1、上一堂课讲的内容v木材热解（定义）木材热解（定义）：v木材及其主要组分的热分解木材及其主要组分的热分解v纤维素的热解分为纤维素的热解分为四个阶段四个阶段v酸性物质对酸性物质对热分解的影响热分解的影响第二章 植物原料的碳化与干馏v第一节、植物原料第一节、植物原料干馏干馏的基础知识的基础知识v第二节、木材的第二节、木材的炭化炭化工艺与设备工艺与设备v第三节第三节、干馏的装置及工艺干馏的装置及工艺v第四节、木炭（第四节、木炭（热解固体产物热解固体产物）的性质和用途的性质和用途第一节、植物原料的碳化与干馏的基础知识一、木材的干馏的过程v1、木材干馏、木材干馏(定义定义)：是木材或木质原料在：是木材或木
2、质原料在干馏釜中隔绝空气进行热解，并进行一步干馏釜中隔绝空气进行热解，并进行一步加工其初级液体产品的化学工艺过程。加工其初级液体产品的化学工艺过程。木材在木材在120加热时，约一个月，加热时，约一个月，它的弹性模量降低了它的弹性模量降低了10，如果在，如果在140加热时，只要一星期就达到同加热时，只要一星期就达到同样的结果。木材的弹性模量是木材样的结果。木材的弹性模量是木材的强度指标之一。如果不是由于含的强度指标之一。如果不是由于含水率增大而引起木材强度的下降，水率增大而引起木材强度的下降，上述木材弹性模量下降的情况，只上述木材弹性模量下降的情况，只能解释为是由于木材组分的热分解能解释为是由于
3、木材组分的热分解而引起的变化。木材在而引起的变化。木材在100一一150长时间加热时长时间加热时(几天至几星期几天至几星期)，发现，发现木材中戊聚糖的含量降低了，但是木材中戊聚糖的含量降低了，但是一般在一般在150以下，木材的热分解过以下，木材的热分解过程是比较缓慢的。当木材在隔绝空程是比较缓慢的。当木材在隔绝空气的条件下加热到气的条件下加热到160时，由于生时，由于生成挥发产物而造成的重量损失为成挥发产物而造成的重量损失为2，并且随着温度的上升，木材残留物并且随着温度的上升，木材残留物的重量也不断降低。这表明木材明的重量也不断降低。这表明木材明显的热分解作用是在显的热分解作用是在160左右开
4、始左右开始的。的。2、温度和时间对木材性能的影响、温度和时间对木材性能的影响结论v当木材长时间加热时，可以在当木材长时间加热时，可以在100以下以下开始热分解，但是，分解作用是极不明显开始热分解，但是，分解作用是极不明显的。的。v木材明显的热分解作用是在木材明显的热分解作用是在160左右开左右开始的。始的。3、木材干馏过程中气体、液体和固体产物的变化规律（Klason曲线）v由图可以看出，在最初由图可以看出，在最初2小时内，虽然釜外温度保小时内，虽然釜外温度保持在持在290-300左右，而内部温度仅为左右，而内部温度仅为150-160，这个时期内，木材的热分解不显著，馏出的液体这个时期内，木材
5、的热分解不显著，馏出的液体量最初逐惭增多，然后减少，馏出的液体主要是量最初逐惭增多，然后减少，馏出的液体主要是原来包含在木材中的水分。在第三小时，虽然外原来包含在木材中的水分。在第三小时，虽然外部温度保持部温度保持290左右，但内部温度却很快地上升，左右，但内部温度却很快地上升，并超过了外部温度，说明木材热解过程中发生了并超过了外部温度，说明木材热解过程中发生了放热反应。放热反应。v根据木材干馏过程的温度变化、热解速度和生成根据木材干馏过程的温度变化、热解速度和生成产物的情况等特征，可以把木材干馏过程大体上产物的情况等特征，可以把木材干馏过程大体上划分为下列几个阶段。划分为下列几个阶段。4、木
6、材干馏的几个阶段与化学变化v、在、在160以前排出的都是水蒸气，这个过程就以前排出的都是水蒸气，这个过程就是热解的是热解的干燥过程干燥过程，含水份越多的物料，这个过程，含水份越多的物料，这个过程就越长，消耗的能源就越多。因为只有把水份蒸干就越长，消耗的能源就越多。因为只有把水份蒸干了才能开始热解。另外在实际生产中，这部分汽不了才能开始热解。另外在实际生产中，这部分汽不是排空的，而是随木煤气进入后续设备中，最终被是排空的，而是随木煤气进入后续设备中，最终被冷凝到木醋液中，降低木醋液浓度，增加木醋液的冷凝到木醋液中，降低木醋液浓度，增加木醋液的回收负荷。所以热解的原料尽量减少水份。在实际回收负荷。
