林业工程之木材热解及活性炭

第二章木材热解及活性炭woodpyrolysis木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity第一节木材热解•1、木材热解的定义•2、木材热解的分类•3、木材热解的原料•4、热解主要产品•5、木材热解过程•6木材热解的方法和产物•7影响木材热解过程的因素•8木炭的性质木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity本节主要内容1、木材热解的定义木材在隔绝空气或通入少量空气的条件下受热分解的过程；也指用以制取化学产品的方法和生产，它包括烧炭、木材干馏、木材气化、活性炭制造、松根干馏和桦皮干馏等•特定条件在特定条件下加热处理木材等植物原料温度：400℃~1000℃气氛：有无含氧气体存在其他：化学物质存在2、木材热解的分类木材热解工业根据目的产物的不同分为烧炭（又称木材炭化）、木材干馏、木材气化和活性炭生产等部门；烧炭：-----得到木炭将原料木材装入炭窑中，将少部分木材点火燃烧，部分通入空气，合大部分木材受热分解干馏：----得到木煤气在隔绝空气的条件下加热，使其分解得到气体、液体和固体产品；气化：----得到可燃性气体将原料木材装入气化炉中，部分通入空气，使木材在高温下与氧反应转变成可燃性气体。活性炭：由含碳物质制得的外观黑色、内部孔隙结构发达、比表面大、吸附能力强的一类微晶质碳。木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity3、木材热解的原料木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity木材及各种木质废弃物农业剩余物有机性轻工业废弃物•别小看这些炭窑不起眼，保健作用还挺好的•选用特别的木材(青岗木)，燃烧超过３０天，将木材完全炭化，成为一种可吃、可治疗的备长炭。炭窑在完成炭烧后，将炭从窑里取出来，让窑自然降温。当温度降到６０度，就可以让客人进入窑内桑拿５公斤林木出１公斤炭，一窑烧毁林木六七千公斤4、热解主要产品–固体形态产物：木炭、竹炭、木质成型物炭、活性炭–液体产物：木醋液（热油）---冷凝流下的液体–气态产物：木煤气（可燃性）木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity5、木材热解过程木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity干燥阶段(室温至150℃)从开始加热升温到干馏釜内物一料温度达到150℃为干燥阶段。木材主要是吸收热量、蒸发水分，其化学组成几乎未发生变化。预炭化阶段(150～275℃)木材中不稳定的部分开始热分解，分解产物有二氧化碳、一氧化碳、反应水及少量的有机物质。本阶段结束时，木材呈棕褐色，仍具有较高的强度，尚未转变成木炭。外界供给热量才能保证温度不断升高-----吸热炭化阶段(275～450℃)木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity木材热分解反应急剧进行，生成大量的气态和液态产物。液态产物中含有醋酸、甲醇、木焦油等多种有机物；气态产物中可燃性成分如一氧化碳、甲烷等含量增加。在本阶段后期，原料木材已经转变成木炭。放出热量。煅烧阶段(450℃以上)木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity炭化阶段完成后，放热反应停止，木材热解过程基本结束。降低木炭中挥发物，提高固定碳含量，增进木炭质量。在煅烧阶段，有少量的液态和气态产物放出吸热过程6木材热解的方法和产物木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity木材热解的主要方法：＆木材干馏＆木材炭化＆木材气化＆液化随着热解方法的不同，热解产物也不一样。A木材干馏木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity------定义在隔绝空气条件下，将木材放在干馏釜中加热分解，以制取木炭并回收液态和气态产物的热解方法，称作木材干馏。------设备干馏釜，随着外观形态、加热方法及操作方式的不同，干馏釜可分成立式与卧式，外热式与内热式，间歇式与连续式等多种形式。木材干馏冷凝冷却干馏木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity-----工艺流程备料蒸汽气体木煤气木醋液木炭原料木材木材干馏木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity-----产物粗木醋液（木焦油）：可凝性液体产物冷凝冷却后以粗木醋液形式回收，供进一步加工利用；得率45-48%(1/2)木煤气：不凝性气体具有可燃性，称作木煤气，通常返回干馏釜燃烧，作为木材干馏自身的热源使用。得率为16-18%（1/6）木炭：残留在干馏釜中的固体物质为木炭。得率为35-38%（1/3），主要作为能源木材干馏木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity-----产物粗木醋液（木焦油）：含有约200种有机物质,有机物在木醋液中的浓度约20%•酸类：醋酸、甲酸、草酸等•醇类：甲醇（即木精）•酯类：•酚类：愈创木酚作为外伤的药物•其他有机物木材干馏木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity-----产物木煤气：常作为干馏行业自己的燃料使用。