木炭生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

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木炭生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

黃博林，陳小閣，張義堃，鄭毅駿，劉寶慶

（浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江杭州310027）

摘要：木炭作為一種重要的生產(chǎn)、生活原料，在工業(yè)生產(chǎn)和家庭生活中應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)有的木炭生產(chǎn)技術(shù)主要有內(nèi)熱式炭化、外熱式炭化和循環(huán)氣流加熱式炭化技術(shù)，本文概述了3種炭化技術(shù)與設(shè)備的研發(fā)現(xiàn)狀，并總結(jié)了炭化工藝改進(jìn)的理論研究進(jìn)展：長(zhǎng)低溫停留時(shí)間，然后快速升溫到高溫段保溫的加熱工藝有利于提高木炭產(chǎn)率和品質(zhì)，同時(shí)節(jié)省炭化時(shí)間和能量；適當(dāng)提高原料濕度和炭化壓力將促進(jìn)木材熱解，增大壓力還能提高木炭得率；減小原料尺寸可以提升炭化速率，但會(huì)使得炭得率降低。最后指出當(dāng)前國(guó)內(nèi)木炭生產(chǎn)主要存在工業(yè)化水平低、理論研究滯后和缺乏相關(guān)的生產(chǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，未來(lái)的木炭生產(chǎn)將沿著工業(yè)化、高效化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。關(guān)鍵詞：木炭；炭化工藝；生產(chǎn)設(shè)備；生物質(zhì)；熱解；再生能源

第一作者：黃博林（1993—），男，碩士研究生。E-mail bolinhv@163.com。聯(lián)系人：劉寶慶，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事高效節(jié)能技術(shù)與裝備的研究。E-mailbaoqingliu@126.com。

木炭是木材或其他木質(zhì)原料（如木屑、秸稈等農(nóng)林廢棄物）經(jīng)不完全燃燒，或在隔絕空氣條件下熱解所獲得的高碳含量的殘留物。木炭是生產(chǎn)活性炭、二硫化碳等的原料，可作為鋼鐵和工業(yè)硅冶煉的還原劑，還可用在有色金屬冶煉中作表面助熔劑[1-2]。此外，燒烤行業(yè)以及家庭烹飪、取暖等每年也消耗著大量的木炭。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織報(bào)道[3]，2000年全球木炭消耗總量高達(dá)約4400萬(wàn)噸，目前木炭的消耗量還在逐年遞增。和化石燃料相比，木炭灰分含量少、不含硫、氮元素含量也很少，是一種清潔的燃料和還原劑。近年來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)對(duì)節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，木炭的生產(chǎn)再一次引起人們的廣泛關(guān)注。

木炭生產(chǎn)技術(shù)屬于生物質(zhì)熱解范疇，生物質(zhì)熱解是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)，大多數(shù)研究集中在熱解生產(chǎn)可代替化石燃料的生物油上，對(duì)于木質(zhì)原料熱解生產(chǎn)木炭的研究較少。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有木炭生產(chǎn)技術(shù)作一個(gè)總結(jié)，以期為后續(xù)研究提供指導(dǎo)。

1　木炭生產(chǎn)技術(shù)簡(jiǎn)介

木炭生產(chǎn)技術(shù)主要包括內(nèi)熱式炭化技術(shù)、外熱式炭化技術(shù)以及循環(huán)氣流加熱式炭化技術(shù)[1]。內(nèi)熱式炭化技術(shù)是一種傳統(tǒng)的木炭生產(chǎn)技術(shù)，這種技術(shù)通過(guò)控制進(jìn)入窯內(nèi)的空氣量使得木材不完全燃燒來(lái)生產(chǎn)木炭，通常需要犧牲20%左右的木材來(lái)維持整個(gè)炭化過(guò)程[4]。內(nèi)熱式炭化技術(shù)生產(chǎn)效率低、能量和質(zhì)量利用率低、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。此外，近年來(lái)出現(xiàn)了改進(jìn)的內(nèi)熱式炭化技術(shù)，如Antal等提出的閃速炭化技術(shù)[5-7]，提高了內(nèi)熱式炭化的傳熱速率，且能獲得較高的木炭得率，但還未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。鑒于內(nèi)熱式炭化的諸多缺點(diǎn)，人們開始將注意力轉(zhuǎn)向外熱式炭化，外熱式炭化技術(shù)利用外部燃燒室產(chǎn)生的熱量加熱反應(yīng)釜，從而使釜內(nèi)原料炭化，燃燒室使用的燃料可以是廢木材、汽油或者回收的熱解氣等，避免了消耗用于生產(chǎn)木炭的木材，和內(nèi)熱式炭化相比，外熱式炭化在密封性能、傳熱效率、炭化速度、木炭得率和品質(zhì)方面均有更優(yōu)的性能，此外，外熱式炭化易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作，是木炭生產(chǎn)的一大發(fā)展方向。循環(huán)氣流加熱式炭化技術(shù)的基本原理是：直接將高溫惰性氣體或還原性氣體通入炭化室內(nèi)加熱炭化木材，炭化產(chǎn)生的熱解氣隨載熱氣體流出，在燃燒室中燃燒后又可用于炭化木材。循環(huán)氣流加熱式炭化技術(shù)傳熱效率高、炭化周期短、獲得的木炭質(zhì)量較好，缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、操作成本高。

