竹炭和竹醋液生产技术

竹炭和竹醋液生产技术 浙江是地理环境优越，竹类资源非常丰富的省份。从浙江南部到浙江北部，到处都有种类多样的竹子，生长茂密的竹林，是国内竹材和竹笋的主要产区。浙江省竹子的数量和每年的采伐数量都是全国第一;竹材的工业化利用水平处于全国领先地位，有“世界竹业看中国，中国竹业看浙江”的美誉。 竹炭与竹醋液的用途非常广泛，用竹炭和竹醋液生产的制品已经达一百多种。这些产品主要利用竹炭和竹醋液本身所具有的下列功能: (1)吸附; (2)释放远红外线; (3)释放负离子; (4)释放微量元素; (5)控制微生物的繁殖; (6)调节农作物的生长; (7)驱虫杀菌; (8)抗氧化; (9)电磁屏蔽和防电磁辐射。 我们利用以上这些功能开发的竹炭和竹醋液产品可以广泛用于人们身体的保健、食品和水果的保鲜;饮用水水质的净化和人们居住环境的改善;可以用来防治多种疾病、饲养畜生和家禽;可以用来进行土壤消毒，改良土壤，驱除害虫，杀灭病菌。 竹炭和竹醋液产品还可以用来抑制有害微生物的生长，促进有益微生物种群的繁殖;可以促进农作物的花芽分化，提高果实的产量和品质。 因此，竹炭和竹醋液的产品，开发前景和市场前景十分广阔。 目前，浙江省的竹炭和竹醋液制成的产品，已大量销往日本、韩国和欧美等地，每年出口创汇一千多万美元。竹炭和竹醋液及其制品的生产已成为国内外关注的热点，是林区林业产业经济发展的亮点，开创了竹农脱贫致富奔小康的一条低成本高效益的新途径。 下面我们将向您介绍竹炭和竹醋液的生产技术: 竹炭是将竹材置于炭窑中，在高温下产生热分解后得到的固体产物。 烧竹炭于烧木炭有许多相类似的地方，但是炭窑的式样和烧炭的过程有着明显的不同。一般分为竹炭干燥、竹材预炭化、竹材炭化、竹炭锻烧和冷却五个阶段。 一、竹材干燥。利用燃料燃烧产生的炽热烟气进行熏烟干燥，一般需一周左右时间。这时，炭窑内的温度一般小于150?，主要是去掉竹材中的水分，使竹材的形状尺寸不容易改变。如果竹材的干燥与烧炭的过程分开进行，需要另建竹材熏烟干燥窑。 二、竹材预炭化。这时炭窑内的温度150?,270?，竹材的受热分解比较明显，开始产生醋酸和焦油。 三、竹材炭化。这时炭窑内的温度270?,360?，竹材发生非常快的热分解，产生大量的分解产物，是醋 1 酸、焦油等天然高分子产物的主要阶段。在这一阶段内，由于竹材非常快的热分解，放出大量的热量。 四、竹炭锻烧。这时炭窑内的温度360?以上。在这一阶段，随着高温的持续进行，残留在竹炭中的能挥发的物质得到的排除，但产生的气体冷凝液——竹醋液已经很少。 竹炭煅烧时的最高温度，要根据竹炭的用途来确定。一般来讲，调湿用的竹炭，煅烧温度600?以上;水的净化用炭、煮饭用炭、沐浴用炭，煅烧温度700?以上;电磁屏蔽和抗辐射用炭，煅烧温度800?,1000?，甚至更高。 五、冷却阶段。将经过煅烧的竹炭，在竹炭窑不漏气的情况下，从最高的煅烧温度逐步冷却到50?左右，然后就可以出炭。 烧制竹炭的竹炭窑，从目前来看有四种类型。 第一种是目前使用最多的内热瓢型土窑。这种炭窑可放5000,6000公斤毛竹。可出竹炭700,900公斤。另外可收集400公斤左右的竹醋液。每窑的烧炭周期约为22天。这种窑高度高，尺寸大，窑内上下温度差别大，竹炭质量均匀性比较差。第二代瓢型土窑的投产使这种情况得到了显著的改善。这种炭窑投资小，每座大约为6000元。 第二种是内热卧式窑。