生物質(zhì)炭化技術(shù)研究進(jìn)展

孟凡彬， 孟 軍

(1. 遼寧省生物炭工程技術(shù)中心， 遼寧 沈陽 110161； 2. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110161)

?

·綜述評(píng)論——生物質(zhì)能源·

生物質(zhì)炭化技術(shù)研究進(jìn)展

孟凡彬1,2， 孟 軍1

(1. 遼寧省生物炭工程技術(shù)中心， 遼寧 沈陽 110161； 2. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110161)

針對(duì)生物質(zhì)炭化技術(shù)相對(duì)滯后的現(xiàn)狀，從生物質(zhì)特性研究入手，在分析炭化機(jī)理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)評(píng)述了生物質(zhì)炭化影響因素和工藝裝置的研究進(jìn)展。指出原料、預(yù)處理方式和工藝參數(shù)是影響生物炭產(chǎn)量的3個(gè)主要因素，并對(duì)比了窯炭化、固定床炭化、螺旋炭化、微波炭化和流化床炭化的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)生物質(zhì)炭化技術(shù)發(fā)展指明方向。

生物質(zhì)；炭化；生物炭；熱解；工藝

我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，僅農(nóng)作物秸稈一項(xiàng)年產(chǎn)量近7億噸[1]。其中，除部分直接還田及用作固體成型燃料外，大部分未能得到合理利用，特別是為了進(jìn)行下茬耕作，常常將秸稈就地焚燒，不僅造成資源浪費(fèi)，而且污染環(huán)境，也是引起霧霾的主要因素之一[2]。針對(duì)以上問題，探索生物質(zhì)處理新技術(shù)以達(dá)到固碳、減排目的已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。生物炭是在無氧或缺氧條件下，將生物質(zhì)在相對(duì)較低的溫度(一般低于700 ℃)下，通過熱解的方式得到的一種含碳率高、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、理化性質(zhì)穩(wěn)定、可溶性低、熔沸點(diǎn)高、吸附和抗氧化能力強(qiáng)的炭質(zhì)材料。一般情況下，生物炭為弱堿性，不易被微生物分解，可以做成土壤改良劑[3]，且具有巨大的碳封存潛力[4]。 隨著固碳減排壓力增大，生物質(zhì)炭化技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。Lehmann[5]的研究指出，炭化還田是一個(gè)凈的“負(fù)碳”過程； Woolf 等[6]研究表明，生物炭每年減排溫室氣體數(shù)量達(dá)到目前人類溫室氣體排放總量的12 %； Marris[7]提出，生物質(zhì)炭化還田是人類解決全球氣候變化問題的一條重要途徑； Sutherland等[8]把“生物炭及其應(yīng)用”評(píng)為 2010年全球十五大環(huán)保問題之一。為推動(dòng)生物炭的健康、快速發(fā)展，許多國(guó)家成立了全國(guó)生物炭學(xué)會(huì)，一些國(guó)家還成立了地區(qū)協(xié)作研究網(wǎng)絡(luò)、工作組，并相繼召開了有關(guān)生物炭的研究及示范專題會(huì)議。中國(guó)于2010年6月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)成立了中國(guó)生物炭網(wǎng)絡(luò)中心；于2011年在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)成立了遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心，是我國(guó)在生物炭領(lǐng)域的第一家專門研發(fā)機(jī)構(gòu)，陳溫福院士率先提出“通過生物炭技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物炭化還田改土”新理念[9]。隨著研究的深入，生物炭的應(yīng)用逐漸由能源、環(huán)保等領(lǐng)域向農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變[10-14]，產(chǎn)業(yè)化方向逐漸明確。然而，與生物質(zhì)炭化基礎(chǔ)研究的快速發(fā)展不同，生物質(zhì)炭化工藝及裝置的研究相對(duì)滯后，隨著產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程的加快，進(jìn)一步更新和完善生物質(zhì)炭化技術(shù)十分必要。筆者主要從生物質(zhì)特性、炭化機(jī)理、影響因素以及工藝裝置等方面進(jìn)行分析，以期探明生物質(zhì)炭化技術(shù)的發(fā)展方向。

