秸秆制备生物质炭技术及产业化进展

周建斌，马欢欢，章一蒙

(1. 南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210035；2. 江苏省生物质气化多联产工程研究中心，江苏 南京 210035)

生物质是一种绿色、可再生资源，具有零污染、来源广泛、储量大、取之不尽、用之不竭的特性。生物质主要有农林废弃物(秸秆、稻壳等)、城市园林废弃物、能源作物和畜禽粪便等[1-2]。农林生物质通过热化学或生物转化技术可转换成固体、液体和气体燃料，是唯一能够替代化石能源的可再生能源，也是最具有产业化前景的清洁能源。在热化学转化路线中的炭化、干馏、气化多联产、液化联产炭等是生产一系列产品的高效和经济的方法[3]，包括生物质炭、可燃气、生物质提取液、液体燃料和其他化学品[4-8]。生物质炭是生物质在无氧或限制性供氧条件下通过热化学转化得到的固体产物。木炭作为典型的生物质炭在我国已有几千年历史，在炊事、取暖、丧葬、祭祀、医药、火药、冶炼及绘画等领域均有使用[9]。生物质炭由于其孔隙发达、比表面积较大、官能团丰富，近年来在污水处理、空气净化、土壤改良、CO2捕获、催化剂和电化学等领域广泛应用[10-15]。由于生物质原料多样、组成复杂以及制备条件不同，生物质炭的性质和用途存在较大差异。

我国每年产生约9亿t秸秆，秸秆生物质炭由于其灰分含量高、热值低，在制备活性炭、工业用炭、能源用炭等领域应用受限，但秸秆炭中灰分元素可以作为植物养分使用[16]，中国乃至世界的农耕文明就是以秸秆灰还田作为肥料使用的。因此秸秆炭还田不仅可以发挥生物质炭原本的固碳减排、缓解土壤板结、改善微生物环境、增强土壤透气保水性等作用，还可以将植物生长必需的大量和中微量元素返回土壤，提高土壤有机质含量，以及肥效缓释、减少氮磷元素流失，使作物增产提质[17-20]。

常见的秸秆炭制备方法包括快速热解、慢速热解、热解气化和微波热解[21-22]。秸秆炭的物理化学特性取决于所用原料的类型以及热解条件，条件参数包括热解温度、热解时间、反应气氛、升温速率、热解装置和催化剂等[23-24]。慢速热解反应温度一般在700 ℃以下，停留时间从几小时到几天。快速热解的升温速率可达1 000 ℃/min、反应温度可以达到900 ℃，秸秆炭的制备可以在几秒钟内完成[25]。热解气化多联产技术是指生物质在高温下(600～800 ℃)与汽化剂(空气、氧气、水蒸气等)反应氧化形成生物质炭、可燃气和提取液[26]。微波热解是在无氧条件下利用微波将生物质加热到400～500 ℃，快速生成低分子挥发性气体和固体产物[27]。目前微波热解技术由于受到生产和处理工艺成本等因素的影响，工业上使用较少[28]。气化多联产方法不仅产生生物质炭，而且同时有生物质可燃气，具有很高的综合经济价值，是产业化上最成熟的秸秆炭生产方法之一[29]。本文介绍了秸秆制备生物质炭技术、设备及产业化进展，对比了炭化、干馏、气化联产炭技术的原料适应性、得率、产能和综合经济效益，为秸秆制炭产业的发展提供参考。

1 秸秆生物质的热解

1.1 秸秆生物质的组成

2018年中国农作物秸秆总量超过11.35亿t，秸秆利用量为9.31亿t，综合利用率达到82%，其中废弃及直接焚烧2.15亿t，因此，进一步开发利用潜力巨大。玉米、水稻和小麦的秸秆占全国秸秆资源总量的84%以上[30]。农作物秸秆组成成分复杂，与其他生物质相似，主要的化学组成包括纤维素、半纤维素、木质素、灰分及其他组成等[31]，化学组成及元素分析如表1所示[32]。

表1 主要农作物秸秆的组成

从表1可以看出：几种典型的秸秆化学组成主要有纤维素、半纤维素和木质素，三大素含量达80%以上，同时可以看出秸秆生物质灰分含量高，达5%～12%，而木材、竹子及果壳类灰分一般小于2%，因而秸秆不适合做活性炭、工业用炭甚至机制烧烤炭等。