為了提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，國(guó)內(nèi)外眾多的研究者進(jìn)行了相關(guān)的研究，為木炭生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)提供了一定的指導(dǎo)。如Antal等[8]研究了炭化溫度對(duì)木炭得率的影響，認(rèn)為低溫炭化（約300℃）有利于提高木炭產(chǎn)量。潘萌嬌等[9]的研究得到了相似的結(jié)論，還提出高溫下獲得的木炭固定碳含量更高。Elyounssi等[10]提出了一種二級(jí)熱解的炭化工藝，研究表明該方法能獲得較高的炭得率和炭品質(zhì)。Adetoyese等[11]研究了炭化過(guò)程中能耗的變化規(guī)律，提出三級(jí)熱解的方法，降低了炭化過(guò)程的能量消耗。戚紅梅[12]和蘇毅[13]等的研究發(fā)現(xiàn)，提高原料濕度能促進(jìn)熱解過(guò)程的進(jìn)行。但對(duì)于原料濕度對(duì)炭得率的影響，目前還沒(méi)有得出一致的結(jié)論。崔亞兵[14]和Rousset[15]等的研究則表明適當(dāng)?shù)靥岣邏毫τ欣诖龠M(jìn)炭化過(guò)程進(jìn)行，提高炭得率。炭化速率受原料傳熱和傳質(zhì)速率影響較大[16]，小尺寸物料炭化速度快，但炭得率相對(duì)較低[17]，為此需根據(jù)物料來(lái)源和對(duì)產(chǎn)物炭品質(zhì)的要求確定具體的炭化工藝。上述研究為炭化工藝的改進(jìn)提供了有益的指導(dǎo)，但大多處于試驗(yàn)室水平，距離實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。

2　木炭生產(chǎn)設(shè)備

2.1內(nèi)熱式炭化設(shè)備

內(nèi)熱式炭化技術(shù)生產(chǎn)木炭使用的炭化設(shè)備主要包括3類[18]：土堆式或坑式窯、固定式窯以及移動(dòng)式窯。土堆式或坑式窯炭化方法是一種古老的木炭制取方法，土堆式窯即在點(diǎn)燃的木材堆上覆蓋草皮或沙土，并留有適當(dāng)?shù)耐忾g隙，使其中的木材不完全燃燒而生成木炭，坑式窯的原理和土堆式窯相似，只是將木材移到了事先挖好的坑里進(jìn)行炭化。土堆式或坑式窯只能燒制尺寸較大的硬質(zhì)木材[19]，生產(chǎn)周期通常需要15～30天，炭得率只有10%～30%，不僅極度浪費(fèi)森林資源，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。我國(guó)在20世紀(jì)60年代大搞鋼鐵生產(chǎn)，以年產(chǎn)炭3000萬(wàn)噸居世界之首，用的就是坑式窯，使用大量的木材物料卻只獲得20%～30%的合格木炭[20]，成為當(dāng)時(shí)世界制炭業(yè)最大的污染源。目前該生產(chǎn)方法已基本被淘汰。