1 生物質(zhì)特性

一切有生命的、可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)統(tǒng)稱為生物質(zhì)，包括植物、動(dòng)物和微生物。目前，關(guān)于動(dòng)物和微生物的研究主要集中在生物化學(xué)領(lǐng)域，而熱化學(xué)領(lǐng)域則主要以植物為研究對(duì)象，故本文提到的生物質(zhì)主要指植物。對(duì)于植物型生物質(zhì)來說，綠色植物通過光合作用把CO2和H2O轉(zhuǎn)化為葡萄糖，進(jìn)而通過脫水把葡萄糖縮合成淀粉，最終以纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等成分組成植物本身。其生成過程可用反應(yīng)式(1)和(2)進(jìn)行描述：

6CO2+12H2O→C6H12O6+6H2O+6O2

(1)

nC6H12O6→(C6H10O5)n+nH2O

(2)

生物質(zhì)是繼煤、石油、天然氣之后的第四大能源，具有清潔、可再生、分布廣泛、二氧化碳“凈零排放”等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在能量密度低、運(yùn)輸成本高、利用設(shè)備(技術(shù))不完善等問題。實(shí)際上，在生物質(zhì)的利用過程中，首先要對(duì)其特性進(jìn)行分析，才能更有針對(duì)性的設(shè)計(jì)后續(xù)處理工藝。目前，工程上以元素分析和工業(yè)分析分別從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)生物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行衡量，基本上能夠滿足生物質(zhì)在熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中的分析需要。一般來說，生物質(zhì)的含碳量為44 %～52 %、含氧量為41 %～48 %、含氫量為5.3 %～6.2 %、含氮量均在1 %左右、含硫量為0.2 %左右，含水量為3.5 %～6.8 %、灰分為1.5 %～18 %、揮發(fā)分為62 %～81 %、固定碳為11 %～21 %、熱值為15～18.7 MJ/kg[15]?？傮w來看，生物質(zhì)原料含碳量較低、含氧量較高，灰分和固定碳較少、揮發(fā)分較多。與煤相比，生物質(zhì)的燃點(diǎn)、灰分、含硫量、熱值更低，碳、氧、揮發(fā)分含量更高。

2 生物質(zhì)炭化技術(shù)

生物炭涵蓋了生物質(zhì)略微炭化到燃燒后黑煙顆粒的炭化物質(zhì)，包括自然野火或人為燒荒燃燒植物、化石燃料等不完全燃燒形成的含碳物質(zhì)[16]。廣義上，通過熱化學(xué)方式將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的固態(tài)含碳產(chǎn)物均為生物炭。

2.1 炭化機(jī)理

炭化是指有機(jī)物質(zhì)受熱分解而留下殘?jiān)蛱康倪^程。在這一過程中，原料中的非碳物質(zhì)被除去，產(chǎn)生以固定碳為基礎(chǔ)的孔洞結(jié)構(gòu)，反應(yīng)相對(duì)復(fù)雜[17]。一般來說，生物質(zhì)原料進(jìn)入炭化裝置中，先后經(jīng)歷干燥、預(yù)炭化、炭化和燃燒4個(gè)階段，最終生成生物炭。干燥階段是生物質(zhì)炭化的準(zhǔn)備階段，當(dāng)溫度達(dá)到120～150 ℃時(shí)，生物質(zhì)中所蘊(yùn)含的水分受熱率先析出，變成“干生物質(zhì)”。預(yù)炭化階段是生物質(zhì)炭化的起始階段，當(dāng)溫度達(dá)到150～275 ℃時(shí)，“干生物質(zhì)”受熱，其中不穩(wěn)定成分(如半纖維素)發(fā)生分解，析出少量揮發(fā)分。炭化階段是生物質(zhì)炭化的主要階段，當(dāng)溫度達(dá)到275～450 ℃時(shí)，半纖維素和纖維素發(fā)生劇烈的熱分解，產(chǎn)生大量的揮發(fā)分，放出大量反應(yīng)熱，剩余固態(tài)產(chǎn)物即為“初步生物炭”。燃燒階段是生物質(zhì)炭化的結(jié)尾階段，當(dāng)溫度達(dá)到450～500 ℃時(shí)，利用炭化階段放出的大量熱，對(duì)初步生物炭進(jìn)行煅燒，排除殘留在木炭中的揮發(fā)性物質(zhì)，提高木炭中固定碳含量，獲得最終的生物炭。

