木材炭化與干餾

1、林產(chǎn)化工基礎(chǔ)教研室 馬艷麗 2.*木材炭化與干餾木材炭化與干餾2.1 林產(chǎn)植物原料的干燥2.2 木材炭化2.3 木材干餾一、植物原料含水率一、植物原料含水率1. 1.木材中的水木材中的水（1 1）自由水：存在于細胞腔和細胞間隙中。）自由水：存在于細胞腔和細胞間隙中。 只與體積密度、燃燒性有關(guān)，與干縮只與體積密度、燃燒性有關(guān)，與干縮 濕脹、力學(xué)性質(zhì)無關(guān)。濕脹、力學(xué)性質(zhì)無關(guān)。 木材干燥時，木材干燥時，自由水首先蒸發(fā)。自由水首先蒸發(fā)。（2 2）吸附水）吸附水：存在于細胞壁內(nèi)。不僅與體積密度、燃燒性有關(guān)，：存在于細胞壁內(nèi)。不僅與體積密度、燃燒性有關(guān)， 而且與干縮濕脹、力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。而且與干縮濕脹、力學(xué)

2、性質(zhì)有關(guān)。木材受潮時，水首先進入木材受潮時，水首先進入細胞細胞 壁內(nèi)。壁內(nèi)。（3 3）化合水：化學(xué)成分中的結(jié)合水）化合水：化學(xué)成分中的結(jié)合水( (量少量少) )2.1 林產(chǎn)植物原料的干燥木材中的水分大部分為自由水和吸附水，而化合水很少。木材木材中的水分大部分為自由水和吸附水，而化合水很少。木材干燥時首先是自由水跑掉，而后是吸附水跑掉。木材受潮時，干燥時首先是自由水跑掉，而后是吸附水跑掉。木材受潮時，先是細胞壁吸水細胞壁吸水達到飽和后，自由水才開始吸先是細胞壁吸水細胞壁吸水達到飽和后，自由水才開始吸入。入。纖維飽和點這個概念，對于我們研究木材性能很有實用價值。纖維飽和點這個概念，對于我們研究木材

3、性能很有實用價值。當(dāng)木材含水量在纖維飽和點內(nèi)變動時，木材的許多物理力學(xué)性當(dāng)木材含水量在纖維飽和點內(nèi)變動時，木材的許多物理力學(xué)性能也隨之改變，達到纖維飽和后這些性質(zhì)的改變也自行停止。能也隨之改變，達到纖維飽和后這些性質(zhì)的改變也自行停止。l2.2.木材的纖維飽和點：木材的纖維飽和點：當(dāng)木材中無自由水，而細胞壁內(nèi)當(dāng)木材中無自由水，而細胞壁內(nèi)吸附水達到飽和時，這時的木材吸附水達到飽和時，這時的木材 含水率稱為纖維飽和點。含水率稱為纖維飽和點。通常通常25253535 3.3.木材的平衡含水率木材的平衡含水率l平衡含水率平衡含水率: :在在一定溫度和濕度環(huán)境一定溫度和濕度環(huán)境中，木材中的含中，木材中的含

4、水量達到與周圍環(huán)境濕度相平衡時含水率。水量達到與周圍環(huán)境濕度相平衡時含水率。l北方：北方：1212 南方：南方：1818 長江流域：長江流域：1515l達到相平衡時含水率的木材，性能相對比較穩(wěn)定，因達到相平衡時含水率的木材，性能相對比較穩(wěn)定，因此此平衡含水率是木材加工、使用時的控制點。平衡含水率是木材加工、使用時的控制點。以免使以免使用時由于含水量變化而引起木材各性能的改變。用時由于含水量變化而引起木材各性能的改變。 4.標準標準含水率：含水率：15%15%但在纖維飽和點以內(nèi)時，則表明水分都吸附在細但在纖維飽和點以內(nèi)時，則表明水分都吸附在細胞壁的纖維上，它的增加或減少才能引起體積的胞壁的纖維上

