木材炭化与干馏.ppt

1、,林产化工基础教研室 马艳丽,2.*木材炭化与干馏,2.1 林产植物原料的干燥,2.2 木材炭化,2.3 木材干馏,一、植物原料含水率 1.木材中的水 （1）自由水：存在于细胞腔和细胞间隙中。 只与体积密度、燃烧性有关，与干缩 湿胀、力学性质无关。 木材干燥时，自由水首先蒸发。 （2）吸附水：存在于细胞壁内。不仅与体积密度、燃烧性有关， 而且与干缩湿胀、力学性质有关。木材受潮时，水首先进入细胞 壁内。 （3）化合水：化学成分中的结合水(量少),2.1 林产植物原料的干燥,木材中的水分大部分为自由水和吸附水，而化合水很少。木材干燥时首先是自由水跑掉，而后是吸附水跑掉。木材受潮时，先是细胞壁吸水细

2、胞壁吸水达到饱和后，自由水才开始吸 入。,纤维饱和点这个概念，对于我们研究木材性能很有实用价值。当木材含水量在纤维饱和点内变动时，木材的许多物理力学性能也随之改变，达到纤维饱和后这些性质的改变也自行停止。,2.木材的纤维饱和点：当木材中无自由水，而细胞壁内吸附水达到饱和时，这时的木材 含水率称为纤维饱和点。通常2535,3.木材的平衡含水率 平衡含水率:在一定温度和湿度环境中，木材中的含水量达到与周围环境湿度相平衡时含水率。 北方：12 南方：18 长江流域：15 达到相平衡时含水率的木材，性能相对比较稳定，因此平衡含水率是木材加工、使用时的控制点。以免使用时由于含水量变化而引起木材各性能的改

3、变。 4.标准含水率：15%,但在纤维饱和点以内时，则表明水分都吸附在细 胞壁的纤维上，它的增加或减少才能引起体积的 增大或缩小，即只有吸附水的改变才影响木材的 变形。,木材干燥是木材热解的预备阶段，木材的最佳含水率是10%15%。 生产规模小的企业一般采用木材风干，即天然干燥。 （一）木材干燥的基本理论 木材中的水分在干燥阶段并不能完全除去。 一般在空气相对含水率为100%的情况下，T为100 时，木材的平衡含水率为20%。 木材在干燥过程中，一定程度木材中所含水 分不随与载体接触时间的延长而变化，此时的含 水率的数值称为平衡水分。,二、原料干燥,木材干燥分为三个时期：,1.干燥速度不变时期

4、（恒速干燥时期又称外部扩散作用时期） 特征：自由水表面蒸发，干燥速度不变。 湿木材干燥初期，自由水和吸着水同时存在，整个木材表面蒙有 一层薄薄的水膜。 木材干燥开始时，水分从木材表面蒸发后，能迅速通过大毛细管 依靠木材内部的水扩散到表面进行补充，木材表面的水膜保持完整性。,二、原料干燥,在木块大小等性质不变的前提下，干燥介质与木块的接触面积不变。 此时期的干燥速度取决于干燥介质的温度、湿度和流动速度。 此阶段耗费时间：主要取决于原料木材的含水量。 自由水含水量越多，木材含水率越高，恒速干燥时间越长。,2.干燥的中间时期（自由水从细胞腔中蒸发过渡到结合水蒸发） 特征：干燥过程由蒸发自由水过度到蒸

5、发吸着水。干燥速度和木材含水率分别呈直线变化。由b开始到C结束。 随着木材中自由水蒸发，当自由水的扩散速度小于木材表面水分蒸发速度时，木材表面水膜开始消失，出现个别的干燥部分。干燥过程便由恒速干燥进入到中间时期。 随干燥的进行进一步逐渐减小，直到C点，木材表面全干。 含水率变化范围35%-20%左右。,3.内部扩散作用时期 特征：木材表面是干燥的，但是木材内部空隙中含有相当的水分。此时期水分蒸发除了要达到饱和蒸汽压外，还要克服水分由木材内部扩散到表面的传质阻力。 一般木材含水率在30%以下，干燥过程直接由2.3过程开始进行。 干燥后期，木材中所含有的水分蒸发速度降低，木块表面形成已达平衡含水率