固定式窯是由磚塊、混凝土或黏土砌成的窯，容積從幾十到幾百立方米不等。固定式窯在土堆窯的基礎(chǔ)上改進(jìn)了通風(fēng)系統(tǒng)，炭化質(zhì)量相對(duì)更好，有的還帶有煙氣回收系統(tǒng)。文獻(xiàn)報(bào)道的固定式窯有阿根廷窯（Argentine kiln）、密蘇里窯（Missouri kiln）、巴西的蜂窩窯（beehive kiln）和燙尾窯（hot tail kiln）等[8]。典型的如密蘇里窯，其容積可達(dá)180m3，生產(chǎn)周期為7～30天，窯的炭產(chǎn)率為20%～30%，但在美國(guó)，許多密蘇里窯因?yàn)榕欧挪贿_(dá)標(biāo)而關(guān)停。雖然利用固定式窯生產(chǎn)木炭對(duì)森林資源和大氣環(huán)境都將造成較大的破壞，但其操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大、成本低，在許多發(fā)展中國(guó)家仍然被廣泛使用。

移動(dòng)式窯的體積一般較小，適用于分散的小批量農(nóng)林殘余物的炭化。如日本農(nóng)林水產(chǎn)省森林綜合研究所[21]設(shè)計(jì)的移動(dòng)式BA-1型炭化爐，爐底裝有4個(gè)輪子，移動(dòng)方便，可直接將炭化爐移動(dòng)到田間進(jìn)行炭化處理。

此外，Antal等[5]提出了一種新型的內(nèi)熱式炭化技術(shù)——閃速炭化（flash carbonization），閃速炭化反應(yīng)設(shè)備在中高壓力下（約1MPa）工作，底部裝有大功率電熱器，能夠使原料快速升溫燃燒，研究表明該系統(tǒng)能夠在30min以內(nèi)獲得接近理論值的炭得率，但該方法能耗高，對(duì)設(shè)備和原料的要求高，且熱解機(jī)理尚不明確，目前還難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

2.2外熱式炭化設(shè)備

外熱式炭化設(shè)備較內(nèi)熱式設(shè)備對(duì)炭化過(guò)程參數(shù)更容易控制，是實(shí)現(xiàn)木炭工業(yè)化生產(chǎn)的一大方向。如荷蘭Gerelshoeve BV公司生產(chǎn)的VMR系統(tǒng)就是典型的外熱式炭化設(shè)備（圖1），基本單元由兩個(gè)水平放置的炭化筒和一個(gè)中心燃燒室組成，兩個(gè)炭化筒輪流工作，第一個(gè)炭化筒內(nèi)熱解反應(yīng)放出的氣體被引入燃燒室燃燒，用于干燥另一個(gè)筒內(nèi)的木材并推動(dòng)熱解過(guò)程進(jìn)行，第一個(gè)筒內(nèi)熱解過(guò)程結(jié)束后被換上新的木材，此時(shí)由第二個(gè)筒內(nèi)木材熱解產(chǎn)生的熱解氣來(lái)加熱第一個(gè)筒內(nèi)新的木材，如此往復(fù)，炭化系統(tǒng)穩(wěn)定工作后便不需要外部提供熱量，能取得較好的炭化效果。目前該系統(tǒng)已在美國(guó)、法國(guó)及亞非的一些國(guó)家投入生產(chǎn)。

劉寶慶等[22]開發(fā)了一種產(chǎn)量為150kg/h的廢木屑連續(xù)炭化爐，其工作原理圖如圖2所示，木屑連續(xù)地從炭化爐上端入口進(jìn)入，爐筒體內(nèi)上半部分布有若干加熱盤，下半部分布有若干冷卻盤，木屑在加熱和冷卻盤上的耙桿機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下沿圖示路徑依次通過(guò)所有的加熱盤和冷卻盤，完成炭化。該炭化爐能夠?qū)崿F(xiàn)廢木屑（或其他細(xì)顆粒木質(zhì)原料）的連續(xù)炭化，炭化周期短，對(duì)炭化溫度、物料停留時(shí)間等操作參數(shù)的控制靈活，操作簡(jiǎn)單。

圖1　VMR系統(tǒng)