这种炭窑可放1000多公斤的毛竹，出炭率约为20%;烧炭周期约8天，温度约为800?。由于窑的高度低，上下温差小，竹炭的质量比较均匀稳定。 第三是外热立式窑。这种窑有里外直立的金属圆筒，燃烧产生的烟气在内外圆筒间的夹层内流动，用以加热放在内圆筒里的竹材。烧炭的温度不超过800?，而且内容有限，投资比较大，但是烧炭的周期短，出炭率高。 第四种是连续型立式窑。这种炭窑窑体高大，结构远比以上三种复杂，需要比较大的投资。但是可以从窑顶连续加料，窑的底部连续出炭;烧炭周期短，只需2-3昼夜，因而产量大，适用于竹屑来烧炭。 竹醋液是用竹材烧炭的过程中，收集竹材在高温分解中产生的气体，并将这种气体在常温下冷却得到的液体物质。 竹醋液含有近300种天然高分子有机化合物，有有机酸类、醇类、酮类、醛类、酚类、酯类及微量的碱性成分等。竹醋液的收集应当在炭窑的烟囱口温度为80?,150?之间进行。为了得到纯净的竹醋液，在竹材烧炭的过程中，不适合使用也不应当使用木燃料。 从竹炭窑上收集的竹醋液是原液，可以通过沉淀、过滤、蒸馏的方法进行精制，得到的品质符合下列要求的纯净竹醋液。 密度:1.010,1.050kg/L 可溶焦油含量:,3% 灼热残渣含量:,2% 色泽与透明度:淡黄色或明亮的茶色或茶褐色，清澈透明。 PH值:3.0,3.1 气味:有竹醋液特有的烟熏气味。 竹醋液的保存应避免太阳光的直接照射，而且不适合保存在金属容器内。 2 竹炭、竹醋液的生产开创了竹材高效利用的新领域，投资小，工艺简单，产品用途广，经济效益好，有着广阔的开发前景，将成为一个以竹炭、竹醋液生产为基础的新型产业。 竹炭制备的工艺 至今为止,我国竹炭制备的方法主要有以下3种: 1干馏热解法 其设备从主要是外热式立式干馏釜。这种干馏釜在烧 制竹炭时,既可使用预干致含水率为20%,25%的竹料,也可 使用未经预干的竹料,但以使用经过预干的竹料为佳。由于在 烧制过程中基本上不存在着竹炭氧化的问,因此竹炭产率较 高,一般为25%左右,高者可达35%,烧制周期一般在48 72。但精炼温度提不高,影响竹炭密度;干馏釜容积小,竹炭 产量也就低。 2 土窑烧制法 它是采用燃料(煤或木材)直接加热方式,即窑口由燃料 燃烧产生的热量上升到窑顶后,向窑内扩散,其中大部分热气 流流动在上层,有小部分热量向四周辐射,由于是从上而下缓 慢干燥并达到预炭化;燃烧窑内部分竹料使窑内温度继续升 高,除去挥发性物质,此时窑内烟气循环流动,各点热量和温度 基本上均匀。在完成炭化和精炼阶段后,得到结构致密的竹 炭。土窑烧制法通常有烟熏预干燥、干燥、预炭化、炭化、煅烧 (精炼)和自然冷却等阶段。各个阶段有不同的温度,烟熏预干燥阶段为60,100?,干燥阶段为100,150?,预炭化阶段 为150,270?,炭化阶段为270,450?,煅烧阶段为450, 1000?左右。从土窑烧制竹炭的过程来看,各阶段的温度和炭 化速度是通过操作者。眼观鼻嗅。,一是观察烟囱及窑门出烟 口烟的变化;二是通过闻烟味来确定。土窑所用的鲜毛竹,一 般在室外先放置约7天,再进入窑中进行烟熏预干燥,大约仍 需1周,而自然冷却至窑口温度50,60?时也需要一周,出窑 一般也要2天。所以从装窑到出炭一般要25,30天,竹炭产 率一般为20%左右。如工艺合理,后期氧化燃烧掉的量少,则 产率会超过20%,否则会低于20%;若空气漏入或空气量进入 过大,其产率甚至还会更低。土窑造价便宜,精炼时温度高,所 得的竹炭密度大,但质量稳定性较差,产率不够高。 