2.2 影響炭化的因素

2.2.1 原料 從原料的角度來看，一般木本植物生物炭具有較高的含碳量及較低灰分含量，草本植物及禾本科植物生物炭具有較高灰分含量及較低的含碳量[18]。這是因?yàn)椴煌镔|(zhì)原料，甚至是不同類型土壤中生長(zhǎng)的同一物種，其有機(jī)成分(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)之間的構(gòu)成比例會(huì)存在較大的差異[19]，不同生物質(zhì)原料中的灰分含量也存在著顯著的差異，從軟木材的1 %到草本植物和農(nóng)業(yè)廢棄物的15 %[20]。因此，原料性質(zhì)是影響生物炭產(chǎn)量的首要因素。

2.2.2 預(yù)處理方式 不同預(yù)處理方式也會(huì)對(duì)生物炭的產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響，在其他條件一定的情況下，生物炭的產(chǎn)量隨著原料塊狀由大到小而逐漸降低[21]，當(dāng)然，原料塊狀越大，炭化過程越長(zhǎng)，炭化程度則相對(duì)較低；對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行酸堿處理或添加化學(xué)品預(yù)處理前后，產(chǎn)生的生物炭特征或性質(zhì)具有顯著的差別[22-23]。一般來說，一定濃度的酸或堿會(huì)破壞生物質(zhì)內(nèi)部的纖維素和半纖維素結(jié)構(gòu)，使之與木質(zhì)素分離，導(dǎo)致炭化產(chǎn)物具有更高的孔隙率。

2.2.3 工藝參數(shù) 工藝參數(shù)是影響生物炭品質(zhì)的主要因素之一。熱解溫度和加熱速率是影響生物炭產(chǎn)量及特性的關(guān)鍵因素，這是因?yàn)樵跓峤膺^程中除了生物炭以外，還會(huì)產(chǎn)生生物油和生物氣2種副產(chǎn)物，不同的熱解溫度和加熱速率會(huì)對(duì)這3種產(chǎn)物之間的分配產(chǎn)生很大的影響[21]。朱金陵等[24]以玉米秸稈顆粒為原料，在其他條件不變的情況下，考察了反應(yīng)溫度對(duì)炭產(chǎn)率的影響，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度為300 ℃時(shí)，炭產(chǎn)率為55 %，達(dá)到最大值，再提高熱解溫度時(shí)，炭產(chǎn)率及熱值均呈逐漸下降的趨勢(shì)。在一定范圍內(nèi)，隨著炭化溫度的升高，碳含量增加，氫和氧含量降低，灰分含量亦有所增加[25]。比較來說，高溫?zé)崃呀獗鹊蜏責(zé)崃呀獾纳锾烤哂懈叩膒H值[26]、灰分含量[27]、生物學(xué)穩(wěn)定性及含碳量[21,27]，但高溫?zé)崃呀獗Ａ粼镔|(zhì)中的碳要比低溫?zé)崃呀馍賉23]。而生物炭的孔隙度、比表面積、離子交換量是在一定溫度范圍內(nèi)熱裂解方可獲得最大值[18,26]。加熱速率也會(huì)對(duì)生物炭產(chǎn)生影響，根據(jù)加熱速率的快慢，生物質(zhì)熱解可分為慢速熱解、中速熱解和快速熱解，快速熱解如果在較高溫度下進(jìn)行又稱為閃速熱解，幾種熱解方式的對(duì)比見表1[28-29]。其中，慢速熱解的生物炭產(chǎn)率最高，對(duì)原料粒度的要求不嚴(yán)格，溫度也相對(duì)較低，但時(shí)間最長(zhǎng)；其次是中速熱解，各方面都居于中間水平；快速熱解的生物炭產(chǎn)率較低，對(duì)原料粒度要求嚴(yán)格，但時(shí)間極短。

