第三章木材热解工艺(木材热解工艺学)

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章木材热解工艺,课程名称：木材热解工艺学,授课专业：林产化工,授课教师：李 秀 红,教 研 组 ：林产化工,内容提要,:,一、热解原料的预处理,热解原料的分类,原料干燥的原因,木材中水分存在的状态,干燥过程三时期,干燥方法,木材干燥设备,二、木材干馏工艺,车辆式干馏釜工艺,内热立式干馏釜工艺,明子干馏工艺,三、木材炭化工艺,炭窑、移动式炭化炉、果壳式炭化炉,流态化炉、螺旋炉、回转炉、,四、木材气化,木材气化过程与化学反应,影响气化反应速度的因素,煤气发生炉,影响煤气发生炉操作的主要因素,气化法处理废材的工艺流程,气化产物的应用,木材气化行业取得的进展,五、木材液化,木材液化的目的及意义,木材液化技术研究的现状,木材液化方法,木材液化生成物的开发利用,内容提要,:,一、热解原料的预处理,【1.,原料的种类,】,薪炭林和次生林；,森林抚育与采伐的剩余物；,木材加工及建筑工业中的木质废弃物；,农林业生产中的一些副产物；,其他含碳废弃物；,【2.,热解原料的分类,】,原料形状分：粒状、片状、块状、木椴等；,原料树种分：,硬阔,水青冈、桦、麻栎、苦槠、榆、槭等；,软阔,杨、椴、柳等；,针,马尾松、红松、云杉等；,注：不同的材种干馏的产物得率不同。,一、热解原料的预处理,【2.,热解原料的分类,】,不同的原料（材种）干馏的产物得率不同：,产 物 名 称,得 率,醋酸、甲醇,硬阔叶材比针叶材,高一倍,木炭,硬阔叶材比针叶材,低,另：,干馏硬阔叶材时，醋酸得率最高，软阔叶材次之，针叶材最少，所以，以生产,醋酸,为主的木材干馏原料主要使用,桦木,和,水青冈,；,针叶材,常用来生产,松木炭,，用于制造,活性炭,。,一、热解原料的预处理,【,3.,原料干燥的原因,】,含水率，影响生产能力、生产成本（时间、燃料消耗、产品质量）。,则热解时间长，热量消耗大，液体产物浓度低而不利于进一步加工利用。,含水率大,则热解过程放热反应激烈，热解速度太快，会导致产品木炭开裂。,含水率小,故：需要确定合适的含水率。,一、热解原料的预处理,合适含水率的确定：,热解设备,内热立式干馏釜,外热式干馏釜,相对含水率的,要求：,15%-25%,相对含水率的,要求：,10%-20%,木材名称,相对,含水率,新砍伐的木材,40%-50%,水运或贮存在水中的木材,大于,70%,大气中长期存放的木材,小于,30%,水解木质素、糖醛渣、栲胶渣等,大于,60%,注：,在大多数情况下，含水率大的原料不能直接用于热分解，需要进行干燥处理，以满足工艺上对原料含水率的要求。,【,4.,木材中水分存在的状态,】,自由水,:,存在于大毛细管系统中的水分，与细胞壁之间的亲合力比较小，容易蒸发除去，称作自由水或游离水、毛细管水。,吸着水：,存在于微毛细管系统中的水分，通过与氢键等作用，与细胞壁之间形成较大的亲合力，难以蒸发除去，称作吸着水或胶体水、结合水。,纤维饱和点：,特殊的含水率。,一、热解原料的预处理,【5.,干燥方法,】,干燥,：在干燥介质作用下，使水分蒸发除去而降低物料含水率的过程。,干燥速度,：表示在单位时间内从木材中干燥除去的水分的数量。,平衡含水率,：当周围介质固定不变，木材在该介质中存放一定时间后，,含水率不再变化而成为定值,，此定值称作在该种介质条件下（温度、湿度）的木材平衡含水率。,一、热解原料的预处理,木材的性质：树种、含水率；,干燥介质的性质：温度、湿度、流速；,干燥方法：自然干燥、人工干燥；,干燥设备,影响干燥速度的因素,一、热解原料的预处理,【,5.,干燥方法,】,自然干燥,:,原料在大气中晾晒，利用太阳能蒸发原料中的水分。此时，空气中的,温度,、,湿度,及,流动速度,对于干燥速度起决定作用。,温度高，湿度小、风速大,的天气有利于干燥的进行。,不需要干燥设备，操作简单、易于实施，不消耗能源，干燥成本低。