生物质炭的应用.doc

生物质炭的应用昆明理工大学生物质能源是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为21世纪主要的能源之一。据估计，植物每年贮存的能量大约为世界主要燃料消耗的10倍；而生物质能作为能源的利用量还不到总能源消耗的1%。这些未加以利用的生物质绝大部分通过自然腐解和碳素释放的方式回到自然界之中。事实上，生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，至今，世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源。生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能源转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料，从而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费对环境造成的污染。我国政府提出坚持“非粮为主、不与民争粮、不与粮争地”的生物质能源发展的基本原则。农林废弃生物质原料包括植物类废弃物（农林生产过程中产生的残余物）、动物类废弃物（牧、渔业生产过程中产生的残余物）、加工类废弃物（农林牧渔加工过程中产生的残余物）和农村城镇生活垃圾等四大类。云南丘北是我国著名的辣椒之乡，以辣椒秆，秸秆等为代表的农林生物质原料产量丰富（部分农林生物质资源如图1所示）。通过炭化（干馏）的方式对丘北县八道哨的农林生物质原料进行热解，并对热解气体和生物质炭产品进行加工处理，不仅能够实现生物质能源的高效利用，而且还能够改善该地的生态环境。图1农林生物质原料（核桃壳、甘蔗渣、玉米芯、松子壳、秸秆、辣椒秆）生物质热解气化可将生物质原料转化为以CO和H2为主的气体燃料，可直接转换实现燃气、热能和电能的供给。同时燃气可以通过甲烷化反应，进而制备高品质生物质合成天然气(BioSNG)，是生物质能开发的重要技术途径，此外，生物质热解之后产生的生物质炭是一种清洁环保的产品，通过加工处理，可以将生物质炭制备为各种高性能，实用的产品。生物质热解流程及装置如图2所示，生物质炭如图3所示。图2生物质热解流化床装置图图3 生物质炭（核桃壳炭、玉米芯炭、椰子壳炭、稻壳炭、秸秆炭）昆明理工大学冶金与能源工程学院通过多年研究，在生物质炭的应用方面取得了一定成果，可以将生物质炭应用于以下方面：一、制备高性能机制炭二、制备过滤炭砖三、制备具有吸附功能的炭工艺品四、制备环保无烟香一、高性能生物质机制炭的制备长期以来，木炭一直被广泛地用作生活燃料，如取暖、烧烤、火锅燃料，木炭是将木材在缺氧的条件下燃烧或热解而制取的，生产木炭需要消耗大量的森林资源，严重破坏了生态环境，我国森林覆盖面积不到国土的10%，森林的形成需要一定的生长周期，大量的森林砍伐不符合保护生态环境、创建低炭社会、发展循环经济的要求。土窑制炭工艺具有密封性差、生产周期长、产量低、成本高等缺点。生物质是典型的可再生能源，其具有来源广泛，储量丰富，生长周期短等优点。地球上每年生产的生物质总量约为14001800亿吨，我国每年废弃的秸秆高达60亿多吨，资源化潜力巨大。因此研发一种来源广泛、绿色环保、成本低廉、工艺简单的生物质机制炭制取方法对减少森林资源的破坏以及满足生产生活对燃料的需求具有十分重要的现实意义。可以利用生物质热解后剩下的生物质炭制备一种含碳量高、燃烧时间长、脱灰效果好、无烟无味符合环保要求的生物质机制炭。该制备过程是以来源丰富、价格低廉、可再生且易于粉碎的生物质为碳源，具有大规模生产价格低、收率高、热值高、孔隙率高、广受市场欢迎的生物质机制炭的潜能。