表 1 生物炭產(chǎn)率與加熱速率的關(guān)系[28-29]

2.3 工藝裝置

2.3.1 窯炭化 中國(guó)具有悠久的燒炭歷史，最早的炭化裝置以窯的形式出現(xiàn)，一般以土窯或磚窯為反應(yīng)裝置，將炭化原料(雜草、秸稈、枯枝、落葉等)填入窯中，由窯內(nèi)燃料燃燒提供炭化過程所需熱量，然后將炭化窯封閉，窯頂開有通氣孔，炭化原料在缺氧的環(huán)境下被悶燒，并在窯內(nèi)進(jìn)行緩慢冷卻，最終制成炭。該過程是慢速熱解過程，也是產(chǎn)炭率最高的制炭方法[30]，但這種制炭方式存在周期長(zhǎng)、炭質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。河南三利新能源有限公司的熱解炭化立窯技術(shù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)，是集中制炭生產(chǎn)模式的典型代表。日本農(nóng)林水產(chǎn)省森林綜合研究所設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式BA-I型炭化窯，利用隔熱材料進(jìn)行雙層密封，聯(lián)接部分用砂土密封，嚴(yán)格控制進(jìn)氣量，木炭產(chǎn)率較高[31]。王有權(quán)等[32]設(shè)計(jì)了一種敞開式快速熱解炭化窯，采用自熱控氧工藝， 3 t秸稈可生產(chǎn)出1 t生物炭、 200 kg醋液、 50 kg焦油、 2 400 m3可燃?xì)怏w。浙江大學(xué)設(shè)計(jì)了一種外加熱回轉(zhuǎn)炭化窯，筒體轉(zhuǎn)速可在0.5～10 r/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，窯體溫度可控，以稻殼為原料，熱解終溫在550、 650和750 ℃時(shí)，炭產(chǎn)率均在40 %以上[33]。河南省能源研究所研制了三段式生物質(zhì)熱解窯，由熱解釜與加熱爐兩部分組成，其中，熱解釜由低溫段(100～280 ℃)、中溫段(280～500 ℃)和高溫段(500～600 ℃)組成，料管可在熱解釜上行走，氣相產(chǎn)物則通過料管排出，具有高效節(jié)能、低污染、通用性好、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)[34]。截止目前，部分炭化窯已獲得了國(guó)家專利保護(hù)，并在當(dāng)?shù)孬@得推廣。總體來看，經(jīng)過改造的窯炭化具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)備容積大、產(chǎn)炭率高等優(yōu)點(diǎn)，但也具有炭化周期長(zhǎng)、炭化過程難以控制、資源浪費(fèi)嚴(yán)重(油、氣等直接排放)等缺點(diǎn)。