,受天候影响大，干燥强度小，时间长，占用场地面积大，劳动强度大。,缺点,故：该法仅适用于中小型工厂使用。,优点,一、热解原料的预处理,【,5.,干燥方法,】,人工干燥,:,原料在各种设备中用特定的干燥介质进行干燥。,不受气候的影响，干燥速度快、干燥程度易于控制，占地面积小。,要有专门的干燥设备并需要消耗能源，投资大。,缺点,故：该法适用于大中型工厂使用。,优点,干燥介质,：空气、热空气、过热水蒸气、热烟道气等。,一、热解原料的预处理,【6.,干燥过程,】,木材干燥速度与含水率的关系图：,图,3-1-1,体现平衡含水率与干燥介质空气的温度、相对湿度的关系：,图,3-1-1,木材的平衡含水率与空气温度及相对湿度的关系,同一湿度下,干燥介质温度越高,则平衡含水率越小,;,同一相对温度下，湿度小则平衡含水率越小,;,载热体温度越高，相对湿度越低，则平衡含水率越低；,提高介质温度，降低介质的湿度，都有助于木材的干燥。,一、热解原料的预处理,【,6.,干燥过程,】,木材的干燥速度与时间的关系,:,图,3-1-2,阶段,特 点,ab,部分,干燥过程开始时，木块的含水率较大，干燥速度是很快的，自由水以固定不变的速度从木块中排除；,bc,部分,自由水从第一临界点开始，自由水的排除速度大约按照,bc,部分直线的规律降低；,cd,部分,第二临界点,c,起，开始排除吸着水，干燥速度按照曲线,cd,降低，最后达到平衡。,图,3-1-2,木材的干燥速度与时间的关系,一、热解原料的预处理,【,6.,干燥过程,】,干燥过程三个时期,化分依据,：,干燥速度变化的特点。,时 期,特点,恒速干燥时期,恒速，蒸发自由水，木块表面有完整的水膜；,干燥的中间时期,干燥速度直线下降，蒸发自由水，木块表面水膜的完整性遭到破坏直至消失，木块表面变干；,内部扩散作用时期,干燥速度是曲线下隆直至为零，达到平衡，蒸发吸着水；,注：,木材具有干缩湿胀的特性，在内部扩散作用时期，因其内部潮湿而表面干燥易开裂而降低质量。应谨慎操作，防止开裂，如采用,干燥介质与木材逆流接触,的方案。,一、热解原料的预处理,隧道式干燥窑,立式干燥器,回转式干燥器,（回转炉）,气流式干燥器,干燥木椴,木块,木片、果壳、木屑等散粒状物体,木屑,【7.,木材干燥设备,】,原料性质不同，热解工业采用不同的干燥设备。,木材干馏工艺包括：,木材干燥,、,木材干馏,、,蒸汽气体混合物的冷凝冷却,、,木炭冷却,和,供热系统,五部分。,【,车辆式干馏釜工艺,】,干馏流程见图,3-13,物料流程,：装料,-,干馏,-,卸料,-,冷却,-,装料,二、木材干馏工艺,干馏,：密封釜门，即可开始干馏；,卸料,：打开釜盖，钩住料车，开动纹盘机，将料车拉入木炭冷却器中；,冷却,：关闭冷却器门，在其上部洒水冷却；,续装料,：当干馏釜卸出料车后，即可将装好干馏材的另外的炭车推入釜中。,干馏,物料,流程,装料,【,车辆式干馏釜,】,塔板式焦油分离器,旋风分离器,罗茨鼓风机,把不凝性气体送入炉内燃烧,高沸点,焦油雾滴,干馏,气体,流程,洗涤塔,干馏生成的蒸汽气体混合物,保证风机,不受腐蚀,进一步分离,高沸点焦油雾滴,【,车辆式干馏釜,】,干馏釜操作三个时期,:,最初的,2-3h,主要蒸发水分，这时的气体可通过排空管排入大气中，当,木醋液,由淡黄色变成浅褐色并混有焦油液滴时，使蒸汽气体与冷凝系统接通，并开动鼓风机。,当蒸气气体出口温度达,200-230,时，可减少加热用燃料或者完全不加燃料，主要靠燃烧,干馏气体,。,当出口蒸汽气体温度在,300 ,时，蒸汽气体的发热量逐渐减少，此时要添加燃料以保持出口温度不急剧下降。,二、木材干馏工艺,【,车辆式干馏釜,】,木醋液,车辆式干馏釜的特点,:,趁热装卸料，可以减少热损失，大大缩短生产周期，提高生产能力。,由于采用了料车和单独的木炭冷却器，干馏釜和炉子一直保持较高的温度，热量的利用率提高了；,由于木材与釜壁之间有一定间隙，木材主要靠赤热釜壁的辐射热，燃料的消耗仍然比较高；,整个干馏釜的容积利用率仍不高，只能达到,70%,左右。