7、所以热解的原料尽量减少水份。在实际生产过程中，一般都要安装生产过程中，一般都要安装原料干燥原料干燥设备。设备。v、由木材的热解开始温度由木材的热解开始温度(160-200)，到到260 范围内半纤维素的大部分和纤维范围内半纤维素的大部分和纤维素、木素的一部分分解，减量约素、木素的一部分分解，减量约15%。半。半纤维素的乙酰基和糖醛酸部分的羧基分解纤维素的乙酰基和糖醛酸部分的羧基分解产生醋酸和二氧化碳，与糖残基的碳结合产生醋酸和二氧化碳，与糖残基的碳结合的的HO与与H产生脱水和产生脱水和(1,4)键切断的解聚键切断的解聚反应。推测新生成反应。推测新生成3羰基的碳双健，即糖残羰基的碳双健，即糖残基
8、的基的2,3位碳里酮、醇型互变的异构中间体，位碳里酮、醇型互变的异构中间体，半纤维素的基本构造消失。另外，此时纤半纤维素的基本构造消失。另外，此时纤维素的一部分即维素的一部分即无定形区无定形区(1,4)键切断，键切断，聚合度降低，木素中一部分甲氧基等也分聚合度降低，木素中一部分甲氧基等也分解了。解了。v、260-310 ，主要是纤维素分解，半，主要是纤维素分解，半纤维素的分解残渣固体生成物进一步芳香纤维素的分解残渣固体生成物进一步芳香族化，约减重族化，约减重35%。纤维素与半纤维素同。纤维素与半纤维素同样经脱水和解聚，经酮醇型互变异构中间样经脱水和解聚，经酮醇型互变异构中间体及其氧化分解物的生
9、成等变化，到体及其氧化分解物的生成等变化，到310 前后，纤维素的基本构造消失芳香族化前后，纤维素的基本构造消失芳香族化开始。此时，半纤维素残存物的分解和芳开始。此时，半纤维素残存物的分解和芳香化也在进行，木素的甲氧基量再减少。香化也在进行，木素的甲氧基量再减少。由于碳水化合物的基本构造消失，芳环对由于碳水化合物的基本构造消失，芳环对热的稳定性，半纤维素到热的稳定性，半纤维素到260以上、纤维以上、纤维素到素到310 以上重量减少速度相应变慢以上重量减少速度相应变慢。v、310-400 ，主要是木素热分解，由，主要是木素热分解，由于脱甲氧基、脱甲基反应进行的结果，木于脱甲氧基、脱甲基反应进行的
10、结果，木素基本构造消失，多环芳香族化开始。此素基本构造消失，多环芳香族化开始。此时，先前碳水化合物的碳化残物进一步分时，先前碳水化合物的碳化残物进一步分解，经脱水、脱羰基、羧基、甲基等反应，解，经脱水、脱羰基、羧基、甲基等反应，芳香族化和缩合芳香族化和缩合、多缩环芳香族化也在进、多缩环芳香族化也在进行。行。v、400-500 ，随着温度升高，随着温度升高，羰基、羰基、羧基、甲基等脱离与缩合、多环芳香族化羧基、甲基等脱离与缩合、多环芳香族化也在进行。也在进行。v、500C 以上，是以产生以上，是以产生氢气氢气为主，随为主，随着缩合多环芳香族化进行，氢的生成量渐着缩合多环芳香族化进行，氢的生成量渐
11、次增多。六碳环网状平面构造急速发达。次增多。六碳环网状平面构造急速发达。二、木材干馏的产物v（一）、固体产物（一）、固体产物v（二）、液体产物（二）、液体产物v（三）、气体产物（三）、气体产物（一）、固体产物：如木炭、竹炭等，如木炭、竹炭等，得率约为得率约为3338。v木炭疏松多孔，是制造活性炭、二硫化碳等木炭疏松多孔，是制造活性炭、二硫化碳等的原料，其性质和用途后面详述。的原料，其性质和用途后面详述。（二）液体产物及其组成 植物原料的热解液体产物的得率约为绝干原植物原料的热解液体产物的得率约为绝干原料的料的4050。水分约占液体产物的。水分约占液体产物的8090，有机物成分复杂，约有，有机物
12、成分复杂，约有200多种。多种。静置静置分层分层，分三大类。分三大类。（1）澄清木醋液澄清木醋液（2）沉淀木焦油沉淀木焦油（3 3）粗松节油）粗松节油热解热解液体产物液体产物的组成成分：的组成成分：（1）澄清木醋液澄清木醋液：有有8090的水分的水分和和1020的有机物质。的有机物质。有机物质包括：醋酸、有机物质包括：醋酸、甲酸、丙酸等饱和脂肪酸，丙烯酸之类不饱和甲酸、丙酸等饱和脂肪酸，丙烯酸之类不饱和脂肪酸，乙醇酸等醇酸，糠酸等杂环酸；甲醇、脂肪酸，乙醇酸等醇酸，糠酸等杂环酸；甲醇、丙烯醇等醇类；丙酮、甲乙酮、甲丙酮、环戊丙烯醇等醇类；丙酮、甲乙酮、甲丙酮、环戊酮等酮类；甲醛、乙醛、糠醛等醛
13、类；甲酸甲酮等酮类；甲醛、乙醛、糠醛等醛类；甲酸甲酯、乙酸甲酯、丁内酯等酯类；苯酚、甲酚、酯、乙酸甲酯、丁内酯等酯类；苯酚、甲酚、邻苯二甲酚、愈疮木酚、邻苯三酚等酚类；苯、邻苯二甲酚、愈疮木酚、邻苯三酚等酚类；苯、甲苯、萘等芳香族化合物；呋喃、甲基呋喃等甲苯、萘等芳香族化合物；呋喃、甲基呋喃等杂环化合物；甲胺等胺类物质等。杂环化合物；甲胺等胺类物质等。（2）沉淀木焦油沉淀木焦油：红褐色粘滞液体，比重红褐色粘滞液体，比重为为1.035-1.054，含水约，含水约10%，含酚类化含酚类化合物达合物达1050：主要为：主要为苯酚、甲苯苯酚、甲苯酚、二甲苯酚等单元酚；邻苯二酚、愈疮酚、二甲苯酚等单元酚