2.3.2 固定床炭化 固定床炭化源于中國(guó)古老的燒炭工藝，現(xiàn)已開發(fā)出鋼鐵材料制成的固定床炭化爐。泰國(guó)清邁大學(xué)研發(fā)了大型煙道氣體金屬炭化爐，將實(shí)驗(yàn)用木薯根莖在燃燒爐內(nèi)點(diǎn)燃，用產(chǎn)生的燃料氣進(jìn)行炭化，且熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w還可二次回流利用[35]。中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所開發(fā)了內(nèi)燃式BX型炭化爐，所得生物炭品質(zhì)較高[36]。韓璋鑫[37]設(shè)計(jì)了上吸式固定床快速熱解炭化爐，在干餾炭化室中心部位設(shè)置氣化反應(yīng)室，空氣管進(jìn)口設(shè)置在氣化室底部，采用下點(diǎn)火方式，氣化產(chǎn)生的高溫缺氧氣體通過兩個(gè)抽吸內(nèi)燃?xì)夤芸?，向上擴(kuò)散到干餾炭化室將物料炭化，具有灰分含量低、爐內(nèi)氣相產(chǎn)物流動(dòng)合理、產(chǎn)炭率高、收集到的可燃?xì)怏w熱值高等優(yōu)點(diǎn)。韓連恩等[38]設(shè)計(jì)了下吸式固定床反火生物質(zhì)炭化燃?xì)獍l(fā)生爐，上層為下吸式反火氣化室，下層為熱解炭化室，在上層反火氣化爐腔和下層炭化爐腔中間設(shè)爐內(nèi)防爆管口接頭，具有燃?xì)庵薪褂秃枯^低、排出的氣體溫度高、密封要求低等優(yōu)點(diǎn)。遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心和遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司研發(fā)的半封閉式亞高溫缺氧干餾炭化技術(shù)以及配套的可移動(dòng)組合式炭化爐，實(shí)現(xiàn)了在原料產(chǎn)地就地或就近制炭，將生產(chǎn)模式從原料收集、儲(chǔ)運(yùn)、異地集中炭化，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诋a(chǎn)地就地、就近炭化，解決了長(zhǎng)期制約農(nóng)林廢棄物資源化和產(chǎn)業(yè)化的原料運(yùn)輸成本過高等“瓶頸”問題，使大規(guī)模制備生物炭成為可能[39]。近些年，生物質(zhì)固定床熱解炭化技術(shù)發(fā)展較快，先后出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)的固定床炭化爐。按加熱方式可以分為外熱式固定床熱解炭化爐、內(nèi)燃式固定床熱解炭化爐和再流通氣體加熱式固定床熱解炭化爐等。比較來看，生物質(zhì)固定床炭化爐具有運(yùn)動(dòng)部件少、制造簡(jiǎn)單、成本低、操作方便、得炭率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于小規(guī)模制炭，但由于生物質(zhì)能量密度低、收集成本高、運(yùn)輸成本高以及炭化工藝及裝置不完善等問題未能得到大范圍推廣。

2.3.3 螺旋炭化 螺旋炭化最早應(yīng)用于鋸末制碳棒，即將粉碎的鋸末烘干到一定程度，進(jìn)入螺旋制炭裝置(由料斗、變螺距擠壓制炭機(jī)構(gòu)、出炭口3部分組成)，通過電加熱和螺旋的擠壓成型作用，邊炭化邊成型，最終生成碳棒，即為機(jī)制炭。該工藝具有連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，一度成為生物質(zhì)炭化發(fā)展的主要方向，但因其外加熱源而受到諸多限制。

我國(guó)于20世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)了專門用來制造活性炭的斯列普爐[40]，該爐型為后續(xù)螺旋炭化裝置的設(shè)計(jì)原型。王金梅等[41]利用自制的螺旋炭化機(jī)進(jìn)行了連續(xù)炭化試驗(yàn)研究，研究了鋸末炭化的停留時(shí)間和炭化溫度，測(cè)試了不同炭化條件獲得的炭粉樣品組成和形貌，結(jié)果表明,在炭化溫度達(dá)到450 ℃，停留時(shí)間20 min以上的條件下，炭粉質(zhì)量可以達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。目前，我國(guó)的螺旋炭化裝置主要以外熱式為主，尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

2.3.4 微波炭化 微波炭化是指利用微波優(yōu)良的加熱性能，將生物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化為生物炭的一種方法。中國(guó)石油大學(xué)設(shè)計(jì)了一種利用單模諧振腔微波設(shè)備外加熱固定床熱解爐型[42]，其加熱速率較慢，蒸汽駐留時(shí)間長(zhǎng)，熱解得到的炭具有比常規(guī)加熱更大的比表面積和孔徑，是一種優(yōu)良的炭基緩釋肥載體，具有較高的研究?jī)r(jià)值。但其原料適應(yīng)性相對(duì)較差、生產(chǎn)成本較高，不適用于用戶推廣，目前只限于實(shí)驗(yàn)室水平研究。

2.3.5 流化床炭化 流化床炭化是基于流態(tài)化燃燒、氣化的一種思考，利用原料流態(tài)化過程中物料受熱均勻、換熱強(qiáng)度高、易于放大等優(yōu)點(diǎn)，使小粒徑的生物質(zhì)原料快速炭化，以達(dá)到制炭的目的。理論上，以鼓泡床氣化爐或循環(huán)流化床氣化爐為原型，降低氣化爐煙氣出口高度，通過煙氣回流的方式減少氧氣供給量并實(shí)現(xiàn)出炭，將成為一種連續(xù)的高效炭化方式。當(dāng)然，目前流化床炭化還處于理論論證階段，尚未見成熟設(shè)備的相關(guān)報(bào)道。

