酸催化生产生物质炭技术简介
无标题文档 1. 前言
人类在发展过程中，当前面临着能源危机和环境污染的双重压力。在能源消耗方面，目前世界能源消耗的91%是一次性化石燃料能源，但化石燃料有限，不能成为人类永久的能源来源。因此，寻找能够替代化石能源的新能源是人类可持续发展的必由之路。据估计，全世界每年光合作用固定的碳达2×1011吨，蕴含着3×1018千焦耳的能量，可利用的能量约为世界年能源消耗量的10倍；产生的可利用干生物质约1700亿吨，但目前作为能源利用的仅有13亿吨，约占其总产量的0.76%。生物质资源开发利用潜力巨大，据估计，我国拥有约50亿吨生物质能源资源，约为我国目前能源消费总量的4倍[5]。 生物质资源虽然丰富，但保存转化技术落后，导致生物质资源浪费严重，如秸秆等农业废弃物在田间焚烧，林业产品加工产生的木屑、锯末直接丢弃，食品加工产生的果壳、果皮作为垃圾填埋，不仅污染环境，也造成生物质资源的巨大浪费。利用生物质制备碳材料，在能源领域可直接作为燃料使用，可以避免生物质原料本身能量密度低、体积大、运输困难的缺点，同时与燃煤相比，可以减少硫的排放，从而减少对环境的污染。但目前制造成本较高，只在特定场合使用，目前生物质碳在能源领域主要作为高端燃料电池正极材料。
另一方面，生物炭本身的孔隙性使其具有巨大的比表面积、发达的孔结构、良好的化学稳定性和机械强度，在环境保护领域对重金属有很好的吸附性能，因此在重金属废水处理、土壤修复改良等方面具有很大的应用潜力[8-14]。由于传统工艺制造活性炭的成本较高，限制了其应用范围，如何最大限度地降低制造成本是科研必须努力的方向。生物炭的制备方法主要分为：热分解法、微波碳化法、水热碳化法。热分解碳化法是目前制备生物炭的主要方法。生物炭的热分解制备是在密闭条件下将生物质高温裂解成碳，一般需进行碳化和活化，两个过程可分步进行，也可同时进行。首先碳化过程是在300-1000 0C温度下将生物质分子链中的CO和CC键断裂成碳。 随着温度的升高，生物炭的产出量减少，含碳量逐渐升高。活化的目的是利用气体或化学物质改变炭化物的内部结构，扩大孔体积，提高活性炭的吸附性能。物理活化利用水蒸气、空气、CO2进行活化；化学活化利用NaOH、ZnCl2、KOH、K2CO3等化学物质在600~下活化，得到活化的生物质炭产品。热分解的缺点是反应时间长、反应能耗大、传热效率低、反应原料受热不均匀。微波炭化是利用被加热体内部偶极分子的高频往复运动，使分子间相互碰撞产生大量的摩擦热，进而迅速均匀地加热材料内外，达到裂解炭化的目的。
微波加热具有操作简单、升温速度快、反应效率高、选择性均匀加热等优点，经微波碳化处理的生物质活性炭收率较高（一般在40%左右），且具有较大的表面积。但微波碳化的缺点是物料的反应温度不能精确控制，过量的微波辐射会对人体健康造成危害，工业放大工艺难度较大。水热碳化是将生物质（碳水化合物、有机分子、废弃生物质等）、催化剂和水置于水热反应器中，在一定的温度（一般为200℃）和压力下加热（实现生物质碳化的过程）。水热碳化得到的生物质的表面积一般较小，一般在500m2/g以下，且反应时间较长，因此生产成本相对较高。 总之，生物质炭材料的制备原料来源丰富，在能源与环境方面，特别是在重金属污染治理、土壤修复改良等方面有着广阔的应用前景。但目前生物质转化为炭的工艺流程长、分解温度高，导致生产成本高、生物质利用率低。如何更高效、更低成本地实现生物质的碳转化，无论对人类能源结构优化还是环境保护都具有十分重要的现实意义。本项目提出一种酸催化裂解炭化生物质原料的方法，利用酸催化直接分解炭化生物质，在低温（约2000℃）下加速炭化活化（6000℃以下）过程，吸收炭化活化过程中蒸发出的酸和液态有机物，将酸循环利用，实现生物炭材料的绿色制备。 利用此方法可以制备出比表面积大于/g的生物炭材料，且产率可达50%以上，从而降低生物炭的制造成本，拓宽其应用范围。
2.技术路线
酸催化生产技术路线如下图所示，生物质粉碎后用一定的酸润湿，干燥后炭化活化，炭化温度控制在4000C，完全冷却，炭化活化过程中回收酸并返回使用，炭化完成后冷却，加入粘结剂制成团块，即得生物炭。
图1 酸催化制备生物炭流程
3.技术开发内容及指标
技术开发内容
生物质原料及酸类型的筛选；温度、时间工艺参数的优化；粘结剂及添加工艺的选择；日处理1吨的中试放大设备的选型与设计；
技术指标
生物炭产率大于50%；生物炭含碳量高于80%；燃烧后生物炭灰分含量低于5%；生物炭材料比表面积在/g以上。
生物炭销售价格为3000元/吨，原料及加工成本约1500元/吨；按年产1万吨计算，年效益=（3000-1500）=1500万元。本项目作为一种新型生物炭工艺，较传统工艺大大提高了生物炭的转化效率，降低了生产成本，经济效益十分显著。若用作活性炭，效益更为显著。同时具有良好的推广前景。