3 螺旋进火烧制法 采用螺旋进火道烧制工艺的过程是:先缓慢干馏窖内的竹 子,再经过15,25的烧制,使窖内温度最终达到1800?以 上,并在这一温度下保持18后封窖灭火,灭火3左右后出 炭并埋置于草木灰中降至常温。这种制法,竹炭得到率较高, 一般都会超过25%,高者可达35%,而且质量也较高。 以上烧制竹炭的3种方法中,前2种已比较落后,第3种。 螺旋进火烧制法。的工艺较为先进。 机械化连续式炭化炉特点 通过对土窑炭化生产竹炭经验的总结和对国外新炉形工艺过程的调研，结合浙江省林业科学研究院在活性炭研究方面技术成果和成果经验，受国家林业局“948”项目资助，通过系统研究，提出了全新的机械化连续式炭化炉工艺与设备(又称:列管移动床干馏炭化炉，己申请国家专利，专利号ZL00263035.4)。 1 炭化炉的结构与原理 列管移动床干馏炭化炉的基本结构如图1和图2所示，图1为正剖面图，图2为沿列管中心线剖切的侧剖面图。全炉由加料口盖(1)、水封槽(2)、炭化管(3)、炉底板(4)、下料管(5)、出料口盖(6)、支柱(15),下料管(5)、出料口盖(6)、支柱(15), 外燃室(16)、余热锅炉(19)、烟囱(20)和火道等组成。砌炉时，在地面上先进行支柱(15)的定位和砌筑，然后安装炉底板(4)，再用特异型耐火砖逐级砌筑炭化管(3)，同时砌筑外 3 燃室(16);各炭化管的平面布局按距阵形式排列，数量可根据生产规模确定，以4的倍数较为方便:炭化管砌好后接着安放加料口水封槽(2)，其上放置加料口盖(1);炉底板下面安装下料管(5)，该下料管呈烟斗状弯曲，向炉外侧伸展，以便于出料，在其沿水平转折处焊接具有填料函的出料口，出料口盖(6)紧扣其上呈密封状态，可确保非出料期间不会漏气，但出料时又能方便地卸下;呈距阵排列的炭化管的周围是纵横交错且相互贯通的内烟道(13),炉管通过透气孔与内烟道连通，但在不同的高度处砌有3-4排的隔层(24)，以使不同区段的内烟道发挥不同的功能，炉上部内烟道(7)和(8)作为汇烟室与竹醋液冷凝器相连，炉下部内烟道作为内燃室一边与外燃室(16)相连，一边通向余热锅炉(19)和烟囱(20)，炉中部内烟道则相对独立不与其它发生联系;在炉中下部设置进风通道(23)，在炉的上中下适当部位插入热电隅(22)。中试采用16管炭化炉，按4X4的距阵排列，炭化管(t3)管腔内径38X20，有效高度约45 cm，下料管(5)的内径与炭化管(3)相同，两者之间还有用耐火砖砌的过渡段，长度约3 7 cm 。 2 基本原理     本炭开炉时以竹炭或木炭作烘炉料，初始阶段逐渐加烘炉料并逐渐加温，至加满各列管并使炉温升至一定温度后，逐次进行从出料口出料，出料后即开始对加料口加原料(竹加工下脚料)。竹材加入炭化炉管内以后，随着一次次的出料而逐步下移，受到自炉管下部上升的烟气直接燃烤而升温，首先使所含的游离水分蒸发，并随同烟气一起排出，接着发生热分解，起始阶段通常称之为预炭化(200?以下)，主要是半纤维素分解，由于炭化是放热反应，在保温良好的炉内，物料的温度会继续上升，接着纤维素 (约240 0C)和木素(约280 0C)开始分解，反应热又使物料的温度进一步升高，生成大量热解产物，包含有机酸、醇、酚、醚、醛、酮等200-300种物质，通常称之为主炭化，在炉内该部位的温度条件下，这些产物呈气体状态，即成为烟气，它沿着炉管上升并穿透料层与正在炭化过程中的竹材进行热交换使 其升温，同时气体中所含的高沸点成分在这些竹材的表面冷凝下来，然后逐渐向里渗透，.