,二、木材干馏工艺,【,内热立式干馏釜,】,工艺流程见图,3-15,二、木材干馏工艺,【,内热立式干馏釜,】,干馏过程：,用不凝性气体燃烧产生的热烟气作为载热体，在,开工初期,或,干馏釜内产生的不凝性气体量不足,时，可燃烧煤气或添加重油。,随着炭化进程，木材不断下移，干馏釜的下部送入冷的不凝性气体，用以冷却木炭，可回收部分热量，木炭经卸料阀门卸入提升机的料斗中，送入木炭库，冷却木炭后的热气体经风机引出送往燃烧炉，多余的气体送锅炉车间。,二、木材干馏工艺,【,内热立式干馏釜,】,干馏过程：,干馏所产生的蒸汽气体混合物与载热体一起，从顶部出口管引出，在通过木材干燥区时，由于蒸发水分消耗许多热量，出口处蒸汽气体混合物的温度只有,125,左右，这些气体首先进入前冷凝器，然后进入串联的冷凝冷却器，分离出的木醋液收集在木醋液贮槽中，不凝性气体由风机送入泡沫吸收器，在进入泡沫吸收器之前经雾滴吸收室,回收,气体中夹带的液滴,，在泡沫吸收器中用水吸收甲醇等低沸点组分，这时候的气体已冷却至,20-30,，,再经风机送往冷却木炭用，使木炭冷却到,40-60,。,二、木材干馏工艺,【,内热立式干馏釜,】,温度归程,：,底部：,20-50,；,第二锥形漏斗处：,130-230 ,；,木炭煅烧区：,500-550 ,；,炭化区：,280-450 ,；,木材干燥区：,200-280 ;,蒸汽气体混合物从干馏釜排出时：,110-170 ,。,二、木材干馏工艺,【,内热立式干馏釜,】,影响操作的因素：,木材含水率,（影响最大）；,木块大小；,加料速度；,载热体温度和数量；,蒸汽气体混合物的出口温度与压力等；,二、木材干馏工艺,影响最大的操作因素：,木材含水率,木材含水率增加时，由于木材带进干馏釜中的水分增加，蒸发水分所需要的热量也增大。,二、木材干馏工艺,【,内热立式干馏釜,】,若,载热体的温度,保持不变,则,必须增加载热体的数量或,减少加料量,维持干馏釜的正常运转,对于每立方米木材来说，载热体的数量实际上就是增加了，,这就使循环气体中可凝性蒸汽（水分、有机物）的含量减少，露点降低，蒸汽冷凝就比较困难。,影响最大的操作因素：,木材含水率,木材含水率增加时，由于木材带进干馏釜中的水分增加，蒸发水分所需要的热量也增大。,二、木材干馏工艺,【,内热立式干馏釜,】,此外,在这种情况下，就必须,补充一定数量的发生炉煤气,。,木材含水率越高：,循环气体中木煤气所占的比例就越低，,其发热量就越低,以至循环气体燃烧时达不到要求的操作温度。,故：,为了保证热量自身循环，木材的含水率最好保持在,15%,以下。,内热立式干馏釜,特点：,所得木炭强度高，且每立方米炭化室每小时炭化木材量为车辆式干馏釜的,6,9,倍；,正常操作时不需燃料；,工作条件好，可实现机械化和自动化；,冷凝困难。,二、木材干馏工艺,【,明子干馏釜工艺,】,明子分类,:,分类依据,名 称,特 征,木材的部位,根株明子,树干明子等,木材中,树脂含量的高低,肥明子,树脂含量,21%,中等明子,树脂含量,16-21%,瘦明子,树脂含量,16%,木材中,含水率的不同,干明子,含水率,25%,二、木材干馏工艺,注：,生产中应尽量选用,含水率低树脂含量高,的明子。,即,含水率低的肥明子,是明子干馏的优质原料。,二、木材干馏工艺,【,明子干馏釜工艺,】,明子干馏过程,【,明子干馏釜工艺,】,流程图见,3-2-8,二、木材干馏工艺,目的,：,制取,松焦油、,松木炭、,松节油、,松油、,木醋液；,混合原油加工及松焦油生产,混合原油工的原理流程,:,图,3-2-9,二、木材干馏工艺,混合原油加工及松焦油生产,混合原油加工艺流程 图,3-21,二、木材干馏工艺,三、木材炭化,木材炭化,：在有限地供给少量空气的条件下，在炭化装置中使林产植物原料热分解，以制取,木炭,的操作。,【,炭化产物,】,主要是木炭，有时也可根据需要收集少量的液体产品。