日本高溫炭燒制土窯以及工藝

1、日本高溫炭燒制土窯以及工藝傳統(tǒng)土窯要燒好炭,窯體十分重要,因?yàn)楦G體決定流場(chǎng)分布,能讓熱流均勻散布竹材,也才能燒出品質(zhì)一致的竹炭來(lái).基於此,武岫及瑞竹竹炭窯打窯建窯規(guī)劃時(shí),都經(jīng)過(guò)學(xué)術(shù)單位的指導(dǎo),甚至遠(yuǎn)聘日本燒炭職人來(lái)臺(tái)指導(dǎo)打窯及燒窯.但兩者傳統(tǒng)土窯之結(jié)構(gòu)大不相同,武岫竹炭窯應(yīng)屬倒焰(流)式窯體,熱流由上往下,經(jīng)窯底三處排氣口排出,且窯體較高內(nèi)徑較小,分燃燒室及碳化室兩入口;瑞竹竹炭窯則屬橫焰(流)式窯體,熱流自燃燒室橫向?qū)胩蓟G內(nèi),經(jīng)窯尾單一排氣口排出,窯體較低內(nèi)徑似橢圓較大,單一窯口.傳統(tǒng)土窯需要較厚的窯壁支撐窯頂圓形結(jié)構(gòu),所以當(dāng)窯身直徑愈大時(shí),窯頂弧度與重量便會(huì)加大,對(duì)窯壁的壓力亦會(huì)增加.

2、因此傳統(tǒng)土窯通常不會(huì)很大,也不會(huì)像陶瓷蛇窯般很長(zhǎng),但為了產(chǎn)能需要,武岫及瑞竹的炭窯都是多個(gè)連續(xù)搭建,有效共用窯壁結(jié)構(gòu).現(xiàn)代炭化窯臺(tái)灣高田便是現(xiàn)代炭化窯,窯爐設(shè)計(jì)上應(yīng)是借用陶瓷窯加以改造而成,燃料并非傳統(tǒng)土窯使用的木,竹材,而是利用煤氣或重油.在日本,有發(fā)展更適合大量生產(chǎn)的工業(yè)窯體的趨勢(shì).工業(yè)窯的優(yōu)點(diǎn)是不占空間,省時(shí),高溫,適合大量生產(chǎn)等.但日本對(duì)竹炭燒成方式的區(qū)分與運(yùn)用上十分講究,一般認(rèn)為作為民生用途之竹炭應(yīng)用傳統(tǒng)土窯燒成的,因?yàn)橥粮G燒炭過(guò)程較為自然,較沒(méi)有被污染的顧慮.而工業(yè)窯用在現(xiàn)代工業(yè)上較為合適,除較易量產(chǎn)外,相對(duì)高溫竹碳所具備的釋放效能較高.【打窯】打窯就是所謂的蓋窯,建窯,因?yàn)榻ǜG過(guò)

3、程需要不斷夯實(shí)拍打,所以就用打來(lái)稱蓋窯.打窯多取用紅土,因紅土黏性足,結(jié)構(gòu)力強(qiáng),而且在南投地區(qū)取材容易.打窯的場(chǎng)所須慎選避免水文經(jīng)過(guò),地下層不能為垃圾掩埋場(chǎng)等.以上材料及用地取得合宜,才能進(jìn)行打窯.打窯大致有以下步驟:定樁,確定窯內(nèi)徑及排氣口下樁界定.夯邊墻土,窯體側(cè)壁利用紅土夯實(shí).釘圓頂模,此模頂需相當(dāng)堅(jiān)固以承受夯實(shí)窯頂之拍打力量;頂模的弧度也決定窯頂?shù)幕《?一般橫流窯之窯頂弧度較小,倒流窯之窯頂弧度較大,以有效將熱流均勻?qū)敕植?搭窯口,窯口應(yīng)預(yù)留燃燒室及入窯口,多用耐火磚砌筑,特別是像武岫倒流窯,有兩種開(kāi)口,入窯口與燃燒口需預(yù)先留置搭建.夯窯頂土.打窯是一件非常令人吃不消的工作,尤其在打

