生物质炭的应用
——昆明理工大学
生物质能源是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为21世纪主要的能源之一。据估计，植物每年贮存的能量大约为世界主要燃料消耗的10倍；而生物质能作为能源的利用量还不到总能源消耗的1%。这些未加以利用的生物质绝大部分通过自然腐解和碳素释放的方式回到自然界之中。事实上，生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，至今，世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源。生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能源转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料，从而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费对环境造成的污染。 我国政府提出坚持“非粮为主、不与民争粮、不与粮争地”的生物质能源发展的基本原则。农林废弃生物质原料包括植物类废弃物（农林生产过程中产生的残余物）、动物类废弃物（牧、渔业生产过程中产生的残余物）、加工类废弃物（农林牧渔加工过程中产生的残余物）和农村城镇生活垃圾等四大类。云南丘北是我国着名的辣椒之乡，以辣椒秆，秸秆等为 代表的农林生物质原料产量丰富（部分农林生物质资源如图1所示）。通过炭化（干馏）的方式对丘北县八道哨的农林生物质原料进行热解，并对热解气体和生物质炭产品进行加工处理，不仅能够实现生物质能源的高效利用，而且还能够改善该地的生态环境。 图1农林生物质原料（核桃壳、甘蔗渣、玉米芯、松子壳、秸秆、辣椒秆）
生物质热解气化可将生物质原料转化为以CO和H2为主的气体燃料，可直接转换实现燃气、热能和电能的供给。同时燃气可以通过甲烷化反应，进而制备高品质生物质合成天然气(Bio—SNG)，是生物质能开发的重要技术途径，此外，生物质热解之后产生的生物质炭是一种清洁环保的产品，通过加工处理，可以将生物质炭制备为各种高性能，实用的产品。生物质热解流程及装置如图2所示，生物质炭如图3所示。 图2生物质热解流化床装置图
图3生物质炭（核桃壳炭、玉米芯炭、椰子壳炭、稻壳炭、秸秆炭）
昆明理工大学冶金与能源工程学院通过多年研究，在生物质炭的应用方面取得了一定成果，可以将生物质炭应用于以下方面：
二、制备过滤炭砖
三、制备具有吸附功能的炭工艺品
四、制备环保无烟香
一、高性能生物质机制炭的制备
长期以来，木炭一直被广泛地用作生活燃料，如取暖、烧烤、火锅燃料，木炭是将木材在缺氧的条件下燃烧或热解而制取的，生产木炭需要消耗大量的森林资源，严重破坏了生态环境，我国森林覆盖面积不到国土的10%，森林的形成需要一定的生长周期，大量的森林砍伐不符合保护生态环境、创建低炭社会、发展循环经济的要求。土窑制炭工艺具有密封性差、生产周期长、产量低、成本高等缺点。生物质是典型的可再生能源，其具有来源广泛，储量丰富，生长周期短等优点。地球上每年生产的生物质总量约为1400~1800亿吨，我国每年废弃的秸秆高达60亿多吨，资源化潜力巨大。因此研发一种来源广泛、绿环保、成本低廉、工艺简单的生物质机制炭制取方法对减少森林资源的破坏以及满足生产生
活对燃料的需求具有十分重要的现实意义。
可以利用生物质热解后剩下的生物质炭制备一种含碳量高、燃烧时间长、脱灰效果好、无烟无味符合环保要求的生物质机制炭。该制备过程是以来源丰富、价格低廉、可再生且易于粉碎的生物质为碳源，具有大规模生产价格低、收率高、热值高、孔隙率高、广受市场欢迎的生物质机制炭的潜能。生物质机制炭的制备流程如图4所示：
图4生物质机制炭制备流程图
具体步骤和工艺如下所述：
