（木材科学与技术专业论文）竹炭生产工艺及吸湿机理的研究.pdf

摘要 本文以竹材热解的产物竹炭为研究对象，借助现代测试仪器，对当前竹炭的生产 工艺、竹炭的理化性能及它们之间的关系研究分析，研究竹炭韵吸湿率及理化性 能之间的关系，总结了多孔固体的吸附行为，并对吸湿“滞后”现象进行了解释， 揭示了竹炭的吸湿机理。为竹炭深加工产品的研究开发奠定了理论基础。通过试 验数据的分析，得出下面结论： 目前，生产上主要使用两种类型的炭窑以及相应的生产工艺：砖砌窑生产 工艺和机械炉生产工艺。可以看出机械炉相对砌窑特点如下几点： 1 ) 生产周期短。通常6 7 天完成一个生产周期。 2 ) 产品质量好。炭化过程中温度分布均匀，产品的炭化和精炼度相对一致。 3 ) 得率高。生产竹屑棒炭的得率为3 0 。 4 ) 控制方便。可在炉体多个部位设置温度检测点，方便操作人员进行控制。 5 ) 机械炉的缺点是一次性投资较大，且需专人保养与维修。 竹炭的炭化终点温度对竹炭性能的影响是显著的。随着炭化终点温度的升 高，竹炭的得率、电阻率、挥发分含量都有不同的降低，竹炭的灰分含量、 固定碳含量及吸湿率等都有不同程度的增加。 最终炭化温度为7 0 0 、1 0 0 0 的两种竹炭吸湿效果最好，每1 窟这样的竹 炭可以吸收0 1 3 8 克水蒸气，竹炭颗粒大小对竹炭吸湿量影响很少。随着温度 的升高，竹炭的吸附能力逐渐降低。 竹炭吸湿过程中存在“滞后”现象。且在相对湿度大约为6 5 8 5 的范围内“滞 后”范围变化最大。 关键词竹炭生产工艺吸湿滞后 a b s t a c t w i t ht h eb a m b o op y r 0 1 y s i s a s o b j e c t o fs t u d y ，t h e p y r o l y s i sp r o c e s s 、 t h e p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fb a m b o oc h a r c o a l ，a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e a b s o r p t i o nr a t ea n dp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so f b a m b o oc h a r c o a lw e r ea n a l y z e d i nm o d e r na n a l y t i c a ii n s t r u m e n t s i nt h i ss t u d y ，t h ea b s o r p t i o no f t h es o l i dw h i c hh a s m a n yh o l e sw a sc o n c l u d e d ， t h ea b s o r p t i o nl a gw a se x p l a i n e d a n dt h ea b s o r p t i o n t h e o r vw a sa t t a i n e d i tc o u l da t t r i b u t et od e v e i o p i n g t h ep r o d u c t so fb 8 m b o oc h a r c o a l b a s e do nt h ee x p e r i m e n tv a r i a n c ea n a l y s i s ，w eg o tr e s u l t sa sf o l l o w s ： a tp t e s e n t ， b a m b o oc h a r c o a lc a nb e p r o c e s s e d i nt h em e c h a n i c a lf u r n a c e s c o n t r o l l e db yc o m p u t e r sa sw e ua si nt h et r a d i t i o n a lk i l n s m e c h a n i c a lf u 硒a c eh a s s e v e r a 】c b a r a c t e r i s t i c sa sf b l i o w s ： s h o r tp r o d u c t i o nc y c l ei tu s u a l l yt a k e s6t o7d a yt op r o d u c eab a t c ho fb r i q u e t t e c h a r c o a i - g o o d p r o d u c tq u a l i t y t h ep y r 0 1 y z i n gp r o c e s so f b a m b o oc h a r c o a lc o h e r e sw i t h i t s r e f i n i n gp r o c e s s b e c a u s eo fi t sc o n s i s t e n t