,【,炭化设备,1,炭窑,】,原料与产品运输方便,，,靠近水源,，,宽阔平地,，,土壤坚实。,薪材直立,，,质好材在,I,区,，,中等材在,区,，,质差材在前,区,，,细端向下,，,粗端向上,，,材堆中心略高于四周成拱形,。,装料：,窑址的选择,:,筑窑：,图,3-2-4，,炭窑结构之一,三、木材炭化,【,炭化设备,1,炭,窑,】,烧炭,观察现象：,卸炭：,烟气由灰白色转变成黄色，最后变成青烟。,窑外熄火法,趁热从窑内扒出，用湿沙土熄火，得,白炭,。,窑内熄火法,木炭在窑体内自然冷却，得,黑炭,。,适于木椴，得率,18-22%；,结构简单、易于建造，不受地理条件限制；,生产的木炭质量好；,但建造时劳动强度大，建筑后无法搬迁；生产周期长,3-5,天。,炭,窑,特点：,三、木材炭化,【,炭化设备,2,移,动式炭化炉,】,组成部分：,构造：,装料：,图,3-2-5，,圆台状，分为上、下两段或上、中、下三段。,大头向上，大径级及含水率较高的木椴在炉体中央。,烧炭,炉体、炉顶盖、炉栅、点火通风架、烟囱；,观察现象：,通风口出现火焰，烟囱口冒青烟，烟囱内嗡嗡作响；,移,动式炭化炉,特点：,适于木椴，得率,15-20%；,建造后可以搬迁；生产周期短,24h,。,生产的木炭质量好；,但结构复杂、成本高；,三、木材炭化,【,炭化设备,3,果壳炭化炉,】,风选,加料槽,卸料器,原料,除去沙石、土块,炭化槽,（预热段、炭化段、冷却段）,产品,操作,方便,，劳动,强度小,；,适于,果壳类,原料，如椰子壳、杏核壳、核桃壳、橄榄核等。,燃烧炭化时产生的混合天体，不仅避免了蒸汽气体污染大气，还保证炭化时必需的热量，正常操作时,不需要外加燃料,。,果壳炭化炉,特点,：,三、木材炭化,【,炭化设备,4,流态化炉,】,【,炭化设备,5,螺旋炉,】,【,炭化设备,6,回转炉,】,联系,:,区别,:,反应条件不同；,设备不同,；,得到的产品不同,。,都是木材热解的基本内容，是木材热解的两种方法,；,都能制取木炭,；,热解过程中部分热源来自本身,。,Q,：木材炭化与干馏的联系与区别？,四、木炭性质,【,木炭的质量标准,】,五大标准,：,LY217-80，,表,3-2-14 。,该标准适用于,东北地区生产的工业用木炭,，主要用于结晶硅、二硫化碳、活性炭、有色金属冶炼及合金等工业。,硬阔木炭,：指由硬阔叶材及桦木的混合木材烧制的炭。,阔叶木炭,：指由硬、软阔叶的混合材烧制的炭。,松木炭,：指由松木或针叶材烧制成的炭。,木炭的质量标准,：,根据,材种不同,木炭可分为三种：,水分、灰分、固定碳、颗粒度、杂质含量。,由 表,3-2-16,炭化温度对木炭元素组成的影响 得：,【,木炭的元素组成,】,木炭含有的元素有：,C、O、H、N,等。,四、木炭性质,在相同的热解最终温度条件下，桦木炭和松木炭的元素组成相差不大；,随着炭化最终温度的升高，木炭中,碳元素的含量增加,，,氢和氧的含量降低,；木炭的得率降低。,木炭的元素组成和产量随炭化最终温度而定，与材种无关。,挥发分含量及组成主要取决于炭化温度；温度提高挥发分含 量降低；,300-700，,随着炭化温度的 ，,CO、CO,2,、CH,4,含量 ，,H,2,含量 ，只当烧制温度小于,450,时才有,C,2,H,4,放出。,随着炭化温度的 ，木炭的发热量也 ，气体的发热量 ，木醋液的发热量无显著的变化规律。,【,木炭的挥发分,】,木炭在高温下煅烧时放出,CO、CO,2,、H,2,、CH,4,和其他碳氢化合物等不凝性气态产物统称为木炭的,挥发分,。,四、木炭性质,由表,3-2-18，,得,提高,降低,增加,提高,提高,降低,【,木炭的固定碳,】,木炭的固定碳是一个假定的概念，它代表在高温缺氧条件下煅烧木炭时，木炭中保留的不含灰分的物质。,四、木炭性质,固定碳含量不等于元素碳含量。,固定碳含量越大，碳元素含量也越多。,木炭中固定碳含量随着,炭化最终温度的上升而增加。,因为在测定固定碳含量的温度条件下，木炭中除了灰分以外，还存在少量的氧和氢。