生物质机制炭的制备流程如图4所示： 图4生物质机制炭制备流程图具体步骤和工艺如下所述： 收取核桃壳、松子壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、咖啡壳、花生壳等农林生物质原料； 炭化：将粉碎后的生物质原料放入流化床中于400900下热解制炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气； 制棒：将生物质炭粉碎后与一定比例的粘结剂，助燃剂，发泡剂，水混合均匀，将混合均匀的物料放入制棒机中通过螺杆的压力和高速旋转的离心力将原料压制成带有中心孔的炭棒，之后将机制炭棒烘干即可得到高性能生物质机制炭。各组分物料配比如表1所示： 表1 生物质机制炭各组分配料量（wt.%）生物质炭粘结剂发泡剂 水分 708051515 510本发明的有益效果为：机制炭的固定炭含量80%，灰分5%，热值35MJ/Kg,燃烧时最高温度可以达到430；且该机制炭的生产方法简便，脱灰效果好，孔隙率高，与传统的先成型后在土窑中炭化的机制炭制备方法相比，该方法采用先炭化后成型工艺，炭化过程中密封效果好且热解烟气得到充分利用，大幅度地提高了生物质炭产率，有效地缩短了生产周期，降低了生产成本；该生物质机制炭的生产成本为1800元/吨，比传统生产方法降低了600元/吨；该生物质机制炭市场售价为3500元/吨，比传统生产方法平均市场售价降低了500元/吨；且该方法制备的机制炭平均产量高达50吨/月，比传统制备方法的平均产量提高了20吨/月。图5 生物质机制炭实物图图6 生物质机制炭燃烧及脱灰效果图二、过滤炭砖的制备现在房屋的地面最常见的为现浇混泥土，或是在混泥土中加入石粒而磨成水磨石地面，也有铺设瓷砖或大理石的，这种地面或地面装饰品都有一个缺陷，即不能吸水，以致搞卫生时用水擦洗地面以后水分久久不能消去，下雨天鞋子上所带的泥水将地面弄得泥泞不雅，而且在春节的南风天时地面也非常潮湿，既不卫生也不利于存放物品。80年代中期以前，虽有用粘土烧制的红地砖，它有防潮作用，但由于其硬度差，容易磨损而逐渐不为人们所使用。利用农林生物质原料热解后的生物质炭可以制备一种过滤地面炭砖，这种地面炭砖能快速地将砖体表面的水分吸干而保持砖面干爽，同时砖体硬度不受所吸水分的影响，砖体所吸收的水分能很快地向下注入地下或向上挥发于空气中。本技术所制备的过滤地面炭砖主要由水泥、生物质炭末、骨料和发泡剂组成，水泥为粘结剂，水泥可以用普通水泥、白水泥或其他颜色的水泥，可以只用一种水泥，也可以两种或几种水泥混合使用。骨料主要由微硅粉、砂、石粒、石粉、烧制的粘土砖碎块以及建筑垃圾等原料来充当，可以只用其中一种骨料，也可两种或数种骨料混合使用。其中生物质炭末为农林生物质原料（核桃壳、松子壳、辣椒秆、秸秆、烟秆、花生壳，咖啡壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣等）经热解（干馏）后剩余的生物质炭。发泡剂的作用是使炭砖在成型的过程中发酵并产生大量孔隙，孔隙的存在有利于对水分的吸收和过滤。为便于砖体内水分向下注入地下，同时阻止地下的水分浸湿砖体，砖体下面可有支撑砖体的柱脚。本技术所制备的过滤地面炭砖有如下优点：1，所用的植物炭性质稳定，具有很好的吸水性，可以收集、过滤雨水，其吸水后不影响自身的性能和硬度，且很快地将水分散发。混泥土砖体里面有分散的生物质炭末，且经过发泡剂发酵之后生物质炭末的孔隙大幅度提升，砖体的吸水性能良好，从而能够保持砖面干爽；2，砖体吸入水分以后也不影响砖体的硬度，砖体所吸收的水分能够较快地向下注入地下或向上挥发于空气中；3，生物质炭主要由农林生物质原料（核桃壳、松子壳、辣椒秆、秸秆、烟秆、花生壳，咖啡壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣等）热解（干馏）而得，充分利用了植物废料，变废为宝，而且热解过程中产生的气体可以用作生活燃气，实现了一举多得的有益效果；4，炭砖中所添加的微硅粉为工业硅生产企业难处理废料，炭砖的大规模生产和应用将有效地解决硅厂微硅粉堆放难处理的问题，变废为宝；5，该技术所制备的过滤地面炭砖可部分替代地面砖、瓷砖，节约自然资源。