t e m p e r a t u r ed u r i n g t h e c a r b o n i z a t i o n h i g hr e c o v e r yr a t i o t h er e c o v e r yr a t i oo fb a m b o ob r i q u e t t ec h a r c o a lr e a c h e s 3 0 e a s yt oc o n t r o l s e v e r a lm e a s u r e m e n tp o i n t si nt h ef u r n a c ec a nb ed e s i g n e dt o i n s p e c ta n dc o n t l o lt h et e m p e r a t u r eb yo p e r a t o r s t h e d i s a d v a n t a g e s a r e h i g h e r i n v e s t m e n tt h a nb “c kk i l n sa n di t r e q u i r e s p r o f 色s s i o n a lt e c h n i c i a n st on l a i n t a i na n dr e p a i r ( 多t h e c a r b o n i z a t i o n t e m p e r a t u r es i g n i n c a n t l y a “e c t e dt h eb a m b o oc h a r c o a l s p r o p e n i e s t h ey i e l d ，t h et e s i s t i v i t y ，a n dt h ev o l a t i l em a t t e r sc d n t e n td e c r e a s e da s t h ec a r b o n i z e dt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d w h i l et h ef i x e dc a r b o nc o n t e n t 、 a b s o r p t i o n r a t ei n c r e a s e d 1 、v ok i n do fb a m b o oc h a r c o a lw h o s ec a r b o n i z a t i o nt e m p e r a t u r ea r e7 0 0 a n d 1o o o h a v et h eb e s ta b s o r b i n ga b i l i t y 。e a c hg r a mo fb a m b o oc h a r c o a l l i k et h e s ec a n a b s o r b0 13 8g r a mv a p o r s t h es i z eo fb a m b o oc h a r c o a ip a r t i c i eh a sl i t t l ei n n u e n c e o na b s o r p t i o n t h ea b i l i t ) ro fa b s o r p t i o nc a nb ed e c r e a s e da st h ee n v i r 0 m e n t t e m p e r a t u r ei n c r e a s e d 。 g ) t h ep h e n o m e n o no fa b s o r b i n gl a gi se x i s ti nt h ep r o c e s so f a b s o r p t i o n k e y w o r d ：b a m b o oc h a r c o a l p r o d u c t i o n t e c h n 0 1 0 9 ya b s o r p t i o nl a g 致谢 y6 0 6 6 2 0 本课题是在张齐生院士、蒋身学副教授地精心指导下完成的。从论文题目的选择、研 究内容的确定和安排，到论文的撰写等环节都倾注着导师大量的心血，两位导师商屋建瓴， 高瞻远瞩的思维和严谨求实的治学态度，时时刻刻鞭策着我，使我警醒，催我奋进。在三 年的学习期间，导师无私奉献的敬业精神，丰富的实践经验和独特的人格魅力，使学生受 益匪浅，并将终生铭记。 感谓十张晓东老师、朱一辛老师、孙文丰老师、周建斌老师、王志和老师、许斌老师、 关明杰老师和其他各位老师在试验实施和论文进行中给予的大量帮助、指导和支持。 感谢顾炼百教授、卢晓宁教授、封维忠教授在实验过程中给予的指导。感谢研究生院 的领导和老师给予的关心和支持。感谢盛菊华硕士、王小兵硕士、周敏硕士、何文硕士在 论文撰写的过程中给予的帮助。感谢杨晓明硕士、张剑飞硕士等同学的大力支持和帮助。 忠心感谢家人给我的无私奉献和无微不至的支持和关怀，这是我求知的动力和源泉。 特别感谢金菊婉副教授在七年学习生活中给予的默默支持和帮助! 