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木質(zhì)材料炭化過程發(fā)生什么變化?木材、木屑、樹根、果核和果殼等木質(zhì)材料的炭化,是把它放在炭化設(shè)備內(nèi)加熱,進(jìn)行熱分解。在熱解過程,發(fā)生一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生很多新生產(chǎn)物,木質(zhì)材料發(fā)生了變化。根據(jù)熱分解過程的溫度變化和生成產(chǎn)物的情況等特征,炭化過程大體上可分為如下四個(gè)階段。1.干燥階段這個(gè)階段的溫度在20—150攝氏度,熱解速度非常緩慢,主要是木材中所含水分依靠外部供給的熱量進(jìn)行蒸發(fā),木質(zhì)材料的化學(xué)組成幾乎沒有變化。2.預(yù)炭化階段這個(gè)階段的溫度為50—275攝氏度,木質(zhì)材料熱分解反應(yīng)比較明顯,木質(zhì)材料化學(xué)組成開始發(fā)生變化,其中不穩(wěn)定的組分,如半纖維素分解生成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物質(zhì)。以上兩個(gè)階段都要外界供給熱量來保證熱解溫度的上升,所以又稱為吸熱分解階段。3.炭化階段這個(gè)階段的溫度為75—400攝氏度,在這個(gè)階段中,木質(zhì)材料急劇地進(jìn)行熱分解,生成大量分解產(chǎn)物。生成的液體產(chǎn)物中含有大量醋酸、甲醇和木焦油,生成的氣體產(chǎn)物中二氧化碳含量逐漸減少,而甲烷、乙烯等可燃性氣體逐漸增多。這一階段放出大量反應(yīng)熱,所以又稱為放熱反應(yīng)階段。4.煅燒階段溫度上升450—500攝氏度,這個(gè)階段依靠外部供給熱量進(jìn)行木炭的煅燒,排出殘留在木炭中的揮發(fā)性物質(zhì),提高木炭的固定碳含量。這時(shí)生成液體產(chǎn)物已經(jīng)很少。應(yīng)當(dāng)指出,實(shí)際上這四個(gè)階段的界限難以明確劃分,由于炭化設(shè)備各個(gè)部位受熱量不同,木質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)又較小,因此,設(shè)備內(nèi)木質(zhì)材料所處的位置不同,甚至大塊木材的內(nèi)部和外部,也可能處于不同熱解階段。炭化對(duì)原料的要求炭化的原料很多,薪材、森林采伐剩余物、森林撫育時(shí)消除的雜木、木材加工廠的剩余物,如木屑等都可以進(jìn)行炭化。除木屑為粒狀,需采用特殊炭化爐炭化外,其他原料多以木段為主,都適合大多數(shù)炭化爐或炭窯炭化原料的要求。炭化原料樹種可分為三類:第一類為硬闊葉材,如水青岡、麻櫟、苦櫧、榆等;第二類為軟闊葉材,如楊、柳、椴等;第三類為針葉材,如馬尾松、南亞松、濕地松等。要生產(chǎn)出高質(zhì)量的木炭,以適合冶金工業(yè)和二硫化碳工業(yè)等工業(yè)部門使用,炭化原料應(yīng)選用硬闊葉材,而針葉材常用來生產(chǎn)松木炭,用于制造活性炭。炭化材最好大小均勻,一般要求直徑不大于0厘米,若直徑太大,應(yīng)把它劈開,劈裂線長(zhǎng)度要求小于12厘米。