14、；邻苯二酚、愈疮木酚及其衍生物等二元酚；邻苯三酚及其木酚及其衍生物等二元酚；邻苯三酚及其衍生物等三元酚。衍生物等三元酚。经分馏可加工得：经分馏可加工得：v 轻油轻油(中性油中性油)190以下馏份以下馏份v 杂酚油（木馏油杂酚油（木馏油)190-240 v 抗氧剂抗氧剂(抗聚剂抗聚剂)240-300 v 重油、木沥青，重油、木沥青，300 以上，釜残以上，釜残（3 3）粗松节油）粗松节油：主要成分是萜烯类与萜烯醇类物质。如蒎烯、蒈烯、主要成分是萜烯类与萜烯醇类物质。如蒎烯、蒈烯、双戊烯、雄刈萱醇等。此外，还含有少量的醛、酮双戊烯、雄刈萱醇等。此外，还含有少量的醛、酮类物质。类物质。（三）、木材干
15、馏的气体产物 木材热解生成的不凝性气体称作木材热解生成的不凝性气体称作木煤气木煤气，其产率约占绝干原料木材重量的其产率约占绝干原料木材重量的1618。木煤气的组成受干馏最终温度的影响。以体积木煤气的组成受干馏最终温度的影响。以体积百分率计算，通常含百分率计算，通常含4050CO2、2535CO、1523CH4、15C2H4、0.52.5H2。随着干馏最终温度的高，木。随着干馏最终温度的高，木煤气中煤气中CO2及及CO的含量减少，的含量减少，CH4、C2H4及及H2的含量增加。木煤气的热值约为的含量增加。木煤气的热值约为13000kJm3，随着干馏最终温度的升高而增大。随着干馏最终温度的升高而增
16、大。三、影响木材干馏的因素v三个方面：三个方面：v热解的操作条件热解的操作条件：温度，升温速度、压力。：温度，升温速度、压力。v植物原料的性质植物原料的性质：含水率：含水率，原料的大小，原料的大小，腐朽程度。腐朽程度。v外加条件外加条件（重要）：热解气氛（重要）：热解气氛，热解溶剂热解溶剂，催化剂和化学助剂的作用（催化剂和化学助剂的作用（生物质气化与液化）。）。1、热解温度、热解温度 热解温度热解温度升高升高，固体残留物，固体残留物炭炭的得率下的得率下降，并且在降，并且在270400下降幅度最大；下降幅度最大；而酸类、木焦油、各种有机物质、反应而酸类、木焦油、各种有机物质、反应水及不凝性气体的
17、得率都上升。水及不凝性气体的得率都上升。图图3-2-2图图3-2-3v 从表从表3-2-3可以看出，在炭化过程开始时首先分离可以看出，在炭化过程开始时首先分离出出水分和酸类水分和酸类，然后分离出其他的有机物。随着炭化最，然后分离出其他的有机物。随着炭化最终温度的升高，木酸液的组成也在不断地发生变化，在终温度的升高，木酸液的组成也在不断地发生变化，在270-400的温度范围内组成的变化较大，而当炭化温的温度范围内组成的变化较大，而当炭化温度升高到度升高到400以上时，组成的变化则不显著。以上时，组成的变化则不显著。v 因此热解木材如果以制取因此热解木材如果以制取醋酸和甲醇为目的醋酸和甲醇为目的时
18、，时，可以将炭化最终温度限制在可以将炭化最终温度限制在380-400之内，因为在这之内，因为在这个温度以上时，实际上已几乎停止分离出酸类和醇类。个温度以上时，实际上已几乎停止分离出酸类和醇类。进一步升高温度只会增加燃料的耗费量。进一步升高温度只会增加燃料的耗费量。v 随着炭化温度的升高，木屑炭的得率降低，而固定随着炭化温度的升高，木屑炭的得率降低，而固定碳含量却增加，如果碳含量却增加，如果炭化是以获得木屑炭制活性炭为目炭化是以获得木屑炭制活性炭为目的的，则要求炭的质量达到一定标准，则要求炭的质量达到一定标准(如固定碳含量在如固定碳含量在70以上以上)，而且要尽量提高得率，炭化温度选在，而且要尽
19、量提高得率，炭化温度选在400-500是适宜的。是适宜的。表表3-2-4温度增加，木炭得率下降，固定碳含量增加2、升温速度、升温速度 升温速度提高，固体产物的得率下降。升温速度提高，固体产物的得率下降。液体和气体的得率和组成液发生较大的液体和气体的得率和组成液发生较大的变化。变化。快速热解快速热解：在几分钟或十几分钟内升温：在几分钟或十几分钟内升温至几百度而完成的热解过程。快速热解至几百度而完成的热解过程。快速热解有利于得到得率较高的气体产物。适用有利于得到得率较高的气体产物。适用于生物质的气化。于生物质的气化。v 炭化的速度影响到炭化装置的生产量大炭化的速度影响到炭化装置的生产量大小。加快炭