非常感谢在论文答辩过程中给予指正的各位专家! 最后深深感谢给予关心和帮助的所有老师、同学和朋友! 声竞阳 2 0 0 4 年2 月于南京林业大学 1 绪论 1 1 竹材资源概况 竹材是可再生生物资源之一，具有生长快、成材早、产量高的优点。中国 是世界上主要产竹大国，竹材经营利用的历史也最为悠久。据记载中国有竹类植 物3 9 属，约5 0 0 余种，占世界竹类植物属和种的5 0 ( 世界有7 9 属，1 2 0 0 多 种) 。中国有竹材面积4 2 l 万h m 2 ，占全国森林总面积的2 8 ，占国土陆地面积 o 5 。其中主要而且应用最广泛的竹种为毛竹，毛竹是我国竹类植物中分布最广、 材质最好、用途最多的优良竹材。中国竹类资源中毛竹林资源有2 5 0 万h m 2 ， 主要分布在长江以南的浙江、江西、福建、湖南、湖北、安徽、广东、广西和四 川、贵州等省( 区) 1 2 1 。 我国每年毛竹采伐量超过4 亿株，约相当于8 0 0 万m 3 的木材量。另有各种 杂竹约3 0 0 万t ，生产鲜笋约1 7 0 万t ，为中国开展竹类资源有效利用提供了十分 有利条件2 1 。 1 2 竹材资源利用 竹材是单子叶植物，属禾本科竹亚科，其维管束成不规则分布，没有径向 传递组织，具有节间分生组织。所有细胞都轴向排列，其构造整齐、抗拉强度大， 竹材的主要化学成分是纤维素( 5 0 ) 、半纤维素( 2 0 ) 和木素( 2 5 ) 。 目前，我国竹材的传统用途是用来制作各种农具、家具、日用品、工艺品、 工棚等。在工业利用方面，竹材一是用于竹浆造纸；二是生产各种竹材人造板， 且广泛用于地板、家具、建筑模板等方面。但从总体上来看，竹材的实际利用率 比较低。竹材经高温热解生产竹炭是有效利用竹材资源的最佳途径，也是竹材工 业化利用的个发展方向。而且，通过生产竹炭可使竹材全竹利用，因为竹材加 工剩余物也可经收集、粉碎，专用设备挤压成型、高温热解、最后制成竹炭。为 此，就竹材资源有效利用的发展方向一一竹炭的利用作以研究。 1 3 竹炭的生产研究现状 1 3 1 竹炭产生的背景 环境恶化已经波及到人们的生产和生活，已经成为人们生活中的日常化问 题。空气污染和水污染一直是困绕社会进步和发展的两大问题，世界各国普遍关 注，环境保护成为永恒的主题。竹炭材料是一种新型的机能性和环境保护材料， 它的出现为科技界和产业界提供了一个新的研究领域和新兴产业，同时也为竹材 的工业化利用开辟了一个新的发展方向。 二十世纪9 0 年代以来兴起了“竹炭热”，竹炭是竹材热解的产物，它是多孔 性材料。竹醋液是竹炭制造过程中的副产品。在世界许多国家利用竹炭已有较长 历史。但是，竹炭材料作为燃料以外的其它机能迄今为止尚未引起科学界的研究 重视。关于竹炭的研究是近几年刚刚兴起的新的研究领域t 目前该领域处于商业 先行而科学研究滞后的状况。 1 3 2 国外研究现状 1 。3 2 1 竹材炭化过程的研究 竹材与木材同属植物质原料，炭化过程大体上是一样的，故竹材的干馏炭化 基本上是利用现行的炭化设备和已有经验的基础上进行。但由于两者在纤维素、 半纤维素和木质素的含量和材料的组织结构上存在较大的差别，因此竹秘韵炭化 也有明显特点。 朝鲜林业研究所研究了两种类型炭化窑供高温下制造高质量竹炭用，窑内部 用绝热材料加固试验了适用于两种炭化的炭化工艺、竹子品种( p h y l l o s t a c h y s p u b e s c e n s ，p b a m b n s o i d e s ，p | n i g r av a rh e n o n i s ) 与不同类型窑的炭化率和竹炭 褥率。两种类型炭化窑：种是改良的直接燃烧型容积为o 3 m 3 ，另一种是半自 动化专门的间接燃烧型容积为o 3 5 m 3 ，炭化过程改怠型窑具有8 段：即装科、 点火、燃烧、炭化、精制、密闭、冷却和排料，直接燃烧竹子通过敞开和密闭的 正常操作控制空气体积制造竹炭，炭化时间为1 5 h ，温度为6 0 0 一7 0 0 。半自动 化专门炭化过程也为8 段：即装料、预干燥、燃烧、炭化、精制、密闭、冷却和 排料，间接燃烧竹子通过敞开和封闭自动控制空气体积制造竹炭，炭化时间为 2 4 h ，温度为1 0 0 0 。改良型窑和半自动化窑炭化率分别为2 9 和2 6 ，竹炭得 率分别为2 0 和1 8 ，竹子品种对炭化率和竹炭得率影响不大，随着炭化温度的 提高炭化率和竹炭得率稍有降低f 3 j 。 日本北九州市森林生产联合体采用了一种干馏和炭化分开进行的装置【4 j ，干 馏在称之为“竹醋液回收炉”中进行，该妒的外壳用钢板制成，内衬耐酸的氧化 铝，容积1 8 m 3 ，可装6 0 0 k g 竹材，直接火加热方式。温度控制在2 0 0 。该装 置自动控制升温速度，最终温度和加热时间，通常干馏时间为4 h ，可得竹醋液 2 4 0 l ：干馏结束后，炉内竹材用叉式升降机移入炭化炉，该炭化炉的内壁浇灌耐 火混凝土，用与前进回收炉相同的控制装置将炭化炉温度控制在8 5 0 1 0 0 0 范 围，燃烧时间3 h 。用点火喷嘴点火，使其自燃，每一炉可得竹炭1 2 0 k g 。 据有关资料介绍【s 1 ，在日本市场上还有一种“高温干馏装置”，该装置在燃烧 室燃烧产生残留氧的高温燃烧炉气，由引风机引入干馏炉内加热竹材。