炭化材的長(zhǎng)度以炭化爐或炭窯的高度決定,若大材不劈開,因木材的導(dǎo)熱性差,炭化時(shí)產(chǎn)生的氣體混合物,由木材內(nèi)部通向外部,所需通過的路徑很長(zhǎng),炭化時(shí)間也長(zhǎng)。會(huì)導(dǎo)致木材機(jī)械強(qiáng)度下降。供炭化的薪材多屬萌芽林,故最好在秋冬季采伐,此時(shí),樹木處于休眠階段,樹液停止流動(dòng),根部貯存物質(zhì),不受損害,利于來年萌芽更新;而且秋季天氣晴朗,相對(duì)濕度小,木材含水量低,伐下的薪材易干燥,可縮短炭化時(shí)間,減少燃料消耗,生產(chǎn)的木炭裂縫少,質(zhì)量高。此外,腐朽木、病害枯死的木的木材,均不宜作炭化原料,因?yàn)楦嗄静奶炕瘯r(shí),木炭疏松、易碎和容易自燃,大大降低木炭質(zhì)量。怎樣進(jìn)行筑窯燒炭?炭窯修筑前,都要進(jìn)行窯址選擇,對(duì)窯址有如下要求:1.附近資源豐富,原料和木炭的運(yùn)輸比較方便;2.靠近水源,但又不會(huì)受到地表水沖刷淹沒,或積聚雨水;3.土質(zhì)堅(jiān)實(shí),最好是能耐火燒的粘土;4.坡度較小,又有堆放原料和木炭的地方;5.如果是山坡地,選擇的山坡方向要使筑成的炭窯燃燒室通風(fēng)口朝向常風(fēng)的方向,有利于通風(fēng)和燃燒?,F(xiàn)以豬頭窯為例子,說明炭窯的筑造過程。在選好的窯址上,畫一個(gè)等邊三角形,其中一個(gè)頂角,用于聯(lián)接燃燒室,這個(gè)頂角應(yīng)朝常風(fēng)方向。三角形邊長(zhǎng)約2.1米并修成弧形,在線內(nèi)向下挖1米深左右,即為炭化室。在燃燒室對(duì)面炭化室后下方正中挖煙道腔和排煙孔,孔高14厘米,寬18厘米,炭化室前端略高于后端。在炭化室前端三角形頂角打一排橫向木楔后即進(jìn)行裝柴,薪材直立裝入炭化室中,質(zhì)量好的上等薪材裝在后面,中等的裝在中間,質(zhì)量差的下等材裝在最前面,裝材細(xì)頭向下,粗頭向上,中心略高于四周,使薪材堆成拱形。上面蓋上一層稻草,在炭化室的后面兩個(gè)邊角上放上二個(gè)藤圈,在炭化室的中前部近邊線上也放上二個(gè)藤圈,這四個(gè)藤圈作為煙孔。然后沿四周鋪泥土,筑窯蓋,邊鋪土,邊打緊,錘打得越緊越好,窯蓋筑好后,將煙孔中的泥土挖去,并鋪上松土。在炭化室前面筑燃燒室,燃燒室前端低于后端。筑好窯型后就可進(jìn)行烘窯,烘窯時(shí),在燃燒室點(diǎn)火,火力不要太猛。如果烘窯速度太快,炭窯將不夠堅(jiān)實(shí),火燒去木楔,形成通道,逐漸燒入炭化室,待煙孔松土發(fā)白時(shí),把松土挖去,從煙孔冒出白煙,當(dāng)煙色轉(zhuǎn)青時(shí),將煙孔蓋上,打開煙道口,使煙氣從煙道口冒出,煙色變青時(shí),將所有孔口堵塞,進(jìn)行悶窯,經(jīng)2天冷卻后,炭窯即成型固定,在窯的側(cè)面開一個(gè)出炭門,進(jìn)行出炭,以后可以繼續(xù)裝柴燒炭,其過程和前面烘窯相同,只是燒炭時(shí)間較短,正常的燒炭周轉(zhuǎn)時(shí)間約3—4天。移動(dòng)式炭化爐怎樣燒炭?移動(dòng)式炭化爐用2毫米厚的薄鋼板焊接,由爐下體、上體和頂蓋疊接而成。爐下體為空心圓臺(tái)體,距離下端20毫米高的弧面上,間隔等距離地開通風(fēng)口和煙道各4個(gè),通風(fēng)口和煙道上分別裝有通風(fēng)管和煙囪,爐下體的內(nèi)部設(shè)有4塊扇形爐柵,中央豎立一個(gè)點(diǎn)火通風(fēng)架。