比較來看，窯炭化工藝相對(duì)成熟，已在有些地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用。但是，由于污染物排放和制炭工藝不可控等問題，窯炭化工藝正在逐步向固定床炭化轉(zhuǎn)變。現(xiàn)有的固定床炭化主要以窯炭化為原型，進(jìn)行小型化、輕簡(jiǎn)化、可控化等改造，衍生出了不同類型的工藝裝置，部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，成為當(dāng)前生物質(zhì)炭化的主要設(shè)備。此外，螺旋炭化和微波炭化處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，流化床炭化則處于理論論證階段。

3 結(jié)語與展望

鑒于生物炭在固炭和改良土壤方面的優(yōu)良性能，關(guān)于生物炭的基礎(chǔ)研究呈指數(shù)上升，也取得了可喜的成果。然而，關(guān)于生物質(zhì)炭化技術(shù)的研究卻相對(duì)滯后，筆者從生物質(zhì)炭化機(jī)理、影響因素及工藝裝置3個(gè)方面對(duì)炭化技術(shù)進(jìn)行綜述，發(fā)現(xiàn)，目前，除了窯炭化外，其他形式獲得的生物炭均為能源工藝過程的副產(chǎn)物。雖然在窯炭化的基礎(chǔ)上開發(fā)了固定床炭化，但未能得到大范圍推廣。其原因如下：一方面，生物質(zhì)能量密度低、收集成本高，當(dāng)收集半徑超過一定范圍時(shí)，運(yùn)輸成本將大幅度上升；另一方面，生物質(zhì)炭化工藝及裝置尚不完善，進(jìn)料和出炭等方面仍有諸多技術(shù)難關(guān)尚未攻克，炭化設(shè)備以間歇式工作為主。有的研究者還研究了能夠連續(xù)生產(chǎn)的螺旋炭化和微波炭化，在實(shí)驗(yàn)室層面上取得了較好的效果。此外，借鑒流化床良好的熱傳遞性能，探索流化床炭化，在理論上是可行的。針對(duì)秸稈收集成本的問題，在現(xiàn)有炭化設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過有效改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)炭化設(shè)備可移動(dòng)，將其移動(dòng)到田間、地頭進(jìn)行就地炭化還田，將是未來生物質(zhì)炭化裝置發(fā)展的主要方向之一；同時(shí)，針對(duì)間歇式炭化生產(chǎn)效率低的問題，引入機(jī)械設(shè)計(jì)方面的專家，加大科學(xué)研究力度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)炭化，是其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必要條件?？傊?，在生物質(zhì)炭化工藝的發(fā)展過程中，遵循“因‘材’施‘制’、物盡其用”的原則，設(shè)計(jì)專門以炭為目標(biāo)的生產(chǎn)工藝，研發(fā)新的生物質(zhì)炭化裝置是未來的主要研究方向。

[1]李景明,薛梅. 中國(guó)生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]. 農(nóng)業(yè)科技管理,2010,29(2):1-4.

[2]嚴(yán)文蓮,劉端陽,孫燕,等. 秸稈焚燒導(dǎo)致的江蘇持續(xù)霧霾天氣過程分析[J]. 氣候與環(huán)境研究,2014,19(2):237-247.

[3]LEHMANN J,GAUNT J,RONDON M. Biochar sequestration in terrestrial ecosystems:A review[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change,2006,11(2):395-419.

[4]GLASER B,HAUMAIER L,GUGGENBERGER G,et al. The ‘Terra Preta’ phenomenon:A model for sustainable agriculture in the humid tropics[J]. Naturwissenschaften,2001,88(1):37-41.

[5]LEHMANN J. A handful of carbon[J]. Nature,2007,443(5):143-144.

