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,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,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：4001000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。,3、木材热解的原料,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。当温度降到度，就可以让客人进入窑内桑拿,公斤林木出公斤炭，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）,5、木材热解过程,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(150275)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(275450),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),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,-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,-工艺流程,木材干馏,-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,-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,-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,-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,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,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,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,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,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,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,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300350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（850950）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300700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。一般烧制温度愈高，灰分含量愈大，由阔叶材烧制的木炭其灰分含量比针叶材高；树皮含灰量比木材高。,木炭的用途,1.冶金工业以前木炭就用来冶炼铁矿石，木炭与焦炭熔炼的生铁，用木炭生产的生铁含杂质少，适于生产优质钢。在有色金属生产中，木炭常用作表面助熔剂，当有色金属熔融时，表面助熔剂在熔融金属表面形成保护层，使金属与气体介质分开，既可减少熔融金属的飞溅损失，又可降低熔融物中气体的饱和度。大量木炭还用于结晶硅生产，生产结晶硅用的木炭不应含有生炭头和过多的灰分。2.渗碳剂的制造凡是要求表面具有较高的硬度和耐磨性，而中心具有良好韧性的所有钢制品都要进行渗碳。用来对钢制品进行渗碳作用的含碳混合物称为渗碳剂。单纯木炭的渗碳效果较差。因此常用木炭作为原料，再加入一定数量的接触剂，制成渗碳剂。3.二硫化碳生产生产1吨二硫化碳约需0.5吨的木炭。4.木炭砖的压制用压制木炭砖的方法能使价值很小的碎木炭变成优质燃料。木炭砖具有吸湿性和吸水性小、比重大和热值高的优点，而且在使用过程有很高的机械强度煅烧过的木炭砖在燃烧时无烟，不产生炭尘。木炭砖可用于冶金、移动式气化炉等。,炭疗就是采用备长炭为原料的一种炭窑保健，利用烧炭过程中遗留下来的热能、远红外线、负离子，从而加速细胞新陈代谢，刺激汗腺，将毒素从体内排除。炭疗对肩周炎、关节炎、风湿、腰肌劳损、更年期综合症、成年人亚健康等病症有明显的帮助,第二节活性炭,园柱形颗粒活性炭,对各种气体有强大的吸附力、具有吸毒性、可应用于溶剂回收及代替粉状炭在固定床中脱色、精制、除臭。特别是在净化空气、净化饮用水、废水处理等方面具有独特作用。,一、概述,1、定义：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。2、原料：多种含碳物质都可以用来生产活性炭林农副产物：木屑、木片、坚果壳、果核等；矿物性原料：泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤等；工业性有机废弃物：煤沥青、石油沥青、纸浆废液、水解木素、废塑料、废橡胶、动物血液等等。实验室有时用砂糖、合成树脂等原料，研制灰分含量很少的活性炭。,概述,活性炭,粉状活性炭：小于O.18mm的颗粒占多数的活性炭,颗粒活性炭,3、分类（依外观形状）,成型颗粒炭,不定型破碎状颗粒炭,圆柱状,球状,纤维状,毡状,峰巢状,概述,活性炭,木质活性炭：包括果壳、果核等,煤质活性炭,分类（依原料性质分）,骨炭,有机废料炭,其他活性炭,概述,活性炭,糖用炭,药用炭,分类（依用途分）,催化剂载体炭,净水炭,化学炭,物理炭,依活化方法分,活性炭,（化学药品活化法）,（气体活化法）,建筑炭,高能调湿炭包万用炭布住宅地面空间调湿产品家俱和住宅隔断使用的防潮、隔音、防电磁波、防霉、除臭产品,办公绿化炭,名称：壁炭毯说明：吊顶隔断使用的炭毯,竹炭机能与环境关系,生活保健木炭值得关注的成分，首推矿物质，树木经过长年生长，从泥土中吸收了含有各种各样物质的精华，经过木材的碳化过程，把矿物质保留在木炭中。