爐上體直徑比下體略小,性狀相同。爐頂蓋中央設(shè)一個(gè)點(diǎn)火口,用點(diǎn)火口蓋來封閉它。爐體全高1525毫米,有效容積2.75立方米,一次處理原料量2.2層積立方米。移動(dòng)式炭化爐對(duì)原料的要求為:炭材長(zhǎng)1米,直徑3—8厘米;點(diǎn)火材長(zhǎng)25厘米,直徑5厘米;燃料材長(zhǎng)50厘米,直徑5厘米,含水率要求在25%以下。燒炭時(shí),將爐下體放在平地中心,裝入4塊扇形爐柵,爐上體放在爐下體的凹槽上,點(diǎn)火通風(fēng)架豎立在爐柵中央,煙囪和通風(fēng)管分別插在煙道口和通風(fēng)口上。點(diǎn)火材呈井字形平放在點(diǎn)火通風(fēng)架上;制炭材直立地裝在爐內(nèi),大頭向上,大徑級(jí)和含水率較高的裝在爐體中央;制炭材的頂端橫鋪一層燃料材。爐頂蓋放在爐上體的凹槽上,為了密封,各層的凹槽內(nèi)均用沙土填滿,爐下體外緣填一層厚250毫米的泥土并夯實(shí)。用明子等易燃材料點(diǎn)火,從爐頂蓋上的點(diǎn)火口投入爐內(nèi),將點(diǎn)火材和制炭材頂端的燃料材點(diǎn)燃,并不斷地添入燃料材;當(dāng)煙囪口溫度達(dá)到60攝氏度,蓋上點(diǎn)火口,并用沙土填入凹槽內(nèi)密封。當(dāng)炭化進(jìn)行4—5小時(shí),爐內(nèi)制炭材的干燥階段結(jié)束。當(dāng)煙囪口煙氣由白色變黃色時(shí),逐步關(guān)閉通風(fēng)口插板。當(dāng)通風(fēng)口出現(xiàn)火焰,煙囪口冒青煙,煙囪內(nèi)發(fā)出嗡嗡響聲,預(yù)示炭化過程結(jié)束。立即用泥土封閉通風(fēng)口,再過30分鐘,將煙囪除去,封閉煙道口。爐內(nèi)溫度冷卻至40攝氏度時(shí);開爐出炭。木炭得率為25%左右,木炭含水率為6%。多槽炭化爐怎樣進(jìn)行木屑炭化?木屑是一種多孔隙松散的物料,在炭化時(shí),特別要注意木屑是熱的極不良導(dǎo)體這一性質(zhì),所采用的設(shè)備形式,應(yīng)考慮如何加快傳熱和傳熱均勻的問題。否則炭化將不能完成。多槽炭化爐是根據(jù)木屑特性而設(shè)計(jì)的專用木屑炭化設(shè)備。多槽炭化爐每臺(tái)爐有14個(gè)立式炭化槽,每個(gè)炭化槽的兩側(cè)為煙道,一臺(tái)爐內(nèi)共有15個(gè)煙道,爐的內(nèi)部用耐火磚,外部用青磚砌成,爐長(zhǎng)7米,寬4.5米,每爐設(shè)五個(gè)燃燒室,每一燃燒室與爐內(nèi)的3個(gè)煙道相通,燃燒煙氣在爐內(nèi)煙道中分5層曲折上升至頂部,與煙囪連通,煙囪高10米,高溫?zé)煔庠谶\(yùn)動(dòng)中將熱量通過隔墻間接地傳給炭化物料。炭化產(chǎn)生的蒸汽氣體通過房頂排氣罩排空,爐頂設(shè)加料室,原料由此加入炭化槽,每個(gè)炭化槽均有一個(gè)卸炭口,卸炭口設(shè)在與燃燒室相反的一面。生產(chǎn)時(shí),首先在燃燒室點(diǎn)火,加熱炭化槽,待溫度升至300攝氏度時(shí)開始投料,直至加滿為止,每個(gè)炭化爐第一次投料可投下松木屑1400—1700公斤,待部分木屑炭化后,在各炭化室內(nèi)上下攪動(dòng)一下,以免炭化室內(nèi)木屑之間存有空隙引起灰化,在攪動(dòng)時(shí),被木屑阻留在炭化室內(nèi)的氣體往往會(huì)連同煙火一齊上揚(yáng),灼傷人體,應(yīng)特別注意安全。