6、的干燥层。 进一步干燥时，木块内部的水分要由干燥层内部扩散到木材表面才能蒸发，同时干燥层厚度逐渐增加，导致水分扩散速度又逐渐下降，干燥阻力逐渐增大。 当木块中心的含水率达到平衡含水率时，干燥速度为零，干燥过程结束。,三、植物原料人工干燥设备,*常见的干燥设备有(隧道式)、(回转式)和（气流干燥式）干燥装置。 （一）隧道式干燥装置：半连续式干燥器 由多辆料车和隧道式干燥窑组成。 干燥介质用180220废烟气，氧含量1214%。,缺点： 干燥器与小车之间的空间大，与木材接触不好，介质不能充分利用。 整个隧道中干燥介质分布不均匀 干燥时间长。 这种干燥器一般与车辆干馏釜配套使用。,（二）回转式干燥装

7、置,本体是卧式回转圆筒，通常用钢板卷制。直径12m、长度1015m。其 轴线与水平倾角为15 。在筒体外大齿轮的带动下，以15r/min。,优点：操作简单、运行稳定，可连续也可间歇干燥作业。 缺点：物料停留时间段，不适于干燥块度较大物料。,常用于干燥木片、果壳、木屑等散粒状物料。 干燥程序： 木屑类原料由炉尾进入回转圆筒内，随着筒体的转动逐渐向炉头移动，在移动过程中与炉头进入的热烟气直接接触干燥，最后由炉头卸料。废烟气由炉尾排除。 物料停留时间为0.52h 。,（三）气流式干燥装置（连续干燥装置）,主要由风机、加料器、干燥管、旋风分离器等构成。 含水40%50%的木屑，随160 热风以 15

8、m/s 的流速通过直径0.3m、长19m的 干燥管以后，木屑的含水率即可降低至 20%25%。 适用于干燥粒度很小的原料。,1.定义：在有限制供给少量空气的条件下，在炭化装置内使林产植物原 料热分解的操作过程成为木材炭化。,2.2 木材炭化,一、木材炭化的概述,二、炭化过程 （略）,木炭碎粒,三 、木材炭化装置,（一）炭窑烧炭,土窑地面形貌,木材的堆放,进火口炉栅,P 390 移动式炭化炉由炉体、炉顶 盖、炉栅、点火通风架及烟 囱等部分构成。 目的： 克服建筑土窑劳动强大受 季节影响、得率低等缺点。,（二）移动式炭化炉,一、生产工艺,原料风选加料炭化出料 风选的目的：除沙石、土块 加料：用提升

9、机送至炉顶加料槽，依靠重力进入炭化槽。 出料：1 / h 出料加料各1次。 炭化温度 450 -460 得率 25%-30% 灰分 2% 挥发份为 8%-15%,（三）果壳炭化炉,1.预热段 2.炭化段 3.耐热混凝土预制板4.进风口 5.冷却段6.出料器7.支架8.卸料斗9.烟道10.测温口,椰壳炭化料,每台炉由两个立式炭化槽组成。 从加料到出料，分为三个阶段： 第一阶段：预热阶段 高1250mm 第二阶段：炭化阶段 用耐热混凝土预制块筑成槽，炭化槽外是烟道。烟道内用隔板分3层。这四个管口进空气的旁烟道，空气由栅孔进入炭化槽炭化后的混合气体，通过栅孔进入主烟道最后排入烟囱。炭化产生的气体及时

10、通过炭化槽的栅孔进入烟道被燃烧。 第三阶段：冷却段 800mm 炭在此自然冷却后通过出料器，排入炭贮槽。为了防止炭在贮槽内自燃和保证底部密封在炭槽底部需要通入少量水蒸气。,二、生产设备,三、优缺点 优点：果壳炭具有强度高，吸附力强，杂质含量低的优点。 缺点 ：生产效率低，每次装料1.3-1.4吨，400kg。,为什么通入少量水蒸气可以起到冷却和密封作用？ 答：水蒸气预热汽化带走一部分热量，炭遇水成糊儿，有承担一定重量的能力。,（四）其他炭化炉,斯列普炉,1. 立式多槽炭化炉,工艺过程（略） 1.操作条件： 点火：燃烧室点火，炭化槽升温至300开始投料炭化。 炭化： 炭化槽冒白烟废弃中有大量水分

