生物質(zhì)炭化技術(shù)

1、生物質(zhì)碳化技術(shù)摘要針對(duì)生物質(zhì)炭化技術(shù)相對(duì)滯后的現(xiàn)狀，從生物質(zhì)特性研究入手，在分析炭化機(jī)理的基上，重點(diǎn)評(píng)述了生物質(zhì)炭化影響因素和工藝裝置的研究進(jìn)展。指出原料、預(yù)處理方式和工藝參數(shù)是影響生物炭產(chǎn)量的3個(gè)主要因素，并對(duì)比了窯炭化、固定床炭化的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)生物質(zhì)炭化技術(shù)發(fā)展指明方向。關(guān)鍵字生物質(zhì)炭化機(jī)理影響因素炭化設(shè)備目錄一，生物質(zhì)特性1二，生物質(zhì)炭化技術(shù)特征1三，生物質(zhì)炭化機(jī)理1四，影響炭化的因素2五，我國(guó)生物質(zhì)炭化設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀3六，生物質(zhì)炭化存在的問(wèn)題及建議4七，參考文獻(xiàn)4一，生物質(zhì)特性一切有生命的、可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)統(tǒng)稱為生物質(zhì)，包括植物、動(dòng)物和微生物。目前，關(guān)于動(dòng)物和微生物的研究主要集中在生

2、物化學(xué)領(lǐng)域，而熱化學(xué)領(lǐng)域則主要以植物為研究對(duì)象，故本文提到的生物質(zhì)主要指植物。對(duì)于植物型生物質(zhì)來(lái)說(shuō)，綠色植物通過(guò)光合作用把CQ和H2O轉(zhuǎn)化為葡萄糖，進(jìn)而通過(guò)脫水把葡萄糖縮合成淀粉，最終以纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等成分組成植物本身。生物質(zhì)是繼煤、石油、天然氣之后的第四大能源，具有清潔、可再生、分布廣泛、二氧化碳“凈零排放”等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在能量密度低、運(yùn)輸成本高、利用設(shè)備（技術(shù)）不完善等問(wèn)題。實(shí)際上，在生物質(zhì)的利用過(guò)程中，首先要對(duì)其特性進(jìn)行分析，才能更有針對(duì)性的設(shè)計(jì)后續(xù)處理工藝。目前，工程上以元素分析和工業(yè)分析分別從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)生物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行衡量，基本上能夠滿足生物質(zhì)在熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中

3、的分析需要?？傮w來(lái)看，生物質(zhì)原料含碳量較低、含氧量較高，灰分和固定碳較少、揮發(fā)分較多。與煤相比，生物質(zhì)的燃點(diǎn)、灰分、含硫量、熱值更低，碳、氧、揮發(fā)分含量更高。二，生物質(zhì)炭化技術(shù)特征作為生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的一種，生物質(zhì)炭化技術(shù)是指切碎或成型后的生物質(zhì)原料，在絕氧或低氧環(huán)境下被加熱升溫引起分子內(nèi)部分解形成生物炭、生物油和不可冷凝氣體產(chǎn)物的過(guò)程。生物質(zhì)炭化技術(shù)也稱為生物質(zhì)干儲(chǔ)技術(shù)，與氣化、液化等生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)相比，具有以下典型工藝特征：1）加熱速率慢，一般在30C/min以下；2）保溫炭化時(shí)間長(zhǎng)，一般從15min到幾天不等；3）熱裂解溫度較低，一般不超過(guò)550C；4）炭化環(huán)境要求絕氧或低氧，

4、盡量減少氧化反應(yīng)。影響生物質(zhì)炭化過(guò)程與生物炭特性的因素有原料特性參數(shù)和炭化工藝技術(shù)參數(shù)等，其中原料特性參數(shù)主要包括原料種類、粒徑和含水率等，工藝技術(shù)參數(shù)主括炭化溫度、升溫速率、環(huán)境壓力、反應(yīng)氣氛和保溫時(shí)間三，生物質(zhì)炭化機(jī)理炭化是指有機(jī)物質(zhì)受熱分解而留下殘?jiān)蛱康倪^(guò)程。在這一過(guò)程中，原料中的非碳物質(zhì)被除去，產(chǎn)生以固定碳為基礎(chǔ)的孔洞結(jié)構(gòu)，反應(yīng)相對(duì)復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)原料進(jìn)入炭化裝置中，先后經(jīng)歷干燥、預(yù)炭化、炭化和燃燒4個(gè)階段，最終生成生物炭。干燥階段是生物質(zhì)炭化的準(zhǔn)備階段，當(dāng)溫度達(dá)到120150C時(shí)，生物質(zhì)中所蘊(yùn)含的水分受熱率先析出，變成“干生物質(zhì)”。預(yù)炭化階段是生物質(zhì)炭化的起始階段，當(dāng)溫度達(dá)到