1.2 秸秆生物质的热解过程

秸秆生物质的热解过程就是秸秆中生物质大分子(纤维素、半纤维素和木质素)在高温条件下分解为小分子的固体生物质炭、生物质可燃气体和生物质液的过程，大致可分成干燥脱水、热解和炭化等阶段[33-36]。半纤维素主要由木糖、阿拉伯糖和半乳糖等五碳糖组成的不同类型的多聚体，在180～250 ℃区间发生热解，主要产物为CO2、CO、H2O和CH4等小分子气体[37-39]。纤维素是由葡萄糖组成六碳糖的大分子多糖，热分解温度区间在230～350 ℃[40-41]。木质素主要由3种苯丙烷单元(紫丁香基、愈创木基、对羟基苯基)通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维空间的网状结构，热解温度区间较宽，为270～500 ℃[42-46]。

陈莉等[47]通过热重分析研究了水稻秸秆、芦苇秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆(分别用符号表示为D、L、M、Y)的热解TG-DTG曲线(图1)，4种秸秆的失重趋势基本一致，最大的失重率均出现在热解阶段。顾洁等[48]研究发现，水稻秸秆和芦苇秸秆在炭化阶段的失重率显著高于小麦秸秆和玉米秸秆，秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量不同也会体现在热重曲线上。

图1 4种秸秆的热解TG-DTG 曲线[47]Fig.1 Pyrolysis TG-DTG curves of 4 kinds of straw[47]

1.3 秸秆炭的性质

秸秆炭是秸秆在缺氧或无氧条件下热解形成的富碳固体产物，具有孔隙结构发达、表面官能团丰富、碳含量高等特性。秸秆炭灰分含量高(15%～50%)，在制备活性炭和工业用炭等方面应用受限，但秸秆炭还田灰分可以作为植物生长的养分元素，笔者研究了稻草秸秆炭中元素含量(表2)，由此发现秸秆炭中元素含量全，是全营养肥料[49]。同时炭的特性有利于提高土壤孔隙度，改善土壤水分和养分的固持能力，提高肥料利用率，提高酸性土壤阳离子交换量(CEC)和pH，改善土壤微生物环境，促进土壤稳定性团聚体形成[50-52]。秸秆生物质炭作为碳源进入土壤，可提高土壤有机碳含量，同时对固碳减排有重要的促进作用[53-54]。

表2 稻草秸秆炭的元素组成[49]

何佳闻等[55]采用热解炭化法制备不同种类秸秆生物质炭，并利用扫描电镜考察秸秆炭的孔隙结构(图2)，结果发现：在500 ℃下热解后，花生秸秆的炭产率最高为46.96%，玉米秸秆的炭产率最低为37.01%，水稻、小麦、芦苇秸秆的炭产率相近，在38%～40%。花生秸秆的灰分含量和木质素含量最高，是其炭产率高的重要原因；秸秆生物质炭表面孔隙结构丰富，水稻、小麦和芦苇秸秆炭的孔形呈现出圆孔型，表面光滑，玉米和花生秸秆炭的孔形呈现出似平行壁型，表面粗糙。

图2 5种生物质炭扫描电镜图(×3 000)[55]Fig.2 SEM images of 5 kinds of biochar(×3 000)[55]

1.4 秸秆炭还田的作用

笔者所在团队近20年来在全国10多个省份委托有关农科院、农业大学、林科院等单位对秸秆生物质炭进行了炭基复合肥(炭添加量为10%～30%)的研究与示范，还田以后有如下效果：

1)秸秆炭还田可以将我国农田土壤中紧缺的氮、磷和钾等大量元素返回到土壤中，而且还可以补充植物所必需的硅、钙、镁、钠、铜、铁、锌、锰和钼等中微量元素，生物质炭还田解决肥料中微量元素不足问题，平衡施肥，有利于提高农作物的产量和品质，同时，生物炭来源于作物，由于作物的同源性，其各种营养元素更有利于被作物吸收。

2)秸秆炭(比表面积大、吸附力强)对肥料和农药有很好的缓释作用，对硝态氮和铵态氮的缓释效果达70%以上，是良好的缓释肥和控释肥；秸秆炭还田后可以大幅提高肥料的利用率，减少肥料用量，同时还可以吸附钝化土壤中的重金属，有效降低作物及食品中重金属含量；抑制土壤对磷的吸附，从而改善植物对磷的吸收利用。

3)秸秆炭还田不仅可以增加土壤孔隙度，改善土壤通气、透水状况，还可以解决土壤板结和酸化问题(生物质炭pH8～10)，增加土壤的含水量和保水能力，达到节水保水的目的。