4、窯頂階段,一定要一氣呵成不得間斷.為求最佳碳化水準(zhǔn),窯頂?shù)拿芎投仁种匾?所以制作窯頂時(shí)需大量人力不斷對(duì)稍濕的紅土拍打夯實(shí),一層層續(xù)接打?qū)嵲趫A頂模板上.據(jù)說(shuō)夯實(shí)一個(gè)窯頂需要持續(xù)進(jìn)行,達(dá)半天以上才會(huì)完成,著實(shí)累人.【幻化黑鉆石炭化原理】炭化是在缺氧及高溫的條件下,將原料熱解形成多列孔性炭結(jié)構(gòu)體的過(guò)程.并視實(shí)際需要取適當(dāng)溫度300-1300之間.在炭化燃燒過(guò)程中,物質(zhì)保留炭結(jié)構(gòu),燒除其中所含的氫,氧等具揮發(fā)性成分,即可形成發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu).【傳統(tǒng)窯竹炭燒炭步驟】取竹竹的種類繁多,常見(jiàn)有桂竹,麻竹,綠竹,刺竹,長(zhǎng)枝竹,孟宗竹等,另外較特殊的有人面竹,唐竹,四方竹等.般燒竹炭職人多認(rèn)為孟宗竹最適合燒炭,

5、而且以四至六年生之孟宗竹材最佳.孟宗竹之粗細(xì)含水量適中,節(jié)低肉厚,質(zhì)地較佳,且依工研院試驗(yàn)結(jié)果顯示:孟宗竹成炭效果較其他種類的竹子好,所以目前坊間燒炭職人所選用之竹材亦以孟宗竹為主要對(duì)象.同時(shí),以四至六年生為主也有其實(shí)質(zhì)用意,孟宗竹四年生前,竹筍產(chǎn)量最大較具產(chǎn)能,足四年后竹材水分逐漸下降,質(zhì)地轉(zhuǎn)堅(jiān),產(chǎn)能下滑,般竹農(nóng)會(huì)依經(jīng)驗(yàn)淘汰母竹,并改預(yù)留新母竹使竹筍產(chǎn)能維持.這種做法產(chǎn)生良性循環(huán),不但可將淘汰之竹材作其他經(jīng)濟(jì)用途,亦能使竹林保持活性循環(huán),以達(dá)生生不息.區(qū)分竹子的年齡需要很老道的經(jīng)驗(yàn),武岫炭窯林先生描述:竹子的年齡表現(xiàn)在三個(gè)地方:色澤:愈嫩青的竹子年齡愈小,相反竹深色澤呈現(xiàn)深沈的褐綠色,或有苔

6、色年齡較大.竹節(jié):竹節(jié)顏色較深者竹齡較大.聲音:愈成熟之竹子敲打的音響愈結(jié)實(shí),但過(guò)老的竹子聲音會(huì)趨向沈啞.除此之外,竹產(chǎn)地的位置亦是辨認(rèn)竹材優(yōu)劣的憑藉之.多認(rèn)為高山近水之成熟竹材又比低山遠(yuǎn)水者較佳.而超齡竹材品質(zhì)較差,含糖成分會(huì)較高,所以較易柱蝕.乾燥取竹后,竹材應(yīng)架離地面,避免地氣潮濕,致使竹材腐化,并置於室內(nèi)陰乾,避免日照與露水沾濕以保留竹內(nèi)所含之微量元素,降低竹材產(chǎn)生發(fā)霉的現(xiàn)象.但也有書籍記載:將竹子堆置空曠地區(qū),利用陽(yáng)光來(lái)曝曬,以保留竹子中最多礦物質(zhì).兩者說(shuō)法頗為出入,比較致的是竹材需要適當(dāng)?shù)那飳佣?以減少入窯后過(guò)多水氣影響燒窯,晾置時(shí)間通常需要兩周左右.整竹非整枝竹材皆適合燒成為良

7、炭,般燒炭職人必須將整只竹材,分段切割,整竹成束.成炭較佳的通常是中間部位,因?yàn)橹衲┥也糠种睆捷^小,竹肉較薄,在炭化過(guò)程中容易燃燒引火,成炭后品質(zhì)也較差,通常會(huì)將末端切除三至四尺左右,當(dāng)作燃材或鋪於炭窯上層作為引火入窯提高溫度的燃材.竹頭部份因肉質(zhì)較厚含水量較高,要完全炭化不易,但是相對(duì)成炭后價(jià)值較高.分段裁切成需要長(zhǎng)度(視窯體需求而異)后,并依需要對(duì)剖或十字分剖開(kāi),有人認(rèn)為整支圓竹入窯較占空間,成炭量較低,對(duì)剖后竹節(jié)內(nèi)部利用特殊刀頭剔除,使竹在捆綁時(shí)可以相互交疊,減少空間浪費(fèi).但亦有整束未剖之竹材入窯燒,但內(nèi)部竹節(jié)仍必須利用刀具穿孔互通,以免空氣熱漲爆開(kāi),致使成炭不完整.捆綁所用的材質(zhì)也十分

