生物質(zhì)氣化所產(chǎn)木炭蒸汽法制備活性炭分析

邢蕾

摘要：能源緊張是世界性的發(fā)展問(wèn)題，我國(guó)雖然地大物博，但是可供利用的能源資源有限，隨著現(xiàn)代化建設(shè)對(duì)于能源資源的快速消耗，能源緊缺已經(jīng)成為阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。生物質(zhì)技術(shù)是目前解決我國(guó)能源問(wèn)題的有效發(fā)展途徑之一，利用生物質(zhì)氣化技術(shù)制備活性炭，能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的能源效應(yīng)。本文首先介紹了利用生物質(zhì)氣化技術(shù)進(jìn)行活性炭制備的積極意義，分析生物質(zhì)氣化技術(shù)概述和原理，結(jié)合生物質(zhì)氣化所產(chǎn)木炭蒸汽法制備活性炭研究現(xiàn)狀，探究利用蒸汽法制備活性炭的的發(fā)展前景，為緩解我國(guó)能源緊張問(wèn)題，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供思路參考。

Abstract： Energy shortage is a worldwide development problem. Although China has vast land and resources， the available energy resources are limited. With the rapid consumption of energy resources by modernization， energy shortage has become one of the major problems that hinder social and economic development. Biomass technology is currently one of the effective ways to solve China's energy problems. Using biomass gasification technology to prepare activated carbon can achieve a more ideal energy effect. This article firstly introduced the positive significance of using biomass gasification technology for the preparation of activated carbon， analyzed the general principles and principles of biomass gasification technology， combined the current research status of the preparation of activated carbon by using biomass gasification steam method， and explored the prospects， so as to alleviate the problem of energy shortage and provide ideas and references for the sustainable development of society and economy.

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；氣化技術(shù)；蒸汽法；活性炭；制備

Key words： biomass；gasification technology；steam method；activated carbon；preparation

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ424.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）18-0112-02

0 引言

為了緩解我國(guó)日益緊張的能源狀況，國(guó)家科研部門(mén)不斷探索新能源，其中，生物質(zhì)活性炭就是其中的新能源類(lèi)型之一。利用蒸汽法進(jìn)行生物質(zhì)氣化活性炭制備需要經(jīng)過(guò)相當(dāng)嚴(yán)格的制備工藝和一系列復(fù)雜環(huán)節(jié)，當(dāng)前我國(guó)的生物質(zhì)氣化技術(shù)已經(jīng)取得一定成效，只要做好生物質(zhì)氣化所產(chǎn)木炭蒸汽法制備活性炭的注意事項(xiàng)，嚴(yán)格執(zhí)行活性炭氣化制備標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，就能實(shí)現(xiàn)有效的制備目標(biāo)。

1 利用生物質(zhì)氣化技術(shù)進(jìn)行活性炭制備的積極意義

生物質(zhì)是一種典型的可再生能源，地球上每年通過(guò)植物光合作用固定的碳元素達(dá)2000億噸。據(jù)估算，中國(guó)生物質(zhì)資源生產(chǎn)潛力可達(dá)650億噸/年，折合33億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于每年化石資源消耗總量的3倍以上。國(guó)內(nèi)大部分生物質(zhì)資源（農(nóng)作物秸稈等）被直接焚燒，造成資源的大量浪費(fèi)，同時(shí)也造成環(huán)境的嚴(yán)重污染。

利用生物質(zhì)氣化技術(shù)進(jìn)行活性炭制備，不僅能夠有效緩解我國(guó)能源緊張問(wèn)題。從環(huán)境效益上看，采用生物氣化技術(shù)進(jìn)行活性炭制備，開(kāi)發(fā)新能源形式，對(duì)于減少因?yàn)槟茉聪亩斐傻沫h(huán)境污染具有積極作用，能夠減少城市二氧化碳污染，緩解溫室效應(yīng)，對(duì)于環(huán)境改善具有一定的效用。