,净水炊食炭系列,竹炭（五片入）竹炭（100克装）,沫浴系列,竹酢洗颜皂俻长炭卸妆皂竹炭清脂皂,俻长炭沐浴乳竹醋液洗颜乳俻长炭洗发乳,泡澡炭包,炭工艺品,十二生肖挂件手机链,钥匙扣风铃炭项链,炭茶简介,一种全新的引入纯天然环保健康理念的有机茶，该产品从土壤改良和茶树栽培，到茶树管理以及制茶工艺、包装储藏方式、泡茶用水都结合采用了全新的健康环保新基材“炭的生活、竹炭和木炭的应用技术。一、土壤改良和茶树栽培以竹木炭粉和颗粒作为茶树土壤改良的过滤基材，增强了土壤保水保肥性，使土壤透气不板结，并让茶树根系所吸收的养份得到充分过滤，有效的防止了茶树对有害金属、农药等有毒化学成分的吸收，从而保障了茶叶品质的优良。二、茶树管理在茶树管理中，采用了最新的有机农化技术。以竹、木材在烧炭过程中提取的“竹醋液”和“木醋液”（含有500多种有机质，PH值2.5-3.1）为主要载体，添加多种植物提取液如大蒜素等，用作茶树的营养液和害虫防治，避免使用化学农药和化肥，从而保证了茶叶的无农药残留。,三、制茶工艺在制茶车间中放置了适量的备长炭、竹炭（每立方米大于0.6kg），以达到调节湿度、净化空气、增加空气中的负离子含量的效果，在此特殊的“备长炭屋”中，结合传统制茶工艺，并使用了备长炭来烘干茶叶，更增添茶叶的香气和滋味。,四、包装储藏方式1、茶叶采用真空包装，在小包装袋中添加适量的高温竹、木炭粒子，可以使茶叶品香稳定，并在冲泡时改良水质，使茶水入口顺滑香甜。2、有机炭茶的标记为：炭茶CHARCOALTEA.3、茶叶储藏时与“备长炭包”置放在5-10环境下进行调温调湿保鲜，防止茶叶吸收异味，并延缓茶叶生化成分发生化学变化，使茶叶滋味醇和可口，更有可能提升茶叶的滋味品质。五、泡茶用水七分茶三分水，好茶要用好水泡。泡茶用的水要用备长炭或竹炭浸泡烧制，这样竹炭可以吸收水中氯离子和其它有害杂质，达到净化水质，缩小水的分子束，并使硬水软化的功效，这样泡出的茶效果更佳。,4、活性炭的用途,规格品种多、使用针对性强是产品的一大特点作为吸附剂和催化剂载体在工业上广泛应用A、活性炭应用于液相吸附食糖、峰蜜等的精制，除去色素、发色体、灰分、亲液胶体、生成胶体的菌类，提高产品纯度；酒类加工，除去醛类、酯类和产生气味的物质，防止浑浊油脂精制，各种食用油和一些工业油如蓖麻油等的精制，以除去色素、杂气味、皂类和黄粉等。,用途A-用于液相吸附,制药工业用于抗菌素、解热药、维生素、磺胺药、生物碱、激素、注射针剂等的精制，除色素、杂质和热源等冶金工业用于精选铜矿，有色金属提纯，回收金、银、钯等贵重金属；环境保护用于饮用水的除杂味、气味、除氯等净化；用于废水处理除去有机药品和有害的无机化合物。,用途B-用于气相吸附,回收溶剂：回收生产过程中使用的各种挥发散失的溶剂，以便返回再用，并可使车间中的溶剂浓度保持在爆炸极限以下：如回收甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、异丙醇、乙醚、甲乙酮、丙酮、乙酸乙酯、石油等净化气体：工业上用来净化排出的有害气体，防止环境污染及回收利用有用物质，如回收排气中的硫以制硫酸。国防和民用工业中用作防毒面具，防御毒气和有害气体。核工业上，在核反应堆操作中吸附混入保护气体中的氩和氮，也吸附漏入的放射性氙和氪,用途C-作催化剂和催化剂载体,主要用于合成纤维、合成氯乙烯、植物油的异构化、松香歧化和氢化，制造过氧化氢，使硫化氢转化成元素硫等其他用途：如农业上能促进氮的生物固定作用；作防腐涂料的填充剂；制造锌空气电池的去极剂；日常生活:香烟过滤嘴、冰箱除臭剂，防臭鞋垫,5、活性炭的生产方法,化学药品活化法,气体活化法,混合活化法,气体活化法,定义：是用水蒸气、烟道(二氧化碳)气、空(氧)气或它们的混合气体作为活化剂生产活性炭的方法，又叫物理法。优点：可生产颗粒、粉末等各种活性炭；产品的纯度高，不含化学杂质；生产过程中，对环境基本无影响缺点：原料消耗量很大，10-12吨秸秆原料-1吨活性炭,化学药品活化法,定义：是用氯化锌、磷酸等无机药品为活化剂生产活性炭的方法，简称化学法。优点：缺点：环境保护和设备腐蚀等问题；目前在活性炭生产中仍占有相当重要的地位。,6、活性炭的再生,定义：使吸附达到饱和状态，失去吸附能力的活性炭恢复活性，恢复吸附性能的操作。物理吸附：加热法（用水蒸汽）化学药品处理法：化学吸附：再生能力差，大多需高温、再活化处理。,混合活化法,定义：是把气体活化剂和化学药品活化剂配合使用的活化方法，常用于生产特种活性炭。优点：有将化学药品活化后的物料再用气体活化剂活化的两步活化法，以及把原料用化学药品处理后再用气体活化剂活化的一步法两种方式。此法在生产上用得不太普遍。,国外活性炭生产使用及发展概况,产量：世界活性炭的年产量约70万t，其中一半以上是由美国、日本及西欧经济共同体等工业国生产，并且，绝大部分供各生产国自己使用，出口数量很少。生产方法：以气体活化法，特别是水蒸气活化法为主。美国曾用磷酸法，日本及西欧仍用氯化锌法生产部分粉状活性炭。近年来，化学法发展缓慢，而物理法及颗粒炭发展较快。,国内活性炭生产使用及发展概况,产量：1998年上升到10万t以上。国内除少数几个省、区外，都建有活性炭生产厂。原料：以木屑、木炭、果壳、果核等木质原料生产的活性炭约占总产量的一半左右。生产方法：气体活化法和化学药品活化法所占的比重大体相当。以木炭、坚果壳(核)及煤为原料的活性炭厂，使用以水蒸气、烟道气为主的气体活化法生产；以木屑等为原料的工厂，大多采用化学药品活化法生产粉状炭，并且主要用氯化锌作活化剂；近年来，部分工厂开始使用磷酸作活化剂。,二、活性炭的微观结构,1、游离态碳的三种存在方式结晶态：碳原子排列得非常有规律（金刚石、石墨）微晶质碳：化学组成中碳含量都在8095；结构中含有石墨状微晶（活性炭、木炭、焦炭、炭黑、无烟煤等）无定形碳（非组织碳）：沥青,石墨的结构,(a)(b)(