8、講究,不得使用塑膠,尼龍繩及鉛線等,避免在燒炭過(guò)程中污染竹材,般多用麻,棉繩或不銹鋼絲捆綁.捆綁后竹材之堆疊亦應(yīng)至於室內(nèi)架高,避免又受水氣,日照影響.入窯竹材擺置需要相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的,應(yīng)依窯的特性排窯.這是參考窯熱流(流場(chǎng))的不同而變換擺置方向.流場(chǎng)屬於由上往下者(倒焰窯),於排窯時(shí)竹束應(yīng)該豎放,且竹頭朝上,以獲得整體竹材炭化均勻.流場(chǎng)屬於由前往后者(橫焰窯),排窯時(shí)候竹束應(yīng)該直放,竹頭朝窯頭,以利熱流均勻通過(guò)竹材,獲得較佳的炭化效果.有部分職人會(huì)入窯兩次,第次入窯主要在求乾燥竹材,乾燥后取出再進(jìn)炭化窯燒成.封入窯口窯體型式多有不同,有窯炭化窯口及入火口分開(kāi),有則單窯口.單窯口者封入窯口時(shí),應(yīng)預(yù)留燃

9、燒室的空間.這需經(jīng)驗(yàn),因?yàn)楦G口若封實(shí)不力,會(huì)造成漏氣現(xiàn)象,可能會(huì)使窯內(nèi)竹材付之炬,而燃燒室與炭化室的擋火墻又需要斟酌高度及口洞大小.太矮所留之孔洞太大,火氣與竹材接觸機(jī)會(huì)變高;太高所留孔洞太小,燒窯速度較慢,較不易控溫.因此,封入窯口時(shí)往往需要很多該窯實(shí)際燒窯經(jīng)驗(yàn),才能拿捏準(zhǔn)確恰當(dāng). 燒窯傳統(tǒng)竹炭窯燒窯的經(jīng)驗(yàn)比較難透過(guò)口述來(lái)解說(shuō)這是多數(shù)職人的答覆.以下是個(gè)人利用燒陶瓷柴窯的經(jīng)驗(yàn),對(duì)職人相關(guān)答覆中整理出的燒窯概要.并可概分為前火,中火,引火,悶火等四個(gè)部分.前火,目的主要是去除竹材殘留的水分,溫度在100之內(nèi),速度很慢,避免因水分快速蒸發(fā)使竹材產(chǎn)生裂縫,造成成炭后竹炭不完整.中火,溫度在1003

10、00之間,溫度依然緩慢增加,增添材火時(shí)需十分小心避免過(guò)早引火致使窯內(nèi)竹材盡失.引火,當(dāng)溫度逐漸上升至3,4百度,竹材便逐漸炭化,此時(shí)便將火引進(jìn)窯體內(nèi)上層品質(zhì)較差之竹材,藉燃燒上層竹材提高整體窯室溫度,最高可達(dá)800左右.悶火,是將入柴口及排氣口封死,主要目的為斷絕氧氣及保持窯內(nèi)溫度,此時(shí)是窯內(nèi)竹材整體碳化階段,因此此階段需不斷檢視窯體,若一有煙體冒出便表示有孔隙需立即封補(bǔ).【燒窯時(shí)間】燒窯時(shí)間多與窯體結(jié)構(gòu)大小有顯著差異,武岫竹炭窯燒窯時(shí)間比起瑞竹竹炭窯燒窯時(shí)間簡(jiǎn)短許多,武岫燒竹炭升溫時(shí)間需要兩天達(dá)至500左右持續(xù)延燒十四,十五個(gè)小時(shí),封窯緩降溫兩日以上,前后所需時(shí)間共要五日.瑞竹竹炭窯則需要十

11、至十四天升溫,引火后封窯持續(xù)十至十四天,前后一窯必須個(gè)月完成.【窯溫辨認(rèn)與控制】傳統(tǒng)窯溫可由燒窯之變化特徵來(lái)辨認(rèn).例如:一百度以前會(huì)有大量水氣排出;另外也可以觀火色變化來(lái)辨認(rèn),三百度時(shí)呈暗紅色,溫度愈高愈偏橘色.現(xiàn)代則采用電熱偶來(lái)測(cè)定溫度.溫度控制需要相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)才能做到,可從調(diào)節(jié)排氣口,柴火控制及進(jìn)氣量來(lái)獲得控制,往往因?yàn)樽円驈?fù)雜造成溫度控制時(shí)需要臨場(chǎng)判斷.【竹碳與備長(zhǎng)炭燒成步驟差異】備長(zhǎng)炭與竹碳在成炭過(guò)程中多了二次引火及消火兩個(gè)步驟.備長(zhǎng)炭在悶火階段完成后,會(huì)將窯門卸開(kāi)讓大量空氣進(jìn)入,引火一舉提高窯內(nèi)炭材精煉溫度至10001200,并快速將炭材鉤出灑上消火粉消火,因此備長(zhǎng)炭常附著一層白色消火

