(完整版)生物炭简介

•
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。
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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素有关。炭化最终温度越高，灰分
• （一）砖窑构造 用砖建造，砂浆成分为木炭颗粒和泥浆。
出烟孔
R
（1）半橙形窑：
半球形，直径约5～7m，
空气进口
两扇窑门正好相对， 门线必须与盛行风的方向垂直，
半橙形窑
门高为1.6～1.7m，底部宽1.1m，顶部宽0.7m。
窑顶端有一个直径约0.22～0.25m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0.06m×0.2 m；
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。
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，果壳借重力进入炭化槽，分别通 过预热段、炭化段、冷却段从卸料器出料。
农业炭Agrichar
活性炭Activated carbon
强调用于农业土壤改良、作物增产的炭质材料，可认为生物炭在 农业科学的特定称谓 。
强调制作过程中为增强表面特性的应用而人为采用极高温( 通常＞ 700 ℃) 、物理化学手段( 如高温气体或化学药剂) 活化的、高比 表面积、高吸附特性的疏松多孔性物质，常用于受污染环境的修 复、环境工程处理等方面 。
缝全部封死。 • 目的：使空气不能继续渗透入窑，窑内迅速熄火。
• ④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60～70℃。
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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。
砖窑 小 较长
12～20 75～80 1.5～3.0 1.5～4.0 黑色 29 25 不均匀 不能 比较大
移动式简易炭化炉 较小 较短
12～20 75～80 1.5～3.0 1.5～4.0 黑色 29 25 不均匀 很少 比较大
外热式干馏炭化炉 较大 长
12～18 80以上 1.5～3.0 1.0～3.0 均匀黑色，断面有光泽 31 30 均匀 能 很小
含量越大。
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。
生物炭制造工艺
生物质炭化过程中的化学变化
炭化温度/℃ ＜150℃
220℃～270℃ 270℃～360℃ 360℃～400℃
＞400℃
反应与现象
生物有机质分解速度非常缓 慢，主要是水分蒸发 半纤维素开始分解
• 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。
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• ③冷却 • 将窑全部用砂浆粉刷几层，以把所有的开口、漏洞和裂
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。
果壳炭化炉工作原理：
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。
• （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%。
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• 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
黑炭Black carbon / 泛指各类有机质不完全碳化生成的残渣，包括炭黑、生物炭、活
Black char
性炭、焦炭等各种炭质材料。
• 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
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。
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（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。
（3）可移出式烧炭炉
• ②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。
• ③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3～4h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。
• ④炭化：通风口关闭后再过6～8h,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450～470℃。
和O的含量降低。
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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。
• 水分
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3.3 外热式干馏炭化釜
（一）炭化釜结构 一般由12～14mm的钢板焊
接而成，
旋转支架 上盖
外形尺寸为Φ1200～ 1800mm， 容量1200kg。
测温孔 出气孔
法兰 排烟孔 支撑 釜体
干馏快速炭化窑
外热式干馏炭化釜
（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。
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。
• （二）操作 装窑→炭化 →冷却→卸窑
• ①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。
• 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。
成型燃料
装釜
干馏
冷却
木炭
副产品
外热式干馏炭化釜炭化的工艺过程
将成型燃料竖直摆放在炭化釜内，锁紧法兰，釜底点火加热， 产生的水蒸汽及烟由排烟孔排出。
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②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
透明的蓝色
无色透明
成型棒料中水分蒸发
发生热解反应
炭化完成
• 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。
《生物质能工程》
生物炭及生物质炭化
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。
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• 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。
• ①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。
• ②炭化阶段，出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。
• ③当烟道出烟几乎透明时，炭化完成，此时炉表面温度 约150～200℃,该阶段必须反碳化炉完全密封。
半纤维素纤维素分解
发生剧烈的热分解，生产大 量的气体
热解产物 化学组分几乎不发生变化
CO2、CO等气体 开始生成醋酸、焦油 CO2和CO逐渐减少，CH4、H2等开始增 多，冷凝液体产物中含有大量的醋 酸、甲醇、焦油等物质
进入木炭煅烧阶段
排出其中的大部分挥发组分，此时 生成的液体产物已经很少
•炭化结束后木炭中固定炭含量在75%～85%之间。
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。
项目 投资 寿命
挥发分含量/% 固定碳/% 含水率/% 灰分/% 木炭色泽 热值/（MJ/kg） 木炭得率/% 木炭质量 副产品回收 污染情况
不同炭化炉性能比较
• ⑤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。
• ⑥冷却出炭：过10h左右，炉内温度冷却到50～60℃,即
可出炭。
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• 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。
国家的应用。
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（2）窑烧法
• 程序：烘窑、缺氧闷烧、闷窑。
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• 出炭率：黑炭15%~20%，白炭比黑炭少
•
1/4~1/3。
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• 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。
•
•
用窑烧法烧制木炭，其木炭的质量和产量与操作
•
结构紧凑、操作容易、移动方便、出炭率高、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：25~30%。
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
• 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。
不同材质烧制成的生物炭
玉米秸秆炭
花生壳炭
玉米芯炭 ⒉
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
概念 生物炭Biochar 炭Char
内涵 ⒋
强调生物质原料来源和农业科学、环境科学中的应用，主要用于 土壤肥力改良、大气碳库增汇减排以及受污染环境修复 。
泛指炭材料，尤其强调天然火在自然状态下烧制形成 。
木炭/炭黑Charcoa
制作过程和性质特点与生物炭相似，多使用木头、煤炭作为原 料． 强调应用于燃料、工业热炼、除臭脱色的生物质热解残渣， 具有高热值和高内表面积 。
3.2 移动式简易炭化炉
（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2～3m3，可装成型
棒料1.5～2.5t。 炭化炉
点火口 封闭盖
点火通风架 烟道
温度传感器
上炉体
炉栅 风孔 下炉体
• （二）炭化操作
• ①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。