[6]WOOLF D,AMONETTE J E,STREET-PERROTT F A,et al. Sustainable biochar to mitigate global climate change[J/OL]. Nature Communications,2010[2016-03-13].http:∥www.nature.com/articles/ncomms1053.doi:10.1038/ncomms1053.

[7]MARRIS E. Putting the carbon back:Black is the new green[J]. Nature,2006,442(7103):624-626.

[8]SUTHERLAND W J,BARDSLEY S,CLOUT M,et al. A horizon scan of global conservation issues for 2013[J]. Trends in Ecology & Evolution,2013,288(1):16-22.

[9]陳溫福,張偉明,孟軍. 農(nóng)用生物炭研究進(jìn)展與前景[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,46(16):3324-3333.

[10]VISENTIN V,PIVA F,CANU P. Experimental study of cellulose fast pyrolysis in a flow reactor[J]. Industrian & Engineering Chemistry Research,2002,41(20):4965-4975.

[12]周建斌,鄧叢靜,陳金林,等. 棉稈炭對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)效果[J]. 生態(tài)環(huán)境,2008,17(5):1857-1860.

[13]張偉明,張慶忠,陳溫福. 鎘污染土壤中施用秸稈炭對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J]. 北方水稻,2009,39(2):4-7.

[14]SPOKAS K A,KOSKINEN W C,BAKER J M,et al. Impacts of woodchip biochar additions on greenhouse gas production and sorption/degradation of two herbicides in a Minnesota soil[J]. Chemosphere,2009,77(4):574-581.

[15]蔣波,張曉東,李巖,等. 基于元素分析的生物質(zhì)化學(xué)組成快速分析方法[J]. 化工學(xué)報(bào),2010,61(6):1506-1509.

[16]SHRESTHA G,TRAINA S J,SWANSTON C W. Black carbon’s properties and role in the environment:A comprehensive review[J]. Sustainability,2010,2(1):294-320.

[17]高尚愚. 活性炭的應(yīng)用技術(shù)[M]. 南京:東南大學(xué)出版社,2002.

[18]GASKIN J W,STEINER C,HARRIS K,et al. Effects of low-temperature pyrolysis conditions on biochar for agricultural use[J]. Transactions of the ASABE,2008,51(6):2061-2069.

[19]LEHMANN J,JOSEPH S. Biochar for Environmental Management:Science and Technology[M]. London:Earthscan,2009:127-146.

[20]YAMAN S. Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks[J]. Energy Conversion and Management,2004,45(5):651-671.

[21]ANTAL M J,GRONLI M. The art,science and technology of charcoal production[J]. Industrial and Engineering Chemistry,2003,42(3):1619-1640.

[22]BONELLI P R,RAMOS M E,BUONOMO E L,et al. Potentialities of the biochar generated from raw and acid pre-treated sugarcane agricultural wastes[C]∥8th Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization. Sochi,Russian Federation. 2006-10-10.

[23]HINA K,BISHOP P,ARBESTAIN M C,et al. Producing biochars with enhanced surface activity through alkaline pretreatment of feedstocks[J]. Australian Journal of Soil Research,2010,48(7):606-617.

[24]朱金陵,何曉峰,王志偉,等. 玉米秸稈顆粒熱解制炭的試驗(yàn)研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào),2010,31(7):789-793.

[25]SCHMIDT M W I,NOACK A G. Black carbon in soils and sediments:Analysis distribution,implications,and current challenges[J]. Global Biogeochem Cycles,2000,14(1):777-794.

[26]LEHMANN J. Bio-energy in the black[J]. Frontiers in Ecology and the Environment,2007,5(7):381-387.

[27]GHEORGHE C,MARCULESCU C,BADEA A,et al. Effect of pyrolysis conditions on bio-char production from biomass[C]∥Proceedings of the 3rd WSEAS Int. Conf. on Renewable Energy Sources. University of La Laguna,Tenerife,Canary Islands Spain. 2009-07-01:239-241.

[28]何緒生,耿增超,佘雕,等. 生物炭生產(chǎn)與農(nóng)用的意義及國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(2):1-7.

[29]閆志培,李十中. 生物質(zhì)熱解生產(chǎn)生物炭研究進(jìn)展[C]∥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. 鄭州,2011.4.