20、化速度，炭化装置的利用率小。加快炭化速度，炭化装置的利用率提高。提高。5/min左右左右快速炭化时焦油的产量有显著的增加，而木炭的产量则大大降低。快速炭化时焦油的产量有显著的增加，而木炭的产量则大大降低。当木材进行急剧地放热反应时，内部产生的大量气态产物不能很快当木材进行急剧地放热反应时，内部产生的大量气态产物不能很快地由木材原有孔道放出，地由木材原有孔道放出，形成裂缝形成裂缝，降低木炭的机械强度。，降低木炭的机械强度。表表3-2-63、热解压力、热解压力 压力增加，热解过程中发生二次反应的几率增大，压力增加，热解过程中发生二次反应的几率增大，有利于生成二次反应的产物，如炭和甲醇的得率有利于生
21、成二次反应的产物，如炭和甲醇的得率提高，而酸类和焦油等产物的得率下降。针对不提高，而酸类和焦油等产物的得率下降。针对不同的需要，可采用真空热解、常压热解和高压热同的需要，可采用真空热解、常压热解和高压热解的方式。解的方式。真空热解真空热解：适用于生物质资源的气化；：适用于生物质资源的气化；常压热解常压热解：主要用于植物资源的炭化和干馏；：主要用于植物资源的炭化和干馏；高压热解高压热解：主要用于生物质资源的液化。：主要用于生物质资源的液化。v不论减压或加压干调，对设备的要求都较不论减压或加压干调，对设备的要求都较高，使设备的结构和操作趋于复杂化，所高，使设备的结构和操作趋于复杂化，所以一般都采用
22、以一般都采用常压干馏常压干馏。总压力对木炭和焦油产量的影响较大。压力升高时，木炭的总压力对木炭和焦油产量的影响较大。压力升高时，木炭的产量增加，而焦油的产量降低。这是由于压力升高时蒸汽在设产量增加，而焦油的产量降低。这是由于压力升高时蒸汽在设备内和赤热的木炭接触时间较长，因而焦油的分解程度加大。备内和赤热的木炭接触时间较长，因而焦油的分解程度加大。由于甲醇的热分解作用小，当压力升高，甲醇的产量增加。由于甲醇的热分解作用小，当压力升高，甲醇的产量增加。表表3-2-74、植物原料的性质、植物原料的性质（1）含水率）含水率 v 湿木材干馏所得到的湿木材干馏所得到的木醋液酸度降低木醋液酸度降低。在。在
23、进一步加工木醋液时，蒸汽的耗费量较大。进一步加工木醋液时，蒸汽的耗费量较大。v 含水率较低时可以加速干馏过程，但木材含水率较低时可以加速干馏过程，但木材不能过于干燥不能过于干燥，在放热阶段中，放热反应进行，在放热阶段中，放热反应进行过于猛烈，会降低木炭的产量，井使木炭的机过于猛烈，会降低木炭的产量，井使木炭的机械强度降低。械强度降低。v干馏对木材的含水率有一定要求，一般在外干馏对木材的含水率有一定要求，一般在外热热式干馏釜式干馏釜中干馏的木材，含水率最好在中干馏的木材，含水率最好在15-25，而在而在内热式内热式干调釜干馏的木材含水率最好干调釜干馏的木材含水率最好在在10-20。木屑部分氧化法
24、沸腾炉炭化试验发现，木屑的含水率对加木屑部分氧化法沸腾炉炭化试验发现，木屑的含水率对加料速度和加料装置运转是否正常有直接关系，从表中可看出料速度和加料装置运转是否正常有直接关系，从表中可看出含水率对处理量起决定性影响。另据实验空研究证明只有含含水率对处理量起决定性影响。另据实验空研究证明只有含水率达水率达16以下时，部分燃烧沸腾炭化操作才能正常进行。以下时，部分燃烧沸腾炭化操作才能正常进行。（2）原料的大小 木材的尺寸木材的尺寸(锯断、劈开、剥皮锯断、劈开、剥皮)对木材干燥和炭对木材干燥和炭化过程、炭化产物的产量和质量有很大影响。化过程、炭化产物的产量和质量有很大影响。v 木材的导热性差，同时
25、沿纤维的方向比和纤维木材的导热性差，同时沿纤维的方向比和纤维垂直的方向为大；树皮会阻碍热传导，所以锯断、垂直的方向为大；树皮会阻碍热传导，所以锯断、劈开和剥皮可以大大加速木材干燥和炭化的过程。劈开和剥皮可以大大加速木材干燥和炭化的过程。v 木材愈大木材愈大(粗而长粗而长)，气体混合物由木材内部通，气体混合物由木材内部通向外面所经过的道路愈长，则炭化时间愈长，由向外面所经过的道路愈长，则炭化时间愈长，由于副反应所引起的损失就愈大，产品产量愈低，于副反应所引起的损失就愈大，产品产量愈低，木炭的机械强度也愈低，从而引起各种形态产物木炭的机械强度也愈低，从而引起各种形态产物的得率、组成，降低。的得率、