,注：,木炭在空气中完全燃烧后，剩下的灰白色至淡红色固体残留物质是灰分，又称作灼烧残渣或强热残分。,四、木炭性质,多种金属氧化物和盐类,这些无机物质在灰分中的存在状态，不一定能反映它们在木炭及木材中的原始状态,源自木材中的无机成分,因为：高温灼烧会导致化学变化。,灰分的组成：,表,3-2-19,，,得：,不同部位木材烧制的灰分含量不同；,树皮含灰量比木材高。,表,3-2-20,，,得：,阔叶材烧制的木炭灰分含量比针叶材高。,【,木炭的机械强度,】,木炭的机械强度：表示木炭对压碎和磨损的抵抗能力，这对木炭的转装、运输及在冶金工业应用上都有很大的意义。,四、木炭性质,木炭的机械强度随树种而异；,木炭的机械强度受炭化最终温度和时间的影响；,木炭的机械强度受材质纤维方向的影响。,由表,3-2-21，,得：,桦木炭的耐压强度大于松木炭（阔,针）；,400,烧制的木炭耐压强度最小；,炭化时间长、升温速度缓慢能提高木炭的耐压强度；,耐压强度沿纤维方向的纵向最大、径向次之、弦向最小。,【,木炭的密度、真密度及孔隙率,】,木炭的,真密度,：表示扣除孔隙体积以后无孔木炭的密度。,四、木炭性质,木炭的,孔隙率,：指木炭中孔隙体积占总体积的百分率。,它表示木炭中,孔隙的发达程度,。,木炭的真密度,木炭的密度：,木炭的孔隙率：,式中：,：密度；,：真密度；,：孔隙体积。,：总体积；,表,3-2-23，,得：,随炭化最终温度的增加，,真密度在提高，,孔隙率也在提高，即孔隙越发达。,木炭的导电性随炭化温度的升高而增大，,但温度高于,800,后，导电性的增长速度减慢。,【,木炭的发热量、导热系数及热容,】,木炭的发热量：,随着炭化最终温度的提高，木炭中碳含量增加，最高发热量也随之增大。（,碳元素含量高的发热量大,）,木炭的导热系数：,具有方向性，纵向的比横向的大，其数值随着树种及炭化的最终温度而异。,木炭的热容：,随温度的升高而增加。,【,木炭的反应能力,】,木炭的反应能力：,受树种的的影响很大，并随着反应温度的升高而增加。,四、木炭性质,【,木炭的导电能力,】,表,3-2-27，,得：,是由于木炭中挥发分几乎被完全分出的缘故。,【,木炭的自燃及预防,】,木炭的自燃的原因,：木炭自动氧化并伴随着木炭温度的升高而导制木炭的自燃。,四、木炭性质,木炭孔隙比较发达（孔隙率一般在,70%,以上），比表面积达,200-300m,2,/g,，具有较强的吸附能力。木炭吸附空气中的氧气时放出吸附热，致使其温度升高，达到其着火点时便发生自燃。,尤其是刚离开炭化装置的木炭更易于着火自燃。,腐朽材木炭孔隙较大，为更多的氧在单位时间内进入木炭表面创造了条件，使单位重量木炭放出的热量增加；,腐朽材木炭的机械强度低，容易磨碎，生成许多碎块和炭粉，很易堆实而难以散热；,腐朽材木炭有较高的灰分并具有更多的灰分而具有更大同氧作用的活性,。,四、木炭性质,【,木炭的自燃及预防,】,另,：腐朽材烧制的木炭比一般木炭更易自燃。,腐朽材木炭木炭易发生燃烧。,【,木炭的自燃及预防,】,预防自燃的措施,：在木炭生产中，,应严格限制使用腐朽材，使用腐朽材的量不能超过一定的程度（,5%,）；,力求原料木材的大小及含水率均匀一致，避免有大块的、不均匀木椴，应按工艺规程使木材均匀干燥，热解完全，以保证生产出质量均匀的木炭；,四、木炭性质,【,木炭的自燃及预防,】,预防自燃的措施,：在木炭生产中，,炭化时应保证达到工艺规定的炭化最终温度，以减少挥发分的含量，提高木炭的着火温度；,木炭进库前要筛去粉木炭，堆放在通风、遮雨、无直射阳光的场所，不宜堆得太大，必须远离火种等；,含水率较高的木炭不要放进木炭仓库，因为木炭中吸附的水分会加快氧化过程的进行。,四、木炭性质,五、木材气化,木材气化：,在高温下利用氧气或其他含氧气体作,气化剂,，使固体状态的林产植物原料转化成,可燃性气体,的热化学过程。,气化的意义：,是木材热解的另一个重要方面,是综合利用木材废料、森林采伐剩余物和其他有机物的有效方法。