温度控嗣 在3 5 0 一4 0 0 。通常前期是竹醋液回收工序，数小时后竹醋液不再产生时，将空 气导入炉内，竹材开始自燃，温度上升，产生的气体旁路导入气体冷却器。最后 停止导入空气，自然冷却。通常一个周期需要6 8 h ，自然冷却需要1 2 h 左右。同 时竹材含水率与竹炭制造工艺之间存在很大的关联。般竹材的气干含水率在 2 0 2 5 时才能烧出优质炭，但要达到这个水平，自然干燥要4 6 个月。日本 学者野村隆哉对达到竹材基础含水率及烟熏热处理的含水率的调整和制炭后竹 炭性状进行了研究，发现经过烟熏装置处理竹材，可以提高竹炭得率和质量6 1 。 1 3 2 2 竹炭的研究 1 3 2 2 1 竹炭的分类 以干馏炭化的最终温度来区分炭的类型时，有的分3 种：低温炭4 0 0 ，中 温炭6 0 0 7 0 0 ，高温炭1 0 0 0 ；也有的分2 种：将4 0 0 - 6 0 0 炭化的称为低温 炭。8 0 0 1 0 0 0 炭化的称高温炭，又口q 备长炭【”。 1 3 2 2 2 竹炭的组成及特性 日本圭司对长时间慢速炭化，短时间高温精炼的竹炭作了分析测定：结果表明 其灰分含量约2 4 ，其中主要是硅的氧化物，此外也有钙、硅、锰、钠、钾 的氧化物；拉曼光谱测定结果显示，在波长4 0 0 18 0 0 c m 。1 之间，1 1 2 7 c m 。1 处有相 对强度引起的单峰，可以判定是非常纯粹的炭，表明夹杂物对测定没有影响【8 1 。 竹炭中有许多竹细胞壁炭化后形成类似六角形的孔径约几十微米的大孔， 1 0 0 0 烧制的竹炭的吸附能力是传统备长炭的1 0 倍，比表面积在2 0 0 3 0 0 m 2 g 一。 竹炭吸附水蒸汽的性能优于同条件下炭化的椰子壳炭，炭化度越低对水蒸汽的 吸、脱附速度越快。7 5 0 以上炭化的优质竹炭，电阻率o 1 q c m 。对频率4 g h z 的电磁波衰减6 0 d b 以上，表现出良好的电磁波屏蔽性能【9 】。 1 3 。2 2 3 竹炭的利用 日本光川森林组合1 9 8 8 年起利用当地丰富的竹资源，利用竹炭开发除臭剂， 并成功地使用之商品化。原材料是3 年以上，经过严格挑选的毛竹，经过烧窑、 粉碎成约5 m m 以上活性钙酸为主成分的多孔质碳化物。l g 竹炭的比表面积有 7 0 0 m 2 ，大大提高了吸附能力，证实了对冷藏库特有的臭味三甲胺的吸附效果优 良。其他，如硫化氢的吸附效果，厕所、垃圾箱等的除臭效果也得到确认。此外 还开发了过滤净化水质的产品，防止高尔夫球场农药污染的吸附剂，保水、保肥 的土壤改良剂等【l 。吉冈放八用竹炭制成高级燃料，火力比木炭高3 成。此外， 还以竹炭为材料添加氨基甲酸乙脂树脂、涂料等制造出插花用器具、餐具等工艺 品l 。据有关资料分析n 2 “”，日本许多地方将竹炭制成供净水用的竹炭陶瓷， 用于净化浴水或养鱼水。将竹炭制成导电性竹炭薄板，用作电磁屏或抗静电试材， 供各种民用或医药卫生用。用竹炭生产非亚铁金属的电导往粉末，用作导电性胶 合剂涂料电磁屏的抗静电试剂。 1 3 2 2 4 竹活性炭的研究 在日本，竹活性炭的研究和利用也较广泛。细川健次为了掌握竹类活性炭调 制的最佳条件1 7 l 【l8 1 ，进行了三次不同的预处理试验，包括空气氧化，蒸汽碛发 法及y 射线辐射，发现空气氧化方式对提高竹炭的固定碳含量和比表面积有效， 而y 射线辐射对固定碳含量和比表面积的增长不起作用。使用c 0 2 进行活化处 理，竹类活性炭可促使比表面积扩大达到9 0 0 m 2 旭。另外，他发现以竹材为原料 施以适当的前处理，可以生产细空发达、比表面积大的活性炭。 据有关资料介绍【1 9 】【2 o 】；竹活性炭可作为吸附剂净化油、除臭剂、淡水鱼处理 剂等。 1 3 3 国内研究状况 我国“竹炭热”是由出口带动的，在竹炭开发过程中，存在着竹炭烧制工艺 落后、资源浪费大等问题。目前，在竹炭这个新兴的研究领域，我国大致处于商 业先行而科学滞后的状况。真正意义上的研究主要集中在南方的一些林业科研院 校及生产厂家，如南京林业大学竹材工程中心、浙江林学院等院校及浙江省部分 竹炭企业。 1 。3 3 1 竹炭的形成过程和原理【2 卜2 5 l 竹炭的形成过程主要是竹材这种天然高分子化合物的受热分解过程。竹炭制 取的方法不同，竹材的受热分解情况会有差异。竹材在干馏制取木炭时的热解过 程大体上划分4 为个阶段。 ( 1 ) 干燥：这个阶段的温度在1 5 0 以下，热解速度非常缓慢，主要是竹材 中所含水分依靠外部供给的热量进行蒸发，竹材的化学组成几乎没有变化。 ( 2 ) 预炭化：这个阶段的温度为1 5 0 2 7 5 ，竹材的热分解反应比较明显， 竹材的化学组分开始发生变化，竹材中比较不稳定的组分( 如半纤维素) 分解生 成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物质。 以上两个阶段都需要外界供给热量来保证热解温度的上升，所以又称吸热分 解阶段。 ( 3 ) 炭化：这个阶段的温度为2 7 5 4 5 0 ，在这个阶段中，竹材急剧的进行 热分解，生成大量的分解产物。