2 生物質(zhì)氣化技術(shù)概述和原理

生物質(zhì)，即植物或動(dòng)物應(yīng)該光合作用原理儲(chǔ)存的有機(jī)物質(zhì)，這些有機(jī)物質(zhì)主要包含動(dòng)植物的排泄物、有機(jī)廢水、垃圾等。而真正適用于生物氣化活性炭制備的生物質(zhì)主要包括農(nóng)業(yè)和林業(yè)中的廢棄物，諸如農(nóng)作物的秸稈、林木枝干、果殼、稻草等，都可以作為生物質(zhì)氣化活性炭的制備原料。生物質(zhì)的氣化處理需要用到氣化爐，相關(guān)的活性炭制備原料在被粗略的進(jìn)行破碎處理后，進(jìn)入氣化爐中，氣化爐中一般呈現(xiàn)乏氧狀態(tài)，在氣化劑（氣化爐中的氣化劑包括二氧化碳?xì)饣瘎⑺魵饣蚩諝猓┑淖饔孟拢呀M成生物質(zhì)的碳水化合物轉(zhuǎn)化成一氧化碳（CO）、氫氣（H2）、甲烷（CH4）等無(wú)污染或是污染少的可燃?xì)怏w，這一過(guò)程即為生物質(zhì)技術(shù)。這種采用水蒸氣活化法進(jìn)行活性炭的制備，其活性炭制備的質(zhì)量主要會(huì)受到炭化溫度、活化時(shí)間、水蒸氣用量、活化溫度等影響，要想獲取高質(zhì)量的生物質(zhì)氣化活性炭，必須嚴(yán)格掌握時(shí)間和溫度。文主要探究生物質(zhì)蒸汽法制備活性炭工藝，生物質(zhì)氣化技術(shù)過(guò)程按照過(guò)程來(lái)劃分，可以分為四個(gè)步驟，即從干燥——熱解——氧化——還原的過(guò)程。

2.1 干燥

利用生物質(zhì)技術(shù)進(jìn)行活性炭的干燥處理是生物質(zhì)氣化處理的第一步，即將活性炭氣化制備原料放入氣化爐，與爐中的熱量進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)原料中水分的蒸發(fā)。對(duì)于原料的干燥處理一般在氣化爐頂部，干燥處理溫度正常應(yīng)控制在50至250℃。

2.2 熱解

活性炭氣化制備原料經(jīng)過(guò)氣化爐頂?shù)母稍锾幚砗螅龠M(jìn)入熱解區(qū)，熱解區(qū)的熱量對(duì)于原料持續(xù)加溫，當(dāng)原料的穩(wěn)定等于或大于160℃的情況下，這時(shí)爐中的生物質(zhì)產(chǎn)生熱解反應(yīng)，產(chǎn)生一些揮發(fā)物，這些揮發(fā)物主要包括水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、氫氣、甲烷、碳、焦油等等低分子烴類(lèi)可燃?xì)怏w。

2.3 氧化

經(jīng)過(guò)熱解處理的原料產(chǎn)生的一系列可燃?xì)怏w在爐中經(jīng)過(guò)氣化劑的作用，溫度持續(xù)上升，到這些氣體溫度達(dá)到熱解氣體的最低著火點(diǎn)，即≥250℃時(shí)，氣體會(huì)被點(diǎn)燃，發(fā)生燃燒，使得高溫下的炭原料也發(fā)生燃燒效應(yīng)，炭原料在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體，并伴隨著大量的熱量產(chǎn)生，這些熱量就是氣化爐中為干燥和熱解階段熱量的主要來(lái)源。此時(shí)爐內(nèi)氧化區(qū)的溫度不斷上升，將會(huì)高達(dá)600至1200℃。

2.4 還原

經(jīng)過(guò)一系列的加熱升溫處理后，原料到打還原區(qū)時(shí)已經(jīng)沒(méi)有了氧氣，而氧化反應(yīng)中產(chǎn)生的高溫水蒸氣和二氧化碳等氣體與爐內(nèi)的炭原理會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和一氧化碳。經(jīng)過(guò)還原反應(yīng)后，爐中的高溫逐漸被吸收降低到400至600℃。

3 生物質(zhì)氣化所產(chǎn)木炭蒸汽法制備活性炭研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景

3.1 生物質(zhì)氣化所產(chǎn)木炭蒸汽法制備活性炭研究現(xiàn)狀

以往我國(guó)的活性炭制備原料多是采用木材，但是隨著國(guó)家對(duì)于森林保護(hù)政策的不斷加強(qiáng)，也是為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，將木材作為主要的生物質(zhì)氣化活性炭制備原料的發(fā)展受到越來(lái)越多的限制，成本也在呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。因此，我國(guó)開(kāi)始探究更多的活性炭制備原料來(lái)源，這也是現(xiàn)階段我國(guó)相關(guān)學(xué)者和專(zhuān)家們正在研究的生物質(zhì)氣化制備活性炭的重點(diǎn)方向。

