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1、1,生物炭及生物质炭化,生物质能工程,2,1.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（Carbonization Charring)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。,3,不同材质烧制成的生物炭,玉米秸秆炭,玉米芯炭,花生壳炭,4,5,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
2、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。,6,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。,7,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。,8,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
3、素有关。炭化最终温度越高，灰分含量越大。,9,2.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。,10,生物炭制造工艺,11,生物质炭化过程中的化学变化,炭化结束后木炭中固定炭含量在75%85%之间。,12,（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%。,13,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。,
4、14,（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 1/41/3。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。,15,16,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。,17,（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。,18,（3）可移出式烧炭炉,结构紧凑、操作容易、移动方便、出
5、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：2530%。,19,3.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。,20,（1）半橙形窑：半球形，直径约57m，两扇窑门正好相对，门线必须与盛行风的方向垂直，门高为1.61.7m，底部宽1.1m，顶部宽0.7m。窑顶端有一个直径约0.220.25m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0.06m0.2 m；,21,（二
6、）操作 装窑炭化 冷却卸窑 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。,22,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,23,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
7、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。,24,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。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6070。,25,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
8、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。,26,3.2 移动式简易炭化炉,炭 化 炉,（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23m3，可装成型棒料1.52.5t。,27,（二）炭化操作装料：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。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。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34h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。炭化：通风口关闭后再过68h
9、,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450470。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。冷却出炭：过10h左右，炉内温度冷却到5060,即可出炭。,28,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。,29,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。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。炭化阶段，出
10、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。当烟道出烟几乎透明时，炭化完成，此时炉表面温度约150200,该阶段必须反碳化炉完全密封。,30,3.3 外热式干馏炭化釜,（一）炭化釜结构 一般由1214mm的钢板焊接而成，外形尺寸为12001800mm，容量1200kg。,干馏快速炭化窑,31,（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。,32,将成型燃料竖直摆放在炭化釜内，锁紧法兰，釜底点火加热
11、，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。,33,不同炭化炉性能比较,34,3.4 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。,35,果壳炭化炉
12、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。,36,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
13、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1 h出料一次，物料在炉内停留时间4-5 h，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。,37,（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4.5 m，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10