圖2　150　kg/h廢木屑連續(xù)炭化爐工作原理

2.3循環(huán)氣流加熱式炭化設(shè)備

循環(huán)氣流加熱式炭化過(guò)程最初由德國(guó)的Reichert開發(fā)，炭化過(guò)程中直接將高溫惰性氣體或還原性氣體通入爐內(nèi)炭化木材，該方法的重要意義在于解決了外熱式炭化通過(guò)爐壁傳熱效率低的問(wèn)題[23]。Reichert炭化爐工作過(guò)程中，作為熱載體的氣體首先在一個(gè)特制的燃燒爐內(nèi)精確受控燃燒，使溫度升到450～550℃，然后被通入爐內(nèi)炭化木材。炭化過(guò)程中產(chǎn)生的熱解氣和水蒸氣隨載熱氣流循環(huán)流到燃燒室燃燒，進(jìn)一步用于炭化原料，為保證木炭的干度，在燃燒室前還應(yīng)加有冷凝器和焦油洗滌裝置。Reichert過(guò)程較好地實(shí)現(xiàn)了載熱氣流循環(huán)和炭化過(guò)程的自動(dòng)控制，在世界范圍內(nèi)已有多年的成功生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并不斷被改進(jìn)，但其仍屬于間歇生產(chǎn)，相對(duì)連續(xù)化的生產(chǎn)方式勞動(dòng)強(qiáng)度更大，成本更高。

Lambiotte過(guò)程是一種連續(xù)式的循環(huán)氣流加熱式炭化方法，該方法的特點(diǎn)在于連續(xù)化生產(chǎn)顯著降低了勞動(dòng)強(qiáng)度[23]。Lambiotte炭化爐主體為一個(gè)立式塔，分為上部加熱段和下部冷卻段，木材從上部連續(xù)輸入，在塔體內(nèi)緩慢向下移動(dòng)，經(jīng)過(guò)加熱段炭化和冷卻段冷卻后由塔體下部排出。炭化產(chǎn)生的氣體一部分被燃燒后通入炭化室炭化木材，一部分經(jīng)洗滌、冷卻后用于冷卻木炭。Lambiotte炭化爐提高了生產(chǎn)效率，但設(shè)備成本較高，特別是內(nèi)部物料連續(xù)的移動(dòng)破壞了金屬零件表面的防腐層，設(shè)備耐蝕性能差。

3　炭化工藝改進(jìn)

評(píng)價(jià)炭化過(guò)程效率常用的指標(biāo)有炭得率和固定碳含量，如式（1）和式（2）。

式中，mc為所得木炭的干重；m為原料的干重。

式中，%VM為木炭中揮發(fā)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；%AM為木炭中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

但炭得率本身是一個(gè)模糊的概念，因?yàn)樗豢紤]了得到的木炭質(zhì)量而沒(méi)有考慮木炭的品質(zhì)，為此，Antal等[24]提出固定碳得率的概念[式（3）]，用以表征無(wú)灰原料轉(zhuǎn)化成無(wú)灰分和揮發(fā)物成分的純碳的效率。

式中，%FA為原料中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

此外，考慮生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，還必須考慮炭化過(guò)程的生產(chǎn)周期、能量消耗量、操作的簡(jiǎn)便性以及設(shè)備的維護(hù)等因素。改進(jìn)炭化工藝的目的在于提高木炭產(chǎn)率、縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約能耗。影響炭化過(guò)程效率的因素主要有加熱工藝、炭化壓力、原料的濕度、尺寸、屬性等。通過(guò)控制這些影響因素可以獲得不同的生產(chǎn)目的。

3.1改進(jìn)加熱工藝

溫度對(duì)炭化過(guò)程有重要的影響。眾多的研究表明[8-9，25-29]，低溫（約300℃）有利于提高木炭產(chǎn)量，但炭化速度慢，而在中溫段（300～600℃），隨著溫度的升高炭得率迅速下降，而后隨溫度升高，炭得率變化不明顯。這是因?yàn)樯镔|(zhì)揮發(fā)分的析出主要集中在中溫段，另外，高溫下獲得的木炭固定碳含量高，木炭品質(zhì)好[9]。常規(guī)的炭化過(guò)程一般采用等溫加熱方式，根據(jù)上述原理，改用長(zhǎng)低溫停留時(shí)間，然后快速升溫到高溫段保溫的加熱工藝有利于提高炭得率和固定碳含量，同時(shí)節(jié)省炭化時(shí)間和能量。