CO2、CO、CH4、H2等木材干馏木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity-----产物木炭：主要成分为碳，以固定碳表示固定碳含量=[1-（灰分%+挥发分%）]*100%木炭在一定条件下：（900℃）煅烧5min（850℃，煅烧7min固定碳含量越高，质量好，一般为70-90%，黑炭比白炭高B木材炭化木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity定义在有限制地供给少量空气的条件下，让木材在炭窑或炭化炉中受热炭化，以制取木炭的方法称作木材炭化，俗称烧炭。B木材炭化木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity炭窑烧炭烟气的变化先冒白烟（含大量水蒸汽）变黄烟（含大量有机物如焦油等）再变青烟（炭化尾声）得到--黑炭（在窑内冷却，出炭，15-18%）--白炭（冒青烟后，将侧门打开，采用热出炭，质地坚硬，敲击有金属声)木材炭化装置木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity炭窑：质量最好的炭移动式炭化炉：24h炭化，质量不好果壳炭化炉：生产能力大，得率30%木材炭化的产物木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity木炭木材炭化时，热解过程中生成的液态产物及木煤气，大部分在炭化装置中与供给的少量空气发生燃烧反应，转变成燃烧产物二氧化碳和水，并放出热量以维持炭化过程的正常进行；剩余的液态产物及木煤气，随烟气排出，大多未回收利用木材炭化的产物木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity木炭的主要用途：作为活性炭的原料（气体活化法）二硫化碳（用硫蒸汽通过高温的木炭层）有色冶金（用木炭作还原剂）民用（烧烤、野炊、旅游）C木材气化木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity定义：在高温下，在气化剂的作用下，使木材原料转化为气体燃料木煤气的热化工过程，称作木材气化。气化剂的种类：（空气、氧气、水蒸汽、混合气体）主体设备：煤气发生炉木材气化的产物木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity木煤气一种木材气化时，在热解过程中生成的固态产物木炭，由于进一步与氧化性气体作用，最终也转变成可燃性气体。气化剂不同，木煤气不同：空气煤气、氧气煤气、水煤气、混合煤气通常煤气需进行处理，除去焦油等D木材液化木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity定义：在高温、加压并有催化剂存在条件下，使木材转变成液态燃料油的热化工过程，称作木材液化。木材液化还处于研究开发阶段，尚未实现工业化。D木材液化木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity美国的研究状况：1、PERC法2、LBL法日本的直接液化法7影响木材热解过程的因素木材工业学院材料系DepartmentofwoodindustryNanjingForestryUniversity以木材干馏过程为例木材的种类：树种不同，干馏产物的得率也不同。木材的含水率：原料木材含水率的大小，对干馏过程的时间、燃料消耗量、木炭质量和木醋液浓度都有一定影响木块的大小：木材导热系数小，热量由木块表面传到内部需要一定时间，随着木块体积的增大，传热时间也加长8木炭的性质•木炭是木材或木质原料经过不完全燃烧或者在隔绝空气的条件下热解所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料。是保持木材原来构造和孔内残留焦油的不纯的无定形碳。•成分:木炭除含碳素外，还含有氢、氧、氮以及少量的其他元素。其含量与树种的关系不大，主要取决于炭化的最终温度。••1.木炭的外部形态•质量高的木炭断面具有黑色光泽，敲打时发出响亮清脆的金属声。•在低于250℃时烧制的炭，表面带褐色，不易敲断，燃烧时有火焰•300—350℃烧制的木炭表面呈黑色，•当烧制温度达500℃时，敲打时，木炭发出响亮金属声。•2.木炭的固定碳经高温（850℃~950℃）煅烧几分钟后所残留的碳称为固定碳，在高温条件下使用时，不再挥发，可以全部参加反应。它是木炭中最主要的成分。一般的木炭可能含70%—80%的固定碳。随煅烧温度升高，木炭中固定碳的相对含量增加。木炭的性质3.木炭的挥发分木炭在高温下煅烧时放出一氧化碳、二氧化碳、氢、甲烷和其他碳氢化合物等气态产物称为挥发分。烧制木炭的温度在300—700℃以内时，随着温度的升高，木炭煅烧时所分出的挥发分的组成发生下列变化：二氧化碳、一氧化碳和甲烷的含量逐渐降低，而氢的含量逐渐增加。烧炭的温度升高时，木炭的发热量增高，而气体的发热量降低。4.木炭的机械强度表示它对压碎和磨损的抵抗能力，它在木炭的转装和运输上以及在冶金工业应用上有很大意义。木炭强度沿纵向较高，径向较低，而弦向最低。当烧制木炭最终温度相同时，木炭强度随烧炭时间的增加而增加。木炭的性质•5.木炭的比重和孔隙度木炭的比重因树种、木材的质量、炭化的最终温度和升温速度而不同。一般比重大的木材烧成的木炭比重也大。木炭孔隙度决定木炭大部份性质，如反应能力、导热性、吸附性等。6.木炭的发热量与炭化温度有关，炭化温度高，木炭碳素含量大，发热量也较高。黑炭由于有较多的挥发分，着火早，升温快，但燃烧时间短。白炭着火迟，但燃烧时间较长。7.木炭的灰分木炭烧完后成为白色或淡红色的物质称为灰分。含量一般在6%以内;木炭中灰分含量随烧制温度、树种、被炭化木块和树皮的比例、树木的立地条件、砍伐季节、运材和烧制方法而不同。