第三章木材热解工艺(木材热解工艺学)

第三章木材热解工艺课程名称：木材热解工艺学授课专业：林产化工授课教师：李秀红教研组：林产化工内容提要:一、热解原料的预处理热解原料的分类原料干燥的原因木材中水分存在的状态干燥过程三时期干燥方法木材干燥设备二、木材干馏工艺车辆式干馏釜工艺内热立式干馏釜工艺明子干馏工艺三、木材炭化工艺炭窑、移动式炭化炉、果壳式炭化炉流态化炉、螺旋炉、回转炉、四、木材气化木材气化过程与化学反应影响气化反应速度的因素煤气发生炉影响煤气发生炉操作的主要因素气化法处理废材的工艺流程气化产物的应用木材气化行业取得的进展五、木材液化木材液化的目的及意义木材液化技术研究的现状木材液化方法木材液化生成物的开发利用内容提要:一、热解原料的预处理【1.原料的种类】薪炭林和次生林；森林抚育与采伐的剩余物；木材加工及建筑工业中的木质废弃物；农林业生产中的一些副产物；其他含碳废弃物；【2.热解原料的分类】原料形状分：粒状、片状、块状、木椴等；原料树种分：①硬阔—水青冈、桦、麻栎、苦槠、榆、槭等；②软阔—杨、椴、柳等；③针—马尾松、红松、云杉等；注：不同的材种干馏的产物得率不同。一、热解原料的预处理【2.热解原料的分类】不同的原料（材种）干馏的产物得率不同：产物名称得率醋酸、甲醇硬阔叶材比针叶材高一倍木炭硬阔叶材比针叶材低另：①干馏硬阔叶材时，醋酸得率最高，软阔叶材次之，针叶材最少，所以，以生产醋酸为主的木材干馏原料主要使用桦木和水青冈；②针叶材常用来生产松木炭，用于制造活性炭。一、热解原料的预处理【3.原料干燥的原因】含水率，影响生产能力、生产成本（时间、燃料消耗、产品质量）。则热解时间长，热量消耗大，液体产物浓度低而不利于进一步加工利用。含水率大则热解过程放热反应激烈，热解速度太快，会导致产品木炭开裂。含水率小故：需要确定合适的含水率。一、热解原料的预处理合适含水率的确定：热解设备内热立式干馏釜外热式干馏釜相对含水率的要求：15%-25%相对含水率的要求：10%-20%木材名称相对含水率新砍伐的木材40%-50%水运或贮存在水中的木材大于70%大气中长期存放的木材小于30%水解木质素、糖醛渣、栲胶渣等大于60%注：在大多数情况下，含水率大的原料不能直接用于热分解，需要进行干燥处理，以满足工艺上对原料含水率的要求。【4.木材中水分存在的状态】自由水:存在于大毛细管系统中的水分，与细胞壁之间的亲合力比较小，容易蒸发除去，称作自由水或游离水、毛细管水。吸着水：存在于微毛细管系统中的水分，通过与氢键等作用，与细胞壁之间形成较大的亲合力，难以蒸发除去，称作吸着水或胶体水、结合水。纤维饱和点：特殊的含水率。一、热解原料的预处理100%原料中所含有的水分重量相对含水率湿原料重量100%原料中所含有的水分重量绝对含水率绝干原料重量【5.干燥方法】干燥：在干燥介质作用下，使水分蒸发除去而降低物料含水率的过程。干燥速度：表示在单位时间内从木材中干燥除去的水分的数量。平衡含水率：当周围介质固定不变，木材在该介质中存放一定时间后，含水率不再变化而成为定值，此定值称作在该种介质条件下（温度、湿度）的木材平衡含水率。一、热解原料的预处理①木材的性质：树种、含水率；②干燥介质的性质：温度、湿度、流速；③干燥方法：自然干燥、人工干燥；④干燥设备影响干燥速度的因素一、热解原料的预处理【5.干燥方法】自然干燥:原料在大气中晾晒，利用太阳能蒸发原料中的水分。此时，空气中的温度、湿度及流动速度对于干燥速度起决定作用。温度高，湿度小、风速大的天气有利于干燥的进行。不需要干燥设备，操作简单、易于实施，不消耗能源，干燥成本低。受天候影响大，干燥强度小，时间长，占用场地面积大，劳动强度大。缺点故：该法仅适用于中小型工厂使用。优点一、热解原料的预处理【5.干燥方法】人工干燥:原料在各种设备中用特定的干燥介质进行干燥。不受气候的影响，干燥速度快、干燥程度易于控制，占地面积小。