,可燃性气体比一般固体燃料的,优越性：,燃烧过程易于调节；,燃料完全；,火焰温度高；,没有灰渣；,易输送等。,二战中，苏联曾用木材气化产生的煤气用于冶金、交通运输；德国曾有大量的木材气化装置用于生产煤气。,70,年代后，发生世界能源危机，用木材废料气化生产木煤气取代液体燃料是开发新能源的一种有郊途径。,五、木材气化,【,木材气化过程,】,实现木材气化过程的设备称为,煤气发生炉,（图,3-3-1,），按高度大致分为,3,个区：木材干燥区、木材炭化区（干馏区）和木材气化区。,在其中发生的,气化反应,是,含氧,气化剂,在,高温,下与,固体含碳材料,的反应。,图,3-3-1,上吸式煤气发生炉,1,炉栅（风嘴）,2,进风管,3,煤气出口,4,加料装置,从,炉顶,加入煤气发后炉，逐渐下降经过干燥、炭化、气化三个主要过程，最后变成,灰渣,由发生炉,底部,排出；,由发生炉,下部,进风管的风嘴导入，通过燃烧层由,上部,的煤气出口导出，整个过程连续进行。,木材原料流程,气化剂流程（如空气）,五、木材气化,【,木材气化反应,】,常用的气化剂有,:,空气,、,水蒸汽,及,它们的混合物,。,1.,空气的气化反应：,在高温下，空气中的氧气与碳反应生成,CO,2,和,CO,并,放出热量,，,CO,2,与炽热的木炭发生反应生成,CO。,2.,水蒸气的气化反应：,在,750,以上的高温下，水蒸气与碳反应生成,CO,2、,CO,和,H,2,，,吸热反应,。,3.,空气和水蒸气的气化反应,：上述气化反应在气化区中都存在。,【,气化反应历程,】,3,个步骤：,气化剂穿过固体炭化物表面的气膜扩散到炭化物表面；,气化剂在炭化物表面发生气化反应；,气化反应产物穿过固体炭化物表面的气膜扩散出来。,【,影响气化反应速度的因素,】,木材气化反应的速度取决于：,木炭与气化剂的化学反应速度；,气化剂及气化产物穿过固体炭化物表面气膜的扩散速度。,五、木材气化,木炭具有很高的反应能力，,气化反应速度主要取决于气化剂及气化产物穿过固体炭化物表面气膜的扩散速度。,Q：,怎样提高气化反应速度？,P,407,五、木材气化,【,气化设备,】,分类依据,名 称,气化剂种类,空气煤气发生炉,水煤气发生炉,混合水煤气发生炉,气化剂与物料,接触方式,固定床水煤气发生炉,（,根据气化剂进口与煤气出口相对位置的不同划分为上吸式、平吸式和下吸式）,沸腾床水煤气发生炉,输送床水煤气发生炉,【,气化设备,】,上吸式煤气发生炉,1,炉栅（风嘴）,2,进风管,3,煤气出口,4,加料装置,机械化排灰工业气化炉,1,炉腔,2,排灰转盘,3,中央风管的炉栅,4,旁风管风嘴,5,木片进料装置,6,煤气引出管,机械化排灰工业气化炉两大特点：,【,气化设备,】,意义,：采用这种结构的鼓风方法可保证整个气化炉截面均匀鼓风，避免局部鼓风造成原料架拱而形成空间在下降时产生突然的冲击。,中央风嘴鼓风,旁风管风嘴,鼓风,正常操作时，,旁风管鼓入的风量,占全部风量的,80-90%，,而,中央风嘴鼓风,只占,10-20%,发生炉上部炉腔扩大,:,这种结构可以,降低,煤气离开原料时的,速度,减少,煤气夹带细小的,木屑,进入煤气管道,.,注,:,若煤气量大时,可在顶盖安装两个引出管。,送风、鼓风,：,五、木材气化,【,影响煤气发生炉操作的主要因素,】,原料木块的大小,木材的含水率,原料树种,气化剂的种类,气化剂的用量,温度,影响生产能力,影响气化反应速度,影响煤气的组成及发热量,五、木材气化,【,气化法处理废材的工艺流程,】,捕尘,-,水封,冷凝冷却器,原料,切片,干燥,离心式焦油分离器,气化,木煤气,净化,锅炉房,内燃机（燃料）,煤气,雾滴捕集器物,木焦油,五、木材气化,【,木材气化产物,】,气化产物,：煤气（成分有,CO,、,CO,2,、,H,2,、,C,n,H,2n,等）；,液体产品,：挥发酸，焦油，甲醇，反应水，酯类等；,应用,：用作燃料等。