26、组成，降低。另外，树皮不论对木材的干燥和炭化，还是对炭化产品的产量和质量那是不利的，但是，完全除去树皮却是件非常复杂和繁重的工作，因此，在木材热解工厂中还没有这样做。（3）腐朽部分的影响 腐朽的木材热解得到的木炭质地疏松、易碎、易自腐朽的木材热解得到的木炭质地疏松、易碎、易自燃；液态有机物的得率降低；木煤气得率增加燃；液态有机物的得率降低；木煤气得率增加。（白腐菌和褐腐菌（白腐菌和褐腐菌，白腐菌主要破坏木质素，白腐菌主要破坏木质素，褐，褐腐菌主要破坏纤维素腐菌主要破坏纤维素）5、热解气氛、热解气氛（1）热解气氛对热解产物的组成和性质有较大的影响。）热解气氛对热解产物的组成和性质有较大的影响。热
27、解气氛主要有惰性气氛（如氮气中）、氧化性气氛热解气氛主要有惰性气氛（如氮气中）、氧化性气氛（如有限的空气中）、还原性气氛（如氢气中）、自发（如有限的空气中）、还原性气氛（如氢气中）、自发性气氛（在隔绝空气下，在原料热解所产生的气体产物性气氛（在隔绝空气下，在原料热解所产生的气体产物中）、过热水蒸气气氛等。中）、过热水蒸气气氛等。（2）对于不同目的的四种热解方式：植物原料的炭化、）对于不同目的的四种热解方式：植物原料的炭化、干馏、气化和液化，它们所采用的气氛不同：炭化（惰干馏、气化和液化，它们所采用的气氛不同：炭化（惰性气氛、氧化性气氛或自发性气氛中）、干馏（自发性性气氛、氧化性气氛或自发性气氛
28、中）、干馏（自发性气氛）、气化（惰性气氛或还原性气氛）、液化（过热气氛）、气化（惰性气氛或还原性气氛）、液化（过热水蒸气气氛、惰性气氛或还原性气氛）。水蒸气气氛、惰性气氛或还原性气氛）。P387如：（1）过热水蒸气：）过热水蒸气：（2）氧气及空气：）氧气及空气：湿氧化法湿氧化法，在，在1.8MPa，160条件下处条件下处 理农业剩余物，后酸水解。理农业剩余物，后酸水解。（3）氢气：氢气：6、热解溶剂、热解溶剂 植物资源的热解一般都在固相中进植物资源的热解一般都在固相中进行。但在热解的方式之一行。但在热解的方式之一液化时液化时，常，常加入有机溶剂，如苯、乙醇等，进行热加入有机溶剂，如苯、乙醇等，
29、进行热解，以得到较高得率的解，以得到较高得率的液体液体产物。产物。主要用于生物质液化技术主要用于生物质液化技术7、催化剂和化学助剂的作用、催化剂和化学助剂的作用 （1）金属催化剂）金属催化剂 在还原性气氛的热解条件下，常用金属在还原性气氛的热解条件下，常用金属 镍、镍、钴、钼等重金属进行催化热解。可以大大提高液化钴、钼等重金属进行催化热解。可以大大提高液化效果。效果。（2）无机化学助剂）无机化学助剂 质子酸和路易斯酸：如硫酸、磷酸、盐质子酸和路易斯酸：如硫酸、磷酸、盐 酸，氯酸，氯化等；化等；盐：如盐：如 氯化钙、氯化镁、硫化钾、碳酸钠等；氯化钙、氯化镁、硫化钾、碳酸钠等；碱：氢氧化钠、氢氧化
30、钾等。碱：氢氧化钠、氢氧化钾等。大大提高碳的得率：大大提高碳的得率：化学法生产活性炭的理论依据化学法生产活性炭的理论依据表表3-2-8表表3-2-9第二节、木材的炭化、设备与工艺一、基本概念一、基本概念炭化炭化：在有限制地供给在有限制地供给少量空气少量空气的条件下，的条件下，加热木材等植物原料，以制取木炭为主的加热木材等植物原料，以制取木炭为主的操作，收集少量木醋液。操作，收集少量木醋液。所谓炭化所谓炭化，就是把有机物质加热，使这些，就是把有机物质加热，使这些非碳元素减少非碳元素减少，以制造适合于随后进行活，以制造适合于随后进行活化的碳质材料的操作。化的碳质材料的操作。作为活性炭原料使用的有机
31、物质，作为活性炭原料使用的有机物质，除了含有碳元素以外，还含有除了含有碳元素以外，还含有O，H，N，S等元素。等元素。二、炭化装置 炭化装置的主要部分为炭化装置的主要部分为装料容器、加热装料容器、加热系统、烟气循环和排放系统系统、烟气循环和排放系统。炭化装置的加。炭化装置的加热方式为外热式和内热式。不同的炭化装置热方式为外热式和内热式。不同的炭化装置的选择主要取决于原料的大小和粒度。采用的选择主要取决于原料的大小和粒度。采用的炭化装置不同则其炭化工艺就有差别。的炭化装置不同则其炭化工艺就有差别。（一）、炭（化）（一）、炭（化）窑v 从木料的慢热解生成木炭，是一种可以从木料的慢热解生成木炭，是一