Elyounssi等[10]以一種非洲柏樹木為原料，實(shí)驗(yàn)研究了在常壓條件下其低溫（330℃、360℃、420℃）等溫?zé)峤膺^(guò)程固定碳得率（YFC）隨時(shí)間的變化，得到了相似的結(jié)果，木材熱解過(guò)程可分為兩個(gè)明顯不同的階段：第一階段為質(zhì)量損失達(dá)50%之前的熱解過(guò)程，對(duì)應(yīng)半纖維素和纖維素的分解，在這一階段，低溫促使炭的形成，在本階段最后（質(zhì)量損失在50%左右時(shí)）固定碳得率達(dá)到最大；在接下來(lái)的第二階段，固定碳得率又開始下降。而在第一階段結(jié)束時(shí)，將溫度快速提升到某一高溫（600℃或700℃），將可以保存所獲得的高固定碳得率。于是他們提出二級(jí)熱解的木炭生產(chǎn)方法，該方法的特征在于首先使用低溫等溫?zé)峤獗ＷC獲得高炭得率，而這一階段消耗的能量很少，質(zhì)量損失達(dá)50%后將溫度快速升到600℃以上，使得殘余的木質(zhì)素快速熱解，節(jié)約炭化時(shí)間，避免了獲得的最大炭得率下降。360℃的等溫實(shí)驗(yàn)表明二級(jí)熱解工藝的炭得率高達(dá)41.5%，固定碳含量為77%，固定碳得率為31.9%。

生物質(zhì)的熱解是一個(gè)先吸熱后放熱的過(guò)程[30]，但總體上是一個(gè)吸熱過(guò)程。傳統(tǒng)的木炭生產(chǎn)過(guò)程需要消耗大量的能量，為了減小炭化過(guò)程的能量消耗，Adetoyese等[11]提出了三級(jí)熱解木炭生產(chǎn)方法：第一級(jí)快速升溫到某一固定溫度，第二級(jí)緩慢加熱到400℃的終溫，最后保溫一段時(shí)間后慢速冷卻。實(shí)驗(yàn)研究表明，在第一級(jí)終溫為300℃，加熱速率為5℃/min時(shí)，多級(jí)加熱方法較傳統(tǒng)的連續(xù)式加熱方法節(jié)約能量30%，所得木炭的固定碳得率（YFC）為25.73%，而傳統(tǒng)方法為23.18%。第一級(jí)快速加熱有利于縮短吸熱過(guò)程，而第二級(jí)加熱速度對(duì)能量消耗影響不大，采用慢速熱解（5℃/min）能夠獲得高炭得率，所以三級(jí)熱解的方法能夠保證較高的炭得率，同時(shí)降低能量消耗。

綜上所述，Elyounssi等[10]提出的二級(jí)熱解方法快速跨過(guò)了使木炭分解為其他產(chǎn)物的溫度區(qū)間，獲得較高的炭得率。而Adetoyese等[11]提出的三級(jí)熱解方法通過(guò)縮短吸熱過(guò)程，節(jié)約了炭化過(guò)程的能量，但獲得的炭得率相對(duì)較低，因此對(duì)炭化加熱工藝的選擇應(yīng)根據(jù)不同生產(chǎn)要求而定。

3.2濕度和壓力的影響

濕度的增加能促進(jìn)原料熱解。戚紅梅等[12]研究了水分對(duì)于木屑熱解過(guò)程的失重特性的影響，結(jié)果表明，水分在一定程度上促進(jìn)了木屑的熱解反應(yīng)，但沒(méi)有進(jìn)行產(chǎn)物成分受水分影響的分析。蘇毅等[13]發(fā)現(xiàn)稻桿中的水分延遲了熱解失重峰的出現(xiàn)，同時(shí)促進(jìn)了稻桿的熱解，不凝性小分子氣體的析出量隨稻桿原料水分含量增大而增大，主要焦油組分析出量則隨之減少。