5、，它的增加或減少才能引起體積的增大或縮小，即只有吸附水的改變才影響木材的增大或縮小，即只有吸附水的改變才影響木材的變形。變形。木材干燥是木材熱解的預(yù)備階段，木材的最佳含水率是木材干燥是木材熱解的預(yù)備階段，木材的最佳含水率是10%15%。生產(chǎn)規(guī)模小的企業(yè)一般采用木材風(fēng)干，即天然干燥。生產(chǎn)規(guī)模小的企業(yè)一般采用木材風(fēng)干，即天然干燥。（一）木材干燥的基本理論（一）木材干燥的基本理論 木材中的水分在干燥階段并不能完全除去。木材中的水分在干燥階段并不能完全除去。 一般在空氣相對含水率為一般在空氣相對含水率為100%100%的情況下，的情況下，T T為為100 100 時，木材的時，木材的平衡含水率為平衡含

6、水率為20%20%。 木材在干燥過程中，一定程度木材中所含水木材在干燥過程中，一定程度木材中所含水分不隨與載體接觸時間的延長而變化，此時的含分不隨與載體接觸時間的延長而變化，此時的含水率的數(shù)值稱為水率的數(shù)值稱為平衡水分平衡水分。二、原料干燥二、原料干燥 木材干燥分為三個時期：1.干燥速度不變時期（干燥速度不變時期（恒速干燥時期又稱外部擴散作用時期恒速干燥時期又稱外部擴散作用時期） 特征：自由水表面蒸發(fā)，干燥速度不變。特征：自由水表面蒸發(fā)，干燥速度不變。 濕木材干燥初期，自由水和吸著水同時存在，整個木材表面蒙有濕木材干燥初期，自由水和吸著水同時存在，整個木材表面蒙有一層薄薄的水膜。一層薄薄的水膜

7、。 木材干燥開始時，水分從木材表面蒸發(fā)后，能迅速通過大毛細管木材干燥開始時，水分從木材表面蒸發(fā)后，能迅速通過大毛細管依靠木材內(nèi)部的水?dāng)U散到表面進行補充，木材表面的水膜保持完整性。依靠木材內(nèi)部的水?dāng)U散到表面進行補充，木材表面的水膜保持完整性。 二、原料干燥二、原料干燥 在木塊大小等性質(zhì)不變的前提下，干燥介質(zhì)與木塊的接觸面積不變。在木塊大小等性質(zhì)不變的前提下，干燥介質(zhì)與木塊的接觸面積不變。 此時期的干燥速度取決于此時期的干燥速度取決于干燥介質(zhì)的溫度、濕度和流動速度干燥介質(zhì)的溫度、濕度和流動速度。 此階段耗費時間：主要取決于原料木材的含水量。此階段耗費時間：主要取決于原料木材的含水量。 自由水含水量

8、越多，木材含水率越高，恒速干燥時間越長。自由水含水量越多，木材含水率越高，恒速干燥時間越長。2.干燥的中間時期（自由水從細胞腔中蒸發(fā)過渡到結(jié)合水蒸發(fā)） 特征：干燥過程由蒸發(fā)自由水過度到蒸發(fā)吸著水。干燥特征：干燥過程由蒸發(fā)自由水過度到蒸發(fā)吸著水。干燥速度和木材含水率分別呈直線變化。由速度和木材含水率分別呈直線變化。由b開始到開始到C結(jié)束。結(jié)束。 隨著木材中自由水蒸發(fā)，當(dāng)自由水的擴散速度小于木材表面水分蒸發(fā)隨著木材中自由水蒸發(fā)，當(dāng)自由水的擴散速度小于木材表面水分蒸發(fā)速度時，木材表面水膜開始消失，出現(xiàn)個別的干燥部分。干燥過程便速度時，木材表面水膜開始消失，出現(xiàn)個別的干燥部分。干燥過程便由恒速干燥進入

9、到中間時期。由恒速干燥進入到中間時期。 隨干燥的進行進一步逐漸減小，直到隨干燥的進行進一步逐漸減小，直到C點，木材表面全干。點，木材表面全干。 含水率變化范圍35%-20%左右。3.內(nèi)部擴散作用時期 特征：木材表面是干燥的，但是木材內(nèi)部空隙中含有相特征：木材表面是干燥的，但是木材內(nèi)部空隙中含有相當(dāng)?shù)乃?。此時期水分蒸發(fā)除了要達到飽和蒸汽壓外，還當(dāng)?shù)乃帧４藭r期水分蒸發(fā)除了要達到飽和蒸汽壓外，還要克服水分由木材內(nèi)部擴散到表面的傳質(zhì)阻力。要克服水分由木材內(nèi)部擴散到表面的傳質(zhì)阻力。 一般木材含水率在一般木材含水率在30%以下，干燥過程直接由以下，干燥過程直接由2.3過程開始進行。過程開始進行。 干燥

