生物質炭的應用

1、生物質炭的應用昆明理工大學生物質能源是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能，最有可能成為21世紀主要的能源之一。據估計，植物每年貯存的能量大約為世界主要燃料消耗的 10倍；而生物質能作為能源的利用量還不到總能源消耗的1%。這些未加以利用的生物質絕大部分通過自然腐解和碳素釋放的方式回到自然界之中。事實上，生物質能源是人類利用最早、最多、最直接的能源，至今，世界上仍有15億以上的人口以生物質作為生活能源。生物質燃燒是傳統(tǒng)的利用方式，不僅熱效率低下， 而且勞動強度大，污染嚴重。通過生物質能源轉換技術可以高效地利用生物質能 源，生產各種清潔燃料，替代煤炭，石油和天然氣等燃料，從而減少對礦物能源 的依賴

2、，保護國家能源資源，減輕能源消費對環(huán)境造成的污染。我國政府提出堅持“非糧為主、不與民爭糧、不與糧爭地”的生物質能源發(fā) 展的基本原則。農林廢棄生物質原料包括植物類廢棄物 （農林生產過程中產生的 殘余物）、動物類廢棄物（牧、漁業(yè)生產過程中產生的殘余物）、加工類廢棄物（農 林牧漁加工過程中產生的殘余物） 和農村城鎮(zhèn)生活垃圾等四大類。云南丘北是我 國著名的辣椒之鄉(xiāng)，以辣椒稈，秸稈等為代表的農林生物質原料產量豐富 （部分 農林生物質資源如圖1所示）。通過炭化（干儲）的方式對丘北縣八道哨的農林 生物質原料進行熱解，并對熱解氣體和生物質炭產品進行加工處理， 不僅能夠實 現生物質能源的高效利用，而且還能夠改善

3、該地的生態(tài)環(huán)境。圖1農林生物質原料（核桃殼、甘蔗渣、玉米芯、松子殼、秸稈、辣椒稈）生物質熱解氣化可將生物質原料轉化為以 CO和H2為主的氣體燃料，可直 接轉換實現燃氣、熱能和電能的供給。同時燃氣可以通過甲烷化反應，進而制備 高品質生物質合成天然氣（BioSNG）,是生物質能開發(fā)的重要技術途徑，此外， 生物質熱解之后產生的生物質炭是一種清潔環(huán)保的產品，通過加工處理，可以將生物質炭制備為各種高性能，實用的產品。生物質熱解流程及裝置如圖2所示,生物質炭如圖3所示。圖2生物質熱解流化床裝置圖圖3生物質炭（核桃殼炭、玉米芯炭、椰子殼炭、稻殼炭、秸稈炭）昆明理工大學冶金與能源工程學院通過多年研究，在生物質

4、炭的應用方面取得了一定成果，可以將生物質炭應用于以下方面：一、制備高性能機制炭二、制備過濾炭磚三、制備具有吸附功能的炭工藝品四、制備環(huán)保無煙香一、高性能生物質機制炭的制備長期以來，木炭一直被廣泛地用作生活燃料，如取暖、燒烤、火鍋燃料，木炭是將木材在缺氧的條件下燃燒或熱解而制取的，生產木炭需要消耗大量的森林資源，嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境，我國森林覆蓋面積不到國土的10%,森林的形成需 要一定的生長周期，大量的森林砍伐不符合保護生態(tài)環(huán)境、創(chuàng)建低炭社會、發(fā)展 循環(huán)經濟的要求。土窯制炭工藝具有密封性差、生產周期長、產量低、成本高等 缺點。生物質是典型的可再生能源，其具有來源廣泛，儲量豐富，生長周期短等 優(yōu)點

5、。地球上每年生產的生物質總量約為 14001800億噸，我國每年廢棄的秸稈 高達60億多噸，資源化潛力巨大。因此研發(fā)一種來源廣泛、綠色環(huán)保、成本低 廉、工藝簡單的生物質機制炭制取方法對減少森林資源的破壞以及滿足生產生活 對燃料的需求具有十分重要的現實意義?？梢岳蒙镔|熱解后剩下的生物質炭制備一種含碳量高、燃燒時間長、脫灰效果好、無煙無味符合環(huán)保要求的生物質機制炭。該制備過程是以來源豐富、 價格低廉、可再生且易于粉碎的生物質為碳源，具有大規(guī)模生產價格低、收率高、 熱值高、孔隙率高、廣受市場歡迎的生物質機制炭的潛能。生物質機制炭的制備 流程如圖4所示：機制兵原料收鬃 u> 裾辟. = 濱牝