32、种可以追朔到公元前追朔到公元前3000年的工艺，今天大量木炭年的工艺，今天大量木炭仍用这种传统技术生产。仍用这种传统技术生产。v 是木炭生产的重要设备，它是利用干馏原是木炭生产的重要设备，它是利用干馏原理，将堆放在炉内的薪棒、木、竹质材料理，将堆放在炉内的薪棒、木、竹质材料缺氧缺氧加热分解生成可燃性气体、焦油和木炭的装置。加热分解生成可燃性气体、焦油和木炭的装置。它的工作原理是：炉内的竹、木质材料经脱水、它的工作原理是：炉内的竹、木质材料经脱水、自燃、干馏到自燃、干馏到150以上时，它们的复杂结构以上时，它们的复杂结构开始分解；当温度开始分解；当温度260时，其分解加剧，时，其分解加剧，并逐渐
33、生成木焦油、可燃性气体和并逐渐生成木焦油、可燃性气体和黑色黑色的木炭。的木炭。目前烧烤用木炭主要来源目前烧烤用木炭主要来源v 炭窑按所产木炭的不同要求，分成炭窑按所产木炭的不同要求，分成白白炭窑炭窑和和乌炭窑乌炭窑两大类。两大类。v 白炭窑筑造要求高，容量大装白炭窑筑造要求高，容量大装6500kg木柴产木柴产800-900kg木炭木炭)为了便于卸为了便于卸炭和窑外熄火，形状多长而窄，两边有出炭和窑外熄火，形状多长而窄，两边有出炭门，又分为木瓢形、鲤鱼形、薄刀形等炭门，又分为木瓢形、鲤鱼形、薄刀形等白炭窑。白炭窑。v 乌炭窑的结构较简单，较小型，出炭乌炭窑的结构较简单，较小型，出炭量只自炭窑的一
34、半量只自炭窑的一半;形状多为短而宽，分为形状多为短而宽，分为猪头形猪头形、犁头形、龟形、圆形等鸟炭窑。、犁头形、龟形、圆形等鸟炭窑。1、炭窑 猪头窑构造猪头窑构造构造：炭化室 烟道 燃烧室 烘窑：新窑需要 装料、点火、炭化 封窑冷却 出窑 2000-3000年历史2、筑窑窑址的要求：v 炭窑修筑前，都要进行窑址选择，对窑址有如炭窑修筑前，都要进行窑址选择，对窑址有如下要求：下要求：a.附近资源丰富，原料和木炭的运输比较方便；附近资源丰富，原料和木炭的运输比较方便；b.靠近水源，但又不会受到地表水冲刷淹没，或靠近水源，但又不会受到地表水冲刷淹没，或 积聚雨水；积聚雨水；c.土质坚实，最好是能耐火
35、烧的粘土；土质坚实，最好是能耐火烧的粘土；d.坡度较小，又有堆放原料和木炭的地方；坡度较小，又有堆放原料和木炭的地方；e.如果是山坡地，选择的山坡方向要使筑成的炭窑燃如果是山坡地，选择的山坡方向要使筑成的炭窑燃烧室通风口朝向常风的方向，有利于通风和燃烧。烧室通风口朝向常风的方向，有利于通风和燃烧。3、炭窑的筑造过程（以猪头窑为例）v 在选好的窑址上，画一个等边三角形，其中一个顶在选好的窑址上，画一个等边三角形，其中一个顶角，用于联接燃烧室，这个顶角应朝常风方向。三角形边角，用于联接燃烧室，这个顶角应朝常风方向。三角形边长约长约2.1米并修成弧形，在线内向下挖米并修成弧形，在线内向下挖1米深左右
36、，即为炭米深左右，即为炭化室。在燃烧室对面炭化室后下方正中挖烟道腔和排烟孔，化室。在燃烧室对面炭化室后下方正中挖烟道腔和排烟孔，孔高孔高14厘米，宽厘米，宽18厘米，炭化室前端略高于后端。在炭厘米，炭化室前端略高于后端。在炭化室前端三角形顶角打一排横向木楔后即进行装柴，薪材化室前端三角形顶角打一排横向木楔后即进行装柴，薪材直立装入炭化室中，质量好的上等薪材装在后面，中等的直立装入炭化室中，质量好的上等薪材装在后面，中等的装在中间，质量差的下等材装在最前面，装材细头向下，装在中间，质量差的下等材装在最前面，装材细头向下，粗头向上，中心略高于四周，使薪材堆成拱形。上面盖上粗头向上，中心略高于四周，
37、使薪材堆成拱形。上面盖上一层稻草，在炭化室的后面两个边角上放上二个藤圈，在一层稻草，在炭化室的后面两个边角上放上二个藤圈，在炭化室的中前部近边线上也放上二个藤圈，这四个藤圈作炭化室的中前部近边线上也放上二个藤圈，这四个藤圈作为烟孔。然后沿四周铺泥土，筑窑盖，边铺土，边打紧，为烟孔。然后沿四周铺泥土，筑窑盖，边铺土，边打紧，锤打得越紧越好，窑盖筑好后，将烟孔中的泥土挖去，并锤打得越紧越好，窑盖筑好后，将烟孔中的泥土挖去，并铺上松土。在炭化室前面筑燃烧室，燃烧室前端低于后端。铺上松土。在炭化室前面筑燃烧室，燃烧室前端低于后端。4、烘窑v筑好窑型后就可进行烘窑，烘窑时，在燃烧室点火，筑好窑型后就可进
38、行烘窑，烘窑时，在燃烧室点火，火力不要太猛。如果烘窑速度太快，炭窑将不够坚火力不要太猛。如果烘窑速度太快，炭窑将不够坚实，火烧去木楔，形成通道，逐渐烧入炭化室，待实，火烧去木楔，形成通道，逐渐烧入炭化室，待烟孔松土发白时，把松土挖去，从烟孔冒出白烟，烟孔松土发白时，把松土挖去，从烟孔冒出白烟，当烟色转青时，将烟孔盖上，打开烟道口，使烟气当烟色转青时，将烟孔盖上，打开烟道口，使烟气从烟道口冒出，烟色变青时，将所有孔口堵塞，进从烟道口冒出，烟色变青时，将所有孔口堵塞，进行闷窑，经行闷窑，经2天冷却后天冷却后，炭窑即成型固定，在窑的，炭窑即成型固定，在窑的侧面开一个出炭门，进行出炭，以后可以侧面开一