10、后期，木材中所含有的水分蒸發(fā)速度降低，木塊表面形成已達干燥后期，木材中所含有的水分蒸發(fā)速度降低，木塊表面形成已達平衡含水率的干燥層。平衡含水率的干燥層。 進一步干燥時，木塊內(nèi)部的水分要由干燥層內(nèi)部擴散到木材表面才進一步干燥時，木塊內(nèi)部的水分要由干燥層內(nèi)部擴散到木材表面才能蒸發(fā)，同時干燥層厚度逐漸增加，導(dǎo)致水分擴散速度又逐漸下降，能蒸發(fā)，同時干燥層厚度逐漸增加，導(dǎo)致水分擴散速度又逐漸下降，干燥阻力逐漸增大。干燥阻力逐漸增大。 當(dāng)木塊中心的含水率達到平衡含水率時，干燥速度為零，干燥過程當(dāng)木塊中心的含水率達到平衡含水率時，干燥速度為零，干燥過程結(jié)束。結(jié)束。三、植物原料人工干燥設(shè)備*常見的干燥設(shè)備有(

11、隧道式)、(回轉(zhuǎn)式)和（氣流干燥式）干燥裝置。（一）隧道式干燥裝置：半連續(xù)式干燥器 由多輛料車和隧道式干燥窯組成。 干燥介質(zhì)用180220廢煙氣，氧含量1214%。 缺點：干燥器與小車之間的空間大，與木材接觸不好，介質(zhì)不能充分利用。整個隧道中干燥介質(zhì)分布不均勻干燥時間長。 這種干燥器一般與車輛干餾釜配套使用。（二）回轉(zhuǎn)式干燥裝置本體是臥式回轉(zhuǎn)圓筒，通常用鋼板卷制。直徑12m、長度1015m。其軸線與水平傾角為15 。在筒體外大齒輪的帶動下，以15r/min。優(yōu)點：優(yōu)點：操作簡單、運行穩(wěn)定，可連續(xù)也可間歇干燥作業(yè)。缺點：缺點：物料停留時間段，不適于干燥塊度較大物料。 常用于干燥木片、果殼、木屑等

12、散粒狀物料。干燥程序： 木屑類原料由爐尾進入回轉(zhuǎn)圓筒內(nèi)，隨著筒體的轉(zhuǎn)動逐漸向爐頭移動，在移動過程中與爐頭進入的熱煙氣直接接觸干燥，最后由爐頭卸料。廢煙氣由爐尾排除。 物料停留時間為0.52h 。（三）氣流式干燥裝置（連續(xù)干燥裝置） 主要由風(fēng)機、加料器、干燥管、旋風(fēng)分離器等構(gòu)成。含水40%50%的木屑，隨160 熱風(fēng)以15 m/s 的流速通過直徑0.3m、長19m的干燥管以后，木屑的含水率即可降低至20%25%。適用于干燥粒度很小的原料。1.定義：在有限制供給少量空氣的條件下，在炭化裝置內(nèi)使林產(chǎn)植物原 料熱分解的操作過程成為木材炭化。2.2 木材炭化一、木材炭化的概述 二、炭化過程 （略）木炭碎

13、粒三 、木材炭化裝置（一）炭窯燒炭土窯地面形貌木材的堆放進火口爐柵 P 390移動式炭化爐由爐體、爐頂蓋、爐柵、點火通風(fēng)架及煙囪等部分構(gòu)成。目的： 克服建筑土窯勞動強大受 季節(jié)影響、得率低等缺點。（二）移動式炭化爐一、生產(chǎn)工藝原料風(fēng)選加料炭化出料風(fēng)選的目的：除沙石、土塊加料：用提升機送至爐頂加料槽，依靠重力進入炭化槽。出料：1 / h 出料加料各1次。炭化溫度 450 -460得率 25%-30%灰分 2%揮發(fā)份為 8%-15%（三）果殼炭化爐1.預(yù)熱段 2.炭化段 3.耐熱混凝土預(yù)制板4.進風(fēng)口5.冷卻段6.出料器7.支架8.卸料斗9.煙道10.測溫口椰殼炭化料 每臺爐由兩個立式炭化槽組成。