6、（千佛Mp I熱解氣侏I =>住一圖4生物質機制炭制備流程圖具體步驟和工藝如下所述： 收取核桃殼、松子殼、椰子殼、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、咖啡殼、花生殼等農林生物質原料； 炭化：將粉碎后的生物質原料放入流化床中于400C900c下熱解制炭，將 熱解過程中產生的生物質氣體進一步處理后用作燃氣；制棒：將生物質炭粉碎后與一定比例的粘結劑，助燃劑，發(fā)泡劑，水混合均 勻，將混合均勻的物料放入制棒機中通過螺桿的壓力和高速旋轉的離心力將原料 壓制成帶有中心孔的炭棒，之后將機制炭棒烘干即可得到高性能生物質機制炭。 各組分物料配比如表1所示：表1生物質機制炭各組分配料量（ wt.% ）7080515155

7、10本發(fā)明的有益效果為：機制炭的固定炭含量方80%灰分05%熱伯35MJ/Kg 燃燒時最高溫度可以達到430C；且該機制炭的生產方法簡便，脫灰效果好，孔 隙率高，與傳統(tǒng)的先成型后在土窯中炭化的機制炭制備方法相比，該方法采用先炭化后成型工藝，炭化過程中密封效果好且熱解煙氣得到充分利用，大幅度地提 高了生物質炭產率，有效地縮短了生產周期，降低了生產成本；該生物質機制炭 的生產成本為1800元/噸，比傳統(tǒng)生產方法降低了 600元/噸；該生物質機制炭 市場售價為3500元/噸，比傳統(tǒng)生產方法平均市場售價降低了 500元/噸；且該 方法制備的機制炭平均產量高達50噸/月，比傳統(tǒng)制備方法的平均產量提高了2

8、0噸/月。圖5生物質機制炭實物圖、過濾炭磚的制備現在房屋的地面最常見的為現澆混泥土， 或是在混泥土中加入石粒而磨成水磨石地面，也有鋪設瓷磚或大理石的，這種地面或地面裝飾品都有一個缺陷，即不能吸水，以致搞衛(wèi)生時用水擦洗地面以后水分久久不能消去，下雨天鞋子上所帶的泥水將地面弄得泥濘不雅，而且在春節(jié)的南風天時地面也非常潮濕，既不衛(wèi)生也不利于存放物品。80 年代中期以前，雖有用粘土燒制的紅地磚，它有防潮作用， 但由于其硬度差，容易磨損而逐漸不為人們所使用。利用農林生物質原料熱解后的生物質炭可以制備一種過濾地面炭磚，這種地面炭磚能快速地將磚體表面的水分吸干而保持磚面干爽，同時磚體硬度不受所吸水分的影響，

9、磚體所吸收的水分能很快地向下注入地下或向上揮發(fā)于空氣中。本技術所制備的過濾地面炭磚主要由水泥、生物質炭末、骨料和發(fā)泡劑組成，水泥為粘結劑，水泥可以用普通水泥、白水泥或其他顏色的水泥，可以只用一種水泥，也可以兩種或幾種水泥混合使用。骨料主要由微硅粉、砂、石粒、石粉、燒制的粘土磚碎塊以及建筑垃圾等原料來充當，可以只用其中一種骨料，也可兩種或數種骨料混合使用。其中生物質炭末為農林生物質原料（核桃殼、松子殼、辣椒稈、秸稈、煙稈、花生殼，咖啡殼、椰子殼、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣等）經熱解 （干餾） 后剩余的生物質炭。發(fā)泡劑的作用是使炭磚在成型的過程中發(fā)酵并產生大量孔隙，孔隙的存在有利于對水分的吸收和過濾。

10、為便于磚體內水分向下注入地下，同時阻止地下的水分浸濕磚體，磚體下面可有支撐磚體的柱腳。本技術所制備的過濾地面炭磚有如下優(yōu)點：1，所用的植物炭性質穩(wěn)定，具有很好的吸水性，可以收集、過濾雨水，其吸水后不影響自身的性能和硬度，且很快地將水分散發(fā)。混泥土磚體里面有分散的生物質炭末，且經過發(fā)泡劑發(fā)酵之后生物質炭末的孔隙大幅度提升，磚體的吸水性能良好，從而能夠保持磚面干爽；2，磚體吸入水分以后也不影響磚體的硬度，磚體所吸收的水分能夠較快地向下注入地下或向上揮發(fā)于空氣中；3，生物質炭主要由農林生物質原料（核桃殼、松子殼、辣椒稈、秸稈、煙稈、花生殼，咖啡殼、椰子殼、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣等）熱解（干餾）而得，