39、个出炭门，进行出炭，以后可以继续装柴继续装柴烧炭烧炭。5、烧碳工艺过程烧碳过程和前面烘窑相同，只是烧炭时间较短，正常的烧炭周转时间约3-4天。烧碳过程分四个阶段如从制造活性炭考虑，炭化温度通常是1000以下。木材在不同的温度下，各个成分和官能团的变化情况如下：、干燥阶段v 此阶段基本无化学变化，木屑棒中的水分此阶段基本无化学变化，木屑棒中的水分在外热的条件下被烘干，反应缓慢，产生在外热的条件下被烘干，反应缓慢，产生白色白色气体气体（水蒸气），此阶段时间较短，在（水蒸气），此阶段时间较短，在6 6个小时个小时左右，气候潮湿、窑体不干及半成品的含水量左右，气候潮湿、窑体不干及半成品的含水量对此段时
40、间的影响最大（对于典型的原木炭此对此段时间的影响最大（对于典型的原木炭此段时间达到段时间达到5050多个小时很正常，对机制薪棒最多个小时很正常，对机制薪棒最好是尽快装窑炭化，时间越长含水量就会越高，好是尽快装窑炭化，时间越长含水量就会越高，干燥也越困难）。温度在干燥也越困难）。温度在120-150120-150，封窑后，封窑后2-42-4个小时内产生的水汽最大，应及时排出，此个小时内产生的水汽最大，应及时排出，此点控制在此阶段最重要，否则闷在窑里的水汽点控制在此阶段最重要，否则闷在窑里的水汽会损坏半成品薪棒。造成所出木炭表面有毛刺会损坏半成品薪棒。造成所出木炭表面有毛刺甚至半窑烂炭，次品率过高
41、。甚至半窑烂炭，次品率过高。v在第一阶段，虽然发生脱水，但在第一阶段，虽然发生脱水，但-O-键不分解而键不分解而残留着。残留着。、预炭化阶段v 比较不稳定的组分半纤维素比较不稳定的组分半纤维素150-180150-180开始开始分解，气体的颜色由白色渐渐变为分解，气体的颜色由白色渐渐变为棕褐色棕褐色，成，成分为分为COCO2 2、COCO和少量醋酸（和少量醋酸（70%CO70%CO2 2，3030COCO），），可以回收，提炼木醋酸。气体如不回收，可将可以回收，提炼木醋酸。气体如不回收，可将其点燃，点燃后无污染排放。其点燃，点燃后无污染排放。175175以下气体生以下气体生成不快，气体热值约有
42、成不快，气体热值约有12001200千卡千卡/立方米立方米 。温。温度在度在150150到（到（225-260225-260）275275。此阶段时。此阶段时间较短，较容易控制。间较短，较容易控制。黄烟黄烟，焦油，焦油。v 在第二阶段，由于氧键在第二阶段，由于氧键-O-的断裂，氧以的断裂，氧以H20,CO,CO2等形态的形式放出，而且由于在等形态的形式放出，而且由于在芳香核之间形成键，原料中的挥发分逐渐减少，芳香核之间形成键，原料中的挥发分逐渐减少，到到700时几乎变为零。时几乎变为零。c、炭化阶段v 占主要组成部分的纤维素和木质素开始剧烈热解，占主要组成部分的纤维素和木质素开始剧烈热解，气体
43、颜色变为气体颜色变为暗褐色暗褐色且有强烈的刺鼻气味（生成的大量且有强烈的刺鼻气味（生成的大量易燃的碳水化合物），由液体（醋酸、甲醇、木焦油）易燃的碳水化合物），由液体（醋酸、甲醇、木焦油）和气体（二氧化碳、甲烷、乙烯等）两部分组成，和气体（二氧化碳、甲烷、乙烯等）两部分组成，COCO含含量下降，气体的热值上升为量下降，气体的热值上升为40004000千卡千卡/立方米有较大的立方米有较大的回收价值，表现形式为回收价值，表现形式为放热放热 （280-350 280-350 纤维素，纤维素，350-400 350-400 木质素），如不回收也可将其点燃。此过程木质素），如不回收也可将其点燃。此过程（
44、275-400275-400）是炭化的主要过程，时间较长，比较）是炭化的主要过程，时间较长，比较难控制，主要通过难控制，主要通过给氧量的大小给氧量的大小来调节反应的进程。窑来调节反应的进程。窑体设计在此显得格外重要，烧的太快给风量过大，就会体设计在此显得格外重要，烧的太快给风量过大，就会影响炭的收缩度、强度和过多的裂纹，使出炭的品质和影响炭的收缩度、强度和过多的裂纹，使出炭的品质和出炭率跟随下降。出炭率跟随下降。黄烟黄烟，焦油焦油。到到400 (或或450)碳化已经终止。碳化已经终止。v第三阶段是脱氢反应，芳香族核间的键大第三阶段是脱氢反应，芳香族核间的键大量生成，进一步可以观察到由于芳香族核
