生物質(zhì)炭化技術(shù)

1、生物質(zhì)碳化技術(shù) 摘要針對生物質(zhì)炭化技術(shù)相對滯后的現(xiàn)狀，從生物質(zhì)特性研究入手，在分析炭化機(jī)理的基上，重點評述了生物質(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 個主要因素，并對比了窯炭化、固定床炭化的優(yōu)缺點，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、可以生長的有機(jī)物質(zhì)統(tǒng)稱為生物質(zhì)，包括植物、動物和微生物。目前，關(guān)

2、于動物和微生物的研究主要集中在生物化學(xué)領(lǐng)域，而熱化學(xué)領(lǐng)域則主要以植物為研究對象，故本文提到的生物質(zhì)主要指植物。對于植物型生物質(zhì)來說，綠色植物通過光合作用把 CO2和H2O轉(zhuǎn)化為葡萄糖，進(jìn)而通過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，同時也存在能量密度低、運輸成本高、利用設(shè)備(技術(shù))不完善等問題。實際上，在生物質(zhì)的利用過程中，首先要對其特性進(jìn)行分析，才能更有針對性的設(shè)計后續(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兩個方面對生物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行衡量，基

3、本上能夠滿足生物質(zhì)在熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中的分析需要?？傮w來看，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、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)物的過程。生物質(zhì)炭化技術(shù)也稱為生物質(zhì)干餾技術(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30/min以下；2）保溫炭化時間長，一般從15min到幾天不等；3）熱裂解溫度較低，一般不超過5

4、50 ；）炭化環(huán)境要求絕氧或低氧，盡 量 減 少 氧 化 反 應(yīng)。 影 響 生 物 質(zhì) 炭 化過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)氣氛和保溫時間等。三，生物質(zhì)炭化機(jī)理 炭化是指有機(jī)物質(zhì)受熱分解而留下殘渣或炭的過程。在這一過程中，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)相對復(fù)雜。一般來說，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120150 時，生物質(zhì)中所蘊含的

5、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150275時，“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275450時，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450500 時，利用炭化階段放出的大量熱，對初步生物炭進(jìn)行煅燒，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，

6、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。這是因為不同生物質(zhì)原料，甚至是不同類型土壤中生長的同一物種，其有機(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 %到草本植物和農(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)處理方式也會對生物炭的產(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，炭化過程越長，炭化程度則相對較低; 對生物質(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。一般來說，

7、一定濃度的酸或堿會破壞生物質(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，這是因為在熱解過程中除了生物炭以外，還會產(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對這 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)溫度對炭產(chǎn)率的影響，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度為300時，炭產(chǎn)率為55 %，達(dá)到最大值，再提高熱解溫度時，炭產(chǎn)率及熱值均呈逐漸下降的趨勢。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

8、亦有所增加。比較來說，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。加熱速率也會對生物炭產(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，幾種熱解方式的對比見表。其中，慢速熱解的生物炭產(chǎn)率最高，對原料粒度的要求不嚴(yán)格，溫度也相對較低，但時間最長; 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，對原料粒度要求嚴(yán)格，但時間極短。 不同加熱速率下生物碳產(chǎn)

9、量五，我國生物質(zhì)炭化主要裝置1，窯炭化中國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。該過程是慢速熱解過程，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、炭質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。河南三利新能源有限公司的熱解炭化立窯技術(shù)實現(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，3 t秸稈可生產(chǎn)出1 t生物炭、200 kg醋液、50 kg焦油、2400

10、 m3可燃?xì)怏w。浙江大學(xué)設(shè)計了一種外加熱回轉(zhuǎn)炭化窯，筒體轉(zhuǎn)速可在 0.5 10 r/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、650和750時，炭產(chǎn)率均在40 % 以上?？傮w來看，經(jīng)過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，但也具有炭化周期長、炭化過程難以控制、資源浪費嚴(yán)重(油、氣等直接排放) 等缺點。2，固定床炭化 固定床炭化源于中國古老的燒炭工藝，現(xiàn)已開發(fā)出鋼鐵材料制成的固定床炭化爐。泰國清邁大學(xué)研發(fā)了大型煙道氣體金屬炭化爐，將實驗用木薯根莖在燃燒爐內(nèi)點燃，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。中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所開

11、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餾炭化技術(shù)以及配套的可移動組合式炭化爐，實現(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、儲運、異地集中炭化，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诋a(chǎn)地就地、就近炭化，解決了長期制約農(nóng)林廢棄物資源化和產(chǎn)業(yè)化的原料運輸成本過高等“瓶頸”問題，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。比較來看，生物質(zhì)固定床炭化爐具有運動部件少、制

12、造簡單、成本低、操作方便、得炭率高等優(yōu)點，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、運輸成本高以及炭化工藝及裝置不完善等問題未能得到大范圍推廣。六，生物質(zhì)炭化存在的問題及建議 盡管國內(nèi)外對生物質(zhì)成型炭的制備工藝已取得了較大進(jìn)展，但仍有一些問題亟待解決： (1) 國外的研究主要是木材的炭化成型，而國內(nèi)則是主要針對一些農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈的熱壓成型的研究，對果殼類花生殼冷壓成型研究較少，同時對成型炭的研究也相對較少； (2) 樹種不同，其木材廢料的燃燒特性也不同，目前針對特定樹種的研究還尚未見報道； (3) 多數(shù)研究報道局限于單一生物質(zhì)炭化的研究，對復(fù)合生物質(zhì)的研究相對較少。 針對上述問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、黏結(jié)性能高且具有良好環(huán)