生物炭及生物质炭化省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物炭生物炭及生物质炭化及生物质炭化生物质能工程生物质能工程第1页1.生物炭基本概念n定义：生物炭(biochar)是由生物残体在缺氧情况下，经高温慢热解(通常 700，目标产物木炭)产生一类难熔、稳定、高度芳香化、富含碳素固态物质。生物质炭化（Carbonization Charring)也被称为慢速热解，在隔绝空气或限制空气（氧气）条件下，将生物质燃料在400-600条件下进行热分解，目标产物是木炭，同时得到木醋液和木煤气等副产物过程。第2页不一样材质烧制成生物炭不一样材质烧制成生物炭玉米秸秆炭玉米芯炭花生壳炭第3页概念内涵生物炭Biochar n强调生物质原料起源和农业科学、环境科学中应用，主要用于土壤肥力改良、大气碳库增汇减排以及受污染环境修复。炭Char 泛指炭材料，尤其强调天然火在自然状态下烧制形成。木炭/炭黑Charcoa n制作过程和性质特点与生物炭相同，多使用木头、煤炭作为原料 强调应用于燃料、工业热炼、除臭脱色生物质热解残渣，含有高热值和高内表面积。农业炭Agrichar n强调用于农业土壤改良、作物增产炭质材料，可认为生物炭在农业科学特定称谓。活性炭Activated carbonn强调制作过程中为增强表面特征应用而人为采取极高温(通常 700)、物理化学伎俩(如高温气体或化学药剂)活化、高比表面积、高吸附特征疏松多孔性物质，惯用于受污染环境修复、环境工程处理等方面。黑炭Black carbon/Black char n泛指各类有机质不完全碳化生成残渣，包含炭黑、生物炭、活性炭、焦炭等各种炭质材料。第4页5生物炭主要成份：除C元素外，还有H和O等元素。各种元素含量多少，依赖于热裂解方法和炭化最终温度，与原料无关。随炭化最终温度升高，生物炭中C元素含量增加，H和O含量降低。第5页固定碳 放入白金坩埚内，900喷灯火焰下煅烧5min，或在电炉内加热2.5h将温度升高到900来测定其固定碳含量，因为热裂解方法和炭化最终温度不一样，生物炭中可能含有70%86%固定碳。伴随煅烧温度升高，生物炭中固定碳含量将会增加。第6页7水分 生物炭与水接触时吸水能力取决于其结构特征和表面浸润情况，能吸收超出它本身质量水分。长时间储存在空气中，即使不淋雨雪，其含水量可能超出50%，此时生物炭很轻易破碎，而且不能用于冶炼。第7页灰分灰分 生物炭中灰分含量及其组成与炭化最终温度、原料种类和组成等原因相关。炭化最终温度越高，灰分含量越大。第8页2.炭化工艺技术类型炭化工艺技术类型生物炭制取主要方法：堆烧法（欧美国家惯用方法）窑烧法（我国惯用方法）炉烧法。第9页生物炭制造工艺第10页生物质炭化过程中化学改变炭化温度炭化温度/反应与现象反应与现象热解产物热解产物150生物有机质分解速度非常迟缓，主要是水分蒸发化学组分几乎不发生改变220270半纤维素开始分解半纤维素开始分解COCO2 2、COCO等气体等气体270360半纤维素纤维素分解半纤维素纤维素分解开始生成醋酸、焦油开始生成醋酸、焦油360400发生猛烈热分解，生产大量气体CO2和CO逐步降低，CH4、H2等开始增多，冷凝液体产物中含有大量醋酸、甲醇、焦油等物质400400进入木炭煅烧阶段进入木炭煅烧阶段排出其中大部分挥发组分，此时生成液体产物已经极少炭化结束后木炭中固定炭含量在炭化结束后木炭中固定炭含量在75%85%之间。