4)秸秆炭还田可以起到提高地温(1～3 ℃)和保温的作用，有利于作物的生长并使作物提早(3～5 d)出苗和成熟，同时由于秸秆炭中的硅元素含量高，对水稻等作物具有显著的抗倒伏的作用；秸秆炭还田可以给土壤微生物提供良好的环境，有利于土壤微生物修复环境，具有改善土壤微生物环境的作用，并且秸秆炭是良好的微生物菌剂载体。

5)秸秆炭还田提高农产品产量和质量，秸秆炭(含碳量50%～75%)还田可以起到固定CO2的作用，每吨生物质炭固定CO22 t以上，对我国提早实现碳达峰与碳中和有积极的促进作用。

2 秸秆炭的制备技术

常见的秸秆炭制备方法如炭化、干馏、气化多联产等已有产业化生产，科研人员也开发了如水热炭化、微波热解、催化热解、加压热解等新技术，由于这些新技术成本高，现阶段未能实现产业化。在快速热解制备生物油时也会生成一定的生物质炭，但其生物质炭的产率偏低，还存在油品质量和设备的安全性、连续稳定性及经济性等诸多问题，也未能形成规模化产业。

2.1 炭化法制备秸秆炭

炭化是最古老的烧炭方法，最早也是以木材为原料，用土窑烧制木炭，已有3 000年的历史，秸秆炭化是秸秆在高温(400～700 ℃)限制性供氧条件下热解制备秸秆炭的技术，根据热解终温、升温速度及反应停留时间的不同，可将炭化技术分为慢速热解、中速热解、快速热裂解和闪速热解[56]。其中，慢速热解升温速率为5～7 ℃/min，在400～650 ℃下反应1～2 d，生物质炭得率约为35%；中速热解升温速率为50～300 ℃/min，在400～550 ℃下停留10～20 s，生物质炭得率约20%；快速热解升温速率为1 000 ℃/s的快速加热速率，在400～550 ℃条件下反应1～2 s，生物质炭得率约15%；闪速热解采用1 000 ℃/s的快速加热速率，在1 000～1 300 ℃温度下反应小于1 s的时间，最终生物质炭得率为10%～25%、生物油比例为50%～75%、气体比例为10%～30%[57]。

按照设备技术特征，生物质炭化设备可分为固定床式和移动床式等。其中，固定床生物质炭化设备包括传统窑式和热解炭化釜式两类，移动床生物质炭化设备包括横流移动床和竖流移动床两类[58]。对于固定床生物质炭化设备，物料在炉内的空间位置基本保持不变，原料进入炉内后依次经历升温、保温炭化、降温和出炭等阶段，属间歇(分批)式生产，其中窑式炭化设备采用自燃加热方式。固定床生物质炭化技术发展历史较长，装备条件相对成熟，所需投资较少，但由于生产时需反复进行装料、加温、冷却和出炭等，生产速度受到限制。

近年来，我国生物质炭化设备的开发取得重要进展，尤其是移动床生物质炭化设备以其生产连续性和生产率较高等优点，成为该领域的研究热点。横流移动床炭化设备包括链条式炭化设备、回转式炭化设备和螺旋式炭化设备等，竖流移动床炭化设备包括立炉式炭化设备和立管式炭化设备等。

2.1.1 传统土窑式生物质炭化

传统炭化以土窑为主，通过土坯或砖砌建造(图3)，虽然投资少、操作简单，但生产周期长(15～30 d)，窑温不易控制，主要凭经验操作，产品质量不均匀，密封性能差，生物质炭得率低(15%～18%)，劳动强度大，环境污染严重，随着时代发展和工业技术的发展，逐渐被淘汰[59]。

1—烟道口；2—烟道；3—排烟孔；4—炭化室；5—进火孔；6—燃烧室；7—点火通气口；8—后烟孔；9—前烟孔；10—出炭门图3 传统土窑式炭化炉结构[59]Fig.3 Structure diagram of traditional earth kiln type carbonization furnace[59]

随着技术的发展，开发出机械炭化窑(图4)，由金属外壳构筑，投资费用较砖砌窑的要高，但是生产周期减少(～1 d)，温度容易控制，密封性能好，产品质量较均匀，生物质炭得率较高(18%～23%)，劳动强度较小，较为环保[60]。