对这些竹材的密实化产生有利的作用;放热反应大体上在400?左右结束，热解产物的量急剧减少，其成分转向以高沸点的芳烃和不凝缩的低分子链烃为主，此时竹材已基本炭化并下移到锻烧区，与导入的空气发生有控制的燃烧，使该区段自上而下的温度达到并稳定在700 ~ 1000 ?，在此条件下，上述己基本炭化的初级竹炭发生自发脱除氢、氧的芳构化过程，而且进一步开始石墨化，固定碳含量不断增加，炭体结构收缩更加密实化;另一方面，由于燃烧气的存在，还产生活化反应提高了炭的吸附性能;这些炭继续下移就进入冷却段，由于冷却管用裸露的钢板制成，具较好的散热作用，在绝氧的状态下，高温状态下的炭不需很长的时间就能冷却至接近气温，最后可以方便地从出料口取出。 在炭化过程中，与竹材热交换过的烟气在炉上部的一侧导向竹醋液冷凝器，绝大部分被冷凝冷却，然后从该冷凝器的底部流出进入竹醋液和焦油分离器，分离器的上口常开，竹醋液不断流出进入竹醋液储罐，焦油沉淀留在分离器的底部，定时放出置于焦油储罐中。 竹屑活性炭的制备 周建斌，张齐生(南京林业大学) 活性炭作为一种优良的吸附剂，其用途越来越多地受到人们的关注。一方面随着活性炭产量及销售量逐步上升，生产木质活性炭的原料(如木屑)日趋减少;另一方面竹屑等竹制品加工废料一般会当成垃圾丢弃或焚烧处理，这不仅对环境造成了一定的负面影响，而且对资源也是极大的浪费。如果以竹屑等竹制品加工废料为原料生产活性炭，既在一定程度上解决了环境污染问题，同时对开辟活性炭的新原料来源具有积极作用。 通过研究得出以下结论: 1、在实验室条件下，确定了磷酸-复合活化剂制备竹屑活性炭的工艺条件和复合活化剂的配方，即炭活化温度为450?、炭活化时间为3,、磷酸浓度为38?,,′/60?(添加剂为酸性化合物,，用量为磷酸质量的2%;盐类化合物,，用量为磷酸质量的4%)。 2、以竹屑为原料、在磷酸 复合活化剂的作用下，可以制得合格的竹屑活性炭，其比表面积为1500,2/,，焦糖脱色率(,法)为120%，,亚甲基蓝吸附值为225,,/,，灰分为4.8%，,H值为4.6。 4 3、磷酸-复合活化剂可以为磷酸法生产活性炭提高产品质量、降低消耗产生积极意义。 提供新型竹炭窑生产技术 新型竹炭窑具有以下特点: 1、节能效果好。以串联方式将竹炭窑的供热室(或供热源)与烟囱(或排气口)前后连接，使前列的竹炭窑烟囱排出的热量及可燃气体对后列的竹炭窑进行前期供热及提供部分(或全部)燃料，使竹材炭化过程的能源得到充分的利用。 2、制作简单、成本低。竹炭窑可以是内热式的，也可以是外热式的，可以是各种形状的竹炭窑。竹炭窑可以采用串联方式使用，也可以单独使用(包括竹炭、竹醋液生产与副产品回收)，灵活性大，对场地的形态要不高。更适合竹产区的推广运用。同机械炉相比成本大大降低。 3、出炭率高，质量稳定均匀。竹炭窑窑体高度低，在竹炭烧制过程中窑内各点的温差小，容积可以做得很大。同传统的土窑相比，出炭率要高2%以上。 4、安全、易操作。窑体制作使用安全性能好，装卸料方便，生产周期短。附有温湿度显示控制仪，便于技术人员的操作。 目前国内主要竹炭生产设备 从目前看主要有砖土窑、改进型砖土窑、干馏热解设备、连续型立式窑4种类型。 一、砖土窑 它是目前国内使用最多的生产竹炭的方法。砖土窑的形式，构造种类很多，有立式和卧式，但以立式为多。