11、，进入干燥阶段。 120 150 。 冒黄烟木屑开始热解，进入预炭化阶段。 150 275 。 冒青烟大量分解，进入炭化阶段。 275 450 无烟 物料呈暗红色。 无火星炭化阶段结束。,炉温：700 - 800 炭化时间：4-8 h, 设备结构： 材料内部用耐火砖、外部用青砖砌成。 每炉五个燃烧室。 14个炭化槽和15个烟道。 15个烟道每3个与1个燃烧室相连。 烟气将热量通过隔直接传给炭化料。 炭化产生的蒸汽从顶部排气罩排空。 加热的燃烧烟气分5层，曲折上升至顶部。 原料由炉顶加料室加入。 每个炭化槽有一个卸炭口，在燃烧室的后面。,优点：结构简单，砌造易掌握操作。 缺点：得率低，12%20

12、%之间。,流态化炉又称沸腾炉。 利用流态化原理炭化微小颗粒状木质原料的炉型。 用螺旋加料器将微小颗粒状木质原料送入立式圆锥或圆筒形 炉膛下部后，被炉膛底部进入的空气鼓动呈流态化状态进行炭化 ，生成的蒸汽气体混合物和木炭颗粒随气流由炉膛顶部出料进入 旋风分离器中捕集木炭后，再用冷凝器回收木醋液，不凝性气体 导入加热炉中燃烧作为炭化的辅助热源。,流态化炉,2. 流态化炉,钢板卷制的细长筒状卧式炉。 颗粒物料从炉膛一端进入，通过炉膛内的螺 旋推进器，不断向另一端移动过程中完成炭化 作用。,3. 螺旋炭化炉,适于炭化微小颗粒物料,回转炉结构类似回转式干燥装置，多为内热装置。 适用于颗粒状或小块状物料的

13、炭化。 原料由炉尾进入回转炉炉膛中，在随炉体转 动的过程中被炉壁带到一定高度以后落下，炭 化后固体物料从炉头出料装置卸出，产生的蒸 汽气体混合物随废烟气从炉尾导出，经处理后 排出。,4.回转炉,四、 木炭的性质,除C还有H,O等元素，在400900 之间，每隔一百度取一次值分析，（350 纤维素分解，450 煅烧开始）。 最后得出的结论： 相同热解温度下，木炭元素组成和产量由炭化终温决定，与原料种类无关。 随着炭化温度升高，木炭中固定碳C%，H%、O%。木炭得率降低。,（一） 木炭质量标准（略）,（二） 木炭的元素组成,固定碳：在规定的高温下（850 -950 ），不通入空气进行煅烧时的无灰分

14、木炭。 实际测试方法：传统方法坩埚、喷灯、电炉，但现在一般用微波马弗炉来做，通入氮气做保护。 木炭固定碳的含量，用下式计算： C=(1-V-A)100% 式中： C固定碳含量（%）； V挥发分含量（%）； A灰分含量（%）,（三） 木炭的固定碳,木炭的挥发分主要指木煤气的成分，CO、CO2、H2 、CH4和 其他硫氧化物称为挥发物。 方法：绝干木炭在坩埚中 250 马弗炉中隔绝空气加热7min。 在300 -700 随着炭化温度，CO、CO2、CH4含量逐渐降低，H2 。 此时木材炭化时若有O2存在，只要在200 -300 就可使木炭得率降低10%以上。,（四） 木炭的挥发分,（五） 木炭的灰

15、分,木炭的灰分是无机组成部分，一般为白色或淡红色。 灰分由多种金属氧化物和盐类组成，来源于木材中的无机成分。 随烧制温度、树种、被炭化木材木块与树皮的比例，烧制温度越高，灰分含量越大； 另阔叶材烧制的木炭其灰分含量比针叶材高； 树木的不同部位，烧制的木炭灰分含量也不同。,木炭的机械强度：表示木炭对压碎和磨损的抵抗能力。 分为耐压强度和耐磨强度。 有些特殊场合，例如冶金工业过程中使用的还原炭。 在生产过程中如果木炭机械强度不够，木炭变为碎屑的话，气体难以通过炉料会发生事故。 木炭机械强度受那些因素影响？ 原料树种； 方向性差别（压力方向）； 最终温度； 时间（干燥和炭化时加热速度）。,（六） 木