14、m；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。,38,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，进行木屑炭化。开始炭化槽冒出白烟，表明废气中有大量水分，是干燥阶段；冒黄烟时表明大量木屑进行热分解；冒青烟至无烟，并观察到炭化槽内物料呈暗红色，不冒火星时，表明炭化结束，即可出料。每炉投料22.5 t木屑，炉温约700 800，炭化时间48 h（炭化时间随原料含水率而异）。一炉可得木屑炭300400 kg。特点：炭化炉结
15、构简单，容易砌造，操作易掌握；但耗煤量大，炭得率低，质量不够均匀，高温操作，劳动强度大。,39,(3)他炭化装置回转炉 结构类似回转式干燥装置。适用于颗粒状或小块状物料的炭化。内热式用得较多。内热式回转炉的基本作业过程：由炉尾进入回转炉炉膛中的原料，在随炉体转动的过程中被炉壁带到一定高度以后落下，与从炉头燃烧室进入的高温烟道气的接触，使炭化能够均匀地进行。炭化后的固体物料从炉头出料装置卸出；产生的蒸汽气体混合物随废烟气从炉尾导出，经处理后排出。回转式炭化炉特点：结构简单，运行稳定，操作容易。是活性炭工业中常用的一种炭化装置。,40,流态化炉又称沸腾炉，是利用流态化原理炭化微小颗粒状木质原料的炉
16、型。有外热、内热两种加热方式，从操作上可分为间歇式及连续式。外热连续式流态化炉操作过程：,用螺旋加料器将微小颗粒状木质原料送入立式圆锥形或圆筒形炉膛下部，原料被从炉膛底部进入的空气鼓动呈流态化状态进行炭化，生成的蒸汽气体混合物和木炭颗粒随气流由炉膛顶部出料管进入旋风分离器中捕集木炭后，再用冷凝冷却器回收木醋液，不凝性气体导人加热炉中燃烧作为炭化的辅助热源。,特点：没有局部过热，炭化温度恒定，炭化时间短，根据原料粒度的差异，可由几秒到几分钟，连续得到质量均一的炭化物。容易处理大量废材。,41,多层炭化炉是美国研制的一种内热式连续炭化炉，用来炭化木屑、木片、树皮等。基本构造：在圆柱形炉内有几层炭化
17、室，中轴上有搅拌棒和搅拌池。炭化工艺：从上端送入的原料，边搅拌边移动炭化；炉子先用安装在各层炭化室炉壁的重油燃烧加热器加热，达到顶点温度即停止燃烧重油，连续送入原料，并从重油燃烧器的位置供给少量空气，以维持一定的炭化温度。,42,4.影响生物质炭化过程的因素,主要有：原料种类和形状、含水率及碳化最终温度、碳化速度、热解炉的形状、不同干馏形式等上述因素都会影响产品的产量与质量。,43,（1）热裂解最终温度图例：桦木和松木锯末成型燃料在不同最终温度下的产品产率。,由图可见:木炭的产量是温度的函数。随着温度升高，物料在400以下失重很快，之后木炭产率变化不明显。故一般最终温度在400500。温度低于
18、400的条件下，高的加热速率比低的加热速率生成炭的产量要高些。,44,（2）炭化速度加快碳化速度，可以缩短碳化时间，提高热解炉的生产能力；但碳化速度过快，木炭机械强度出现显著下降，从而影响木炭质量。碳化速度对各个碳化阶段影响不同。当温度在275以下时影响不明显，而在275500范围内，碳化速度对产品产率和组成都有很大的影响。,由图可见，炭化时间延长，木炭产率增加，焦油减少。但木炭的强度和发热量都明显下降。,45,（3）原料含水率的影响含水率高，干馏过程中急剧排出水分，会造成木炭机械强度下降。木煤气体积膨胀，但其中可燃组分含量减少。木炭表面有严重裂口，碳化时间延长。,46,5.生物质碳化产品,生
19、物质碳化产品木炭，可用于冶金、有色金属生产、活性炭制造等，用途极其广泛,47,（1）木炭的相对密度和孔隙度,木炭的相对密度随炭化原料种类、含碳量及炭化温度的不同而不同。炭化原料的相对密度越大、含碳量越大、炭化温度越高，则相对密度越大。,48,图1 扫描电镜下的生物炭孔状结构,木炭具有较大的比表面积和孔隙度,49,（2）木炭的发热量,木炭的发热量主要取决于木炭的含碳量。而炭化温度高，木炭的炭含量就大。,50,（3）木炭的反应能力,在高温下与活性气体和蒸气相互作用的能力，是评价固体原料在工业中使用的基本性质的方法之一，与其含碳素的无定形多孔结构有关。其中所含的灰分，尤其是碱金属、碱土金属及其氧化物
20、的存在，对木炭的化学反应能力也起催化作用。,51,5.生物炭的应用价值,52,生物炭在环境方面的应用价值,炭循环：自然界碳循环的基本过程是：大气中的二氧化碳（CO2）被陆地和海洋中的植物吸收，然后通过生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳的形式返回大气中。,53,碳循环示意图,碳汇碳负,54,生物炭在环境方面的应用价值,炭捕捉一般情况下大气、土壤和海洋三者由生物质作用通过碳循环够成平衡；但自工业革命以后，由于人类活动的加剧，有机质分解加剧，导致空气中的CO2浓度增加，致使平衡被打破，也就是导致温室效应。生物炭具有独特的稳定性，可将二氧化碳捕捉并埋藏在土壤中几千年不会改变，达到很好的碳封存效果
21、。,55,生物炭在环境方面的应用价值,生物炭还可以用来处理工业废水、生活污水。如纺织厂、造纸厂排出的污水。对受重金属污染的土壤也有修复作用。类似活性炭，可以吸附有毒气体，如熟知的甲醛、笨、甲苯等。,56,生物炭在农业方面的应用,生物炭改善土壤的机理1：生物炭能够显著提高土壤pH、改变土壤质地、增大盐基交换量，从而引起土壤CEC（阴阳离子交换量）增加，促进植物离子吸收。2：生物炭本身具有丰富的微孔结构与极强的吸附性，因此可以吸附较多的养分元素、矿质离子等。并且可以改变土壤的物理性状和结构，促进土壤生物化学和物理化学的交互作用而提高土壤养分利用率，及养分的缓释效应。以达到提高土壤肥力的作用,57,
22、生物炭在农业方面的应用,3：土壤中施入生物炭以后作物根部真菌繁殖能力增强，刺激了微生物群落发生变化。因为生物炭保留了生物质原有的结构，具有大量微孔结构，可以为微生物生长提供良好的生存和栖息发展的空间，减少了之间的竞争。同时生物炭的微孔结构可以较好的保持空气、水分，这为微生物提供了良好的生长环境。为微生物的理化性质提供了积极影响，也为微生物生长和繁殖提供了有力条件,58,生物炭在农业方面的应用,4：生物炭促进作物生长的另一机制，是生物炭可以降低土壤中污染物的有效性，表现出修复污染土壤和促进作物生长的双重效果。,59,生物炭在新能源方面的应用,生物质能是地球上唯一可再生能源，在环境保护、资源利用、
23、资源再生方面具有利用优势被认为是人类未来能源的重要来源。非常具有开发潜力。生物炭制造过程中大约1/3转化为气体，1/3转化为固体。这些气体和固体都能经过进一步加工而为人们所利用。这些清洁的生物质能源可以用来代替煤炭、石油天然气等。并且不仅应用在农业，而且在医学、食品、园艺方面也有较好的发展空间。,60,6.发展与展望,目前，生物炭研究还停留在实验室和田间的理论阶段。从理论上看，生物炭理论基础浅易而不高深，技术手段成熟而不繁琐，使得这项技术有着在世界各地广泛应用的巨大潜力。推广的当务之急是根据工农业应用的具体需要针对性地优化生物炭的特性,61,发展与展望,另外人们需要开发一个生物炭的生产模式，来确保他既能降低温室气体，又能简单方便的在不发达国家的农场使用，并且在发达国家大型农场中使用。最后，要切实有经济上的刺激，从而提高人们收集和处理废物的积极性。,62,The end,