14、從加料到出料，分為三個階段：第一階段：預(yù)熱階段 高1250mm第二階段：炭化階段 用耐熱混凝土預(yù)制塊筑成槽，炭化槽外是煙道。煙道內(nèi)用隔板分3層。這四個管口進空氣的旁煙道，空氣由柵孔進入炭化槽炭化后的混合氣體，通過柵孔進入主煙道最后排入煙囪。炭化產(chǎn)生的氣體及時通過炭化槽的柵孔進入煙道被燃燒。第三階段：冷卻段 800mm 炭在此自然冷卻后通過出料器，排入炭貯槽。為了防止炭在貯槽內(nèi)自燃和保證底部密封在炭槽底部需要通入少量水蒸氣。二、生產(chǎn)設(shè)備 三、優(yōu)缺點優(yōu)點：果殼炭具有強度高，吸附力強，雜質(zhì)含量低的優(yōu)點。缺點 ：生產(chǎn)效率低，每次裝料1.3-1.4噸，400kg。為什么通入少量水蒸氣可以起到冷卻和密封作

15、用？答：水蒸氣預(yù)熱汽化帶走一部分熱量，炭遇水成糊兒，有承擔(dān)一定重量的能力。（四）其他炭化爐斯列普爐1. 立式多槽炭化爐 工藝過程（略）1.操作條件：點火：燃燒室點火，炭化槽升溫至300開始投料炭化。炭化： 炭化槽冒白煙廢棄中有大量水分，進入干燥階段。 120 150 。 冒黃煙木屑開始熱解，進入預(yù)炭化階段。 150 275 。 冒青煙大量分解，進入炭化階段。 275 450 無煙 物料呈暗紅色。 無火星炭化階段結(jié)束。爐溫：700 - 800 炭化時間：4-8 h 設(shè)備結(jié)構(gòu)： 材料內(nèi)部用耐火磚、外部用青磚砌成。 每爐五個燃燒室。 14個炭化槽和15個煙道。 15個煙道每3個與1個燃燒室相連。 煙

16、氣將熱量通過隔直接傳給炭化料。 炭化產(chǎn)生的蒸汽從頂部排氣罩排空。 加熱的燃燒煙氣分5層，曲折上升至頂部。 原料由爐頂加料室加入。 每個炭化槽有一個卸炭口，在燃燒室的后面。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，砌造易掌握操作。缺點：得率低，12%20%之間。流態(tài)化爐又稱沸騰爐。利用流態(tài)化原理炭化微小顆粒狀木質(zhì)原料的爐型。 用螺旋加料器將微小顆粒狀木質(zhì)原料送入立式圓錐或圓筒形爐膛下部后，被爐膛底部進入的空氣鼓動呈流態(tài)化狀態(tài)進行炭化，生成的蒸汽氣體混合物和木炭顆粒隨氣流由爐膛頂部出料進入旋風(fēng)分離器中捕集木炭后，再用冷凝器回收木醋液，不凝性氣體導(dǎo)入加熱爐中燃燒作為炭化的輔助熱源。流態(tài)化爐2. 流態(tài)化爐 鋼板卷制的細長筒狀臥

17、式爐。 顆粒物料從爐膛一端進入，通過爐膛內(nèi)的螺旋推進器，不斷向另一端移動過程中完成炭化作用。3. 螺旋炭化爐適于炭化微小顆粒物料回轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)類似回轉(zhuǎn)式干燥裝置，多為內(nèi)熱裝置。適用于顆粒狀或小塊狀物料的炭化。 原料由爐尾進入回轉(zhuǎn)爐爐膛中，在隨爐體轉(zhuǎn)動的過程中被爐壁帶到一定高度以后落下，炭化后固體物料從爐頭出料裝置卸出，產(chǎn)生的蒸汽氣體混合物隨廢煙氣從爐尾導(dǎo)出，經(jīng)處理后排出。4.回轉(zhuǎn)爐四、 木炭的性質(zhì)除C還有H,O等元素，在400900 之間，每隔一百度取一次值分析，（350 纖維素分解，450 煅燒開始）。最后得出的結(jié)論：最后得出的結(jié)論：相同熱解溫度下，木炭元素組成和產(chǎn)量由炭化終溫決定，與原料種類無