之间。第11页12（1）堆烧法 程序：将炭化原料竖立或横放在垫木上，上铺一层小树枝或柴草，再用黏土覆盖密封，同时修筑一排烟口或装一根排烟管，然后点火烧制。烧炭过程中，要注意供给空气量。出炭率：硬木原料 20%35%，软木原料 14%18%。第12页13比利时兰姆比奥特企业利用立式干馏釜进行连续生产，因为这种大规模生产投资强度大，所以限制了在发展中国家应用。第13页（2）窑烧法）窑烧法 程序：烘窑、缺氧闷烧、闷窑。出炭率：黑炭15%20%，白炭比黑炭少 1/41/3。现实状况：发展中国家许多地方使用最简易烘窑，用土覆盖木 柴或将木柴放入地坑内。这种窑不但炭化过程慢而且 效果和质量都很差。第14页第15页16 用窑烧法烧制木炭，其木炭质量和产量与操作水平关系甚大。假如控制不好，火候太过，产炭量降低；若火候不足，会烧出夹生炭。第16页（3）节柴炭烧炉）节柴炭烧炉 节柴炭烧炉由砖砌成，烧炭同时，可利用产生热量取暖或烧水。结构：由炉盖、炭化室、燃烧室、火山墙、迎风 墙、烟囱、炉门等组成。程序：装料、缺氧闷烧、闭炉和出炭。第17页（3）可移出式烧炭炉）可移出式烧炭炉 结构紧凑、操作轻易、移动方便、出炭率高、炭质很好、劳动强度和受季节影响小。结构：上炉体、下炉体、烟道、风孔、炉 盖、点火架、炉栅。出炭率：2530%。第18页3.惯用炭化炉结构与操作惯用炭化炉结构与操作3.1 砖窑特点：制造成本低廉，需求劳动力数量适度，生产木炭质量也比很好。最常使用窑有:半橙形窑 柱形拱顶窑（一）砖窑结构用砖建造，砂浆成份为木炭颗粒和泥浆。第19页（1）半橙形窑：半球形，直径约57m，两扇窑门恰好相对，门线必须与盛行风方向垂直，门高为1.61.7m，底部宽1.1m，顶部宽0.7m。窑顶端有一个直径约0.220.25m出烟孔，围绕着贴近地面地基有10个均匀排列进空气孔，孔尺寸为0.06m0.2 m；R半橙形窑半橙形窑空气进口空气进口出烟孔出烟孔第20页21（二）操作 装窑炭化 冷却卸窑 装窑 薪炭材或机制燃料棒在窑中要垂直放置，高度达1.2m后，上方水平摆放；柱形拱顶窑为抵达拱顶层后，上方水平摆放，直到窑完全装满。窑基上空气进口不能关闭，窑顶部孔下方堆放一些易燃碎棒或树枝，使窑易于点燃。装窑结束后两扇门必须密封好。第21页炭化 从窑顶排孔燃着木炭，确保窑内棒材能被很好地点燃。炭化过程中依据烟颜色来判断炭化程度，经过打开关闭窑基空气孔来控制进程。烟气改变与反应过程：白色烟汽白色烟汽成型棒料中水分蒸发成型棒料中水分蒸发透明蓝色透明蓝色无色透明无色透明发生热解反应发生热解反应炭化完成炭化完成第22页23不一样炭化阶段控制办法：点燃后很快，从烟囱冒出白色烟，表明木材中水分蒸发，碳化面积正在增加，此时要经过空气进口控制空气供给量，依靠烟囱把炭化气体排出。注意：排烟口不能有火焰出现。当烟色变为透明蓝色，必须把全部空气进口关闭。这一阶段称为煅烧。当烟气变得无色透明时，就要把烟囱也关闭，碳化过程结束。注意：烟囱不应过早关闭，以防止炭化不完全情况发生。第23页24冷却 将窑全部用砂浆粉刷几层，以把全部开口、漏洞和裂缝全部封死。目标：使空气不能继续渗透入窑，窑内快速熄火。卸窑 为防止自燃现象发生，应在窑彻底冷却后再打开窑门，将木炭卸出。普通此时温度降至6070。第24页大型窑注意事项：对于大型窑，要在窑内选择几点安装上热电偶，监测窑内冷点、热点及冷却过程；并经过关闭窑上进气孔调整和控制窑内温度平衡，从而确保木炭产量及质量。