12、粉,所以又稱備長(zhǎng)炭為白炭.竹炭因本身質(zhì)地較薄無(wú)法負(fù)荷二次引火的精鍊,所以以傳統(tǒng)土窯所燒出的竹炭溫度便無(wú)法超過(guò)一千度以上了.【現(xiàn)代竹炭窯燒窯方式】現(xiàn)代竹炭窯也稱為工業(yè)竹炭窯.藉陶瓷窯體結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制,主要關(guān)鍵應(yīng)在設(shè)法區(qū)隔竹材與火焰的接觸及如何將碳化過(guò)程產(chǎn)生之氣體排出及收集.常作為陶瓷燒成時(shí)區(qū)隔火焰的工具通常稱為匣缽,利用此概念另制一耐高溫容器於窯內(nèi),燒窯時(shí)將竹材放置其中,即可得達(dá)到此效果.該容器所預(yù)留的排汽口應(yīng)對(duì)準(zhǔn)窯之排氣口,可同時(shí)達(dá)到排氣與收集竹醋液的需要.工業(yè)窯燒竹炭的好處在容易控溫,更易達(dá)到高溫1000以上,可燒出較具導(dǎo)電功能之竹炭.但比較令人質(zhì)疑的,工業(yè)窯在燒炭過(guò)程中會(huì)不會(huì)較具機(jī)會(huì)附著殘物

13、,造成民生使用之污染,因此多數(shù)建議工業(yè)窯的高溫優(yōu)勢(shì)應(yīng)展現(xiàn)竹炭在工業(yè)用途上,而非民生日用品上.【竹醋液】竹炭燒窯過(guò)程會(huì)生成一種強(qiáng)酸液體稱為竹醋液.燒窯時(shí),當(dāng)整體窯內(nèi)溫度達(dá)一百度以上,表示竹材水分散失完全,而后所產(chǎn)生之霧體經(jīng)冷卻導(dǎo)管后便可收集到竹醋液.但隨溫度持續(xù)增加至結(jié)晶水揮發(fā)階段,該階段之竹醋液品質(zhì)較差且易含有焦油物質(zhì),多不收集.竹醋液經(jīng)導(dǎo)管冷卻后收集至黑色塑鋼桶內(nèi),避免受日照并行自然沉淀約半年,取中間一段,所得最佳竹醋液應(yīng)為澄清如琥珀色一般油亮.依武岫竹炭窯職人解說(shuō)該竹炭窯一次可收集8至10公斤竹醋原液,經(jīng)沉淀可取約4公斤竹醋液,因此可知竹醋液之珍貴.竹醋液比重約為1.01,其成分約有兩百多

14、種,其中大部分為水,其他主要有甲醇,醋酸,丙酮等.【炭之功用】隨碳化溫度不同,物質(zhì)成炭后所具備之效能意有所差異.三百四百間屬初等碳化作用,仍殘有部分有機(jī)質(zhì),般多用於具吸附水氣或土質(zhì)改良上.四百六百間為所具備之吸附能力最佳,且多數(shù)有機(jī)質(zhì)硫化物,焦油等,已與成炭完全分離,固適合家用.六百一千時(shí),導(dǎo)電性逐漸提高,且具有紅外線功能,於阻隔電磁波及釋放能量上機(jī)能較佳.一千含以上者,通常適用於工業(yè)用途,因溫度較高,物質(zhì)原含有之微量元素?fù)]發(fā)較多,且微孔結(jié)構(gòu)因體積比下降而縮減,成炭所具有之吸附能力相對(duì)減低.但溫度的提升,有助於導(dǎo)電性及遠(yuǎn)紅外線機(jī)能提升,故在工業(yè)應(yīng)用上較廣泛.【竹炭的運(yùn)用】竹炭的運(yùn)用十分廣闊,大致可依竹炭本身功能來(lái)區(qū)分其運(yùn)用性.一,為吸附能力,對(duì)水氣,氣味,硫化物,氮化物,甲醇,苯,酚等有害化學(xué)物質(zhì)能發(fā)揮強(qiáng)大吸附能力.高溫竹炭具導(dǎo)電性,能吸附電磁波,作為阻隔電磁波之功用.二,為分解能力,吸附有毒物質(zhì)后便對(duì)該物質(zhì)行分解或中和作用.有人實(shí)驗(yàn)將大量炭投入已受污染之河川,經(jīng)炭的吸附分解中和后,受污染的河川開(kāi)始回覆生機(jī),舉出竹炭分解的能力.三,為釋放功能,炭本身含有微量元素,將炭與自來(lái)水加熱煮沸后,不但將自來(lái)水中所含之氯吸附,更釋放出諸