而對(duì)于原料濕度與炭得率之間的關(guān)系尚無(wú)明確的結(jié)論。Antal等[31]研究了物料濕度對(duì)炭得率的影響，實(shí)驗(yàn)研究表明，在加壓環(huán)境下木材濕度在50%左右時(shí)炭得率能夠達(dá)到42%～62%，接近達(dá)到理論炭得率，但沒(méi)能對(duì)這一現(xiàn)象給出合理解釋。王茹等[32]則認(rèn)為隨著水分含量的增大，生物炭產(chǎn)量減小。因?yàn)樗治龀鰰?huì)引起一些物理效應(yīng)：由于水分的存在，生物質(zhì)組成成分的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度會(huì)降低90℃左右。在特定溫度下，水分會(huì)減小熔融狀態(tài)下聚合物的黏性，加速蒸汽和氣體氣泡的生成和析出，從而生成更多揮發(fā)性物質(zhì)，降低了生物炭的產(chǎn)量。

適當(dāng)?shù)靥岣邏毫Σ粌H能提升炭得率，還能夠改善傳熱效果，從而使木材炭化更均勻、縮短炭化時(shí)間。Antal等[8]的研究表明，提高壓力延長(zhǎng)了氣相停留時(shí)間，進(jìn)而增大了氣相轉(zhuǎn)化為固相炭的二次反應(yīng)的概率。崔亞兵等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，加壓條件下生物質(zhì)的活化能明顯低于常壓，表明在加壓下生物質(zhì)的熱解反應(yīng)更容易進(jìn)行。Rousset等[15]綜合考慮了炭化壓力對(duì)桉木炭的炭得率、固定碳得率、木炭密度、固定碳含量和熱值的影響，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，表明壓力1MPa、炭化終溫600℃時(shí)能夠生產(chǎn)出最適合做鋼鐵冶煉還原劑的木炭。

另一方面，壓力和濕度的增加使得操作成本相應(yīng)增大，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需根據(jù)生產(chǎn)要求選擇操作條件。

3.3原料尺寸的影響

原料尺寸是控制熱解速率的決定性因素，而炭化周期過(guò)長(zhǎng)是目前木炭生產(chǎn)所面臨的一大難題。工業(yè)化木炭生產(chǎn)過(guò)程中使用的原料尺寸一般較大，董慶等[16]研究了粒徑對(duì)竹材熱解特性的影響，結(jié)果表明：當(dāng)粒徑大于380μm時(shí)，竹材的熱解不僅受動(dòng)力學(xué)控制，而且受顆粒的傳熱、傳質(zhì)影響也較大。在宏觀尺寸范圍內(nèi)，原料尺寸越小，傳熱效果越好，炭化速率越快。使用小顆粒的炭化原料能夠大大節(jié)省炭化時(shí)間，和大尺寸原料相比，便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)炭化操作，并且有效利用了鋸末、果殼等農(nóng)林廢棄物。但小顆粒原料由于傳熱速率快，在低溫區(qū)停留時(shí)間短，獲得的木炭碳含量較低，灰分含量相對(duì)較高[17]。上述問(wèn)題可通過(guò)降低低溫段的升溫速率得到改善，但由于木材熱解過(guò)程的復(fù)雜性，還有待進(jìn)行更深入的研究，國(guó)內(nèi)外目前也未見(jiàn)針對(duì)這方面的研究報(bào)道。

另外，小顆粒原料炭化后需先粉碎成炭粉，然后加黏結(jié)劑成型才能獲得合格的木炭，即機(jī)制木炭，要保證機(jī)制木炭的強(qiáng)度和燃燒性能，便對(duì)黏結(jié)劑提出了較高的要求。江茂生等[33]考察了12種膠黏劑對(duì)炭塊的強(qiáng)度和燃燒性質(zhì)的影響，優(yōu)選出適用的黏結(jié)劑A，并對(duì)其生產(chǎn)工藝與配方進(jìn)行了優(yōu)化，研究表明：炭的粒度越小，越有利于成品強(qiáng)度的提高和減少膠的用量；當(dāng)黏結(jié)劑A、淀粉膠、二次纖維的配比為3.2∶0.8∶0.1時(shí)，可以制備出性能良好的成型燃料炭，成型加工成本只需395元/噸。

4　結(jié)語(yǔ)與展望

傳統(tǒng)的木炭市場(chǎng)主要有化工生產(chǎn)、工業(yè)冶煉、燒烤和生活燃料等。此外，木炭還可用在幾乎所有的粉煤燃燒設(shè)備中，可用于發(fā)電廠發(fā)電，木炭作為一種清潔可再生能源在替代化石燃料方面具有很大的潛力。歐美國(guó)家的工業(yè)化木炭生產(chǎn)技術(shù)起步較早，而國(guó)內(nèi)的木炭生產(chǎn)卻大多使用傳統(tǒng)的方法，工業(yè)化水平低，且相關(guān)的研究很少?，F(xiàn)有的木炭生產(chǎn)技術(shù)存在的問(wèn)題主要包括以下方面。