第25页3.2 移动式简易炭化炉移动式简易炭化炉炭炭 化化 炉炉下炉体上炉体烟道点火通风架炉栅点火口封闭盖风孔温度传感器（一）结构（一）结构 底部设有炉栅，距地面底部设有炉栅，距地面200mm；炉体中央竖立一个点火通；炉体中央竖立一个点火通风架，顶盖上设点火口，可用盖子封闭。风架，顶盖上设点火口，可用盖子封闭。炉体用钢板焊接而成，有效容积普通为炉体用钢板焊接而成，有效容积普通为23m3，可装成型，可装成型棒料棒料1.52.5t。第26页27（二）炭化操作装料：成型燃料棒竖直排列于炉内，装满后盖好炉盖，炉体各连接处封严。点火：从点火口投入火种，并不停添加燃料。当烟道口温度到达60以上时，封闭点火口。干燥：点火口关闭后，烟道冒出浓浓白烟，进入原料干燥阶段。经34h后，干燥阶段结束，烟道气由白色转为黄色，此时要逐步关闭通风口。炭化：通风口关闭后再过68h,烟道口会出现火焰，烟气颜色也转为青色，即为炭化终点。此时炉内温度上部可达600,下部温度450470。闷烧：封闭通风管口，再经过0.5h后，封闭排烟管口，进行封闭闷烧。冷却出炭：过10h左右，炉内温度冷却到5060,即可出炭。第27页28移动式简易炭化炉特点：结构紧凑、操作轻易、移动方便；出炭率高（25%30%）、炭质很好；能源利率高，环境污染小。炭化过程中烟道口排出可燃烟气可引回烧炭炉作燃料，在管道中间用冷却法可回收木焦油和木醋液。第28页29炭化炉操作注意事项：铁窑保温性能很差，炭化过程中温度控制非常主要。装置在室外且风力较大时，干燥阶段要将迎风侧风管适当关闭，预防炉内燃烧过快。炭化阶段，出口处和烟道中会深沉一定量焦油，会妨碍废气排出，应及时去除。当烟道出烟几乎透明时，炭化完成，此时炉表面温度约150200,该阶段必须反碳化炉完全密封。第29页3.3 外热式干馏炭化釜外热式干馏炭化釜（一）炭化釜结构 普通由1214mm钢板焊接而成，外形尺寸为12001800mm，容量1200kg。干馏快速炭化窑干馏快速炭化窑釜体釜体测温孔测温孔出气孔出气孔法兰法兰排烟孔排烟孔支撑支撑旋转支架旋转支架上盖上盖外热式干馏炭化釜外热式干馏炭化釜第30页（二）干馏工艺过程及其产物（二）干馏工艺过程及其产物干馏：干馏是在隔绝空气条件下，经过加热使生物质发生热分解过程。干馏产物：木炭、木焦油、木醋液、可燃气体干馏过程是生物质热分解过程，是依据不一样受热温度分阶段进行。热分解温度不一样，则产物成份也不一样。第31页成型燃料成型燃料装装 釜釜干干 馏馏冷冷 却却木木 炭炭副产品副产品外热式干馏炭化釜炭化工艺过程外热式干馏炭化釜炭化工艺过程将成型燃料竖直摆放在炭化釜内，锁紧法兰，釜底点火加热，将成型燃料竖直摆放在炭化釜内，锁紧法兰，釜底点火加热，产生水蒸汽及烟由排烟孔排出。产生水蒸汽及烟由排烟孔排出。当釜内温度升高到一定时，成型燃料热分解产生可燃气体由排当釜内温度升高到一定时，成型燃料热分解产生可燃气体由排气孔排出并在釜底点燃，给炭化釜继续加热炭化，直到气体基气孔排出并在釜底点燃，给炭化釜继续加热炭化，直到气体基本耗尽，冷却后即得木炭。本耗尽，冷却后即得木炭。第32页不一样炭化炉性能比较不一样炭化炉性能比较 项目砖窑移动式简易炭化炉外热式干馏炭化炉投资小较小较大寿命较长较短长挥发分含量/%122012201218固定碳/%7580758080以上含水率/%1.53.01.53.01.53.0灰分/%1.54.01.54.01.03.0木炭色泽黑色黑色均匀黑色，断面有光泽热值/（MJ/kg）292931木炭得率/%252530木炭质量不均匀不均匀均匀副产品回收不能极少能污染情况比较大比较大很小第33页3.4 连续式炭化炉连续式炭化炉（1）果壳炭化炉果壳炭化炉是适用果壳之类粒度较小原料炭化需要而专门设计出来一个炉型。