生成的液体产物中含有较大的醋酸、甲醇和竹焦 油，生成的气体产物中二氧化碳量逐渐减少，而甲烷、乙烷等可燃性气体逐渐增 多。这阶段主要是纤维素和木素分解放出大量的反应热，所以又成为放热反应 阶段。 ( 4 ) 煅烧：温度上升到4 5 0 5 0 0 ，有的炭种甚至要求1 0 0 0 以上。在这 个阶段依靠外部供给热量进行竹炭的煅烧，排出残留在竹炭种的挥发物质，提高 五 竹炭中的固定碳含量。这时，生成的液体产物已经很少。 1 3 3 2 竹材热解产物和竹炭的物理化学性质 竹材热解时可以得到固体、液体和气体3 大类出产物。 ( 1 ) 固体产物：竹材热解时残留在于馏釜内的是固体产物竹炭。 ( 2 ) 液体产物：从干馏设备中导出的蒸汽气体混合物经冷凝分离后，可以 得到液体产物( 粗竹醋酸液) 和气体产物( 不凝性气体或竹炭气) 。 ( 3 ) 气体产物：主要成分是二氧化碳、一氧化碳、甲烷、乙烷、氢气等， 也叫竹炭气。 竹炭的物理化学性质：固定碳含量( ) 7 9 8 2 。比表面积( m 2 堙) 2 3 0 5 0 0 。 具多孔性。吸收量( m l g ) l8 0 1 9 0 。强热损耗( ) 2 1 2 2 。发热量( k c a l k g ) 7 7 9 0 。p h 8 9 。耐酸耐碱。灰分( 钾、钙) ( ) 2 3 。 。 1 3 3 3 竹炭的种类 竹炭的种类很多。按竹炭的原料可分为原竹炭、竹棒炭。按形状可分为筒炭 片炭碎炭粉炭和工艺炭。按烧制方法可分为低温炭、中温炭、高温炭。按用途可 分为燃料用炭、饮水用炭、炊饮用炭、洗澡用炭、水处理用炭、土壤改良用炭、 住宅调湿用炭、果蔬花卉保鲜用炭，消臭用炭、寝具用炭、工业用炭、高电气性 用炭等等。 不同方法烧制的竹炭具有不同的得率，不同的物理化学性质，具有不同的用 途。一般竹炭的得率在15 2 0 。用作调湿用的竹炭应在6 0 0 的温度上烧制。 要烧制炊饮用的竹炭则需在7 5 0 8 0 0 的温度下进行。高导电性的竹炭需在 1 0 0 0 以上的温度下烧制。 1 3 3 4 竹炭的烧制方法 竹炭烧制的原理并不复杂。但竹炭的烧制方法有很多。现根据当前竹炭生产 的实际情况，作一概要介绍。 1 3 3 4 1 炭窑烧炭 炭窑烧炭，也叫土窑烧炭。窑的形式，构造种类很多。有就地挖掘，以泥土 为材料筑造的，也有用砖，水泥砌成的。 ( 1 ) 泥窑：选资源丰富，运输方便，坡度较小的空敞地作窑址，靠近水源， 土壤要坚实，最好是粘土。在选好的窑址上画一个等边三角形，每边长约2 1 m 。 在线内向下挖1 m 深左右，即为炭化室。炭化室前端高于后端，在炭化室后面正 中挖烟道腔和排烟孔，孔高1 4 c m ，阔1 8 c m 。在炭化室前端三角形顶端打一排横 向木楔后即进行装竹材，竹材锯成1 m 左右，直立装入炭化室中，细端向下，粗 端向上，中心高于四周，使竹材堆成拱形。上面盖层稻草，并在4 个烟孔的位 置上放4 个藤圈。然后沿四周镱泥土，筑窑盖，边铺，便打紧，锤打手导越紧越 好窑盖筑好后，将烟孔中的泥土挖去，并锚松土。在炭化室面前筑燃烧室，燃烧 室前段低于后端。 筑好窑型后就可进行烘窑，烘窑时，在燃烧室点火，火力不要太猛。如果烘 窑速度太快，炭窑将不坚实，火逐渐烧入炭化室，待烟孔松土发白时把松土挖去， 从烟孔冒出白烟，当颜色转青时，将烟孔盖上，打开烟道口，使烟气从烟道口冒 出，烟气交青色时。即可闷窑，将所有孔口堵塞，经2 天冷却后，在窑的侧面开 一个出炭门，进行出炭。以后可以继续装竹烧炭，其过程和前面烘窑相同，只是 烧炭时间较短，正常的烧炭周期约7 l o 天。 ( 2 ) 砖窑：由于泥窑挖掘工作量大，窑身常会坍塌而需经常保护，并不经 济，目前竹炭烧制多采用砖和水泥砌制。一般炭化室长4 m 。阔3 m ，高1 8 m ， 为了保温，四周填以厚厚的泥土，外在围一石驳，顶筑成圆穹状。可数窑连在 起，提高效率。各地的土窑窑型会有各种变化，但基本结构和烧制原理和上述泥 窑相近。 1 3 3 4 2 炭化炉 竹材炭化炉目前主要是固定式炭化炉。 固定式炭化炉：它的烧炭原理和主要结构与土炭窑相似。但工业化规模的固 定炭化炉一般都附有烟气回收分离装置。回收分离的凝缩性物质竹醋酸液和竹焦 油可作其他工业原料，回收分离的不凝缩性气体竹煤气可作为炭化炉燃料循环使 用。这种炭化炉炉内壁常采用耐火砖构成，外围以保温材料提高热效率。一般炉 内容积较大，可大到1 0 2 0 m 3 ，一次可处理较多的竹材或挤压成型后的竹屑棒。 1 3 3 5 竹炭的利用途径 ( 1 ) 燃料：由于竹炭系各种竹材炭化而成，安全性受到信赖，作为烧烤， 野炊的燃料，清洁而有情趣，加上目前对其他薪炭材的砍伐限制，作为燃料的竹 炭前景看好。 ( 2 ) 竹活性炭：竹炭经水蒸气法活化处理后具有均匀的纽孔状结构，比表 面积从5 0 0 m 2 倌增加到9 0 0 m 2 ，g ，其竹活性炭的得率为6 8 ，具有和椰子壳活性 炭同等以上的比表面积和吸附率。 ( 3 ) 住宅环境材料：大理石，花岗岩，磁砖类建材，表面容易结露，而三夹板 类又容易霉烂虫蛀。用竹炭装填地面和墙壁，由于竹炭对空气中水分的吸湿和解 吸调节，加上竹炭的负离子作用，能保持住宅内部环境舒适宜人，心神安定。