下面结合具体实施步骤和附图对本实用新型技术作进一步说明：制备过滤炭砖的流程图如下所示： 图7过滤炭砖制备流程图具体实施步骤： 收取辣椒秆、烟杆、核桃壳、松子壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、咖啡壳、花生壳等农林生物质原料； 炭化：将粉碎后的生物质原料放入流化床中于400900下热解制炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气； 配料：将生物质炭粉碎后与一定比例的水泥，发泡剂，水和骨混合均匀，水泥为粘结剂，生物质炭末为吸水剂，发泡剂主要作用是使生物质炭末与其他配料在模具中成型过程中发酵产生大量孔隙，从而达到具有高渗透性和吸水性的目标。个组分配料比如表2所示。其中水泥可以用普通水泥、白水泥或其他颜色的水泥，可以只用一种水泥，也可以两种或几种水泥混合使用。骨料主要由微硅粉、砂、石粒、石粉、烧制的粘土砖碎块以及建筑垃圾等原料来充当，可以只用其中一种骨料，也可两种或数种骨料混合使用。 将上述各组分混合并搅拌均匀，注入模具中挤压或振动压实成型，其中模具可以设计为不同形状，模具的内上层表面可以设计为花纹状，从而使炭砖上表面具有各种花纹或其他形状，以满足顾客的需求。注模之后静置，固化后脱模，养护，最后除去砖体朝上一面表皮的水泥浆层，磨的同时加水冲洗，去除水泥，即得成品。表2 过滤炭砖各组分配料量（wt.%）骨料生物质炭末发泡剂水泥 水分 50601520151015 510如图8所示，砖体内含有分散的植物炭末，在模具中成型的过程中植物炭末与发泡剂反应产生发达的孔隙，从而使炭砖具有很强的吸水渗透性能。图8 过滤炭砖剖视结构图如图9和图10所示， 炭砖下面设计了长条状和立柱状柱脚，该外形便于水分向下注入地下，同时阻止地下水分浸湿砖体。图9 柱脚为长条状的实用新型结构示意图图10 柱脚为立柱状的实用新型结构示意图三、具有吸附功能的炭工艺品的制备 生物质炭工艺品是以生物质炭为材料经过相关技术和艺术加工而成的新型工艺品，它不但艺术形式多姿多彩、内容题材广泛、造型优美高雅，还保留了生物质炭的超强吸附能力，兼具净化性和美观性，主要有炭雕、炭画、炭+瓷（金属）等艺术形式。是现代工艺品大家族中新兴的产品，日益受到人们的青睐。 随着社会的进步，人们的生活水平不断改善，人们对生活的质量要求不断提高，拥有健康、舒适、和谐、高雅的生活空间逐渐成为人们所向往的理想目标。为了提高生活环境的的格调品位，更好的体现人们的素养追求，人们往往会选择一些工艺品陈列摆放在家居、办公环境中或轿车之内，不但能够增加环境空间的装饰效果，还能净化空气，改善办公环境空气质量，陶冶情操，缓解工作压力，提高工作效率。虽然各种新型装修材料给我们的生活空间带来了更丰富、更舒适、更有格调的效果，但随之而来的环境污染也让人们防不胜防，于是各种风格，各种形式的，具有高吸附性能的生物质炭工艺品就成了人们的首选目标。市场上的生物质炭工艺品题材广泛，造型各异，艺术形式多样，生物质炭工艺品的艺术形式分类如下：1、生物质炭工艺品的分类 生物质炭工艺品是将经发泡剂发酵后的生物质炭制备为成型材料，并用工具进行艺术化的加工处理制成的工艺品。生物质炭工艺品按摆放环境分为壁挂、摆件；按制作技术和工艺分为为炭雕、炭画、炭瓷（金属）结合等形式；具体有艺术花瓶、艺术笔筒、艺术圆盘、吉祥造型、吉祥挂件等工艺品，其中雕刻是生物质炭进行艺术造型的主要手段，其次有碳板绘画、粘贴，炭瓷（金属）结合的工艺等。 2、生物质炭工艺品的艺术形式(一) 炭雕炭雕是制造生物质炭工艺品的主要工艺手段，由于生物质炭的材料硬度适中，适合雕刻，另外成型的生物质炭可以制成各种大小、体量的雕刻胚件，也为炭雕工艺提供了条件，所以市场上的生物质炭工艺品以炭雕的形式居多。区别于传统的木雕、玉雕等工艺品的是炭雕产品多为摆件，原因是生物质炭多为黑色，硬度不强，触摸或放在手里不但会把手弄黑，而且汗水等会迅速进入物件内部，阻塞空隙，妨碍了吸附净化效果，非常不适合把玩、佩戴。因此炭雕工艺品多数为“可远观而不可亵玩焉”的摆件。