,【,木材气化行业取得的进展,】,由常压气化发展为,加压气化,；,由使用空气、水蒸汽及蒸汽,空气气化剂发展为使用,O,2,作气化剂；,煤气的发热量由,62557089kj/m,3,提高到,2001621267kj/m,3,；,由富集,H,2,、,CO,的煤气进一步合成,CH,4,，使煤气的发热量提高到,37530kj/m,3,；,用氧气气化剂生产的煤气还可,合成甲醇,。,六、木材液化,木材液化目的：,最大限度地将木材中的活性基团转化为液态的有机物质加以利用。,液化产物及其应用：,液化燃油,便于运输、且缓解人类面临的能源危机的压力。,制造物美价廉且具有生物降解性能的,新型复合材料,。,如可用于制造胶粘剂、三维固化制模材料，,泡沫塑料、聚氨脂薄膜、纤维和碳纤维等。,【,开展木材液化研究的意义,】,木材液化是木材综合利用的有效途径。,扩展了木材资源的利用和回收领域。,六、木材液化,木材中含有,大量的活性基团,将木材转化为,类似液体的黏稠状液体,制造胶粘剂、聚氨酯泡沫塑料、,纤维和碳纤维等新的,高分子物质,液化反应,热化学过程,具有生物降解性能的高分子物质，大大的扩展了木材资源的利用和回收领域，具有越来越广泛的应用前景。,六、木材液化,【,木材液化技术研究的现状,】,研究领域：,液化方法的探讨；,液化过程木材主要成分的化学结构变化；,机理分析；,液化产物多方位利用等；,研究时代,：我国对木材液化的研究起步较晚，始于,20,世纪,70,年代；,研究单位,：,有中国林业科学研究院和北京林业大学等；,研究领域：,采用苯酚或多元醇为液化剂，先后对木材、树皮和竹材等生物质材料进行了,液化效率,、,最佳液化工艺参数,、,液化物的分子量分布,及,分子结构的确定,、,液化机理研究,、,液化产物利用,等。,【,木材液化方法,】,高温高压法,六、木材液化,1925,年，,Fierz,等人，液化条件模拟煤的液化过程，直接将木粉进行液化，制备出液体燃料。,1971,年，,Appell,等人研究结果：,液化油,40-50%,CO（,还原性气体,）、Na,2,CO,3,水溶液（催化剂）,木屑,35,目,28MPa,，,350-400,组成元素,C:76.1%，H:7.3%，O:16.6%，,相对密度为,1.10g/cm,3,，,发热量,31300kj/kg,Yokoyama,等人在没有还原性气体,H,2,和,CO,存在的情况下的研究结果：,【,木材液化方法,】,高温高压法,六、木材液化,燃油,Na,2,CO,3,水溶液（催化剂）,木屑,10MPa,，,300,特点,：,高温高压法液化是木材中的化学成分在,高压,下的热化学过程，,能量消耗大,，所需,设备耐压要求高,，液化产品的,得率并不高,，因其初始目的和过程与燃料相关，又被称为,木材的燃油化,。,木材的热可塑性得到改善，,增强了在有机溶剂中的溶解性,溶剂分解法,原料,化学处理,醚化,酯化,氰乙基化,液化剂,(,多羟基醇,、,二酚基丙烷,),常压，,120-180,氯化,氯化氰乙基化木材,液态高分子材料,多羟基醇：,1,6-,己二醇,；1,4-,丁二醇,；,1,2-,乙二醇；,1,2,3-,丙三醇,二酚基丙烷：,2,2-,双酚,A。,制造聚氨酯树脂、或聚氨酯泡沫,常压，,120-180,液化剂,粒度为,0.5-0.6um,并可均匀分散在水中的乳液,制膜材料,（最低成膜温度随着塑化剂的增加而降低，可从,95 ,直至室温）,【,木材液化方法,】,催化剂法,采用,酸性催化剂,，如盐酸、硫酸等强酸，磷酸、草酸等弱酸，可使木材的液化过程在,较缓和的条件,下完成，,反应,进行得较,彻底,，,残渣少,。,注：采用不同的酸，得到产物的性能各异。,Alma,等人在研究结果：,液体产物,36.5% HCl,（催化剂）,木粉,苯酚（液化剂）,模型浇注的材料,该材料的静曲强度、弹性模量、吸水率、厚度膨胀率和表观溶解系数等，随液化后结合酚的不同存在差异，当,结合酚,量大时，产品的性能可与酚醛树脂相媲美，且具有更优良的,生物降解性能,。