果壳、果核（核桃壳、杏核、橄榄核、桃核、李核等）尤其是椰壳是生产颗粒活性炭良好原料。果壳炭化炉用耐火材料砌筑，是一个横断面呈长方形立式炭化炉，结构如图。炉体内由两个狭长立式炭化槽炉体内由两个狭长立式炭化槽及围绕其四面烟道组成。及围绕其四面烟道组成。炭化槽由下而上分成高度不等炭化槽由下而上分成高度不等3部分，即部分，即预热段预热段、炭化段炭化段和和冷却段冷却段。第34页果壳炭化炉工作原理：原料果壳由炉顶加入炭化槽预热段，利用炉体热量预热干燥，而后进入炭化段炭化。炭化段料槽用具横向条状倾斜栅孔耐热混凝土预制件砌成。其外侧烟道用隔板分隔成多层，控制烟气流向以利传热。烟道外侧炉墙上设进风口供吸入空气助燃。炭化段温度达400 500，果壳炭化后生产蒸汽气体混合物经过炭化槽上栅孔渗透烟道，与吸入空气接触燃烧。生成高温烟道气在烟道内波折流动加热炭化槽后，被烟囱抽吸排出生成果壳炭落入冷却段自然冷却后，定时由炉底部装料装置卸出。第35页果壳炭化炉炭化工艺果壳炭化炉炭化工艺炭化工艺流程：果壳（椰壳、杏核、桃核）经风选，除去沙石、土块后，用提升机送至炉顶加料槽，果壳借重力进入炭化槽，分别经过预热段、炭化段、冷却段从卸料器出料。通常，每8h加料一次，每1 h出料一次，物料在炉内停留时间4-5 h，炭化连续进行。炉内炭化区域温度经过调整进风口吸气量多少进行控制。优点：操作方便，劳动强度小；正常操作时不需要外加燃料；果壳炭得率高，为25%30%；炭化尾气不污染环境。第36页（2）立式多槽炭化炉木屑炭化通惯用立式多槽炭化炉。每台炉有14个立式炭化槽，每个炭化槽两侧为烟道，一台炉内共有15个烟道；炉内部用耐火砖，外部用青砖砌成，炉长7m，宽4.5 m，每炉设5个燃烧室，每个燃烧室与炉内3个烟道相通。燃烧烟气在炉内烟道中分5层波折上升至顶部，与烟囱连通，烟囱高10 m；高温烟气在运动中将热量经过隔墙间接地传给炭化物料。炭化产生蒸汽气体经过房顶排气罩排空。炉顶设加料室，原料由此加入炭化槽；每个炭化槽都有一个卸炭口，卸炭口设在与燃烧室相反一面。第37页38立式多槽炭化炉炭化工艺：操作时首先在燃烧室点火，加热炭化槽，待温度升至300时开始投料，进行木屑炭化。开始炭化槽冒出白烟，表明废气中有大量水分，是干燥阶段；冒黄烟时表明大量木屑进行热分解；冒青烟至无烟，并观察到炭化槽内物料呈暗红色，不冒火星时，表明炭化结束，即可出料。每炉投料22.5 t木屑，炉温约700 800，炭化时间48 h（炭化时间随原料含水率而异）。一炉可得木屑炭300400 kg。特点：炭化炉结构简单，轻易砌造，操作易掌握；但耗煤量大，炭得率低，质量不够均匀，高温操作，劳动强度大。第38页(3)他炭化装置回转炉 结构类似回转式干燥装置。适合用于颗粒状或小块状物料炭化。内热式用得较多。内热式回转炉基本作业过程：由炉尾进入回转炉炉膛中原料，在随炉体转动过程中被炉壁带到一定高度以后落下，与从炉头燃烧室进入高温烟道气接触，使炭化能够均匀地进行。炭化后固体物料从炉头出料装置卸出；产生蒸汽气体混合物随废烟气从炉尾导出，经处理后排出。回转式炭化炉特点：结构简单，运行稳定，操作轻易。