45、量生成，进一步可以观察到由于芳香族核的融合而形成发达的二维平面结构。同时，的融合而形成发达的二维平面结构。同时，芳香核通过芳香核通过-CH2-键而形成三维立体结构。键而形成三维立体结构。经过这些过程，不管原料是长链状分子还经过这些过程，不管原料是长链状分子还是芳香族分子，最终都形成一种聚合芳香是芳香族分子，最终都形成一种聚合芳香环平面状分子交联结构。环平面状分子交联结构。v275-300，木醋液和木煤气大量产生；，木醋液和木煤气大量产生；300-400 木醋液逐渐减少，木煤气大量木醋液逐渐减少，木煤气大量排出。排出。d、煅烧阶段v 热解过程基本结束，基本无气体产生，热解过程基本结束，基本无气体
46、产生，主要是排出残留的挥发性物质，提高固定炭主要是排出残留的挥发性物质，提高固定炭的含量，产生的气体可点燃的含量，产生的气体可点燃（H H2 2、CHCH4 4）。此。此过程对炭的质量影响很大，如果煅烧温度不过程对炭的质量影响很大，如果煅烧温度不够，则固定炭含量较低，挥发分超标，收缩够，则固定炭含量较低，挥发分超标，收缩较差，强度不够，较差，强度不够，无钢音无钢音，无银灰色亮度。，无银灰色亮度。表现形式为外热、表现形式为外热、青烟青烟，温度在，温度在450-450-1000 1000。v主要依靠外热使木炭中残存的挥发分挥发。主要依靠外热使木炭中残存的挥发分挥发。热解阶热解阶段段干燥干燥预炭化预
47、炭化炭化炭化煅烧煅烧反应温反应温度度450反应物反应物水分蒸水分蒸发发半纤维素和半纤维素和纤维素纤维素纤维素和木素纤维素和木素热解残热解残余物余物液体产液体产物物水分水分水、水、少量的少量的醋酸、甲醇醋酸、甲醇 大量的醋酸、甲醇、大量的醋酸、甲醇、木焦油及其他有机木焦油及其他有机物物 很少很少气体产气体产物物空气及空气及少量的少量的二氧化二氧化碳碳 二氧化碳以二氧化碳以外，可燃性外，可燃性成分一氧化成分一氧化碳、甲烷碳、甲烷 一氧化碳、甲烷、一氧化碳、甲烷、氢气等可燃性成分氢气等可燃性成分 很少很少反应热反应热吸热吸热吸热吸热放热放热吸热吸热v 需要说明的是，由于原料树种不同，需要说明的是，由
48、于原料树种不同，热解开始温度不同，且各阶段没有明显热解开始温度不同，且各阶段没有明显的界限，设备内各处温度不同，可处于的界限，设备内各处温度不同，可处于不同的阶段，木材内外也可处于不同的不同的阶段，木材内外也可处于不同的阶段，连续式设备在同一时刻也进行着阶段，连续式设备在同一时刻也进行着各个阶段。各个阶段。6、看烟变化v开始：开始：白烟，水蒸气，白烟变少干燥尾声白烟，水蒸气，白烟变少干燥尾声。v黄烟：黄烟：焦油，黄烟变少，碳化尾声焦油，黄烟变少，碳化尾声。v青烟；青烟；锻烧，青烟变少，燃烧室密闭锻烧，青烟变少，燃烧室密闭，冷却，冷却,出碳出碳v黑碳黑碳：窑内冷却后，侧面出碳，新窑：窑内冷却后，
49、侧面出碳，新窑1周，周，后后3-5天。天。v白碳白碳；不冷却，直接热出碳，后碳与空气燃烧，烧；不冷却，直接热出碳，后碳与空气燃烧，烧后碳表面有白灰，后用沙盖。后碳表面有白灰，后用沙盖。v原料要求严格，原料要求严格，栎木栎木（日本现用）（日本现用）v质量好的碳，窑烧，不能机械化。质量好的碳，窑烧，不能机械化。7、主要影响因素v温度温度：由于炭化的最终温度和热解的方法不同木：由于炭化的最终温度和热解的方法不同木炭固定碳含量也不同。随缎烧温度升高，木炭中炭固定碳含量也不同。随缎烧温度升高，木炭中固定碳的相对含量增加，如固定碳的相对含量增加，如:v最终锻烧温度最终锻烧温度()400 450 500 5
50、50 600 700v固定碳固定碳(%)89.3 73.0 78.8 87.2 88.7 94.4v时间时间：锻烧时间也影响很大，尤其是锻烧温度锻烧时间也影响很大，尤其是锻烧温度低时，时间的影响更为显著，时间越长，固定碳低时，时间的影响更为显著，时间越长，固定碳越大。但得率下降。越大。但得率下降。v活性炭和其他工业对原料炭的固定碳含量有一定活性炭和其他工业对原料炭的固定碳含量有一定要求。要求。人造金刚石v在在2000高温和高温和5.5万个大气压的条件下保持万个大气压的条件下保持10分钟，将碳转化为金刚石分钟，将碳转化为金刚石 v 由于在炭化过程中的表现不同，碳质材料可以分为由于在炭化过程中的表