砖土窑生产具有投资少，每座窑造价成本4500—6500元，每窑能容纳4000—5000 Kg竹材，可出炭600—900Kg，竹醋液350—400 Kg。周期22 d。窑体高度高，容积大，窑内上下温差大，竹炭质量均匀性较差。 二、改进型土窑 在上述砖土窑的基础上进行改进，一种是降低窑体高度，窑顶变平坦，减少了窑体温差。增设了窑温的监控系统，保证了竹炭产品质量的均匀。另一种是内热卧式窑，此窑可放1000 Kg左右的竹材，出炭率20%左右;烧制周期约8 d。窑的高度低，容积小，上下温度差小，竹炭的质量比较稳定。 三、干馏热解 其设备主要有外热式干馏釜，目前主要有2大类，立式和卧式炭化炉。立式这种窑里外两个直立的金属圆筒，燃烧时产生的烟气在内外筒之间的夹层内流动，用以加热放在内圆筒的竹材。炭化的温度不超过800?，且容量有限，投资比较大，烧炭的周期短，出炭率高。卧式是一个横卧的金属圆筒，外热式加热，炭化温度一般也不超过800?，且容量小(400 Kg左右竹材)，投资比较大，周期短(3 d)，产量高。 四、连续型立式窑 这种炭窑窑体高大，结构远比以上三种复杂，需要比较大的投资。但可以从窑顶连续加料，窑的底部连续出炭;烧制周期短，只需2—3 d，因而产量大，适合于竹碎料来烧炭。 5 竹炭生产和应用 1 竹炭生产的现状 竹炭是竹材热解得到的主要产品,在热解过程中还能够得到大量的副产品——竹醋液,它是水溶性的液体混合物。1.1 竹炭生产工艺目前我国烧制竹炭的方法主要有两种,干馏热解法和土窑直接烧制法。(1)干馏热解法:其设备从目前看主要是外热式立式干馏釜,这种干馏釜在烧制竹炭时,既可使用预干至含水率为20%,25%的竹材,也可使用未经预干的竹材,但以使用经预干的竹材为佳。由于在烧制过程中基本不存在竹 高者可达35%,烧制周期一般在48,72小时。但精炼温度炭氧化问题,因此竹炭得率较高,一般为25%左右, 提不高,影响竹炭密度;干馏釜容积小,竹炭产量低。浙江省有些厂家就采用这种立式干馏釜烧制竹炭。 (2)土窑烧制法:它是采用燃料(木材)直接加热方式,即窑口由燃料燃烧产生的热量上升到窑顶后,向窑内扩散,其中大部分热气流流动在上层,有小部分热量向四周辐射,由上往下缓慢干燥并达到预炭化;燃烧窑内部分竹材使窑内温度继续升高,除去挥发性物质,此时窑内烟气循环流动,各点热量和温度基本均匀,完成炭化和精炼阶段,得到结构致密的竹炭。土窑烧制法通常有烟熏预干燥、干燥、预炭化、炭化、煅烧(精炼)、自然冷却等阶段。各个阶段有不同的温度,烟熏预干燥阶段为60,100?,干燥阶段为100,150?,预炭化阶段为150,270?,炭化阶段为270,450?,煅烧阶段为450?至1000?左右。从目前土窑烧炭的过程来看,各阶段的温度和炭化速度是通过操作者“眼观鼻嗅”,一是观察烟囱及窑门出烟口烟的变化;二是通过闻烟味来确定。土窑用的鲜毛竹,一般在室外放置一周左右,在放入窑中进行烟熏预干燥,大约要1周,而自然冷却至窑口温度50,60?时也需要一周,出窑一般也要2天。所以从装窑到出炭一般要25,30天,竹炭得率一般为20%左右。工艺合理,后期氧化燃烧的量少则得率超过20%,否则会低于20%,甚至更低(因空气漏入或空气量进入过大)。土窑造价便宜,精炼温度高,竹炭密度大,但质量稳定性差,得率不高。浙江省遂昌、衢州等竹炭厂家都采用这种土窑烧制竹炭。 1.2 竹炭生产的产品 烧制竹炭的竹材一般用当地老龄竹(5年以上)和竹材加工剩余物。