生物质热解炭化是最为古老的生物质热解技术，在我国已有两千多年的悠久应用历史。根据在热解过程中是否引入O2，生物质热解炭化技术可以分为烧炭（有限供氧）和干馏（无氧）两类。生物质在不同的热解条件下，或多或少都会生成一定量的炭产物，而要想获得高产率的生物质炭，一般需要较低的反应温度（300～400℃）、缓慢的升温速率以及较长的固相停留时间。在常规的生物质热解炭化过程中，除了生物质炭这一主产物之外，还有三种副产物，分别是可燃气、醋液和焦油。
生物质在缓慢加热过程中的热解炭化，一般可以分为三个阶段，具体如下。
（1）干燥阶段（小于150℃）。生物质原料在炭化反应器内吸收热量，水分蒸发逸出，生物质内部化学组成几乎没有变化。
（2）挥发热解阶段（150～300℃）。出现明显的热分解反应，生物质大分子化学键发生断裂与重排，形成并释放出有机挥发分，包括H2O、CO2、CO、乙酸等；在O2存在的情况下，还会发生少量的静态渗透式扩散燃烧，燃烧释放的热量可提供生物质大分子分解所需热量。
（3）全面炭化阶段（大于300℃）。物料在该阶段发生剧烈的分解反应，产生较多的焦油、乙酸等液体产物以及甲烷、乙烯等可燃气体，随着大部分挥发分的分离析出，最终剩下的固体产物就是由碳和灰分所组成的生物质炭。
3.4.2.1 生物质炭
生物质炭具有高度芳香化的化学结构，主要包含C—C、C—H等芳香化官能团，以及一定量的脂肪族和氧化态碳结构物质。生物质炭的元素组成与其原料以及热解反应条件密切相关。表3-7所示为7种不同的生物质炭的组成及热值。由表可知，木材类以及竹材类原料由于灰分含量比较低，因此所制备的木炭或竹炭的灰分含量也较低，而且热值较高。表3-8所示为不同热解温度下所得棕榈炭的元素分析，由表可知，随着热解终温不断升高，炭中的碳含量呈上升趋势，而氧、氢、硫含量呈下降趋势，氮含量则变化较小，当热解终温达到1000℃时，炭中的氢与硫含量几乎为零。
表3-7 7种不同的生物质炭的组成与热值
表3-8 不同热解温度下所得棕榈炭的元素分析
a［O］由差减法计算。(www.xing528.com)
3.4.2.2 生物质炭性质
生物质炭一般呈碱性，其表面丰富的含氧基团使表面呈现出疏水性和对酸碱的缓冲能力。生物质炭含有大量复杂的孔隙结构，不同生物质原料所制备的生物质炭的形貌有着较大的差别。生物质炭具有很好的稳定性，在土壤和沉积物中可以存在数千年之久。这是由于生物质炭具有高度芳香化的化学结构，可以有效对抗化学分解，而且生物质炭在土壤中常以团聚体形式存在，受到矿物的物理保护。
3.4.2.3 生物质炭应用
生物质炭可作为一种土壤改良剂加入土壤中，改善土壤的性质，提高土壤的肥力，增加营养物质的植物可利用性，进而提高农作物的产量。生物质炭一般呈碱性，世界上约30%的土地为酸性，不利于植物生长，因此向土壤中施加生物质炭，可以提高土壤的pH值。生物质炭含有大量大小不一的孔隙。其中的大孔隙可以增加土壤的透气性和田间持水率，同时也为微生物提供生存和繁殖的场所；小孔隙则可以起到对一些分子的吸附和转移作用。当将生物质炭加入土壤后，其丰富的孔隙结构会改变土壤中水分渗滤路径和速度，显著提高土壤的田间持水率，从而改善土壤对养分的固定能力。生物质炭还可以吸附土壤中的农药，其对杀虫剂的吸附能力约是土壤本身的2000倍，而且生物质炭还可增强土壤中微生物的活性，进一步增强对污染物的降解能力。
2.在环境领域的应用
（1）对有毒有害物质的吸附作用。生物质炭具有非常复杂的微孔结构，比表面积较大，稳定性较高，且表面含有很多活性基团，非常适合作为一种低成本的高效吸附剂，用于吸收多种污染物质。
（2）对温室气体的减排作用。生物质经热解炭化转变为生物质炭后，其中的碳以苯环等较复杂的形式存在，非常稳定，这就使得环境中的碳循环被分离出来一部分，称为“碳负”过程。生物质炭的这种固碳方式，比其他固碳方式（如植树造林），能更长时间地对碳进行固定。
3.在冶金领域的应用
自古生物质炭（主要是木炭）就用于冶炼铁矿石，木炭与焦炭熔炼的生铁，即使化学组成相同，其结构与机械性质仍不相同。在多数采用焦炭作为还原剂的高炉中，温度与鼓风压力都较高，而木炭对氧化铁的还原过程可在较低的温度下进行。因此，木炭冶炼的生铁一般具有有细粒结构、铸件紧密、没有裂纹、杂质少等优点，适合用于生产优质钢。生物质炭也可作为表面助溶剂用于有色金属的生产。当有色金属熔融时，表面助溶剂在熔融金属表面形成保护层，使金属与气体介质分开，即可减少熔融金属的飞溅损失，又可降低熔融物中气体的饱和度。此外，生物质炭还广泛用于结晶硅、硅钙合金等的生产。
4.在复合材料领域的应用
生物质炭可以作为载体制备多种催化剂，例如利用生物质炭制备的固体酸催化剂，具有价格低廉、稳定性好、活性高、易回收、重复性好等优点，可用于催化废油脂中高级脂肪酸与甲醇的反应。竹炭可作为电磁波屏蔽材料、食品除臭剂、保鲜材料、建筑物和家居的保温材料、调湿剂和空气清新剂等的原材料。
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