生物质秸秆炭化炉 的结构设计与试验研究——第二章 生物质炭化机理及炭化技术分析

第二章 生物质炭化机理研究及炭化技术分析

2.1 生物质秸秆的成分构成

生物质主要由大量的非均一的有机高分子化合物与少量矿物质组成的高聚物。其中主要组成是纤维素、半纤维素和木质素.其结构如图2-1所示.

纤维素是1,4-糖苷键组成的大分子多糖,它是构成植物细胞壁的主要成分，是世界上最丰富的有机物，占植物界碳含量超过50%，一般木材中，纤维素占40-50%，棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤纷素来源。

半纤维素相比于从自然界能够直接获得的纤维素，它则不能直接从自然界获取，而且其成分相比于纤维素复杂得多，由各种己聚糖和戊聚糖所组合而成的糖类复合体并且能够与蛋白质部分进行有机结合。其中，木聚糖〔木糖，阿拉伯糖)是半纤维素里面重要部分的组成成分，常被选作为典型代表用来研究半纤维素的性质，它的结构正如下图2-2所示，木聚糖，据相关研究数据记载，在木质部的组织结构中含量高于50%,在大部分的植物细胞中，质量超过了植吻干重的35%，与微纤维表面相结台，相互连接构成了坚硬的具有保护作用并相互连接的细袍网络。

木质素由四种醇单休(对香豆醇、松柏醇、芥子醇、5-羟基松柏醇)形成的一种复杂酚类聚合物，存在于木质组织中，是由聚合的芳香醇构成的一类物质，它是世界上除纤维素外最丰富的有机物，在木本植物中，木质素占之20-30%。

在植物体内，三者之间的关系为木质素与纤维素、半纤维素等共同构成超分子体，主要位于纤维素、半纤维素之间，起抗压作用，其主要机理为木质素通过形成交织网作为纤维素的粘合剂，来硬化细胞壁，从而增强植物体的机械强度。

同时含有相对少量的脂肪、蜡质、淀粉、糖和蛋白质等物质。

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下图（图2-3）是一段木质素的结构，括号里序号代表了几种不同的连接方式。

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多年来，虽然许多科学工作者利用各种手段和方法对木质素的化学结构进行了大量的研究工作，但是由于木质素化学结构非常复杂，木质素在化学性质上具有极不稳定性，具有的结构还没有完全确定，目前已基本弄清了其主要组成和基团的结合方式以及木质素和纤维素之间的连接方式，得到一些木质素的结构模型。

2.2 生物质的热解过程及原理

生物质炭化过程，归根到底属于生物质热解的一种过程。热解是一切热化学反应的基础，是热转化最初的步骤，对理解生物质炭化机理有着很重要的意义。所以，下面将着重介绍生物质热解的原理、过程、产物以及对其的主要影响因素。

2.2.1 生物质热解过程

由外界给生物质添加热源后，在一定的温度下，组成生物质的聚合物破裂成小的具有挥发性的分子，由此生成的挥发气体被热降解析出，裂解过程导致了C的剩余，它以固定碳的形式留在燃料颗粒内，这样的过程被称为热解。

在热解的过程之中，生物质原料中的碳元素和氢元素形成的化合物，由于电键断开，以能源形势释放出来。通过不断稳定反应条件（主要为反应环境、反应时间、反应加热温度上升速率、最终温度等），可以得到各种产物的分布，以秸秆为例，依照在热解过程中温度的变化以及生成产物的情况等特征，我们可以将生物质热解过程划分为以下四个阶段：

（1）干燥阶段

一般地，生物质中的水分在达到100℃之后就会大量蒸发，然而，一部分与生物质中一些化合物组成的聚合水分子，会在稍微高的温度下才会蒸发散失。因此，该阶段温度一般在120℃～150℃，期间生物质的热解速度非常缓慢，主要为生物质所含水分有外界提供的热量蒸发。

（2）预炭化阶段

该阶段温度一般为150℃～275℃，在这样的温度下，如果生物质接触氧气则必然将发生燃烧反应。由于隔绝氧气，生物质会在该温度段的加热下，开始出现比较明显的热分解。生物质中的化学成分开始发生变化，其中一部分不稳定成分（如半纤维素、木质素）开始发生分解，产生二氧化碳、一氧化碳以及少量的醋酸等物质。