由于经验的积累和外销渠道的畅通,竹炭的质量和产量逐年上升。仅浙江省不完全统计,1999年竹炭产量约4000t,2000年达5000t,预计2001年将突破万t,出口创汇愈亿元。目前,竹炭每吨售价在5000,10000元,竹醋液每吨5000,7000元,烧制6,7t新竹材可热解成1t竹炭和350,650kg竹醋液,每吨竹材可增值3,4倍。1.2.1 竹炭产品的分类目前,全国尚无统一的竹炭分类,生产上按精炼度,竹炭形状和导电性分为3种。 (1)按精炼度分 精炼度是日本木炭标准中用来测定木炭的炭化程度的一种方法,此项标准对指导生产与消费具有一定作用,常用精炼计来测定。它的原理是根据木炭电阻测定其炭化度,测定范围是100,108Ω,其指数0,8称 6 为精炼度,109Ω以上的称精炼度为9。炭化度越高,电阻值越小,精炼度值越小。 (2)按竹炭形状分 (3)按导电性能分 竹炭导电性常与竹炭的密度、精炼度、含水率、灰分含量等因素有关,导电性较好的竹炭要求密度较大,精炼度高,含灰分少,电阻值较小。生产中常用电导率仪来粗略判定竹炭的导电性。按电阻值大小可分高中低三等。 2 竹炭的物理化学性质 片炭含水率5%,8%,颗粒炭含水率14%,18%; 固定碳含量85%,88%; 灰分含量2%,4%; 比表面积300,600m2/g; 挥发分6%,8%; 干碳热值30000,33000kJ/kg: pH值8,9; 气干密度0.800,1.320/cm3。 3 竹炭、竹醋液的应用 3.1 竹炭应用目前竹炭已开发了许多领域的用途。 (1)燃料:竹炭作为烧烤野炊的燃料清洁而有情趣,它的比表面积大(木炭一般为300m2/g,竹炭最大可达700m2/g),火力是木炭的3成多。 (2)水质净化:因竹炭是多孔性材料,具有大的比表面积,有很强的吸附性,适合对河水和生活用水的净化。 (3)居室调湿:将竹炭作为住宅居室床下的调湿剂可以遏制湿度上升和霉菌、微生物的繁衍,同时还可将竹炭放置于地板下,起到防菌、调节湿度的功效。 (4)吸附异味:可将炭放入冰箱中消除食品等的异味,保持食品新鲜不变质;放入米缸可防止彀虫的生成,保持米缸干燥确保米质;放入橱窗、柜子和钢琴内,可除湿、防霉、除臭;放在汽车内用可消除异味。在煮饭时放入竹片炭可吸附白米所含的农药残留物,且能使米质变软而不粘;将竹炭放置在电脑、电视和微波炉等旁边,可遮挡电磁波辐射,有利于健康。 (5)保健产品:利用竹炭的多孔结构和吸附特性,可用于汗水、口水及室内湿气的吸附,且能释放出天然的香气,提高人的睡眠质量。竹炭辐射远红外线,能渗透血管,刺激身体各经络的穴道,改善身体器官机能,所以用竹炭加工成保健炭枕、床垫等床上用品和汽车坐垫。 7 (6)鲜花水果保鲜:花瓶中放入几片竹炭,能够延长鲜花的凋谢期;水果箱中放入几片竹炭,能起到一定的保鲜效果。 (7)美容美肤:已开发竹炭肥皂和香皂,能使皮肤增白清爽,且对皮肤病有一定的预防和治疗作用,目前正在开发牙刷、牙膏等日用品。 3.2 竹醋液的应用目前竹醋液已开发的使用领域有: (1)熏制火腿和香肠:经澄清的竹醋液浸渍的火腿和香肠,再进行烟熏,火腿和香肠不易生虫,味道更鲜美。 (2)除臭味:将竹醋液喷洒在卫生间等有恶臭的地方,能消除臭味,保持空气清新,喷洒一次能维持3,5天。夏天还可作为香水消除身上汗臭等气味,并使人感到凉爽。 (3)医治脚气:脚气经竹醋液清洗能起到止痒治愈功效,一般在竹醋液中浸泡半小时到1小时取出擦干即可。 8