5、150275c時(shí)，“干生物質(zhì)”受熱，其中不穩(wěn)定成分（如半纖維素）發(fā)生分解，析出少量揮發(fā)分。炭化階段是生物質(zhì)炭化的主要階段，當(dāng)溫度達(dá)到275450c時(shí)，半纖維素和纖維素發(fā)生劇烈的熱分解，產(chǎn)生大量的揮發(fā)分，放出大量反應(yīng)熱，剩余固態(tài)產(chǎn)物即為“初步生物炭”。燃燒階段是生物質(zhì)炭化的結(jié)尾階段，當(dāng)溫度達(dá)到450500c時(shí)，利用炭化階段放出的大量熱，對(duì)初步生物炭進(jìn)行煨燒，排除殘留在木炭中的揮發(fā)性物質(zhì)，提高木炭中固定碳含量，獲得最終的生物炭。四，影響炭化的因素1,原料從原料的角度來(lái)看，一般木本植物生物炭具有較高的含碳量及較低灰分含量，草本植物及禾本科植物生物炭具有較高灰分含量及較低的含碳量。這是因?yàn)椴煌镔|(zhì)原

6、料，甚至是不同類型土壤中生長(zhǎng)的同一物種，具有機(jī)成分（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）之間的構(gòu)成比例會(huì)存在較大的差異，不同生物質(zhì)原料中的灰分含量也存在著顯著的差異，從軟木材的1草本植物和農(nóng)業(yè)廢棄物的15%。因此，原料性質(zhì)是影響生物炭產(chǎn)量的首要因素。2,預(yù)處理方式不同預(yù)處理方式也會(huì)對(duì)生物炭的產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響，在其他條件一定的情況下，生物炭的產(chǎn)量隨著原料塊狀由大到小而逐漸降低，當(dāng)然，原料塊狀越大，炭化過(guò)程越長(zhǎng)，炭化程度則相對(duì)較低；對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行酸堿處理或添加化學(xué)品預(yù)處理前后，產(chǎn)生的生物炭特征或性質(zhì)具有顯著的差別。一般來(lái)說(shuō)，一定濃度的酸或堿會(huì)破壞生物質(zhì)內(nèi)部的纖維素和半纖維素結(jié)構(gòu)，使之與木質(zhì)素分離，導(dǎo)致炭化產(chǎn)物

7、具有更高的孔隙率。3,工藝參數(shù)工藝參數(shù)是影響生物炭品質(zhì)的主要因素之一。熱解溫度和加熱速率是影響生物炭產(chǎn)量及特性的關(guān)鍵因素，這是因?yàn)樵跓峤膺^(guò)程中除了生物炭以外，還會(huì)產(chǎn)生生物油和生物氣2種副產(chǎn)物，不同的熱解溫度和加熱速率會(huì)對(duì)這3種產(chǎn)物之間的分配產(chǎn)生很大的影響。以玉米秸稈顆粒為原料，在其他條件不變的情況下，考察了反應(yīng)溫度對(duì)炭產(chǎn)率的影響，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度為300c時(shí)，炭產(chǎn)率為55%,達(dá)到最大值，再提高熱解溫度時(shí)，炭產(chǎn)率及熱值均呈逐漸下降的趨勢(shì)。在一定范圍內(nèi)，隨著炭化溫度的升高，碳含量增加，氫和氧含量降低，灰分含量亦有所增加。比較來(lái)說(shuō)，高溫?zé)崃呀獗鹊蜏責(zé)崃呀獾纳锾烤哂懈叩膒H值、灰分含量、生物學(xué)穩(wěn)定性及

8、含碳量，但高溫?zé)崃呀獗Ａ粼镔|(zhì)中的碳要比低溫?zé)崃呀馍?。而生物炭的孔隙度、比表面積、離子交換量是在一定溫度范圍內(nèi)熱裂解方可獲得最大值。加熱速率也會(huì)對(duì)生物炭產(chǎn)生影響，根據(jù)加熱速率的快慢，生物質(zhì)熱解可分為慢速熱解、中速熱解和快速熱解，快速熱解如果在較高溫度下進(jìn)行又稱為閃速熱解，幾種熱解方式的對(duì)比見(jiàn)表。其中，慢速熱解的生物炭產(chǎn)率最高，對(duì)原料粒度的要求不嚴(yán)格，溫度也相對(duì)較低，但時(shí)間最長(zhǎng)；其次是中速熱解，各方面都居于中間水平；快速熱解的生物炭產(chǎn)率較低，對(duì)原料粒度要求嚴(yán)格，但時(shí)間極短。方法）搐汽垛超時(shí)加般dud生拘粕/厘LrlWjM-tHlUfirhealiufiraLeVdpurrT'jd<