是活性炭工业中惯用一个炭化装置。第39页流态化炉又称沸腾炉，是利用流态化原理炭化微小颗粒状木质原料炉型。有外热、内热两种加热方式，从操作上可分为间歇式及连续式。外热连续式流态化炉操作过程：用螺旋加料器将微小颗粒状木质用螺旋加料器将微小颗粒状木质原料送入立式圆锥形或圆筒形炉膛原料送入立式圆锥形或圆筒形炉膛下部，下部，原料原料被从炉膛底部进入空气被从炉膛底部进入空气鼓动鼓动呈流态化状态进行炭化，呈流态化状态进行炭化，生成蒸汽气体混合物和木炭颗粒随生成蒸汽气体混合物和木炭颗粒随气流由炉膛顶部出料管进入旋风分气流由炉膛顶部出料管进入旋风分离器中捕集木炭后，再用冷凝冷却离器中捕集木炭后，再用冷凝冷却器回收木醋液，器回收木醋液，不凝性气体导人加热炉中燃烧作为不凝性气体导人加热炉中燃烧作为炭化辅助热源。炭化辅助热源。特点：特点：没有局部过热，炭化温度没有局部过热，炭化温度恒定恒定，炭化时间短，依据原料粒度差异，可，炭化时间短，依据原料粒度差异，可由几秒到几分钟，连续得到质量均一炭化物由几秒到几分钟，连续得到质量均一炭化物。轻易处理大量废材。轻易处理大量废材。第40页41多层炭化炉是美国研制一个内热式连续炭化炉，用来炭化木屑、木片、树皮等。基本结构：在圆柱形炉内有几层炭化室，中轴上有搅拌棒和搅拌池。炭化工艺：从上端送入原料，边搅拌边移动炭化；炉子先用安装在各层炭化室炉壁重油燃烧加热器加热，到达顶点温度即停顿燃烧重油，连续送入原料，并从重油燃烧器位置供给少许空气，以维持一定炭化温度。第41页4.影响生物质炭化过程原因影响生物质炭化过程原因主要有：原料种类和形状、含水率及碳化最终温度、碳化速度、热解炉形状、不一样干馏形式等上述原因都会影响产品产量与质量。第42页（1）热裂解最终温度图例：桦木和松木锯末成型燃料在不一样最终温度下产品产率。由图可见由图可见:木炭产量是温度函数。木炭产量是温度函数。伴随温度升高，物料在伴随温度升高，物料在400以以下失重很快，之后木炭产率改变下失重很快，之后木炭产率改变不显著。不显著。故普通最终温度在故普通最终温度在400500。温度低于温度低于400条件下，高加热条件下，高加热速率比低加热速率生成炭产量要速率比低加热速率生成炭产量要高些。高些。第43页（2）炭化速度加紧碳化速度，能够缩短碳化时间，提升热解炉生产能力；但碳化速度过快，木炭机械强度出现显著下降，从而影响木炭质量。碳化速度对各个碳化阶段影响不一样。当温度在275以下时影响不显著，而在275500范围内，碳化速度对产品产率和组成都有很大影响。由图可见，炭化时间延长，由图可见，炭化时间延长，木炭产率增加，焦油降低。木炭产率增加，焦油降低。但木炭强度和发烧量都但木炭强度和发烧量都显著下降。显著下降。第44页45（3）原料含水率影响含水率高，干馏过程中急剧排出水分，会造成木炭机械强度下降。木煤气体积膨胀，但其中可燃组分含量降低。木炭表面有严重裂口，碳化时间延长。第45页5.生物质碳化产品生物质碳化产品生物质碳化产品木炭，可用于冶金、有色金属生产、活性炭制造等，用途极其广泛第46页（1）木炭相对密度和孔隙度）木炭相对密度和孔隙度 木炭相对密度随炭化原料种类、含碳量及炭化温度不一样而不一样。炭化原料相对密度越大、含碳量越大、炭化温度越高，则相对密度越大。第47页图1 扫描电镜下生物炭孔状结构 木炭含有较大比表面积和孔隙度第48页（2）木炭发烧量）木炭发烧量 木炭发烧量主要取决于木炭含碳量。而炭化温度高，木炭炭含量就大。