要有专门的干燥设备并需要消耗能源，投资大。缺点故：该法适用于大中型工厂使用。优点干燥介质：空气、热空气、过热水蒸气、热烟道气等。一、热解原料的预处理【6.干燥过程】木材干燥速度与含水率的关系图：图3-1-1体现平衡含水率与干燥介质空气的温度、相对湿度的关系：图3-1-1木材的平衡含水率与空气温度及相对湿度的关系同一湿度下,干燥介质温度越高,则平衡含水率越小;同一相对温度下，湿度小则平衡含水率越小;载热体温度越高，相对湿度越低，则平衡含水率越低；提高介质温度，降低介质的湿度，都有助于木材的干燥。一、热解原料的预处理【6.干燥过程】木材的干燥速度与时间的关系:图3-1-2阶段特点ab部分干燥过程开始时，木块的含水率较大，干燥速度是很快的，自由水以固定不变的速度从木块中排除；bc部分自由水从第一临界点开始，自由水的排除速度大约按照bc部分直线的规律降低；cd部分第二临界点c起，开始排除吸着水，干燥速度按照曲线cd降低，最后达到平衡。图3-1-2木材的干燥速度与时间的关系一、热解原料的预处理【6.干燥过程】干燥过程三个时期化分依据：干燥速度变化的特点。时期特点恒速干燥时期恒速，蒸发自由水，木块表面有完整的水膜；干燥的中间时期干燥速度直线下降，蒸发自由水，木块表面水膜的完整性遭到破坏直至消失，木块表面变干；内部扩散作用时期干燥速度是曲线下隆直至为零，达到平衡，蒸发吸着水；注：木材具有干缩湿胀的特性，在内部扩散作用时期，因其内部潮湿而表面干燥易开裂而降低质量。应谨慎操作，防止开裂，如采用干燥介质与木材逆流接触的方案。一、热解原料的预处理隧道式干燥窑立式干燥器回转式干燥器（回转炉）气流式干燥器干燥木椴木块木片、果壳、木屑等散粒状物体木屑【7.木材干燥设备】原料性质不同，热解工业采用不同的干燥设备。木材干馏工艺包括：木材干燥、木材干馏、蒸汽气体混合物的冷凝冷却、木炭冷却和供热系统五部分。【车辆式干馏釜工艺】干馏流程见图3-13物料流程：装料-干馏-卸料-冷却-装料二、木材干馏工艺干馏：密封釜门，即可开始干馏；卸料：打开釜盖，钩住料车，开动纹盘机，将料车拉入木炭冷却器中；冷却：关闭冷却器门，在其上部洒水冷却；续装料：当干馏釜卸出料车后，即可将装好干馏材的另外的炭车推入釜中。干馏物料流程装料【车辆式干馏釜】塔板式焦油分离器旋风分离器罗茨鼓风机把不凝性气体送入炉内燃烧高沸点焦油雾滴干馏气体流程洗涤塔干馏生成的蒸汽气体混合物保证风机不受腐蚀进一步分离高沸点焦油雾滴【车辆式干馏釜】干馏釜操作三个时期:①最初的2-3h主要蒸发水分，这时的气体可通过排空管排入大气中，当木醋液由淡黄色变成浅褐色并混有焦油液滴时，使蒸汽气体与冷凝系统接通，并开动鼓风机。②当蒸气气体出口温度达200-230℃时，可减少加热用燃料或者完全不加燃料，主要靠燃烧干馏气体。③当出口蒸汽气体温度在300℃时，蒸汽气体的发热量逐渐减少，此时要添加燃料以保持出口温度不急剧下降。二、木材干馏工艺【车辆式干馏釜】木醋液车辆式干馏釜的特点:①趁热装卸料，可以减少热损失，大大缩短生产周期，提高生产能力。②由于采用了料车和单独的木炭冷却器，干馏釜和炉子一直保持较高的温度，热量的利用率提高了；③由于木材与釜壁之间有一定间隙，木材主要靠赤热釜壁的辐射热，燃料的消耗仍然比较高；④整个干馏釜的容积利用率仍不高，只能达到70%左右。二、木材干馏工艺【内热立式干馏釜】工艺流程见图3-15二、木材干馏工艺【内热立式干馏釜】干馏过程：①用不凝性气体燃烧产生的热烟气作为载热体，在开工初期或干馏釜内产生的不凝性气体量不足时，可燃烧煤气或添加重油。②随着炭化进程，木材不断下移，干馏釜的下部送入冷的不凝性气体，用以冷却木炭，可回收部分热量，木炭经卸料阀门卸入提升机的料斗中，送入木炭库，冷却木炭后的热气体经风机引出送往燃烧炉，多余的气体送锅炉车间。