炭雕从制造工艺手段分为机雕和手工雕刻两种形式，机雕的工艺品多数为浮雕，使用现代化的雕刻机可以迅速大范围的生产，所以市场上常见的生物质炭字画、壁挂、圆盘、挂件多为机雕，雕刻内容以传统的吉祥纹样、花卉、名人书法最为常见，如象征富贵的牡丹、象征人格修养的岁寒三友、象征生活富足的莲年有鱼等，符合大众的审美与对生活幸福安康心理追求。（二）炭板画把生物质炭一次成型或将成型炭切割制成厚度各异的炭板，在炭板上使用颜料进行艺术绘画，就是炭板画。炭板画和传统绘画一样要进行起稿、上色、勾勒等过程，为了环保，使用的颜料必须天然无毒，为了尽量保留生物质炭的吸附面积，颜料涂抹要尽量少占炭板的面积，所以我们看到的炭板画在构图中尽量大面积的留出炭板的空白面积。生物质炭板画题材丰富、颜色艳丽、内容多样，也可以加框以装裱的形式悬挂，雅俗共赏。主要题材有花卉风景、人物动物；风格有国画形式、西画形式和版画形式，具体表现有古典的具象写实也有现代的简约抽象。随着科技水平提高和新材料的不断出现，炭版画的形式也不断推陈出新，如利用传统的景泰蓝镶嵌工艺，以金黄色、银白色等彩色金属丝镶嵌在生物质炭炭板上，然后以各种颜色的宝石、玉石、彩石等颗粒为画面色彩填充到金属丝圈定的范围内，最后采用特殊材料将金丝、颜色等牢牢固定在生物质炭板上，最终形成的景泰蓝生物质炭板画，打破了传统炭板画的形式，具有独特的艺术效果。另外还有在炭板上利用各种花色品种的布料进行拼贴造型的。（三）炭瓷（金属）结合的工艺品由于生物质炭通体黝黑，视觉效果实在不佳，于是可以借鉴传统金镶玉的艺术形式，创造出生物质炭+陶瓷、生物质炭+金属的新型工艺品。这类工艺品首先要设计科学合理的产品结构，利用镶嵌、粘合、套接等工艺手段，使生物质炭和瓷料部件、金属部件结合在一起，形成全新的艺术形式，具有现代、高雅、多层次感和质感丰富的效果。其中摆放效果最好的要数炭、瓷结合的工艺品。炭+金属组合的生物质炭工艺品，原理和技术工艺与炭+瓷的类似，多使用质轻、柔韧性好、可塑性强的铝合金构件，也有用效果更强、造价更高的铜、银制作构件。在金属构件上进行镂空、雕刻、压印，产生各式花纹图案，和生物质炭构件组合之后，使整个工艺品充满了高贵、华美、玲珑的视觉感受，整体效果突出，适合做高端礼品之用。 生物质炭工艺品是一种基于高效低耗的环保材料在发泡剂发酵后的高孔隙生物质炭基础上，利用传统和现代的工艺手段制作成的新型工艺品。它的出现符合现代人们对生活空间既要高雅美观又要环保的物质和精神需要。随着新材料和新工艺的不断推出，更高雅更美观的新型生物质炭工艺品会以更新的艺术形式出现，来不断满足人们的审美、精神和健康需求。下面结合技术背景、具体实施步骤和附图对本高效吸附性生物质炭工艺品制备技术作进一步说明：现代家居离不开装潢、陈设，室内装潢和陈设以及家具中不可避免地要使用油漆、粘结剂、纤维板、胶合板、泡沫材料等，而这些材料中往往含有苯、甲苯、二甲苯、甲醛等有害物质，这些挥发性的有害物质会长期充斥在室内从而对人体造成危害。发泡剂发酵以后的生物质炭具有发达的孔隙，是一种良好的净化剂，能够长期有效地吸上述空气中的有害物质和一氧化碳、二氧化碳等多种不良气体，且无二次污染，但因为其通常为粉墨状，不便摆放在室内，且不美观，因此它的使用受到了限制。为了解决上述问题，本课题组研制了一种能净化室内空气的实用新型生物质炭工艺品。炭工艺品的制备流程图如下所示： 图11炭工艺品制备流程图炭工艺品的制备的具体步骤如下： 收取辣椒秆、烟杆、核桃壳、松子壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、咖啡壳、花生壳等农林生物质原料； 炭化：将粉碎后的生物质原料放入流化床中于400900下热解制炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气； 配料：将一定配比的生物质炭、粘结剂、发泡剂、水分混合均匀，常温下搅拌1525分钟，搅拌速度为80100转每分钟，制成均匀的混合原料，配料比如表3所示。 