生物质炭化技术

生物质碳化技术
摘要
针对生物质炭化技术相对滞后的现状，从生物质特性研究入手，在分析炭化机理的基上，重点评述了生物质炭化影响因素和工艺装置的研究进展。

指出原料、预处理方式和工艺参数是影响生物炭产量的3 个主要因素，并对比了窑炭化、固定床炭化的优缺点，为后续生物质炭化技术发展指明方向。

关键字
生物质炭化机理影响因素炭化设备
目录
一，生物质特性 (1)
二，生物质炭化技术特征 (1)
三，生物质炭化机理 (1)
四，影响炭化的因素 (2)
五，我国生物质炭化设备发展现状 (3)
六，生物质炭化存在的问题及建议 (4)
七，参考文献 (4)
一，生物质特性
一切有生命的、可以生长的有机物质统称为生物质，包括植物、动物和微生物。

目前，关于动物和微生物的研究主要集中在生物化学领域，而热化学领域则主要以植物为研究对象，故本文提到的生物质主要指植物。

对于植物型生物质来说，绿色植物通过光合作用把CO2和H2O转化为葡萄糖，进而通过脱水把葡萄糖缩合成淀粉，最终以纤维素、半纤维素、木质素等成分组成植物本身。

生物质是继煤、石油、天然气之后的第四大能源，具有清洁、可再生、分布广泛、二氧化碳“净零排放”等优势，同时也存在能量密度低、运输成本高、利用设备(技术)不完善等问题。

实际上，在生物质的利用过程中，首先要对其特性进行分析，才能更有针对性的设计后续处理工艺。

目前，工程上以元素分析和工业分析分别从定性和定量两个方面对生物质的性质进行衡量，基本上能够满足生物质在热化学转化过程中的分析需要。

总体来看，生物质原料含碳量较低、含氧量较高，灰分和固定碳较少、挥发分较多。

与煤相比，生物质的燃点、灰分、含硫量、热值更低，碳、氧、挥发分含量更高。

二，生物质炭化技术特征
作为生物质热化学转化技术的一种，生物质炭化技术是指切碎或成型后的生物质原料，在绝氧或低氧环境下被加热升温引起分子内部分解形成生物炭、生物油和不可冷凝气体产物的过程。

生物质炭化技术也称为生物质干馏技术，与气化、液化等生物质热化学转化技术相比，具有以下典型工艺特征：1）加热速率慢，一般在30℃/min以下；2）保温炭化时间长，一般从15min到几天不等；3）热裂解温度较低，一般不超过550 ℃；４）炭化环境要求绝氧或低氧，尽量减少氧化反应。

影响生物质炭化过程与生物炭特性的因素有原料特性参数和炭化工艺技术参数等，其中原料特性参数主要包括原料种类、粒径和含水率等，工艺技术参数主括炭化温度、升温速率、环境压力、反应气氛和保温时间等。

三，生物质炭化机理
炭化是指有机物质受热分解而留下残渣或炭的过程。

在这一过程中，原料中的非碳物质被除去，产生以固定碳为基础的孔洞结构，反应相对复杂。

一般来说，生物质原料进入炭化装置中，先后经历干燥、预炭化、炭化和燃烧 4 个阶段，最终生成生物炭。

干燥阶段是生物质炭化的准备阶段，当温度达到120～150 ℃时，生物质中所蕴含的水分受热率先析出，变成“干生物质”。

预炭化阶段是生物质炭化的起始阶段，当温度达到150～275℃时，“干生物质”受热，其中不稳定成分(如半纤维素) 发生分解，析出少量挥发分。

炭化阶段是生物质炭化的主要阶段，当温度达到275～450℃时，半纤维素和纤维素发生剧烈的热分解，产生大量的挥发分，放出大量反应热，剩余固态产物即为“初步生物炭”。

燃烧阶段是生物质炭化的结尾阶段，当温度达到450～500℃时，利用炭化阶段放出的大量热，对初步生物炭进行煅烧，排除残留在木炭中的挥发性物质，提高木炭中固定碳含量，获得最终的生物炭。

四，影响炭化的因素
1，原料
从原料的角度来看，一般木本植物生物炭具有较高的含碳量及较低灰分含量，草本植物及禾本科植物生物炭具有较高灰分含量及较低的含碳量。

这是因为不同生物质原料，甚至是不同类型土壤中生长的同一物种，其有机成分(纤维素、半纤维素和木质素)之间的构成比例会存在较大的差异，不同生物质原料中的灰分含量也存在着显著的差异，从软木材的1 %到草本植物和农业废弃物的15%。

因此，原料性质是影响生物炭产量的首要因素。

2，预处理方式
不同预处理方式也会对生物炭的产量产生重要影响，在其他条件一定的情况下，生物炭的产量随着原料块状由大到小而逐渐降低，当然，原料块状越大，炭化过程越长，炭化程度则相对较低; 对生物质进行酸碱处理或添加化学品预处理前后，产生的生物炭特征或性质具有显著的差别。

一般来说，一定浓度的酸或碱会破坏生物质内部的纤维素和半纤维素结构，使之与木质素分离，导致炭化产物具有更高的孔隙率。

3，工艺参数
工艺参数是影响生物炭品质的主要因素之一。

热解温度和加热速率是影响生物炭产量及特性的关键因素，这是因为在热解过程中除了生物炭以外，还会产生生物油和生物气2 种副产物，不同的热解温度和加热速率会对这 3 种产物之间的分配产生很大的影响。