⑴收取核桃壳、松子壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、咖啡壳、花生壳等农林生物质原料；
⑵炭化：将粉碎后的生物质原料放入流化床中于400℃~900℃下热解制炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气；
⑶制棒：将生物质炭粉碎后与一定比例的粘结剂，助燃剂，发泡剂，水混合均匀，将混合
均匀的物料放入制棒机中通过螺杆的压力和高速旋转的离心力将原料压制成带有中心孔的炭棒，之后将机制炭棒烘干即可得到高性能生物质机制炭。各组分物料配比如表1所示：
表1生物质机制炭各组分配料量（wt.%）
生物质炭 | 粘结剂 | 发泡剂 | 水分 |
70~80 | 5~15 | 1~5 | 5~10 |
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本发明的有益效果为：机制炭的固定炭含量≥80%，灰分矿棉吸音天花板≤5%，热值≥35MJ/Kg,燃烧时最高温度可以达到430面包炉℃；且该机制炭的生产方法简便，脱灰效果好，孔隙率高，与传统的先成型后在土窑中炭化的机制炭制备方法相比，该方法采用先炭化后成型工艺，炭化过程中密封效果好且热解烟气得到充分利用，大幅度地提高了生物质炭产率，有效地缩短了生产周期，降低了生产成本；该生物质机制炭的生产成本为1800元/吨，比传统生产方法降低了600元/吨；该生物质机制炭市场售价为3500元/吨，比传统生产方法平均市场售价降低了500元/吨；且该方法制备的机制炭平均产量高达50吨/月，比传统制备方法的平均产量提高了20吨/月。
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图5生物质机制炭实物图
图6生物质机制炭燃烧及脱灰效果图
二、过滤炭砖的制备
现在房屋的地面最常见的为现浇混泥土，或是在混泥土中加入石粒而磨成水磨石地面，也有铺设瓷砖或大理石的，这种地面或地面装饰品都有一个缺陷，即不能吸水，以致搞卫生时用水擦洗地面以后水分久久不能消去，下雨天鞋子上所带的泥水将地面弄得泥泞不雅，而且在春节的南风天时地面也非常潮湿，既不卫生也不利于存放物品。80年代中期以前，虽有用粘土烧制的红地砖，它有防潮作用，但由于其硬度差，容易磨损而逐渐不为人们所使用。利用农林生物质原料热解后的生物质炭可以制备一种过滤地面炭砖，这种地面炭砖能快速地将砖体表面的水分吸干而保持砖面干爽，同时砖体硬度不受所吸水分的影响，砖体所吸收的水分能很快地向下注入地下或向上挥发于空气中。
本技术所制备的过滤地面炭砖主要由水泥、生物质炭末、骨料和发泡剂组成，水泥为粘结剂，水泥可以用普通水泥、白水泥或其他颜的水泥，可以只用一种水泥，也可以两种或
豆袋弹几种水泥混合使用。骨料主要由微硅粉、砂、石粒、石粉、烧制的粘土砖碎块以及建筑垃圾等原料来充当，可以只用其中一种骨料，也可两种或数种骨料混合使用。其中生物质炭末为农林生物质原料（核桃壳、松子壳、辣椒秆、秸秆、烟秆、花生壳，咖啡壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣等）经热解（干馏）后剩余的生物质炭。发泡剂的作用是使炭砖在成型的过程中发酵并产生大量孔隙，孔隙的存在有利于对水分的吸收和过滤。
为便于砖体内水分向下注入地下，同时阻止地下的水分浸湿砖体，砖体下面可有支撑砖体的柱脚。
本技术所制备的过滤地面炭砖有如下优点：1，所用的植物炭性质稳定，具有很好的吸水性，可以收集、过滤雨水，其吸水后不影响自身的性能和硬度，且很快地将水分散发。混泥土砖体里面有分散的生物质炭末，且经过发泡剂发酵之后生物质炭末的孔隙大幅度提升，砖体的吸水性能良好，从而能够保持砖面干爽；2，砖体吸入水分以后也不影响砖体的硬度，砖体所吸收的水分能够较快地向下注入地下或向上挥发于空气中；3，生物质炭主要由农林生物质原料（核桃壳、松子壳、辣椒秆、秸秆、烟秆、、花生壳，咖啡壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣等）热解（干馏）而得，充分利用了植物废料，变废为宝，