也 6 有一些茶馆以此来吸引顾客。 ( 4 ) 水质处理：不仅用来处理自来水，还用来处理污水，河道，渔场，是 用自然物治理环境的极好例子 ( 5 ) 健康和美容上的应用：用竹炭制作枕头，有利于睡眠，竹炭浴和掺有 竹炭的美容霜具有特殊的皮肤护理功效。 7 1 4 本课题研究创新性 1 鉴于竹炭是一个新兴的研究领域，且目前处于商业先行而科学研究滞后的 状况，因此本课题研究内容将为目前应用的竹炭的机能性及机理以科学的阐述，并 提供理论支持，具有重要的科学价值。 2 本课题研究了当前生产上使用的竹炭烧制工艺与设备，两种类型的炭窑以 及相应的生产工艺：砖砌窑生产工艺和机械炉生产工艺。 3 本课题首次研究了竹炭对于水蒸汽的吸湿机理解释了多孔固体的吸附行 为及“滞后”现象。 金 2 实验室竹炭烧制试验 2 1 材料和方法 2 1 1 试验材料与仪器 1 ) 竹材 8 一l o 年生毛竹采伐自南京林业大学竹类植物园。经截断、标记、剖片后自然 风干。每根竹筒根据直径剖成8 一1 2 片，竹片长度以干馏釜长度为准。 2 ) 实验仪器： 干馏釜 马福炉 气体流量计 冷凝器( 球形，长6 0 c m ) 竹醋液计量器 洗涤器 液体收集器 变压器 热电偶 高温毫伏计( o 1 0 0 0 ) 外热式干馏装置如图1 ： l 。马福炉2 ，干馏釜3 。测釜外温度的热电偶4 。 贝l l 釜内温度 的热电偶5 冷凝器6 粗竹醋液计量器7 粗竹醋液计量器出 口 8 洗涤器9 气体流量计1 0 气体出口 图1实验室外热式干馏装置示意图 2 1 2 试验步骤 在装料前，首先备料，将完整的竹子剖成尺寸为( 2 0 0 2 5 0 ) x ( 2 0 3 5 ) x ( 8 1 0 ) m m 的试样，并清理好干馏釜，检查釜盖上的导气管是否堵塞，然 后将称重的试样装入釜中，要注意在料层中留有装热电偶的自由空间。最后在法 兰连接处用石棉绳作垫圈，盖上釜盖，反复拧紧螺钉，确保密封。将装好的干馏 釜放入电热炉中，接通冷凝回收设备，然后通电加热。在加热过程中，用调节电 压来控制升温速度，每隔5 m i n 在记录表上记录一次。加热开始时，电压要高些， 9 但釜外和釜内的温差不能大于15 0 ，当竹材发生剧烈分解时，应适当降低电压 或断电。待竹材热分解反应平缓时，重新加大电压。最后当釜内温度达到设定值， 保温3 0 m i n ，停止加热，拆除冷凝回收设备，将干馏釜从炉中取出，在空气中冷 却半个小时后出炭，称量。 2 2 结果与讨论 三种不同烧制温度( 5 0 0 、6 0 0 、7 0 0 ) 的竹炭升温曲线如图2 、图3 、 图4 ，液体、气体产物变化如图5 、图6 、图7 、图8 、图9 、图l o 。 p 赵 赠 p 划 赠 釜内( 外) 温度变化 1 0 3 05 07 09 01 1 013 01 4 015 01 6 0 1 7 5 1 9 5 2 1 5 2 3 5 时间( 分) ) i 二! 二笙堕塑鏖二竺二笙丛塑壁j 图2 最终热解温度5 0 0 时，釜内外温度变化情况 釜内( 外) 温度变化 1 03 05 07 09 0儿01 3 0 时问( 分) 仁= 萄两i 二j 砑j 面习 图3 最终热解温度6 0 0 时，釜内外温度变化 l o 喜|渤湖m o 渤m渤枷湖姗o p 蜊 赠 釜内( 外) 温度变化 1 6 01 7 51 9 0 2 1 02 5 03 l o 时间( 分) c + 釜外温度西一釜内温度f 图4 最终热解温度7 0 0 时，釜内外温度变化情 从图2 、图3 、图4 可以看出，一般情况下，釜外温度釜比釜内温度高，温差 不会超过1 0 0 摄氏度。当竹材在釜内炭化时，釜内温度有一段时间会超过釜外温 度，原因是竹材在到达自燃点的时候会发生剧烈的放热反应，导致釜内升温度速 度加快。 从图5 、图6 、图7 可以看出竹醋液在一段时间内流量较大，原因是有竹焦 油大量流出。从图8 、图9 、图1 0 可以看出气流流量在竹子发生剧烈放热反应的 时候变化最大，随着热解温度增加气体总流量增大。 = 占 i f 斌 竹醋液流量变化 8 01 0 01 2 0 1 3 5 1 4 5 1 5 5 1 6 5 1 8 5 2 0 12 2 5 2 4 5 3 4 5 时间( 分) 图5 最终热分解温度5 0 0 时，竹醋液流量变化 咖枷咖伽湖量墨。 鲫 如 加 。 1 8 0 1 6 0 1 4 0 o1 2 0 o1 0 0 咄唧8 0 嫣6 0 4 0 2 0 o 2 e u 口嘲 媛 竹醋液流量变化 6 08 01 0 01 2 0 1 4 01 6 02 0 02 4 03 0 0 时问( 分) 图6 最终热分解温度6 0 0 时，竹醋液流量 竹醋液流量变化 1 0 01 2 01 4 01 6 01 7 01 8 01 9 0 2 0 02 2 02 5 02 9 03 4 0 时问( 分) 图7 最终热分解温度7 0 0 时，竹醋液流量变化 气体流量 9 0l l o1 3 0 1 4 015 01 6 0 时间( 分) 图8 最终热解温度5 0 0 时，气体流量变化 2 加 如 如 o 2 e v 日创 蟋 2 5 血i 蠖 气体流量变化 7 08 09 01 0 01 1 01 2 01 3 01 4 01 5 01 6 01 8 02 0 02 2 02 4 02 7 03 0 03 3 0 时间( 分) 图9 最终热解温度6 0 0 时，气体流量变化 气体流量变化 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 01 6 01 7 01 8 01 9 02 0 02 2 02 5 02 9 03 4 0 时问( 分) 图1 0 最终热解温度7 0 0 时，气体流量变化 3 如 加 蚰 如 o 印们0 2 3 本章小结 一般情况下，釜外温度比釜内温度高，温差不会超过l o o 摄氏度。