11、充分利用了植物廢料，變廢為寶，而且熱解過程中產生的氣體可以用作生活燃氣，實現了一舉多得的有益效果；4，炭磚中所添加的微硅粉為工業(yè)硅生產企業(yè)難處理廢料，炭磚的大規(guī)模生產和應用將有效地解決硅廠微硅粉堆放難處理的問題，變廢為寶；5，該技術所制備的過濾地面炭磚可部分替代地面磚、瓷磚，節(jié)約自然資源。下面結合具體實施步驟和附圖對本實用新型技術作進一步說明：制備過濾炭磚的流程圖如下所示：A以不收集:一軸砰 一炭化（干帽）.炭轉圖7過濾炭磚制備流程圖具體實施步驟： 收取辣椒稈、煙桿、核桃殼、松子殼、椰子殼、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、 咖啡殼、花生殼等農林生物質原料； 炭化：將粉碎后的生物質原料放入流化床中于40

12、0C900c下熱解制炭，將熱解過程中產生的生物質氣體進一步處理后用作燃氣；配料：將生物質炭粉碎后與一定比例的水泥，發(fā)泡劑，水和骨混合均勻，水 泥為粘結劑，生物質炭末為吸水劑，發(fā)泡劑主要作用是使生物質炭末與其他配料 在模具中成型過程中發(fā)酵產生大量孔隙，從而達到具有高滲透性和吸水性的目 標。個組分配料比如表2所示。其中水泥可以用普通水泥、白水泥或其他顏色的 水泥，可以只用一種水泥，也可以兩種或幾種水泥混合使用。骨料主要由微硅粉、 砂、石粒、石粉、燒制的粘土磚碎塊以及建筑垃圾等原料來充當，可以只用其中 一種骨料，也可兩種或數種骨料混合使用。將上述各組分混合并攪拌均勻，注入模具中擠壓或振動壓實成型，其

13、中模 具可以設計為不同形狀，模具的內上層表面可以設計為花紋狀， 從而使炭磚上表 面具有各種花紋或其他形狀，以滿足顧客的需求。注模之后靜置，固化后脫模,養(yǎng)護，最后除去磚體朝上一面表皮的水泥漿層，磨的同時加水沖洗，去除水泥, 即得成品。表2過濾炭磚各組分配料量（wt.% ）50601520151015510如圖8所示，磚體內含有分散的植物炭末，在模具中成型的過程中植物炭末 與發(fā)泡劑反應產生發(fā)達的孔隙，從而使炭磚具有很強的吸水滲透性能。圖8過濾炭磚剖視結構圖如圖9和圖10所示，炭磚下面設計了長條狀和立柱狀柱腳，該外形便于水分向下注入地下,同時阻止地下水分浸濕醇體。圖9柱腳為長條狀的實用新型結構示意圖

14、圖10柱腳為立柱狀的實用新型結構示意圖三、具有吸附功能的炭工藝品的制備生物質炭工藝品是以生物質炭為材料經過相關技術和藝術加工而成的新型工藝品，它不但藝術形式多姿多彩、內容題材廣泛、造型優(yōu)美高雅，還保留了生物質炭的超強吸附能力，兼具凈化性和美觀性，主要有炭雕、炭畫、炭+瓷（金屬）等藝術形式。是現代工藝品大家族中新興的產品，日益受到人們的青睞。隨著社會的進步，人們的生活水平不斷改善，人們對生活的質量要求不斷提高，擁有健康、舒適、和諧、高雅的生活空間逐漸成為人們所向往的理想目標。為了提高生活環(huán)境的的格調品位，更好的體現人們的素養(yǎng)追求，人們往往會選擇一些工藝品陳列擺放在家居、辦公環(huán)境中或轎車之內，不但

15、能夠增加環(huán)境空間的裝飾效果，還能凈化空氣，改善辦公環(huán)境空氣質量，陶冶情操，緩解工作壓力，提高工作效率。雖然各種新型裝修材料給我們的生活空間帶來了更豐富、更舒適、更有格調的效果，但隨之而來的環(huán)境污染也讓人們防不勝防，于是各種風格，各種形式的，具有高吸附性能的生物質炭工藝品就成了人們的首選目標。市場上的生物質炭工藝品題材廣泛，造型各異，藝術形式多樣，生物質炭工藝品的藝術形式分類如下：1、生物質炭工藝品的分類生物質炭工藝品是將經發(fā)泡劑發(fā)酵后的生物質炭制備為成型材料，并用工具進行藝術化的加工處理制成的工藝品。生物質炭工藝品按擺放環(huán)境分為壁掛、擺件；按制作技術和工藝分為為炭雕、炭畫、炭瓷（金屬）結合等形