18、關(guān)。相同熱解溫度下，木炭元素組成和產(chǎn)量由炭化終溫決定，與原料種類無關(guān)。隨著炭化溫度升高，木炭中固定碳隨著炭化溫度升高，木炭中固定碳C%，H%、O%。木炭得率降低。木炭得率降低。（一） 木炭質(zhì)量標準（略）（二） 木炭的元素組成固定碳：在規(guī)定的高溫下（固定碳：在規(guī)定的高溫下（850 -950 ），不通入空），不通入空氣進行煅燒時的無灰分木炭。氣進行煅燒時的無灰分木炭。實際測試方法：傳統(tǒng)方法坩堝、噴燈、電爐，但現(xiàn)在一般用微波馬弗爐來做，通入氮氣做保護。木炭固定碳的含量，用下式計算： C=(1-V-A)100% 式中： C固定碳含量（%）； V揮發(fā)分含量（%）； A灰分含量（%）（三） 木炭的固定碳木

19、炭的揮發(fā)分主要指木煤氣的成分，CO、CO2、H2 、CH4和其他硫氧化物稱為揮發(fā)物。方法：絕干木炭在坩堝中 250 馬弗爐中隔絕空氣加熱7min。 在300 -700 隨著炭化溫度，CO、CO2、CH4含量逐漸降低，H2 。此時木材炭化時若有O2存在，只要在200 -300 就可使木炭得率降低10%以上。（四）（四） 木炭的揮發(fā)分木炭的揮發(fā)分（五）（五） 木炭的灰分木炭的灰分木炭的灰分是無機組成部分，一般為白色或淡紅色?；曳钟啥喾N金屬氧化物和鹽類組成，來源于木材中的無機成分。隨燒制溫度、樹種、被炭化木材木塊與樹皮的比例，燒制溫度越高，灰分含量越大；另闊葉材燒制的木炭其灰分含量比針葉材高；樹木的

20、不同部位，燒制的木炭灰分含量也不同。木炭的機械強度：表示木炭對壓碎和磨損的抵抗能力。木炭的機械強度：表示木炭對壓碎和磨損的抵抗能力。 分為耐壓強度和耐磨強度。分為耐壓強度和耐磨強度。有些特殊場合，例如冶金工業(yè)過程中使用的還原炭。有些特殊場合，例如冶金工業(yè)過程中使用的還原炭。 在生產(chǎn)過程中如果木炭機械強度不夠，木炭變?yōu)樗樾嫉脑?，氣體難以通在生產(chǎn)過程中如果木炭機械強度不夠，木炭變?yōu)樗樾嫉脑?，氣體難以通過爐料會發(fā)生事故。過爐料會發(fā)生事故。木炭機械強度受那些因素影響？木炭機械強度受那些因素影響？ 原料樹種；原料樹種； 方向性差別（壓力方向）；方向性差別（壓力方向）； 最終溫度；最終溫度； 時間（干燥和炭化時加熱速度）。時間（干燥和炭化時加熱速度）。（六）（六） 木炭的機械強度木炭的機械強度2.木炭的真密度 木炭真密度：表示扣除孔隙體積以后無孔木炭的密度。 主要受炭化最終溫度的影響，與樹種的關(guān)系不大。（七）（七） 木炭的密度、真密度及孔隙率木炭的密度、真密度及孔隙率1.木炭的密度受原料樹種、炭化的最終溫度和炭化速度的影響。 一般的，原料密度大，其制成的木炭密度相對也大。 無孔木炭的比重為1.351.40g/cm3木炭的孔隙率是指木炭中孔隙體積占總體積的百分率。 它表示木炭中孔隙的發(fā)達程度，一般數(shù)值70%。3.木炭的孔隙率（八）（八） 木炭的發(fā)