生物质炭化技术

生物质碳化技术摘要针对生物质炭化技术相对滞后现实状况,从生物质特征研究入手,在分析炭化机理基上,关键评述了生物质炭化影响原因和工艺装置研究进展。指出原料、预处理方法和工艺参数是影响生物炭产量3个关键原因,并对比了窑炭化、固定床炭化优缺点,为后续生物质炭化技术发展指明方向。关键字生物质炭化机理影响原因炭化设备目录一,生物质特征.................................................................................................1二,生物质炭化技术特征...............................................................1三,生物质炭化机理.......................................................................1四,影响炭化原因.......................................................................2五,中国生物质炭化设备发展现实状况...............................................3六,生物质炭化存在问题及提议...............................................4七,参考文件...................................................................................4一,生物质特征一切有生命、能够生长有机物质统称为生物质,包含植物、动物和微生物。现在,相关动物和微生物研究关键集中在生物化学领域,而热化学领域则关键以植物为研究对象,故本文提到生物质关键指植物。对于植物型生物质来说,绿色植物经过光合作用把CO2和H2O转化为葡萄糖,进而经过脱水把葡萄糖缩合成淀粉,最终以纤维素、半纤维素、木质素等成份组成植物本身。生物质是继煤、石油、天然气以后第四大能源,含有清洁、可再生、分布广泛、二氧化碳“净零排放”等优势,同时也存在能量密度低、运输成本高、利用设备(技术)不完善等问题。实际上,在生物质利用过程中,首先要对其特征进行分析,才能更有针对性设计后续处理工艺。现在,工程上以元素分析和工业分析分别从定性和定量两个方面对生物质性质进行衡量,基础上能够满足生物质在热化学转化过程中分析需要。总体来看,生物质原料含碳量较低、含氧量较高,灰分和固定碳较少、挥发分较多。与煤相比,生物质燃点、灰分、含硫量、热值更低,碳、氧、挥发分含量更高。二,生物质炭化技术特征作为生物质热化学转化技术一个,生物质炭化技术是指切碎或成型后生物质原料,在绝氧或低氧环境下被加热升温引发分子内部分解形成生物炭、生物油和不可冷凝气体产物过程。生物质炭化技术也称为生物质干馏技术,与气化、液化等生物质热化学转化技术相比,含有以下经典工艺特征:1）加热速率慢,通常在30℃/min以下;2）保温炭化时间长,通常从15min到几天不等;3）热裂解温度较低,通常不超出550℃;４）炭化环境要求绝氧或低氧,尽量减少氧化反应。影响生物质炭化过程与生物炭特征原因有原料特征参数和炭化工艺技术参数等,其中原料特征参数关键包含原料种类、粒径和含水率等,工艺技术参数主括炭化温度、升温速率、环境压力、反应气氛和保温时间等。三,生物质炭化机理炭化是指有机物质受热分解而留下残渣或炭过程。在这一过程中,原料中非碳物质被除去,产生以固定碳为基础孔洞结构,反应相对复杂。通常来说,生物质原料进入炭化装置中,前后经历干燥、预炭化、炭化和燃烧4个阶段,最终生成生物炭。干燥阶段是生物质炭化准备阶段,当温度达成120～150℃时,生物质中所蕴含水分受热率先析出,变成“干生物质”。预炭化阶段是生物质炭化起始阶段,当温度达成150～275℃时,“干生物质”受热,其中不稳定成份(如半纤维素)发生分解,析出少许挥发分。炭化阶段是生物质炭化关键阶段,当温度达成275～450℃时,半纤维素和纤维素发生猛烈热分解,产生大量挥发分,放出大量反应热,剩下固态产物即为“初步生物炭”。燃烧阶段是生物质炭化结尾阶段,当温度达成450～500℃时,利用炭化阶段放出大量热,对初步生物炭进行煅烧,排除残留在木炭中挥发性物质,提升木炭中固定碳含量,取得最终生物炭。四,影响炭化原因1,原料从原料角度来看,通常木本植物生物炭含有较高含碳量及较低灰分含量,草本植物及禾本科植物生物炭含有较高灰分含量及较低含碳量。