上述的两个阶段。消耗大量的热能，因此需要外界提供热能保证反应进行，属于吸热反应阶段。

（3）炭化阶段

该阶段温度一般为275℃～450℃，生物质在该温度区间热解反应十分剧烈，并伴有大量的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、醋酸、焦油产生。这个阶段是生物质炭化的核心阶段，也是生物质成炭的关键阶段。理论上，该阶段不需要外界提供热量，并且发出大量的反应热能，属于放热反应阶段。

（4）煅烧阶段

该阶段温度一般为450℃～550℃，在外界供给热能和内部反应放热的共同作用下，热能对成型的木炭进行煅烧，排除残留在木炭的各种杂质，提高木炭的含碳量。也是在这个阶段木炭内部发生变化，开始形成多孔介质，炭化比表面积开始增大。

生物质热解过程可以用下图2-4来表示

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应当指出两点：

第一，以上的四个阶段只是生物质热解的主要的四个阶段，并非生物质炭化的仅有的阶段。随着温度的上升，当温度达到600℃以上，包含在木炭中的挥发份将彻底挥发，此时木炭会在高温煅烧下，生成更过的多孔介质。在更高的温度（高于800℃）下，木炭甚至会出现二次炭化现象。

第二，以上的四个阶段界限非常模糊，难以明确区分。这些区间还和炭化反应装置的受热情况有关，受热方式不同，出现四个阶段的对应温度也不同。再加上，各种生物质成分含量不同，即使是同一生物质，由于生长的位置有区别，材质大小不同，导热系数也是千差万别。很有可能出现同一温度下同一反应室中出现不同的反应阶段。

2.2.2 生物质热解产物

生物质解热可以得到固体、气体和液体三种产物。在实验室条件下，热解桦树、松树以及云杉的木材，得到产物如下表2-1.该次反应，最终温度400℃，用小型干馏釜炭化，干馏时间8小时。

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（1）固态产物

生物质在热解完成时残留在反应容器的主要固体产物为木炭，这是生物质炭化反应的主要需求物。

（2）气态产物

生物质热解反应可以得到很多可燃气体，其主要成分为二氧化碳、甲烷、一氧化碳、乙烯、氢气等，我们将其合成为木煤气。这些产物随着最终温度和加热速率的不同，其产量和组分也千差万别。同时，这些产物虽然不是炭化反应的最终需求，属于附属产物。但由于生物质热解过程的前两部分需要消耗外界的热量，这些副产物可以收集并循环加热炭化设备，间接节约能源。

（3）液态产物

将热解梵音时放出的蒸汽混合物，经过冷凝器冷凝分离，可以得到反应的液态产物（主要是木焦油和木醋酸）。该液态产物为棕黑色油状物质，除了含有大量的水分外，还有近200多种有机成分。其中一些化合物包含有机酸、醇类、脂类、芳香烃、杂环化合物以及胺类物质。

以棉花杆为例，热解之后得到的木醋酸和木焦油起初为黑色粘稠状，沉淀一段时间后分为两层。上层澄清为木醋酸，下层粘稠浑浊为木焦油，两种物质均属于炭化生产的附属产物。然而，木醋酸通过进一步加工，可以得到醋酸、丙酸、甲醇等有机溶剂，可以运用到工业生产中，即使不处理亦可拌入饲料，增加牲畜的营养。木焦油中含有大量的芳香烃物质、酚类物质，是加工沥青、抗凝剂等工业生产必不可少的成分。

综上所诉，不难发现生物质热解技术所产生的各项产物均可以运用到我们生活的方方面面，是一项节能环保的先进工业技术。

2.2.3 生物质热解原理

生物质热解是一个复杂的化学反应过程，其中包含了分子键的断裂、异构以及原子或者小分子之间的相互聚合成键的过程。不论是木材、秸秆、果壳或是小树枝、根茎，其主要成分均是纤维素、半纤维素以及木质素。有分析表可知纤维素在325K（52℃）时开始分解，温度越高，分解越速度，到623～643K（300℃左右）降解为低分子碎片，其过程的反应方程式为：