[30]SADAKA S,BOATENG A A. Pyrolysis and bio-oil[EB/J]. Agriculture and Natural Resources,2009[2016-03-13].http:∥www.uaex.edu/envronment-nature/energy/docs/FSA-1052.pdf.

[31]馬元庚. 介紹一種移動(dòng)式炭化爐[J]. 林產(chǎn)化工通訊,1993,27(4):24-26.

[32]王有權(quán),王虹,王喜才. 用敞開式快速炭化窯生產(chǎn)炭的工藝:中國(guó),200610048274.3[P]. 2009-06-17.

[33]李水清,李愛民,嚴(yán)建華,等. 生物質(zhì)廢棄物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱解研究—Ⅰ.熱解條件對(duì)熱解產(chǎn)物分布的影響[J]. 太陽能學(xué)報(bào),2000,21(4):333-340.

[34]李在峰,雷廷宙,丁鳴,等. 生物質(zhì)熱解制炭制氣系統(tǒng)研究[C]∥2004 年中國(guó)生物質(zhì)能技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展研討會(huì)論文集,2004.

[35]HOMCHATA K,SUCHARITAKUL T,KHANTIKOMOL P. The experimental study on pyrolysis of the cassava rhizome in the large scale metal kiln using flue gas[J]. Energy Procedia,2012,14:1684-1688.

[36]劉石彩,蔣劍春,陶淵博,等. 生物質(zhì)固化制造成型炭技術(shù)研究[J]. 林產(chǎn)化工通訊,2002,36(2):3-5.

[37]韓璋鑫. 生產(chǎn)生物質(zhì)干餾炭和生物質(zhì)燃?xì)獾姆椒翱焖贌峤馓炕癄t:中國(guó),200810019302.8[P]. 2011-04-13.

[38]韓連恩,張連發(fā). 生產(chǎn)生物質(zhì)炭化燃?xì)獾姆椒胺椿鹕镔|(zhì)炭化燃?xì)獍l(fā)生爐:中國(guó),200510040840.1[P]. 2007-10-03.

[39]孟軍,張偉明,王紹斌,等. 農(nóng)林廢棄物炭化還田技術(shù)的發(fā)展與前景[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,42(4):387-392.

[40]HALL B,ZHUO C W,LEVENDIS Y A,et al. Influence of the fuel structure on the flame synthesis of carbon nanomaterials[J]. Carbon,2011,49(11):3412-3423.

[41]王金梅,陳革新,趙培慶,等. 生物質(zhì)連續(xù)炭化工藝研究[J]. 現(xiàn)代化工,2009,29(1):300-302.

[42]商輝,路冉冉,孫曉鋒,等. 微波熱解生物質(zhì)廢棄物的研究[J]. 可再生能源,2011,29(3):25-30.

Review of Biomass Carbonization Technology

MENG Fan-bin1，2， MENG Jun1

(1. Biochar Engineering Technology Research Center of Liaoning Province, Shenyang 110161, China；2. College of Engineering,Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China)

It was seen that the biomass carbonization technology laged behind basic research. In this paper,the properties of biomass were studied at first.Then,the biochar mechanism was analyzed.After that,the research progresses of biochar manufacturing technique and equipment were mainly reviewed.It indicated that the raw material,pretreatment methods and technique parameters were three main influence factors on the yield of biochar.And the advantages and disadvantages of kiln carbonization,fixed bed carbonization,spiral carbonization,microwave carbonization and fluidized carbonization were compared to guide for the future research.

biomass;carbonization;biochar;pyrolysis;technology

2016-04-13

遼寧省博士啟動(dòng)基金(201501065)；中國(guó)博士后基金面上項(xiàng)目(2015M581363)

孟凡彬(1982— )，男，內(nèi)蒙古赤峰人，講師，博士，碩士生導(dǎo)師，從事生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)及基礎(chǔ)研究；

E-mail：fanbinmeng@syau.edu.cn。

10.3969/j.issn.1673-5854.2016.06.010

TQ35；S216

A

1673-5854(2016)06-0061-06