16、炭的机械强度,2.木炭的真密度 木炭真密度：表示扣除孔隙体积以后无孔木炭的密度。 主要受炭化最终温度的影响，与树种的关系不大。,（七） 木炭的密度、真密度及孔隙率,1.木炭的密度 受原料树种、炭化的最终温度和炭化速度的影响。 一般的，原料密度大，其制成的木炭密度相对也大。 无孔木炭的比重为1.351.40g/cm3,木炭的孔隙率是指木炭中孔隙体积占总体积的百分率。 它表示木炭中孔隙的发达程度，一般数值70%。,3.木炭的孔隙率,（八） 木炭的发热量、导热系数及热容,1.木炭的发热量,木炭发热量的计算公式： Q=339.9C+1140.1H 式中：C绝干木炭的碳含量（%）； H绝干木炭的氢含量（

17、%）,木炭的发热量随炭化终温的升高而升高。,通常，木炭炭化终温在700 ，由于焦油的二次分解，炭化终温越高，固定碳含量越高，即为碳素含量高，发热量也较大。,2.木炭的导热系数 木炭的导热系数具有方向性，沿纤维方向导热性较垂直于纤维方向的导热系数大。其数值随树种及炭化终温而异。 木炭的纵向导热系数通常为0.81.1kJ（mhC）， 横向导热系数通常为0.30.5 kJ（mhC）。 3.木炭的热容 木炭的热容随温度的升高而增加。水分的存在对热容影响很大。,木炭的反应能力是指在木炭煅烧过程中，使CO2还原成CO的能力。 C+ CO22CO 此反应是发生在气固二相之间的多相反应，反应速度由两相间相互接

18、触 发生反应的表面积大小和反应温度。 木炭是不均一的多孔物质，木炭的反应表面积很难确定，因此以表观反应速度常数表示木炭的反应能力。 通常，木炭的反应能力比焦炭的反应能力大。,（九） 木炭的反应能力,表观反应速度常数公式： 式中：KG表观反应速度常数cm3/(gs); V CO2供给速度（cm3/s）; g 试样中含碳量（g）； T 反应温度（K）； T1 室温（K）； R 气体的转化率 R 以下式计算： 反应产物中CO的相对含量,木炭的电阻很大，其电阻值受树种及炭化终温影响。 一般为10101012cm 顺纤维方向电阻只有垂直纤维方向电阻的1/51/3. 木炭的导电性随温度的升高而增加，但温度

19、高于800 以后，导电性的 增长速度减慢，原因是由于木炭中挥发分几乎被完全分离,（十） 木炭的导电性,木炭的孔隙结构发达，可以吸附空气中的氧气，放热导致木炭升温。 若高至着火点时，便发生自燃。 木炭卸料时如果冷却不充分，卸炭后也易自燃。 注意事项： 1.木炭生产中避免使用腐朽材（ 原因：腐朽木烧制的木炭质地疏松，孔隙率大存储易成碎块和碳粉，不利散热较正常木炭易自燃。） 2.木炭存放要筛去粉末 （防止粉末堆积不易散热） 3.含水率高的木炭不进库 （木炭中的水分可以加快木炭氧化进程）。,（十一） 木炭的自燃及预防,1.冶炼铁及铁合金 优点：木炭冶炼的生铁杂质含量少，质地紧密均匀质量好，更适于生产优

20、质钢。 木炭作为氧化铁的还原剂，催化反应温度低。,五、木炭的用途,承担社会责任,消减峰谷差,拓展电力市场,改善能源结构,五、木炭的用途,2.冶炼有色金属 优点：木炭冶炼有色金属做表面助溶剂，在金属表面形成保护层，将金属与空气隔离。,3.冶炼有色金属 优点：木炭冶炼有色金属做表面助溶剂，在金属表面形成保护层，将金属与空气隔离。,承担社会责任,消减峰谷差,拓展电力市场,改善能源结构,五、木炭的用途,木炭氧化成CO，在生成CO2的同时放出原子态C， 与钢件表面Fe生成Fe3C并溶于奥氏体中，在逐渐向零件 内部渗透，使零件表面碳含量增加。,BaCO3+C BaO+ 2CO BaO+ CO2 BaCO3