当竹材在 釜内炭化时，釜内温度有一段时间会超过釜外温度，原因是竹材在到达自燃点的 时候会发生剧烈的放热反应，导致釜内升温度速度加快。竹醋液在一段时间内流 量较大，原因是有竹焦油大量流出。气流流量在竹子发生剧烈放热反应的时候变 化最大，随着热解温度增加气体总流量增大。 1 4 3 生产上使用的竹炭烧制工艺与设备 竹炭的环境保护与卫生保健功能不断挖掘、开发，竹炭及其制品越来越引起 人们的重视竹炭产量日益扩大。为了保证产品质量，经过十年的探索与改进， 竹炭生产工艺与设备品趋完善。目前，生产上主要使用两种类型的炭窑以及相应 的生产工艺：砖砌窑生产工艺和机械炉生产工艺。 3 1 砖砌窑制炭工艺 3 1 1 砖砌窑结构 砖窑一般选择建在开阔、平整、土地质地结实，交通、供电、供水方便的地 方。图1 1 是典型的双窑结构示意图，图1 卜a 、图1 1 _ b 分别为俯视图及侧视图， 该类型窑纵深为3 4 米，单窑横向宽度为2 8 米，顶高2 5 2 7 米，窑壁厚度 为o 2 4 米。建窑时先在窑底铺垫一层1 5 2 0 厘米厚的石块，要求铺垫平整，石 块上再铺一层2 0 厘米厚的黄泥，黄泥上再铺一层砖块。窑顶上也铺一层2 0 厘米 厚的黄泥，以达到防潮、保温作用。烟道口尺寸一般为l o o c m 1 0 0 c m 。图l 卜c 是窑门的详图，窑门高1 5 米，底端宽o 5 米，上端宽o 4 米。窑门开有五个口， a 、b 口用来加柴和观察窑内火焰燃烧情况；c 、d 、e 是进气口，通过调节它们的 开口量控制窑内手 温速度。这种砖砌窑竹材容量为4 6 吨，一个周期燃料( 薪 炭材) 用量约2 吨。 一 j 。一 ，歹睦心 lu 、厂r 一 t 7 、一 - ( a )( b )( c ) ( 8 )俯视图( b ) 侧视图( c ) 窑门 1 烟道，2 侧壁a 、b 投燃料口，c 、d 、e 空气调节口 图1 1 双砖窑结构示意图 图1 2 是砖砌窑中竹材升温时的流动 示意图。 为了使竹材炭化过程中排出的烟 气不污染空气，必须采取治污措施，同 时还可以收集副产品。具体的做法是： 将一个瓦缸，打两个孔，一个为方形， 尺寸为l o l o c m ，一个为圆形，然后用 砖砌成通道，连接方孔和烟道出口。再 取4 5 根长度为7 8 米且去掉竹节的 毛竹，一端放入缸内，另一端向上斜伸 出并固定，然后缸口用塑料膜和泥土完 1 薪材2 薪材入口3 前窑壁4 全封闭。这样，窑内排出的烟气经缸体 竹材5 燃气轨迹6 砖窑硕7 后 后，再从毛竹内排出，烟气经过毛竹内 窑肇8 烟道 壁时逐渐冷却，形成冷凝水( 粗竹醋 液) 滴回缸内。用一根塑料管连接缸 体的圆孔，引出缸内的竹醋液，让其 流入容器进行澄清。如图1 3 所示。 3 1 2 生产工艺流程 竹炭生产工艺流程如图1 4 所示 图1 3 砖砌窑顶部的竹醋液回收装置 图1 4 竹炭生产工艺流程 1 6 3 1 3 原料要求 竹材从基部到梢部、密度、腔壁结构和组成物质都有一定的差异，同时竹材 的材性要受竹龄、立地条件和气候环境的影响，因此将竹材分成上、中、下三部 分处理。如有条件可结合竹龄和立地条件等分类。竹材中含大量的营养物质，很 容易发生霉变，要合理控制堆放原料时间，特别是在高温的夏季，尽可能在竹材 砍伐后尽快加工、干燥，达到要求的含水率后即装窑，以免影响竹炭的质量。 现在竹炭的产品种类很多，各个企 业都按照市场上产品的需求来选择原 料。对于竹筒炭要选用4 年生以上的竹 子，砍伐后按窑的特点锯断，然后进行 熏烟干燥或风干。竹材在进入窑前的含 水率一般为1 5 2 0 。如图1 5 所示。 用于竹片炭的原料，一般将竹子截 断后将其剖割成片状，所要含水率一般 为1 5 2 0 。对于竹屑棒，其进入窑前 的含水率一般为5 左右。如图1 6 。 3 1 4 生产工序介绍 1 ) 装窑 装窑是指所要烧制的原料按照窑型 的特点摆在窑内。窑门和竹炭原料之间 留有大约o 5 米的空间用燃烧薪材。图 1 7 是砖砌窑烧制竹简炭和竹屑棒炭时 装窑的过程。 2 ) 点火 点火是指将摆放在窑门后的燃料点 燃，烧着后，将窑门上部两个口封好， 留下面两个进气口，以便热气在窑内的 流通。如果燃料烧尽，要随时添加燃料， 并把烧尽的炉灰清除掉，防止堵塞进气 口。图1 8 示点火和点火后封闭的窑门。 1 7 图15 竹筒崭的原料 图1 6 竹屑棒炭的原料 图1 7 装窑现场 图18 点火和点火后封闭的窑门 3 ) 升温( 干燥、预炭化、炭化) 升温就是指每天折开窑门的进料口添加燃料以维持燃烧，在这过程中，窑内 温度必须缓慢升高，如果升温过快，就会引起竹材或竹屑棒破裂。