这是因为不一样生物质原料,甚至是不一样类型土壤中生长同一物种,其有机成份(纤维素、半纤维素和木质素)之间组成百分比会存在较大差异,不一样生物质原料中灰分含量也存在着显著差异,从软木材1%到草本植物和农业废弃物15%。所以,原料性质是影响生物炭产量首要原因。2,预处理方法不一样预处理方法也会对生物炭产量产生关键影响,在其她条件一定情况下,生物炭产量伴随原料块状由大到小而逐步降低,当然,原料块状越大,炭化过程越长,炭化程度则相对较低;对生物质进行酸碱处理或添加化学品预处理前后,产生生物炭特征或性质含有显著差异。通常来说,一定浓度酸或碱会破坏生物质内部纤维素和半纤维素结构,使之与木质素分离,造成炭化产物含有更高孔隙率。3,工艺参数工艺参数是影响生物炭品质关键原因之一。热解温度和加热速率是影响生物炭产量及特征关键原因,这是因为在热解过程中除了生物炭以外,还会产生生物油和生物气2种副产物,不一样热解温度和加热速率会对这3种产物之间分配产生很大影响。以玉米秸秆颗粒为原料,在其她条件不变情况下,考察了反应温度对炭产率影响,发觉反应温度为300℃时,炭产率为55%,达成最大值,再提升热解温度时,炭产率及热值均呈逐步下降趋势。在一定范围内,伴随炭化温度升高,碳含量增加,氢和氧含量降低,灰分含量亦有所增加。比较来说,高温热裂解比低温热裂解生物炭含有更高pH值、灰分含量、生物学稳定性及含碳量,但高温热裂解保留原生物质中碳要比低温热裂解少。而生物炭孔隙度、比表面积、离子交换量是在一定温度范围内热裂解方可取得最大值。加热速率也会对生物炭产生影响,依据加热速率快慢,生物质热解可分为慢速热解、中速热解和快速热解,快速热解假如在较高温度下进行又称为闪速热解,多个热解方法对比见表。其中,慢速热解生物炭产率最高,对原料粒度要求不严格,温度也相对较低,但时间最长;其次是中速热解,各方面都居于中间水平;快速热解生物炭产率较低,对原料粒度要求严格,但时间极短。不一样加热速率下生物碳产量五,中国生物质炭化关键装置1,窑炭化中国含有悠久烧炭历史,最早炭化装置以窑形式出现,通常以土窑或砖窑为反应装置,将炭化原料(杂草、秸秆、枯枝、落叶等)填入窑中,由窑内燃料燃烧提供炭化过程所需热量,然后将炭化窑封闭,窑顶开有通气孔,炭化原料在缺氧环境下被闷烧,并在窑内进行缓慢冷却,最终制成炭。该过程是慢速热解过程,也是产炭率最高制炭方法,但这种制炭方法存在周期长、炭质量不稳定等问题。河南三利新能源有限企业热解炭化立窑技术实现了连续生产,是集中制炭生产模式经典代表。敞开式快速热解炭化窑,采取自热控氧工艺,3t秸秆可生产出1t生物炭、200kg醋液、50kg焦油、2400m3可燃气体。浙江大学设计了一个外加热回转炭化窑,筒体转速可在0.5～10r/min范围内调整,窑体温度可控,以稻壳为原料,热解终温在550、650和750℃时,炭产率均在40%以上。总体来看,经过改造窑炭化含有原料适应性强、设备容积大、产炭率高等优点,但也含有炭化周期长、炭化过程难以控制、资源浪费严重(油、气等直接排放)等缺点。2,固定床炭化固定床炭化源于中国古老烧炭工艺,现已开发出钢铁材料制成固定床炭化炉。泰国清迈大学研发了大型烟道气体金属炭化炉,将试验用木薯根茎在燃烧炉内点燃,用产生燃料气进行炭化,且热解产生可燃气体还可二次回流利用。中国林科院林产化学工业研究所开发了内燃式BX型炭化炉,所得生物炭品质较高。辽宁省生物炭工程技术研究中心和辽宁金和福农业开发有限企业研发半封闭式亚高温缺氧干馏炭化技术以及配套可移动组合式炭化炉,实现了在原料产地就地或就近制炭,将生产模式从原料搜集、储运、异地集中炭化,转变为在产地就地、就近炭化,处理了长久制约农林废弃物资源化和产业化原料运输成本过高等“瓶颈”问题,使大规模制备生物炭成为可能。近些年,生物质固定床热解炭化技术发展较快,前后出现了多个不一样结构固定床炭化炉。按加热方法能够分为外热式固定床热解炭化炉、内燃式固定床热解炭化炉和再流通气体加热式固定床热解炭化炉等。比较来看,生物质固定床炭化炉含有运动部件少、制造简单、成本低、操作方便、得炭率高等优点,适适用于小规模制炭,但因为生物质能量密度低、搜集成本高、运输成本高以及炭化工艺及装置不完善等问题未能得到大范围推广。六,生物质炭化存在问题及提议尽管中国外对生物质成型炭制备工艺已取得了较大进展,但仍有部分问题亟待处理:(1)国外研究关键是木材炭化成型,而中国则是关键针对部分农业废弃物如秸秆热压成型研究,对果壳类花生壳冷压成型研究较少,同时对成型炭研究也相对较少;(2)树种不一样,其木材废料燃烧特征也不一样,现在针对特定树种研究还还未见报道;(3)多数研究报道局限于单一生物质炭化研究,对复合生物质研究相对较少。针对上述问题开展深入研究是极其必需,包含研制新型大型炭化装置;硕士物质炭化工艺特征;提升