16、式；具體有藝術花瓶、藝術筆筒、藝術圓盤、吉祥造型、吉祥掛件等工藝品，其中雕刻是生物質炭進行藝術造型的主要手段，其次有碳板繪畫、粘貼，炭瓷（金屬）結合的工藝等。2、生物質炭工藝品的藝術形式（一） 炭雕炭雕是制造生物質炭工藝品的主要工藝手段，由于生物質炭的材料硬度適中，適合雕刻，另外成型的生物質炭可以制成各種大小、體量的雕刻胚件，也為炭雕工藝提供了條件，所以市場上的生物質炭工藝品以炭雕的形式居多。區(qū)別于傳統(tǒng)的木雕、玉雕等工藝品的是炭雕產品多為擺件，原因是生物質炭多為黑色，硬度不強，觸摸或放在手里不但會把手弄黑，而且汗水等會迅速進入物件內部，阻塞空隙，妨礙了吸附凈化效果，非常不適合把玩、佩戴。因此炭

17、雕工藝品多數為“可遠觀而不可褻玩焉”的擺件。炭雕從制造工藝手段分為機雕和手工雕刻兩種形式，機雕的工藝品多數為浮雕， 使用現代化的雕刻機可以迅速大范圍的生產，所以市場上常見的生物質炭字畫、壁掛、圓盤、掛件多為機雕，雕刻內容以傳統(tǒng)的吉祥紋樣、花卉、名人書法最為常見，如象征富貴的牡丹、象征人格修養(yǎng)的歲寒三友、象征生活富足的蓮年有魚等，符合大眾的審美與對生活幸福安康心理追求。（二）炭板畫把生物質炭一次成型或將成型炭切割制成厚度各異的炭板，在炭板上使用顏料進行藝術繪畫，就是炭板畫。炭板畫和傳統(tǒng)繪畫一樣要進行起稿、上色、勾勒等過程， 為了環(huán)保，使用的顏料必須天然無毒，為了盡量保留生物質炭的吸附面積， 顏料

18、涂抹要盡量少占炭板的面積，所以我們看到的炭板畫在構圖中盡量大面積的留出炭板的空白面積。生物質炭板畫題材豐富、顏色艷麗、內容多樣，也可以加框以裝裱的形式懸掛，雅俗共賞。主要題材有花卉風景、人物動物；風格有國畫形式、西畫形式和版畫形式，具體表現有古典的具象寫實也有現代的簡約抽象。 隨著科技水平提高和新材料的不斷出現，炭版畫的形式也不斷推陳出新，如利用傳統(tǒng)的景泰藍鑲嵌工藝，以金黃色、銀白色等彩色金屬絲鑲嵌在生物質炭炭板上， 然后以各種顏色的寶石、玉石、 彩石等顆粒為畫面色彩填充到金屬絲圈定的范圍內，最后采用特殊材料將金絲、顏色等牢牢固定在生物質炭板上，最終形成的景泰藍生物質炭板畫，打破了傳統(tǒng)炭板畫的

19、形式，具有獨特的藝術效果。另外還有在炭板上利用各種花色品種的布料進行拼貼造型的。（三）炭瓷（金屬）結合的工藝品由于生物質炭通體黝黑，視覺效果實在不佳，于是可以借鑒傳統(tǒng)金鑲玉的藝術形式， 創(chuàng)造出生物質炭+陶瓷、生物質炭+金屬的新型工藝品。這類工藝品首先要設計科學合理的產品結構，利用鑲嵌、粘合、套接等工藝手段，使生物質炭和瓷料部件、金屬部件結合在一起，形成全新的藝術形式，具有現代、高雅、多層次感和質感豐富的效果。其中擺放效果最好的要數炭、瓷結合的工藝品。炭+金屬組合的生物質炭工藝品，原理和技術工藝與炭+瓷的類似，多使用質輕、柔韌性好、可塑性強的鋁合金構件，也有用效果更強、造價更高的銅、銀制作構件。

20、在金屬構件上進行鏤空、雕刻、壓印，產生各式花紋圖案，和生物質炭構件組合之后，使整個工藝品充滿了高貴、華美、玲瓏的視覺感受，整體效果突出，適合做高端禮品之用。生物質炭工藝品是一種基于高效低耗的環(huán)保材料一一在發(fā)泡劑發(fā)酵后的高 孔隙生物質炭基礎上，利用傳統(tǒng)和現代的工藝手段制作成的新型工藝品。它的出現符合現代人們對生活空間既要高雅美觀又要環(huán)保的物質和精神需要。隨著新材料和新工藝的不斷推出，更高雅更美觀的新型生物質炭工藝品會以更新的藝術形 式出現，來不斷滿足人們的審美、精神和健康需求。下面結合技術背景、具體實施步驟和附圖對本高效吸附性生物質炭工藝品制 備技術作進一步說明：現代家居離不開裝潢、陳設，室內裝