第49页（3）木炭反应能力）木炭反应能力 在高温下与活性气体和蒸气相互作用能力，是评价固体原料在工业中使用基本性质方法之一，与其含碳素无定形多孔结构相关。其中所含灰分，尤其是碱金属、碱土金属及其氧化物存在，对木炭化学反应能力也起催化作用。第50页5.生物炭应用价值第51页生物炭在环境方面应用价值生物炭在环境方面应用价值n炭循环：自然界碳循环基本过程是：大气中二氧化碳（CO2）被陆地和海洋中植物吸收，然后经过生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳形式返回大气中。第52页碳循环示意图n碳汇n碳负第53页生物炭在环境方面应用价值生物炭在环境方面应用价值炭捕捉普通情况下大气、土壤和海洋三者由生物质作用经过碳循环够成平衡；但自工业革命以后，因为人类活动加剧，有机质分解加剧，造成空气中CO2浓度增加，致使平衡被打破，也就是造成温室效应。生物炭含有独特稳定性，可将二氧化碳捕捉并埋藏在土壤中几千年不会改变，到达很好碳封存效果。第54页生物炭在环境方面应用价值生物炭在环境方面应用价值n生物炭还能够用来处理工业废水、生活污水。如纺织厂、造纸厂排出污水。n对受重金属污染土壤也有修复作用。n类似活性炭，能够吸附有毒气体，如熟知甲醛、笨、甲苯等。第55页生物炭在农业方面应用生物炭在农业方面应用n生物炭改进土壤机理1：生物炭能够显著提升土壤pH、改变土壤质地、增大盐基交换量，从而引发土壤CEC（阴阳离子交换量）增加，促进植物离子吸收。2：生物炭本身含有丰富微孔结构与极强吸附性，所以能够吸附较多养分元素、矿质离子等。而且能够改变土壤物理性状和结构，促进土壤生物化学和物理化学交互作用而提升土壤养分利用率，及养分缓释效应。以到达提升土壤肥力作用 第56页生物炭在农业方面应用生物炭在农业方面应用3：土壤中施入生物炭以后作物根部真菌繁殖能力增强，刺激了微生物群落发生变化。因为生物炭保留了生物质原有结构，具有大量微孔结构，可认为微生物生长提供良好生存和栖息发展空间，降低了之间竞争。同时生物炭微孔结构可以很好保持空气、水分，这为微生物提供了良好生长环境。为微生物理化性质提供了主动影响，也为微生物生长和繁殖提供了有力条件 第57页生物炭在农业方面应用生物炭在农业方面应用4：生物炭促进作物生长另一机制，是生物炭能够降低土壤中污染物有效性，表现出修复污染土壤和促进作物生长双重效果。第58页生物炭在新能源方面应用生物炭在新能源方面应用 生物质能是地球上唯一可再生能源，在环境保护、资源利用、资源再生方面含有利用优势被认为是人类未来能源主要起源。非常含有开发潜力。生物炭制造过程中大约1/3转化为气体，1/3转化为固体。这些气体和固体都能经过深入加工而为人们所利用。这些清洁生物质能源能够用来代替煤炭、石油天然气等。而且不但应用在农业，而且在医学、食品、园艺方面也有很好发展空间。第59页6.发展与展望发展与展望n当前，生物炭研究还停留在试验室和田间理论阶段。n从理论上看，生物炭理论基础浅易而不高深，技术伎俩成熟而不繁琐，使得这项技术有着在世界各地广泛应用巨大潜力。n推广当务之急是依据工农业应用详细需要针对性地优化生物炭特征 第60页发展与展望发展与展望n另外人们需要开发一个生物炭生产模式，来确保他既能降低温室气体，又能简单方便在不发达国家农场使用，而且在发达国家大型农场中使用。n最终，要切实有经济上刺激，从而提升人们搜集和处理废物主动性。第61页The end第62页