,结合酚,:,液化时与木材反应的苯酚量,.,【,木材液化方法,】,催化剂法,姚耀广等人的研究结果：,液体产物,常压，,150,，硫酸（催化剂）,木粉,+,谷物,聚乙二醇与甘油的混合液（液化剂）,对液体产物的流动性等诸多性质进行了分析研究，发现这些,弱酸存在,时的液化产物与在硫酸催化剂条件下的苯酚液化生成物相比，在很多方面不同，前者,具有较低的结合酚量,，,而且保留了与原始天然木材化学结构近似的特点,。,【,木材液化方法,】,林兰珍等人的研究结果：,液体产物,磷酸、草酸（催化剂）,木粉,苯酚（液化剂）,残渣率仅为,4%，,说明硫酸在液化中作用是十分明显的。,无催化剂法：,即在,没有催化剂,存在的条件下，木材中的主要化学成分（如纤维素）也可以在,高温,下实现液化。,【,木材液化方法,】,夫世进、白石信夫等人的研究结果：,结果表明：苯酚为液化剂，无催化剂存在，一定大小的木片和竹材均可以在,250 ,的条件下，于一定时间内完成液化。,注：液化温度越高，达到完全液化所需要的时间越短。,液体产物,常压，,250，,密闭不锈钢管,木片,2283(mm),苯酚（液化剂）,产物特性：在室温下也具有良好的流动性，而且只要加热充分，液化后不会存在残渣和未液化的木材。,无催化剂法,无催化剂法特点：,木材的无催化液化是采用木材直接进行液化；,无需预先对其中的纤维素或木素进行提取，方法简便，效果好；,但无催化液化的过程,所需要的温度高，能源消耗大,；,而且,反应时间不足会使液化进行得不充分，得到的液化产物残渣则较多,。,【,木材液化方法,】,低分子,化合物,250 ，50MPa，,通入,10A,的电流,木粉,苯酚（液化剂）,在,4-5min,即发生木材的融解现象,【,液化剂,】,木材液化过程中，液化剂的种类直接支配反应的过程及产物的性质。目前，木材液化主要采用的液化剂是,苯酚,和,多羟基醇类化合物,。,六、木材液化,苯酚液化,多羟基醇液化,原料,液化剂,产物,用于制造酚醛类树脂、模注材料、绝缘材料和建筑结构材料。,产物,主要用于制造聚氨酯树脂或聚氨酯泡沫。,衡量液化程度和效果好坏的重要指标：,生成物的结合酚量越大，则反应生成物的物理力学性能和生物降解性能越好。,液化反应温度的提高和液化时间的延长对减少残渣率是十分有效的。,结合酚,和,生成物的残渣率,。,六、木材液化,【,木材液化生成物的利用,】,液体燃油；,制造物美价廉且有生物降解性能的新型复合材料：,酚化木材,与,无机或有机蒙脱土,之间的复合，,得到,性能优异的木材纳米插层材料,；,碳酸乙烯酯,液化,木材与禾木科植物复合，,制造,新型无毒无味的用于食品包装的复合材料,；,采用,酚化木材树脂胶粘剂,与木材制造,高强度组合木,，,用于建筑结构用材；,采用乙二醇低聚物等,多羟基醇类,液化木材制成,高性能的聚氨酯泡沫,，用于保温绝热材料和防震包装材料等。,关于木材液化的机理；,关于液化剂，从而提高木材的有效综合利用率；,思考,木材液化目的：,是,最大限度地将木材中的活性基团转化为液态的有机物质加以利用。,关于木材液化的机理：,尽管已有了一些进展，但不充分，特别是半纤维素在苯酚催化时的反应机理及半纤维素、木素在多羟基醇液化时的反应机理，还未进行深入研究。,另：木材液化如要进入产业化，必定是将木材进行整体的利用，要,进一步深化木材主要化学成分液化时反应机理的研究是十分必要的。,六、木材液化,思考,关于液化剂：,目前，木材液化的液化剂主要采用苯酚或羟基醇类物质，两者虽然可使反应生成物应用于各自不同的领域，但均存在不同程度的,环境污染,问题。,苯酚具有,毒性,，对人体皮肤有腐蚀作用且明显，而多羟基醇类物质也具有较大的,挥发性,。,应尽快开发新的具有环保性能的液化剂和液化方法，这有助于实现液化过程的,“,绿色化,”，,也可使这一新技术能更,安全,地进入工业化生产。,六、木材液化,总之，对木材液化机理的彻底解释和木材液化技术应用领域广泛深入的研究，必将使木材液化这一新的木材利用技术最终,实现产业化,，从而提高木材的,有效综合利用率,。,思考,