9、;illrr|jllh-,LxriifrdHIkliLiLriniMJbiu-odL慢博通解L冒JiyniydM-6000.JJ520-5035制35中速熱耦LnlrE-nkfiluh'ptmh4強(qiáng)4d£l-110a加2-2020503U快速熱料描N|i>Tn|y<4r441()-】盯T礎(chǔ)1口<2空7513閃迷熱斛FIjhIiiM尸1U5UI3U011MK)cL<0.210-255<l-7510-30不同加熱速率下生物碳產(chǎn)量五，我國(guó)生物質(zhì)炭化主要裝置1,窯炭化中國(guó)具有悠久的燒炭歷史，最早的炭化裝置以窯的形式出現(xiàn)，一般以土窯或磚窯為反應(yīng)裝置，將炭化

10、原料(雜草、秸稈、枯枝、落葉等)填入窯中，由窯內(nèi)燃料燃燒提供炭化過(guò)程所需熱量，然后將炭化窯封閉，窯頂開有通氣孔，炭化原料在缺氧的環(huán)境下被悶燒，并在窯內(nèi)進(jìn)行緩慢冷卻，最終制成炭。該過(guò)程是慢速熱解過(guò)程，也是產(chǎn)炭率最高的制炭方法，但這種制炭方式存在周期長(zhǎng)、炭質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。河南三利新能源有限公司的熱解炭化立窯技術(shù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)，是集中制炭生產(chǎn)模式的典型代表。敞開式快速熱解炭化窯，采用自熱控氧工藝，3t秸稈可生產(chǎn)出1t生物炭、200kg醋液、50kg焦油、2400m3可燃?xì)怏w。浙江大學(xué)設(shè)計(jì)了一種外加熱回轉(zhuǎn)炭化窯，筒體轉(zhuǎn)速可在0.510r/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，窯體溫度可控，以稻殼為原料，熱解終溫在550

11、、650和750c時(shí)，炭產(chǎn)率均在40%以上?？傮w來(lái)看，經(jīng)過(guò)改造的窯炭化具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)備容積大、產(chǎn)炭率高等優(yōu)點(diǎn)，但也具有炭化周期長(zhǎng)、炭化過(guò)程難以控制、資源浪費(fèi)嚴(yán)重(油、氣等直接排放)等缺點(diǎn)。2,固定床炭化固定床炭化源于中國(guó)古老的燒炭工藝，現(xiàn)已開發(fā)出鋼鐵材料制成的固定床炭化爐。泰國(guó)清邁大學(xué)研發(fā)了大型煙道氣體金屬炭化爐，將實(shí)驗(yàn)用木薯根莖在燃燒爐內(nèi)點(diǎn)燃，用產(chǎn)生的燃料氣進(jìn)行炭化，且熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w還可二次回流利用。中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所開發(fā)了內(nèi)燃式BX型炭化爐，所得生物炭品質(zhì)較高。遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心和遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司研發(fā)的半封閉式亞高溫缺氧干儲(chǔ)炭化技術(shù)以及配套的可移動(dòng)組

12、合式炭化爐，實(shí)現(xiàn)了在原料產(chǎn)地就地或就近制炭，將生產(chǎn)模式從原料收集、儲(chǔ)運(yùn)、異地集中炭化，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诋a(chǎn)地就地、就近炭化，解決了長(zhǎng)期制約農(nóng)林廢棄物資源化和產(chǎn)業(yè)化的原料運(yùn)輸成本過(guò)高等“瓶頸”問(wèn)題，使大規(guī)模制備生物炭成為可能。近些年，生物質(zhì)固定床熱解炭化技術(shù)發(fā)展較快，先后出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)的固定床炭化爐。按加熱方式可以分為外熱式固定床熱解炭化爐、內(nèi)燃式固定床熱解炭化爐和再流通氣體加熱式固定床熱解炭化爐等。比較來(lái)看，生物質(zhì)固定床炭化爐具有運(yùn)動(dòng)部件少、制造簡(jiǎn)單、成本低、操作方便、得炭率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于小規(guī)模制炭，但由于生物質(zhì)能量密度低、收集成本高、運(yùn)輸成本高以及炭化工藝及裝置不完善等問(wèn)題未能得到大范圍推廣。六，生物質(zhì)炭化存在的問(wèn)題及建議盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)成型炭的制備工藝已取得了較大進(jìn)展，但仍有一些問(wèn)題亟待解決：(1)國(guó)外的研究主要是木材的炭化成型，而國(guó)內(nèi)則是主要針對(duì)一些農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈的熱壓成型的研究，對(duì)果殼類花生殼冷壓成型研究較少，同時(shí)對(duì)成型炭的研究也相對(duì)較少；(2)樹種不同，其木材廢料的燃燒特性也不同，目前針對(duì)特定樹種的研究還尚未見(jiàn)報(bào)道；(3)多數(shù)研究報(bào)道局限于單一生物質(zhì)炭化的研究，對(duì)復(fù)合生物質(zhì)的研究相對(duì)較少。針對(duì)上述問(wèn)題開展深入的研究是極其必要的，包括研制新型大型的炭化裝置；研究生物質(zhì)炭化工藝的特性；提高生物質(zhì)炭化的效率；研制和開發(fā)成本低、黏