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由于半纤维素是带有支链的结构，为非常不稳定的成分。因此，它比纤维素更加容易热解，在225～325℃就会快速分解，其化学反应式与纤维素相同。

2.3 生物质炭化技术

生物质炭化技术是生物质热解技术的一种具体化的应用，即以追求最终产物为木炭的生物质热解技术。前文已经提到，生物质烧炭和生物质干馏统称为生物质炭化技术。本节主要通过生物质炭化产物（木炭的性质、常见炭化设备和工艺流程）三个方面介绍炭化技术。

2.3.1 木炭的性质与评价

前文已知木炭的用处非常广泛，木炭的基本成分见表2-2。其主要成分为碳元素，还有大量的氧元素和氢元素。各元素的含量多少取决于炭化的方法、加热速率以及炭化最终温度，与木材或秸秆的种类无关。

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通常，随着炭化温度的升高，尤其是最终温度，木炭中的碳元素含量会不断上升，氢元素和氧元素会挥发，含量会下降。

（1）固定碳

固定碳含量是评价一个木炭好坏的标准之一。一般情况下，将烧好的木炭放在坩埚中，用汽油喷灯加热煅烧，控制温度在900℃以上烧5分钟，或者在电炉内用900℃高温加热2.5小时，可测定其固定碳含量。固定碳的含量与炭化工艺和炭化最总温度有关，其可能在70～85%。随着煅烧温度的增高，木炭中的固定碳含量将会有所增加，其含量范围如表2-3：

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（2）挥发分

将烧好的木炭样品放置在坩埚内，在800～900℃的环境下隔绝空气加热7分钟，测定剩下固体质量与原质量差，可以发现炭化温度在300～700℃之内，随着最终温度上升，木炭中的各种挥发分均会下降。

（3）灰分

木炭中有些物质即使再高的温度，甚至木炭完全燃烧也无法气化，称之为灰分。一般灰分为无机物，颜色多为烟白色或淡红色，含有大量的氮磷钾等土壤营养成分，常用于增加土壤肥力。木炭中灰分含量多少，灰分中微量元素含量大小、种类主要与生物质本身的种类有关，一般秸秆炭化灰分多于木炭炭化灰分。炭化最终温度也影响灰分的多少，温度越高，灰分含量越大。表2-4为常见的几种灰分含量。

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以上三个为木炭的主要成分，也是在特定职能下评价木炭优劣的常用标准。除去上面三个标准，还有两个物理量能常用于描述木炭的性质和评价优劣。

（1）发热量

木炭的发热量与碳元素有关，含碳元素高的，发热量也高。一般地，纯碳的发热量为34.045kJ/kg，木炭中有大量杂质，发热量一般在26～32kJ/kg之间。发热量一般评价用于燃烧的木炭。有个简单的公司可以粗略算出木炭的发热量：Q=81.51C+273.4H

（2）炭化比表面积

炭化比表面积是指单位质量下（一般为g）木炭完全碾碎所能铺展的面积（m2），木炭属于多空物质，具有一定的吸附作用。木炭的炭化一般用来衡量木炭吸附性高低的常用数据。

2.3.2 生物质炭化设备

依据考古发现以及史料记载，烧炭在我国有将近2200多年的历史了。在长沙马王堆出土的西汉墓穴中，经常能发现里面有厚度达30～40mm的木炭层，总重大约超过了5000t。这充分说明了早在公元前200多年，我国就已经开始尝试生产木炭。大诗人白居易有一首叙事性古诗《卖炭翁》：“卖炭翁，卖炭翁，伐薪烧炭南山中”，也已说明早在1300多年前的唐朝，烧炭已经成为当时的一项常见生产技能。

当今社会，人们对炭化设备的研究从未停止过。总的来说炭化设备分为以下几个种类:

(1) 炭窑

用炭窑烧炭是一种最简单的生物质热解炭化方法，采用建窑取炭法，炭窑由炭化室、烟道、燃烧室和排烟部分组成。这种炭化方法得炭率为25%左右，炭化周期非常长，一般为3～7天。现阶段可以通过鼓风加温等手段缩短一定的炭化周期。通过炭窑熄火方式的不同，烧炭所得结果也不同。使用窑外熄火的方式能够得到白炭，而采取闷窑熄火的方式得到的则为黑炭，通常情况下，林木、薪炭材的谈话采用炭窑烧炭，而秸秆炭化有时候也会用到此法。