将步骤中制备好的混合原料倒入不同形状的模具中，所采用模具为特别设计的一种具有电加热功能的金属模具，采用电加热方法使金属模具升温，从而使炭粉在发泡剂的作用下一边发酵一边固定成型，之后将模具放入真空机中排出浆料中的空气； 将模具从真空机中取出，常温下在空气中放置1525小时后脱模； 将脱模后的工艺品修胚和雕饰，然后再把工艺品放置在恒温横湿箱中56天，取出后常温风干； 在步骤风干后的工艺品表面涂上相应的色彩，确保所涂抹色彩占据面积要尽量少以保证工艺品表面的炭颗粒孔隙不被堵塞，常温下晾干之后添加一些饰品线即可得到高吸附性能的炭工艺品。表3 炭工艺品各组分配料量（wt.%）生物炭粘结剂发泡剂水分 708051015510 图12 炭工艺品模版图 四、无烟香的制备香是一种木材粉末和一些添加的香料、药剂、粘结剂做成的用于燃烧的粉末或燃烧体。香是通过燃烧来发挥作用的，自古被应用在家居养生、陶冶情操上，起到怡神悦心、参禅修炼、供神祭祀、养生去病等作用。人类对香的喜好，乃是与生俱来的天性。随着经济不断的发展和社会进步，香不仅在宗教事物中被大量使用，而且在人们日常生活中被广泛用于除臭和提神养气，人们所使用的香料主要有两种，一种是自然香木或香木粉通过燃烧产生的香烟；另一种为通过木材合成人工烟香条，然后通过焚烧人工香烟条而产生香烟。由于前一种木材成本较高，只有少部分人有能力使用，大部分人选择使用后者。而市场上大部分的人工烟香条香薰理疗效果不好，燃烧时会释放大量的烟雾，对环境造成污染，且烟雾中含有致癌物质，用久了会使人有头晕、气腻的感觉。21世纪，向低碳经济转型是人类文明的必经之路。我国政府已将发展低碳经济，应对全球气候危机视为重要国策。所谓低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。传统香行业向低碳经济转型是历史发展进程的必然选择。环保无烟香的推广应用，有利于家庭用香、文明礼佛，减少环境污染，降低有害气体排放。但无烟香的主要原料是木炭粉，传统木炭的生产原料取自于木材，木材的开采将于损害环境为代价（一棵树生长60年吸收1吨二氧化碳），开发利用传统木炭替代品，是实现环保制香行业可持续发展的必然选择，是实现制香企业向低碳经济转型的必然选择。生物质农林废弃物原料是一种生长周期段，可再生的能源。农林废弃物作为短生长周期植物，随着作物的成熟收获，作物本身已经死亡。如果任“农作物秸秆”在自然环境下废弃腐烂，将产生大量的甲烷，甲烷造成的温室效应是二氧化碳的20多倍，产生严重环境污染。此外，生物质秸秆的乱堆乱放不仅有损地方的形象，也严重污染了当地的卫生环境。在低碳领域里，我国相关农林生物质废弃物可再生能源相关政策、法规、补贴、税收减免等优惠政策已经制定，其意在导向推动我国企业向生农林生物质废弃物能源化利用的低碳经济发展。因此，开发以低碳经济型农林生物质废弃物为主要原料的新型无烟香是我们的必然选择。针对上述背景，结合丘北县八道哨丰富的生物质炭资源，利用该地生物质炭化后的生物质炭为主要原料，制备一种环保、燃烧时不会释放出大量烟雾的室内封闭下可用的无烟香，既充分利用了该地丰富的生物质资源，又能起到环境保护的作用。该环保无烟香的制备流程如图13所示。图13环保无烟香制备流程图该无烟香的制备步骤如下： 收取辣椒秆、烟杆、核桃壳、松子壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、咖啡壳、花生壳等农林生物质原料； 炭化：将粉碎后的生物质原料放入流化床中于400900下热解制炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气； 将炭化后的农林生物质原料粉碎过筛（粉碎后的粒径为60120目），与粘结剂，香精，助燃剂，清水按一定配比混合均匀。各组分原料配比如表4所示： 将混合均匀的物料调成泥状，用模具成型，烘干之后即可成品环保无烟香。表4 无烟香各组分配料量（wt.%）生物炭粘结剂香精助燃剂（硝酸钾） 清水60705101515 510图14传统香（左）与环保无烟香（右）对比图