（1）理論研究滯后，對(duì)木材炭化機(jī)理和各影響因素的研究不足，目前還不能建立明確的炭化操作條件和產(chǎn)物品質(zhì)之間的關(guān)系，阻礙木炭生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步革新。

（2）多數(shù)研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，沒(méi)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

（3）木炭的生產(chǎn)和使用還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，還需進(jìn)行更加深入的研究，包括建立合理、完善的炭化機(jī)理模型，明確炭化工藝與產(chǎn)物性質(zhì)之間的關(guān)系，開發(fā)操作簡(jiǎn)便、效率更高的木炭生產(chǎn)設(shè)備等。此外，還應(yīng)有一套完善的木炭生產(chǎn)與使用標(biāo)準(zhǔn)，使得木炭生產(chǎn)、使用與研究更加規(guī)范化、合理化。

參考文獻(xiàn)

[1]Pelaez-Samaniego M R，Garcia-Perez M，Cortez L B，et al.Improvements of Brazilian carbonization industry as part of the creation of a global biomass economy[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008，12（4）：1063-1086.

[2]Ronaldo Santos Sampaio，Jeremy Jones，Jose Batista.Hot metal strategies for the EAF industry[J].Iron Steel Technology，2009，6（2）：31-37.

[3]Ivan Tomaselli.Forests and Energy in Developing Countries[R].Rome：FAO，2007.

[4]Rosillo-Calle F，de Rezende M A A，F(xiàn)urtado P，et al.The Charcoal Dilemma：Finding a Sustainable Solution for Brazilian Industry[M].London：Intermediate Technology Publications，1996.

[5]Antal M J，Mochidzuki K，Paredes L S.Flash carbonization of biomass[J].Ind.Eng.Chem.Res.，2003，42（16）：3690-3699.

[6]Nunoura T，Wade S R，Bourke J，et al.Studies of the flash carbonization process.1.Propagation of the flaming pyrolysis reaction and performance of a catalytic afterburner[J].Ind.Eng.Chem.Res.，2006，45（2）：585-599.

[7]Wade S R，Nunoura T，Antal M J.Studies of the flash carbonization process.2.Violent ignition behavior of pressurized packed beds of biomass：A factorial study[J].Ind.Eng.Chem.Res.，2006，45（10）：3512-3519.

[8]Antal M J，Gronli M.The art，science，and technology of charcoal production[J].Ind.Eng.Chem.Res.，2003，42（8）：1619-1640.

[9]潘萌嬌，孫姣，賀強(qiáng)，等.熱解終溫和加熱速率對(duì)棉桿熱解生物炭的影響研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，43（5）：60-66.

[10]Elyounssi Khalid，Blin Joel，Halim Mohammed，et al.High-yield charcoal production by two-step pyrolysis[J].J.Anal.Appl.Pyrolysis，2010，87（1）：138-143.

[11]Adetoyese Olajire Oyedun，Ka Leung Lam，Chi Wai Hui.Charcoal production via multistage pyrolysis[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2012，20（3）：455-460.

[12]戚紅梅，惠世恩，崔大偉，等.升溫速率和水分含量對(duì)木屑熱解過(guò)程和特性的影響[J].可再生能源，2009，27（3）：77-80.

[13]蘇毅，王蕓，吳文廣，等.水分對(duì)稻桿熱解特性的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（26）：107-112.

[14]崔亞兵，陳曉平，顧利鋒.常壓及加壓條件下生物質(zhì)熱解特性的熱重研究[J].鍋爐技術(shù)，2004，35（4）：12-15.

[15]Rousset P，F(xiàn)igueiredo C，de Souza M，et al.Pressure effect on the quality of eucalyptus wood charcoal for the steel industry：A statistical analysis approach[J].Fuel Processing Technology，2011，92（10）：1890-1897.

[16]董慶，張書平，張理，等.竹材熱解動(dòng)力學(xué)特性分析[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2015，15（1）：89-93.