下图2-5为一个秸秆炭化窑，炭化窑由带有窑门的窑体，窑壁四周设置增温口以及增氧口并连接烟囱。对增温口持续供热一段时间，之后保证温度在400～500℃之间，保温24h，即可得到秸秆碳化物。

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(2) 果壳炭化炉

果壳炭化炉的炭化对象一般为农产品中剩余的果壳、果核等体积小、质量轻的细碎原材料，有时也能炭化部分农业生产中采摘剩余的秸秆、藤曼。一般的，将原材料经过风选，送至炭化炉顶部的加料槽里，通过预热室、炭化室和冷却室三个部分从卸料室出料。这种炭化器材一般得炭率为25～30%，炭化周期较短，为4～5小时，得到的炭化产物灰分少、挥发分较多。

图2-6和图2-7为我国第一个注册专利的果壳炭化炉，其结构简单、成本低，采用自身产生的煤气作为热源。热效率和炭化率高。能使农作物秸果壳等快速炭化。

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（3）移动式炭化炉

这种炭化炉的设计就是为了解决由于炭窑烧炭时劳动强度大、受季节影响多的因素。一般2mm的钢板焊接，由顶盖、炉上体和下体连接而组成。得炭率也为25%左右，炭化周期24h。

（4）自然式炭化炉

利用自燃方式直接产生定型木炭技术，特别适用农林秸秆及其剩余物的生物质转化。其既结合了传统工艺的生产方式，又采用了现代机械制造技术，整个系统无气压，动力无高压。并设有自动保护和接地装置，确保安全。如图2-7所示。

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2.3.3 生物质炭化干馏工艺

生物质炭化的工艺流程一般包括生物质干燥、生物质炭化干馏、生成气体冷凝冷却、木炭的冷却和剩余热源供热。生物质可采用自然干燥和人工干燥两个方式。要求原料的含水量不得超过17%，炭化干馏产生的蒸汽混合物通过焦油分离器和各种冷凝设施中进行冷凝冷却，使其中的木醋酸、焦油等成分冷却。木炭可在干馏釜或者其他的冷凝设施中冷凝。供热系统可以为生物质原料干燥、干馏的过程提供大量的热能。其供热气体包括炭化生产的煤气、木煤气以及少量的炭化产物木炭。

生物质炭化干馏的设备称为干馏釜，又统称炭化炉。按照加热方式的不同，可分为内热式和外热式两种加热方式。火焰通过载热体进入反应室，与干馏釜中的生物质直接燃烧，称为内热式炭化；反应室中隔绝空气，火焰通过加热反应室壁间接给干馏釜中的生物质加热，称为外热式炭化。根据干馏釜的形状不同，釜可分为立式或卧室两种，根据操作方式的不同，又可以分为连续式和间歇式的。下图2-8为一个常见的内热式的干馏釜。

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一般的，影响立式内热式干馏釜的主要因素为生物质的含水率、生物质形态、反应速度、反应的最终温度和加热物质的数量等因素。其中，生物质含水率和最终影响最大。一般一吨生物质能够得到300kg木炭，300m3的天然气以及250kg的木醋酸和焦油物质。

2.4 小结

（1）阐述了生物质各组分的化学组成以及理化性质，着重介绍了生物质炭化热解的过程和热解产物。理清了生物质炭化热解的基本原理。

（2）经过对生物质炭化产物各个组分的分析，找寻出了最终炭化品质好坏的决定性因素，为以后的实验设计带下了坚实的基础。

（3）阐述了几种常见的炭化设备，分析它们的优缺点，并提出了生物质炭化干馏的工艺，为下文炉灶的选型和设计提供了参考依据。

谢谢楼主分享，谢谢！

我觉得这个算生物质新能源， 把生物质燃烧发电应该不算新能源吧？人类开始钻木取火就是这样利用生物质了。

谢谢楼主分享

生物质热解与气化