對(duì)炭化室進(jìn)行攪動(dòng)后,便可進(jìn)行第二次投料,投料量600—800公斤。在炭化過程中,當(dāng)炭化槽冒出青煙或無煙,加料口和出炭口外部沒有火焰冒出,炭化槽內(nèi)物料呈暗紅色,不冒火星時(shí),表明炭化結(jié)束,即可出炭。出炭時(shí),把出炭門打開,用長(zhǎng)柄鐵耙把炭粉耙入鐵桶內(nèi),立即用濕炭粉蓋上,以防炭粉灰化。每爐投料量為2—2.5噸木屑,爐溫約700攝氏度,炭化時(shí)間隨原料含水率而異,約4—8小時(shí),每爐可得木屑炭300—400公斤,耗煤1.5—1.7噸。這種炭化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易砌造,操作易掌握;但耗煤量大,炭得率低,質(zhì)量不夠均勻,高溫操作,勞動(dòng)強(qiáng)度大。木炭的性質(zhì)1.木炭的外部形態(tài)質(zhì)量高的木炭斷面具有黑色光澤,敲打時(shí)發(fā)出響亮清脆的金屬聲。在不同的溫度下燒制的木炭,其外部形態(tài)是不同的。在低于250攝氏度時(shí)燒制的炭,表面帶褐色,不易敲斷,燃燒時(shí)有火焰;300—350攝氏度燒制的木炭表面呈黑色,當(dāng)燒制溫度達(dá)500攝氏度時(shí),敲打時(shí),木炭發(fā)出響亮金屬聲。2.木炭的固定碳固定碳是一個(gè)假定的概念,它是在規(guī)定的高溫,一般為850—950攝氏度下,不通入空氣進(jìn)行煅燒時(shí)的無灰分的木炭。一般的木炭可能含70%—80%的固定碳。隨煅燒溫度升高,木炭中固定碳的相對(duì)含量增加。3.木炭的揮發(fā)分木炭在高溫下煅燒時(shí)放出一氧化碳、二氧化碳、氫、甲烷和其他碳?xì)浠衔锏葰鈶B(tài)產(chǎn)物稱為揮發(fā)分。燒制木炭的溫度在300—700攝氏度以內(nèi)時(shí),隨著溫度的升高,木炭煅燒時(shí)所分出的揮發(fā)分的組成發(fā)生下列變化:二氧化碳、一氧化碳和甲烷的含量逐漸降低,而氫的含量逐漸增加。燒炭的溫度升高時(shí),木炭的發(fā)熱量增高,而氣體的發(fā)熱量降低。4.木炭的機(jī)械強(qiáng)度木炭的機(jī)械強(qiáng)度表示它對(duì)壓碎和磨損的抵抗能力,它在木炭的轉(zhuǎn)裝和運(yùn)輸上以及在冶金工業(yè)應(yīng)用上有很大意義。轉(zhuǎn)載的次數(shù)愈多,在熔鐵爐的爐胸中,木炭受到上部爐料強(qiáng)大壓力,而由上向下移動(dòng)時(shí),則受到爐料塊和爐胸壁的強(qiáng)烈摩擦,如果木炭變成碎屑,氣體難以通過爐料,熔鐵爐的操作就會(huì)發(fā)生故障。木炭強(qiáng)度沿縱向較高,徑向較低,而弦向最低。當(dāng)燒制木炭最終溫度相同時(shí),木炭強(qiáng)度隨燒炭時(shí)間的增加而增加。5.木炭的比重和孔隙度木炭的比重因樹種、木材的質(zhì)量、炭化的最終溫度和升溫速度而不同。一般比重大的木材燒成
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