热式干馏炭化釜炭化的工艺过程将成型燃料竖直摆放在炭化釜内，锁紧法兰，釜底点火加热，产生的水蒸汽及烟由排烟孔排出。当釜内温度升高到一定时，成型燃料热分解产生的可燃气体由排气孔排出并在釜底点燃，给炭化釜继续加热炭化，直到气体基本耗尽，冷却后即得木炭。32不同炭化炉性能比较项目砖窑移动式简易炭化炉外热式干馏炭化炉投资小较小较大寿命较长较短长挥发分含量/%12～2012～2012～18固定碳/%75～8075～8080以上含水率/%1.5～3.01.5～3.01.5～3.0灰分/%1.5～4.01.5～4.01.0～3.0木炭色泽黑色黑色均匀黑色，断面有光泽热值/（MJ/kg）292931木炭得率/%252530木炭质量不均匀不均匀均匀副产品回收不能很少能污染情况比较大比较大很小333.4连续式炭化炉（1）果壳炭化炉果壳炭化炉是适用果壳之类粒度较小的原料炭化需要而专门设计出来的一种炉型。果壳、果核（核桃壳、杏核、橄榄核、桃核、李核等）尤其是椰壳是生产颗粒活性炭的良好原料。果壳炭化炉用耐火材料砌筑，是一种横断面呈长方形的立式炭化炉，结构如图。炉体内由两个狭长的立式炭化槽及环绕其四周的烟道组成。炭化槽由下而上分成高度不等的3部分，即预热段、炭化段和冷却段。34果壳炭化炉工作原理：原料果壳由炉顶加入炭化槽的预热段，利用炉体的热量预热干燥，而后进入炭化段炭化。炭化段的料槽用具横向条状倾斜栅孔的耐热混凝土预制件砌成。其外侧的烟道用隔板分隔成多层，控制烟气的流向以利传热。烟道外侧炉墙上设进风口供吸入空气助燃。炭化段的温度达400～500℃，果壳炭化后生产的蒸汽气体混合物通过炭化槽上的栅孔渗入烟道，与吸入的空气接触燃烧。生成高温烟道气在烟道内曲折流动加热炭化槽后，被烟囱抽吸排出生成的果壳炭落入冷却段自然冷却后，定期由炉底部的装料装置卸出。35果壳炭化炉的炭化工艺•炭化工艺流程：果壳（椰壳、杏核、桃核）经风选，除去沙石、土块后，用提升机送至炉顶的加料槽，果壳借重力进入炭化槽，分别通过预热段、炭化段、冷却段从卸料器出料。•通常，每8h加料一次，每1h出料一次，物料在炉内停留时间4-5h，炭化连续进行。炉内炭化区域温度通过调节进风口吸气量的多少进行控制。•优点：操作方便，劳动强度小；正常操作时不需要外加燃料；果壳炭得率高，为25%～30%；炭化尾气不污染环境。36（2）立式多槽炭化炉木屑炭化通常用立式多槽炭化炉。每台炉有14个立式炭化槽，每个炭化槽的两侧为烟道，一台炉内共有15个烟道；炉的内部用耐火砖，外部用青砖砌成，炉长7m，宽4.5m，每炉设5个燃烧室，每个燃烧室与炉内的3个烟道相通。燃烧烟气在炉内烟道中分5层曲折上升至顶部，与烟囱连通，烟囱高10m；高温烟气在运动中将热量通过隔墙间接地传给炭化物料。炭化产生的蒸汽气体通过房顶排气罩排空。炉顶设加料室，原料由此加入炭化槽；每个炭化槽均有一个卸炭口，卸炭口设在与燃烧室相反的一面。37•立式多槽炭化炉炭化工艺：•操作时首先在燃烧室点火，加热炭化槽，待温度升至300℃时开始投料，进行木屑炭