而且热解过程中产生的气体可以用作生活燃气，实现了一举多得的有益效果；4，炭砖中所添加的微硅粉为工业硅生产企业难处理废料，炭砖的大规模生产和应用将有效地解决硅厂微硅粉堆放难处理的问题，变废为宝；5，该技术所制备的过滤地面炭砖可部分替代地面砖、瓷砖，节约自然资源。下面结合具体实施步骤和附图对本实用新型技术作进一步说明：
制备过滤炭砖的流程图如下所示：
图7过滤炭砖制备流程图
具体实施步骤：
⑴收取辣椒秆、烟杆、核桃壳、松子壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、咖啡壳、花生壳等农林生物质原料；
⑵炭化：将粉碎后的生物质原料放入流化床中于400℃~900℃下热解制炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气；
⑶配料：将生物质炭粉碎后与一定比例的水泥，发泡剂，水和骨混合均匀，水泥为粘结剂，生物质炭末为吸水剂，发泡剂主要作用是使生物质炭末与其他配料在模具中成型过程中发酵产生大量孔隙，从而达到具有高渗透性和吸水性的目标。个组分配料比如表2所示。其中水泥可以用普通水泥、白水泥或其他颜的水泥，可以只用一种水泥，也可以两种或几种水泥混合使用。骨料主要由微硅粉、砂、石粒、石粉、烧制的粘土砖碎块以及建筑垃圾等原料来充当，可以只用其中一种骨料，也可两种或数种骨料混合使用。
⑷将上述各组分混合并搅拌均匀，注入模具中挤压或振动压实成型，其中模具可以设计为不同形状，模具的内上层表面可以设计为花纹状，从而使炭砖上表面具有各种花纹或其他形状，以满足顾客的需求。注模之后静置，固化后脱模，养护，最后除去砖体朝上一面表皮的水泥浆层，磨的同时加水冲洗，去除水泥，即得成品。
表2过滤炭砖各组分配料量（订舱系统wt.%）
骨料 | 生物质炭末 | 发泡剂 | 水泥水分 |
50~60 | 15~20 | 1~5 | 10~155~10 |
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如图8所示，砖体内含有分散的植物炭末，在模具中成型的过程中植物炭末与发泡剂反应产生发达的孔隙，从而使炭砖具有很强的吸水渗透性能。
图8过滤炭砖剖视结构图
如图9和图10所示，炭砖下面设计了长条状和立柱状柱脚，该外形便于水分向下注入地下，同时阻止地下水分浸湿砖体。
图9柱脚为长条状的实用新型结构示意图
图10柱脚为立柱状的实用新型结构示意图
三、具有吸附功能的炭工艺品的制备
生物质炭工艺品是以生物质炭为材料经过相关技术和艺术加工而成的新型工艺品，它不但艺术形式多姿多彩、内容题材广泛、造型优美高雅，还保留了生物质炭的超强吸附能力，兼具净化性和美观性，主要有炭雕、炭画、炭+瓷（金属）等艺术形式。是现代工艺品大家族中新兴的产品，日益受到人们的青睐。
随着社会的进步，人们的生活水平不断改善，人们对生活的质量要求不断提高，拥有健康、舒适、和谐、高雅的生活空间逐渐成为人们所向往的理想目标。为了提高生活环境的的格调品位，更好的体现人们的素养追求，人们往往会选择一些工艺品陈列摆放在家居、办公环境中或轿车之内，不但能够增加环境空间的装饰效果，还能净化空气，改善办公环境空气质量，陶冶情操，缓解工作压力，提高工作效率。虽然各种新型装修材料给我们的生活空间带来了更丰富、更舒适、更有格调的效果，但随之而来的环境污染也让人们防不胜防，于是各种风格，各种形式的，具有高吸附性能的生物质炭工艺品就成了人们的首选目标。市场上的生物质炭工艺品题材广泛，造型各异，艺术形式多样，生物质炭工艺品的艺术形式分类如下：
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