二、木材干馏工艺【内热立式干馏釜】干馏过程：③干馏所产生的蒸汽气体混合物与载热体一起，从顶部出口管引出，在通过木材干燥区时，由于蒸发水分消耗许多热量，出口处蒸汽气体混合物的温度只有125℃左右，这些气体首先进入前冷凝器，然后进入串联的冷凝冷却器，分离出的木醋液收集在木醋液贮槽中，不凝性气体由风机送入泡沫吸收器，在进入泡沫吸收器之前经雾滴吸收室回收气体中夹带的液滴，在泡沫吸收器中用水吸收甲醇等低沸点组分，这时候的气体已冷却至20-30℃，再经风机送往冷却木炭用，使木炭冷却到40-60℃。二、木材干馏工艺【内热立式干馏釜】温度归程：①底部：20-50℃；②第二锥形漏斗处：130-230℃；③木炭煅烧区：500-550℃；④炭化区：280-450℃；⑤木材干燥区：200-280℃;⑥蒸汽气体混合物从干馏釜排出时：110-170℃。二、木材干馏工艺【内热立式干馏釜】影响操作的因素：①木材含水率（影响最大）；②木块大小；③加料速度；④载热体温度和数量；⑤蒸汽气体混合物的出口温度与压力等；二、木材干馏工艺影响最大的操作因素：木材含水率木材含水率增加时，由于木材带进干馏釜中的水分增加，蒸发水分所需要的热量也增大。二、木材干馏工艺【内热立式干馏釜】若载热体的温度保持不变则必须增加载热体的数量或减少加料量维持干馏釜的正常运转对于每立方米木材来说，载热体的数量实际上就是增加了，这就使循环气体中可凝性蒸汽（水分、有机物）的含量减少，露点降低，蒸汽冷凝就比较困难。影响最大的操作因素：木材含水率木材含水率增加时，由于木材带进干馏釜中的水分增加，蒸发水分所需要的热量也增大。二、木材干馏工艺【内热立式干馏釜】此外在这种情况下，就必须补充一定数量的发生炉煤气。木材含水率越高：循环气体中木煤气所占的比例就越低，其发热量就越低以至循环气体燃烧时达不到要求的操作温度。故：为了保证热量自身循环，木材的含水率最好保持在15%以下。内热立式干馏釜特点：①所得木炭强度高，且每立方米炭化室每小时炭化木材量为车辆式干馏釜的6—9倍；②正常操作时不需燃料；③工作条件好，可实现机械化和自动化；④冷凝困难。二、木材干馏工艺【明子干馏釜工艺】明子分类:分类依据名称特征木材的部位根株明子树干明子等木材中树脂含量的高低肥明子树脂含量21%中等明子树脂含量16-21%瘦明子树脂含量16%木材中含水率的不同干明子含水率20%半干明子含水率20-25%湿明子含水率25%二、木材干馏工艺注：生产中应尽量选用含水率低树脂含量高的明子。即含水率低的肥明子是明子干馏的优质原料。二、木材干馏工艺【明子干馏釜工艺】明子干馏过程【明子干馏釜工艺】流程图见3-2-8二、木材干馏工艺目的：制取松焦油、松木炭、松节油、松油、木醋液；混合原油加工及松焦油生产混合原油工的原理流程:图3-2-9二、木材干馏工艺混合原油加工及松焦油生产混合原油加工艺流程图3-21二、木材干馏工艺三、木材炭化木材炭化：在有限地供给少量空气的条件下，在炭化装置中使林产植物原料热分解，以制取木炭的操作。【炭化产物】主要是木炭，有时也可根据需要收集少量的液体产品。【炭化设备—1炭窑】原料与产品运输方便，靠近水源，宽阔平地，土壤坚实。薪材直立，质好材在I区，中等材在Ⅱ区，质差材在前Ⅲ区，细端向下，粗端向上，材堆中心略高于四周成拱形。装料：窑址的选择:筑窑：图3-2-4，炭窑结构之一三、木材炭化【炭化设备—1炭窑】烧炭观察现象：卸炭：烟气由灰白色转变成黄色，最后变成青烟。窑外熄火法—趁热从窑内扒出，用湿沙土熄火，得白炭。窑内熄火法—木炭在窑体内自然冷却，得黑炭。适于木椴，得率18-22%；结构简单、易于建造，不受地理条件限制；生产的木炭质量好；但建造时劳动强度大，建筑后无法搬迁；生产周期长3-5天。炭窑特点：三、木材炭化【炭化设备—2移动式炭化炉】组成部分：构造：装料：图3-2-5，圆台状，分为上、下两段或上、中、下三段。大头向上，大径级及含水率较高的木椴在炉体中央。烧炭炉体、炉顶盖、炉栅、点火通风架、烟囱；观察现象：通风口出现火焰，烟囱口冒青烟，烟囱内