以玉米秸秆颗粒为原料，在其他条件不变的情况下，考察了反应温度对炭产率的影响，发现反应温度为300℃时，炭产率为55 %，达到最大值，再提高热解温度时，炭产率及热值均呈逐渐下降的趋势。

在一定范围内，随着炭化温度的升高，碳含量增加，氢和氧含量降低，灰分含量亦有所增加。

比较来说，高温热裂解比低温热裂解的生物炭具有更高的pH值、灰分含量、生物学稳定性及含碳量，但高温热裂解保留原生物质中的碳要比低温热裂解少。

而生物炭的孔隙度、比表面积、离子交换量是在一定温度范围内热裂解方可获得最大值。

加热速率也会对生物炭产生影响，根据加热速率的快慢，生物质热解可分为慢速热解、中速热解和快速热解，快速热解如果在较高温度下进行又称为闪速热解，几种热解方式的对比见表。

其中，慢速热解的生物炭产率最高，对原料粒度的要求不严格，温度也相对较低，但时间最长; 其次是中速热解，各方面都居于中间水平; 快速热解的生物炭产率较低，对原料粒度要求严格，但时间极短。

不同加热速率下生物碳产量
五，我国生物质炭化主要装置
1，窑炭化
中国具有悠久的烧炭历史，最早的炭化装置以窑的形式出现，一般以土窑或砖窑为反应装置，将炭化原料( 杂草、秸秆、枯枝、落叶等) 填入窑中，由窑内燃料燃烧提供炭化过程所需热量，然后将炭化窑封闭，窑顶开有通气孔，炭化原料在缺氧的环境下被闷烧，并在窑内进行缓慢冷却，最终制成炭。

该过程是慢速热解过程，也是产炭率最高的制炭方法，但这种制炭方式存在周期长、炭质量不稳定等问题。

河南三利新能源有限公司的热解炭化立窑技术实现了连续生产，是集中制炭生产模式的典型代表。

敞开式快速热解炭化窑，采用自热控氧工艺，3 t 秸秆可生产出1 t生物炭、200 kg醋液、50 kg焦油、2400 m3可燃气体。

浙江大学设计了一种外加热回转炭化窑，筒体转速可在0.5 ～10 r/min 范围内调节，窑体温度可控，以稻壳为原料，热解终温在550、650和750℃时，炭产率均在40 % 以上。

总体来看，经过改造的窑炭化具有原料适应性强、设备容积大、产炭率高等优点，但也具有炭化周期长、炭化过程难以控制、资源浪费严重(油、气等直接排放) 等缺点。

2，固定床炭化
固定床炭化源于中国古老的烧炭工艺，现已开发出钢铁材料制成的固定床炭化炉。

泰国清迈大学研发了大型烟道气体金属炭化炉，将实验用木薯根茎在燃烧炉内点燃，用产生的燃料气进行炭化，且热解产生的可燃气体还可二次回流利用。

中国林科院林产化学工业研究所开发了内燃式BX 型炭化炉，所得生物炭品质较高。

辽宁省生物炭工程技术研究中心和辽宁金和福农业开发有限公司研发的半封闭式亚高温缺氧干馏炭化技术以及配套的可移动组合式炭化炉，实现了在原料产地就地或就近制炭，将生产模式从原料收集、储运、异地集中炭化，转变为在产地就地、就近炭化，解决了长期制约农林废弃物资源化和产业化的原料运输成本过高等“瓶颈”问题，使大规模制备生物炭成为可能。

近些年，生物质固定床热解炭化技术发展较快，先后出现了多种不同结构的固定床炭化炉。

按加热方式可以分为外热式固定床热解炭化炉、内燃式固定床热解炭化炉和再流通气体加热式固定床热解炭化炉等。

比较来看，生物质固定床炭化炉具有运动部件少、制造简单、成本低、操作方便、得炭率高等优点，适用于小规模制炭，但由于生物质能量密度低、收集成本高、运输成本高以及炭化工艺及装置不完善等问题未能得到大范围推广。

六，生物质炭化存在的问题及建议
尽管国内外对生物质成型炭的制备工艺已取得了较大进展，但仍有一些问题亟待解决：
(1) 国外的研究主要是木材的炭化成型，而国内则是主要针对一些农业废弃物如秸秆的热压成型的研究，对果壳类花生壳冷压成型研究较少，同时对成型炭的研究也相对较少；
(2) 树种不同，其木材废料的燃烧特性也不同，目前针对特定树种的研究还尚未见报道；
(3) 多数研究报道局限于单一生物质炭化的研究，对复合生物质的研究相对较少。

针对上述问题开展深入的研究是极其必要的，包括研制新型大型的炭化装置；研究生物质炭化工艺的特性；提高生物质炭化的效率；研制和开发成本低、黏结性能高且具有良好环保性的胶黏剂；优化成型炭化工艺等。

同时，各级政府应重视生物质成型炭的利用，并制定相应的政策，如价格补贴等，以实现生物质能的普及应用，逐步走向可持续发展。

七，参考文献
1，高永伟，生物质炭化成型技术工艺的研究进展，生物质化学工程，2016
2，丛宏斌，我国生物质炭化技术装备研究现状与发展建议，中国农业大学学报，2015.02
3，孟凡彬，生物质炭化技术研究进展，生物质化学工程，2016.11。