[17]閆智培，李十中.全國(guó)農(nóng)村清潔能源與低碳技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].鄭州：中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)，2011.

[18]Maheshwari R C，Chaturvedi Pradeep.Bio-energy for Rural Energisation[M].New Delhi：Concept Publishing Company，1997.

[19]石海波，孫姣，陳文義，等.生物質(zhì)熱解炭化反應(yīng)設(shè)備研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2012，31（10）：2130-2136.

[20]鄒吉華，鄒吉紅，王志偉.熱解法處理生物質(zhì)廢渣的最新技術(shù)[J].北方環(huán)境，2000（4）：58-60.

[21]馬元庚.介紹一種移動(dòng)式炭化爐[J].林產(chǎn)化工通訊，1993（4）：24-26.

[22]劉寶慶，黃博林，鄭毅駿，等.一種廢木屑連續(xù)炭化爐：中國(guó)，201420615776.X[P].2015-01-28.

[23]Food And Agriculture Organization of the United Nation.Industrial Charcoal Making[M].Rome：Food &Agriculture org.，1986.

[24]Antal M J，Allen S G，Dai X，et al.Attainment of the theoretical yield of carbon from biomass[J].Ind.Eng.Chem.Res.，2000，39（11）：4024-4031.

[25]Lehmann J，Gaunt J，Rondon M.Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems[J].Mitig.Adapt.Strat.Glob.，2006，11（2）：395-419.

[26]楊海平，陳漢平，晏蓉，等.溫度對(duì)生物質(zhì)固定床熱解影響的研究明[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28（10）：1152-1157.

[27]Fassinou W F，van de Steene L，Toure S，et al.Pyrolysis of Pinus pinaster in a two-stage gasifier：Influence of processing parameters and thermal cracking of tar[J].Fuel Process Technology，2009，90（1）：75-90.

[28]肖瑞瑞，陳雪莉，周志杰，等.溫度對(duì)生物質(zhì)熱解產(chǎn)物有機(jī)結(jié)構(gòu)的影響[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31（4）：491-496.

[29]王秦超，盧平，黃震，等.生物質(zhì)低溫?zé)峤馓炕匦缘膶?shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（12）：121-126.

[30]Koufopanos C A，Papayannakos N，Maschio G，et al.Modelling of the pyrolysis of biomass particles.Studies on kinetics，thermal and heat transfer effects[J].Can.J.Chem.Eng.，1991，69（4）：907-915.

[31]Antal Michael Jerry，Croiset Eric，Dai Xiangfeng，et al.High-yield biomass charcoal[J].Energy &Fuels，1996，10（3）：652-658.

[32]王茹，侯書林，趙立欣，等.生物質(zhì)熱解炭化的關(guān)鍵影響因素分析[J].可再生能源，2013，31（6）：90-95.

[33]江茂生，黃彪.木炭粉膠合制成型燃料炭的研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2003，23（4）：79-82.

Research progress of charcoal production

HUANG Bolin，CHEN Xiaoge，ZHANG Yikun，ZHENG Yijun，LIU Baoqing

（Institute of Process Machinery，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China）

Abstract：Charcoal is widely used in industrial production and households.Charcoal production methods can be divided into three types according to different heating modes，namely internal heating，external heating and heating with recycle gas.In this paper，the research progress ofcharcoal production and equipmpent and theoretical study of carbonization technology improvement are summarized.Long residence time at a low temperature and then rising rapidly to a high temperature and standing for a period of time helps to increase yield and quality of charcoal as well as save time and energy.High moisture content and operation pressure can promote carbonization.Besides，pyrolysis at an elevated pressure can increase charcoal yield.Carbonization time will decrease with increasing feedstock size，however，charcoal yield will decrease as well.Finally the main problems existing in China’s charcoal production industry are lower level of industrialization，lacking theoretical research and standards for charcoal production and usage.Industrialization，high efficiency and standardization shall be the development trend of charcoal production.

Key words：charcoal;carbonization technology;production equipments;biomass;pyrolysis;renewable energy

基金項(xiàng)目：浙江省重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（2011R50005）。

收稿日期：2015-03-03;修改稿日期：2015-06-04。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.015

文章編號(hào)：1000–6613（2015）08–3003–06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TK 6