學(xué)者們探究了利用桑木枝、食物果殼（包括稻殼、花生殼、核桃殼等）作為原料進(jìn)行生物質(zhì)氣化制炭技術(shù)，這些果殼制作的活性炭功用比較多，例如，采用優(yōu)質(zhì)椰殼（果殼）為原料，以先進(jìn)的工藝設(shè)備精制而成，其外觀為黑色不定型顆粒，具有比表面積大、間隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、吸附能力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、易再生等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飲用水的提純凈化，及工業(yè)廢水、污水、江河水質(zhì)的除臭凈化，深度改良，去除有害物質(zhì)。凈化室內(nèi)空氣，吸附有害氣體及防毒面具，濾毒器材的充填。此外，相關(guān)學(xué)者和專(zhuān)家也在積極探索更廣泛的生物質(zhì)活性炭可使用的原料素材，以循環(huán)發(fā)展、綠色經(jīng)濟(jì)理念等開(kāi)發(fā)新工藝，例如，研究在傳統(tǒng)污泥處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出新型的污泥熱解綠色處理技術(shù)，并開(kāi)發(fā)與之相關(guān)的其他技術(shù)共同形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)商業(yè)模式。該項(xiàng)目技術(shù)成本低廉、零污染排放，在熱解污泥的同時(shí)能夠產(chǎn)生大量性能優(yōu)越的生物活性炭。生物活性炭可進(jìn)一步用于廢水、廢氣等高排放工業(yè)企業(yè)，有效吸附廢水廢氣中的有害物質(zhì)。

通過(guò)為客戶處理污泥、提供生物活性炭、并將失活的生物活性炭再生使其可重復(fù)利用，項(xiàng)目能夠以技術(shù)服務(wù)的形式、有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，與客戶建立長(zhǎng)期的合作關(guān)系。未來(lái)，生物質(zhì)氣化在制備活性炭方面將取得更大的進(jìn)展，更多的生物質(zhì)原料可以通過(guò)技術(shù)研究成為新的活性炭制備原料。

3.2 生物質(zhì)氣化所產(chǎn)木炭蒸汽法制備活性炭發(fā)展前景展望

立足北方果殼活性炭產(chǎn)業(yè)集群生產(chǎn)和擁有豐富的果殼生物質(zhì)資源現(xiàn)狀，針對(duì)國(guó)內(nèi)果殼活性炭存在消耗大、得率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境污染嚴(yán)重及企業(yè)效益低等一系列突出問(wèn)題，進(jìn)行活性炭生物質(zhì)氣化發(fā)電、炭電聯(lián)產(chǎn)是活性炭產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的必然需求。

目前，一些地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始成功進(jìn)行了稻殼發(fā)電，建設(shè)生物質(zhì)氣化發(fā)電站，對(duì)果殼生物質(zhì)氣化聯(lián)產(chǎn)炭電熱肥項(xiàng)目進(jìn)行了深入的研究。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的研究與試驗(yàn)，2014年9月18日1MW承德華凈活性炭有限公司的杏殼氣化發(fā)電中試項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)，杏殼氣化產(chǎn)生的可燃?xì)庥糜诎l(fā)電，還能產(chǎn)生熱能供暖、生產(chǎn)活性炭及炭有機(jī)肥四種產(chǎn)品。預(yù)計(jì)明年公司將建成“5MW杏殼氣化發(fā)電聯(lián)產(chǎn)活性炭關(guān)鍵技術(shù)集成與示范”項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)年發(fā)電3600萬(wàn)度并網(wǎng)，同時(shí)得到杏殼炭化料1.70萬(wàn)噸，活性炭0.9萬(wàn)噸，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值1.08億元。

該項(xiàng)技術(shù)具有世界領(lǐng)先水平，為世界首家大型活性炭發(fā)電項(xiàng)目，項(xiàng)目的實(shí)施除了得到綠色能源外，還能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)電與活性炭清潔生產(chǎn)的高效結(jié)合，對(duì)提高活性炭的品質(zhì)，減少環(huán)境污染，減少溫室氣體與PM2.5的排放具有良好的效果，將促進(jìn)果殼活性炭特色產(chǎn)業(yè)盡早形成一個(gè)清潔生產(chǎn)、節(jié)能降耗、資源循環(huán)利用的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，將極大地促進(jìn)活性炭產(chǎn)業(yè)升級(jí)和技術(shù)進(jìn)步。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)工業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，未來(lái)使用活性炭的方面會(huì)越來(lái)越多，實(shí)驗(yàn)證明，生物質(zhì)氣化制備的活性炭工藝具有一定的可行性，能夠滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于活性炭的需求，還能變廢為寶，節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)。生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展對(duì)于緩解我國(guó)能源緊張問(wèn)題、改善生態(tài)環(huán)境具有積極作用，利用這一技術(shù)工藝進(jìn)行蒸汽法活性炭制備能夠帶來(lái)客觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，是一項(xiàng)惠及多方的可持續(xù)發(fā)展路徑。

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