点火7 8 天 后，窑内的温度须控制在竹材或竹屑棒自燃点以下。这时应该注意窑内的温度变 化，如果已经达到自燃温度，就要减少或停止加燃料。般用砖块堵烟道口和进 风口来控制窑内温度变化。图1 9 是升温过程的温度变化曲线。 4 ) 精炼 精炼这一过程是通过迅速提高温度来达到提高竹炭的质量，增加硬度。当升 温结束后，开打窑门进气口、多加燃料加快其升温。在这过程中，不能在短时问 内将窑门进气口完全打开，时间要控制在2 4 小时左右，使竹炭充分收缩。在精 炼结束后，再开窑门1 2 小时，这样可以把窑内炭的温度提升到1 0 0 0 或以上。 图2 0 是精炼温度曲线，精炼可根据曲线上的温度来控制开始和结束。图2 l 是精 炼结束后开启的窑门。 p 一 世 赠 8 0 0 7 5 0 7 0 0 6 5 0 魁6 0 0 赠5 5 0 5 0 0 4 5 0 精炼前的升温曲线 l35 791 11 31 51 71 92 12 32 5 2 7 时间( 天) 图1 9 竹炭烧制过程中的温度变化曲 精炼温度曲线 3 45678 时间( 小时) 图2 0 精炼过程中窑内温度变化曲线 5 ) 封窑 精炼结束后窑门用泥浆完全密封起 来，让窑内的竹炭自然冷却，如密封不好， 窑内的竹炭容易发生氧化，冷却时间与气 温有关，通常需要5 6 天。图2 1 是封闭 的窑门。图2 2 是冷却后窑门的竹炭。 图2 l 精炼后期开启的窑门 渤删蚕|啪娜枷mo 6 ) 出窑 出炭时不可以把窑门很快完全打开，应先打开一部分，再过一段时间，如果 窑内炭不复燃，再将窑门全部打开，出炭时窑内温度不能过高，否则竹炭很容易 折断。 图2 2 精炼结束后密封 图2 3 冷却后窑内的竹炭 3 2 竹屑棒生产工艺 3 2 1 基本工序 竹屑棒生产工序是：原料一粉碎一筛 选一千燥一输送一挤压成型 3 2 2 原料 竹屑棒主要是利用竹材加工的剩余物 ( 刨花、碎料、锯屑等) 以及少量竹梢和 竹蔸，一般要达到气干含水率以减少干燥 时燃料消耗。图2 4 是竹材加工剩余物。 图2 4 竹材加工剩余物 3 2 3 粉碎 粉碎工序是将加工剩余物送入粉碎机，粉碎后用筛子进行筛选，筛选后的竹 碎料尺寸要在l o 目以下。图2 5 是竹碎料加工流程图，从图中可以看出，粉碎后 的物料由皮带运输机运用入筛子，筛选后，1 0 目以下的碎料由另一皮带运输机 运到垂直管道处，大于1 0 目的少量物料将再粉碎。热风炉向垂直管道内输入热 风，热风与竹碎料在垂直管道内混合，通过气力输送装置将物料干燥并且送入料 仓。皮带运输机输送速度为5 0 米分钟，滚筒的直径为0 。7 米。进入垂直管道的 热风温度为8 5 。图2 6 是竹碎料粉碎机工作图。 3 2 4 干燥 1 粉碎机2 4 皮带运输机3 筛子5 垂直管道 2 6 。旋风分离器7 料仓 8 成型机9 热风炉 图2 5 竹屑棒加工流程图 图2 6 粉碎机送料 图2 7 螺旋挤压成型机 竹碎料通过气力输送装置在垂直管道内干燥，然后经旋风分离器分离空气后 落入料仓。竹屑进入成型机前的含水率为4 5 。 3 2 5 挤压成型 竹碎料通过料仓进入螺旋挤压成型机，成型机由电加热至1 4 0 1 6 0 ，在此 2 l 温度下竹碎料塑性增加，通过螺旋压成棒状。 棒，竹屑棒作为竹屑棒炭的原料，可用 砖砌窑或机械炉烧制。 3 3 机械炉制炭技术简介 3 3 1 机械炉结构 图2 8 是一种机械炉，其直径2 3 米， 高度2 5 米。壳体为厚铁皮卷成圆形， 内部衬有耐火砖。出进料口一个在炉体 上部，一个在炉体下部，下进料口也用 于燃烧燃料。4 个热电偶温度计两个位 于炉体上部，两个位于下部，用于测试 不同点的炉内温度。根据反馈的炉内温 度及时调节燃烧状况，从而控制产品质 量。图2 9 为机械炉外形。 3 3 2 生产工序简介 机械炉生产工艺与砖砌窑基本相 同，目前主要用于生产竹屑棒炭。其主 要工序介绍如下： 1 ) 装窑 原料先从下料口装入，当装到近一 半时，再从上进料口装入，装满后将上 进料口盖好密封。 2 ) 点火 图2 7 是成型机挤压竹碎料成竹屑 123 1 烟道2 上进料口3 耐火砖 4 热电偶5 炉体6 下进料口 7 燃料添加口8 出灰口 图2 8 将摆放在炉栅上的燃料点燃，燃料 可以是薪炭材或煤。点火后不断添加燃料。 3 ) 升温 升温初期的目的是提高炉体温度同时去除 原料中的水分。升温太快会导致原料开裂，要 求2 4 小时升温至比较适合干燥的温度1 4 0 1 6 0 。当机械炉内温度达到1 8 0 时，炉内的原料 开始局部炭化，当机械炉内温度达到4 5 0 时， 烟道口开始冒青烟，这表明炭化过程已经基本 完成。竹子原料中有大量含竹焦油和竹醋液的图2 9 机械炭炉外形 分解溢出，在这一阶段升温不宜太快，应尽量 保持竹焦油溢出速度与原料的炭化速度平衡。图3 0 是机械炉升温、炭化、及精 炼过程中炉内温度变化曲线。 一 p 一 蜊 赠 oo 511 522 533 544 555 1 时间( 天) 图3 0 升温、炭化和精炼过程中炉内 4 ) 精炼 精炼需