21、,反应中为保证足够CO的浓度，需加入适量的BaCO3或Na2CO3 、K2CO3,O2+C 2CO 2CO CO2+C,木炭是制造二硫化碳的优质原料。 CS2 是挥发性无色液体，易燃、有毒、具有强折光性，沸点46，凝固点-109 。 对硫、磷、碘、生橡胶、各种油脂及树脂类物质具有良好的溶解性能，常用作溶剂。广泛用于人造丝、玻璃纸、橡胶轮胎帘子线等，还用于制造四氯化碳、黄原酸盐等生产中。,选材条件,原料密度及机械强度大 挥发分含量少 固定碳含量高 灰分及水分含量低 通常采用阔叶木炭作为原料。,制备过程：在800 硫磺蒸汽通过高温木炭层，生成CS2。,1.生产活性炭 2.作燃料 3.木炭在农林业中

22、的用途（吸附缓释肥料，土壤通气，保持水分） 4.其他：饲料，研磨剂（景泰蓝研磨抛光）,定义：在隔绝空气的条件下，让木材在干馏釜中进行热分解，以制取甲醇、醋酸、丙酮、木焦油抗聚剂、松焦油、木炭及木煤气等多种化工产品的方法。 木材干馏过程 分为四个阶段：干燥、预炭化、炭化和煅烧阶段。 （1）干燥阶段：T150 ； 化学成分：水分的蒸发，含水率下降； 木材化学组成基本不变。 *馏出液： 水 直接排入,2.3 木材干馏,一、木材干馏的概述,（2）预炭化阶段： 150 T 275 化学成分：木材主要组分开始发生明显的变化。 *馏出液： 水，少量醋酸、甲醇、木焦油及其他有机物质。 生成的不凝性气体中除了C

23、O2外，CO和CH4逐渐增加。 颜色变为褐色。 （3）炭化阶段：275 T 450 *化学成分：木材主要组分开始发生明显的变化。 *馏出液：醋酸、甲醇、木焦油及其他有机物的含量很高，气体产物中CO、H2和CH4 木材的主要馏出物几乎都在此阶段生成。 （4）煅烧阶段：450 T 降低木炭中挥发份含量，提高固定C，增加木炭的强度。 * 馏出液和不凝性气体的产量已经很少。,一、木材干馏的概述,木材干馏产物,其产率约占绝干原料的4550%,其产率约占绝干原料的3338%,其产率约占绝干原料的1618%,木醋液,木炭,木煤气,二、木材干馏的产物,甄别：,木材干馏与木材炭化的区别：,在有限制供给少量空气的

24、条件下，在炭化装置内使林产植物原料热分解的操作过程称为木材炭化。 在隔绝空气的条件下，让木材在干馏釜中进行热分解，以制取甲醇、醋酸、丙酮、木焦油抗聚剂、松焦油、木炭及木煤气等多种化工产品的方法称为木材干馏。 干馏条件相同时，针叶材木炭产率高于阔叶材。,P381 图,(一)木炭,木材干馏后残留的固体产物是木炭。 通常占绝干原料木材重量的33%38%。,木炭在275 以上的高温下生成。 产率随树种及干馏的最终温度而异。,其产率占绝干木材重量的4550%,沉淀木焦油,澄清木醋液,粗松节油,针叶材粗木醋液,（二）*粗木醋液,醋酸来源于木材组分中的乙酰基和低聚糖的热分解。,甲醛、乙醛、糠醛等初级分解来源

25、于木材组分中的纤维素、半纤维素及木质素热分解，也可通过二次反应生成。,丙酮、酯类物质是由二次分解生成的。,*阔叶材的粗木醋液静置后只有澄清木醋液和沉淀木焦油二层。,粗松节油,红褐色液体。相对密度为0.95 1.02. 主要成分：萜烯类与萜烯醇类物质还含有少量的醛和酮。其产物有一次产物也有二次产物，例如醋酸。,澄清木醋液,黄色红棕色液体，呈酸性，20 相对密度为1.02 1.05. 含有80% 90%的水分。可用于提取甲醇、醋酸、丙酮、 愈创木酚等有机化合物。现在一般直接用作土壤改良剂、 杀菌剂及植物生长促进剂等。,黑色、黏稠、油状液体。相对密度为1.05 1.15，含有10%左右的水分，其余是分子量较大的有机化合物。 木焦油中酚类化合物含量达10% 50%。针叶材木焦油中酚类含量大于阔叶材。 酚类化合物有苯酚、甲苯酚、二甲苯酚等单元酚；邻苯二酚、愈创木酚及其衍生物的二元酚；邻苯三酚及其衍生物等三元酚。 木焦油可直