21、潢和陳設以及家具中不可避免地要使用 油漆、粘結劑、纖維板、膠合板、泡沫材料等，而這些材料中往往含有苯、甲苯、 二甲苯、甲醛等有害物質，這些揮發(fā)性的有害物質會長期充斥在室內從而對人體 造成危害。發(fā)泡劑發(fā)酵以后的生物質炭具有發(fā)達的孔隙，是一種良好的凈化劑， 能夠長期有效地吸上述空氣中的有害物質和一氧化碳、二氧化碳等多種不良氣 體，且無二次污染，但因為其通常為粉墨狀，不便擺放在室內，且不美觀，因此 它的使用受到了限制。為了解決上述問題，本課題組研制了一種能凈化室內空氣的實用新型生物質 炭工藝品。炭工藝品的制備流程圖如下所示：圖11炭工藝品制備流程圖炭工藝品的制備的具體步驟如下： 收取辣椒稈、煙桿、核

22、桃殼、松子殼、椰子殼、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、咖啡殼、花生殼等農林生物質原料； 炭化：將粉碎后的生物質原料放入流化床中于400C900c下熱解制炭，將熱解過程中產生的生物質氣體進一步處理后用作燃氣；配料：將一定配比的生物質炭、粘結劑、發(fā)泡劑、水分混合均勻，常溫下攪拌1525分鐘，攪拌速度為80100轉每分鐘，制成均勻的混合原料，配料比如 表3所小。將步驟中制備好的混合原料倒入不同形狀的模具中，所采用模具為特別設計的一種具有電加熱功能的金屬模具， 采用電加熱方法使金屬模具升溫，從而使 炭粉在發(fā)泡劑的作用下一邊發(fā)酵一邊固定成型，之后將模具放入真空機中排出漿料中的空氣； 將模具從真空機中取出，常溫下

23、在空氣中放置1525小時后脫模；(6)將脫模后的工藝品修胚和雕飾，然后再把工藝品放置在恒溫橫濕箱中 56天, 取出后常溫風干；在步驟風干后的工藝品表面涂上相應的色彩，確保所涂抹色彩占據面積要盡量少以保證工藝品表面的炭顆粒孔隙不被堵塞，常溫下晾干之后添加一些飾品 線即可得到高吸附性能的炭工藝品。表3炭工藝品各組分配料量(wt.% )708051015510圖12炭工藝品模版圖四、無煙香的制備香是一種木材粉末和一些添加的香料、 藥劑、粘結劑做成的用于燃燒的粉末或燃燒體。香是通過燃燒來發(fā)揮作用的，自古被應用在家居養(yǎng)生、陶冶情操上，起到怡神悅心、參禪修煉、供神祭祀、養(yǎng)生去病等作用。人類對香的喜好，乃是

24、與生俱來的天性。隨著經濟不斷的發(fā)展和社會進步，香不僅在宗教事物中被大量使用， 而且在人們日常生活中被廣泛用于除臭和提神養(yǎng)氣，人們所使用的香料主要有兩種，一種是自然香木或香木粉通過燃燒產生的香煙；另一種為通過木材合成人工煙香條，然后通過焚燒人工香煙條而產生香煙。由于前一種木材成本較高，只有少部分人有能力使用，大部分人選擇使用后者。而市場上大部分的人工煙香條香薰理療效果不好，燃燒時會釋放大量的煙霧，對環(huán)境造成污染，且煙霧中含有致癌物質，用久了會使人有頭暈、氣膩的感覺。21 世紀，向低碳經濟轉型是人類文明的必經之路。我國政府已將發(fā)展低碳經濟， 應對全球氣候危機視為重要國策。所謂低碳經濟，是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導下，通過技術創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產業(yè)轉型、產業(yè)轉型、新能源開發(fā)等多種手段， 盡可能地減少煤炭石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達到經濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護雙贏的一種經濟發(fā)展形態(tài)。傳統(tǒng)香行業(yè)向低碳經濟轉型是歷史發(fā)展進程的必然選擇。環(huán)保無煙香的推廣應用，有利于家庭用香、文明禮佛，減少環(huán)境污染，降低有害氣體排放。但無煙