1—排烟管；2—窑顶；3—保温隔板；4—炭化窑体；5—窑门图4 机械窑式炭化炉[60]Fig.4 Mechanical kiln type carbonization furnace[60]

2.1.2 隧道窑式生物质炭化

1—窑墙；2—门顶；3—窑顶；4—烟囱；5—窑口；6—窑廓；7—出烟孔；8—车轨图5 隧道窑式炭化结构示意[61]Fig.5 Structure diagram of tunnel-kiln biomass carbonization[61]

笔者开发的隧道窑式生物质炭化是连续炭化方式的一种，将木质原料装到轨道托盘上，通过轨道缓慢地前行进行炭化(图5)，原料的干燥、炭化、冷却均在轨道上完成，可以实现流水线生产，产能比传统土窑和机械窑有一定的提高[61]。隧道窑制炭自动生产线包括数个原料车、炭化车输送机、干燥窑、拉车机、拖车机、中转室、顶车机、炭化窑、冷却窑和出炭输送机。原料车在干燥窑、中转室、炭化窑和冷却窑中的轨道上移动，原料在炭化窑内炭化产生的烟气通过烟气除尘回收装置进行除尘分离再燃烧，产生的热气输入干燥窑对原料进行干燥。炭化完成后通过顶车机推入冷却窑冷却，再通过出炭输送机卸下成品炭，空车装料后输送到干燥窑内，再经历炭化冷却，如此循环往复，完成木炭的生产。通过机械化操作实现生物炭生产的自动化，降低了劳动强度，提高了制炭的生产效率和产品质量，一条生产线年产炭1 000～10 000 t，同时，炭化产生的烟气通过除尘、分离和燃烧，燃烧产生的热量对炭化前的木材进行干燥，减少了环境污染，节省了制炭过程中的能源消耗。

中国科学院南京土壤研究所王慎强等[62]公开一种隧道窑式秸秆炭化装置及秸秆炭化的方法，包括隧道窑式炭化炉体、加热单元、烟尘收集处理单元，还设置有烧结料箱、轨道式载料车等，加热单元使炉膛内升温至480～550 ℃后，保温热解5～8 h后降温冷却即成，稻草炭得率约为33%、麦秆炭约为28%、稻壳炭约为40%。

Wang等[63]设计了一个利用沼气加热隧道式秸秆炭化中试系统(图6)，通过沼气燃烧产生的热能为秸秆焙干和热解提供热源。干燥在200～300 ℃的温度范围内进行，热解温度500～700 ℃，并通过安装在冷却区的喷水系统快速冷却燃烧区的热生物质炭。该系统在500 ℃下的稻草、稻壳和麦秸生物质炭产率分别为33%、35%和25%。

图6 隧道式秸秆炭化中试系统[63]Fig.6 Tunnel-type straw carbonization pilot system[63]

2.1.3 卧式生物质炭化

1—进料口；2—回转炉体；3—出料仓；4—挥发分管道；5—配气管；6—燃烧室；7—配风管图7 回转式炭化炉示意[64-65]Fig.7 Structure diagram of rotary carbonization furnace[64-65]

卧式移动床炭化系统主要由变频器、变频电机、热解电炉、热解反应管、炭箱和螺旋输送器等组成(图7)，通过变频电机和螺旋输送器可控制不同工艺段的物料输送速度[64-65]。设备工作时，生物质原料进入设备，在输送过程中完成连续热解反应，生物质炭在螺旋输送器的后端直接落入炭箱，少量由热解气带出，在反应器末端沉降后由反向螺旋输送至炭箱。热解气中木醋液和木焦油经冷凝分离后收集，可燃气可收集利用或燃烧供前端干燥、热解使用。

该种设备采用可调速螺旋输送器输送物料，具有物料输送平稳有序和炭化过程控制方便等优点，但由于物料输送需要外部动力，有的还需外部热源，所以设备生产能耗较高。

兰珊[66]设计了以稻壳为原料的回转连续式炭化设备，通过燃气回燃为干燥、热解供热，处理量约为 28 kg/h，稻壳生物质炭得率为 31.4%、热解气产率为 29.6%、木醋液产率为 15.9%、焦油产率为 3.4%。

2.1.4 立式生物质炭化

立炉式移动床生物质炭化设备属竖流移动床炭化设备，主要包括上料系统、炭化系统、出炭系统、进风系统、引风系统和自动控制系统等。设备作业时，原料经斗进入炉膛，炉膛内料位保持基本不变。随着出料口不断出炭，上层物料有序下行，进入热解区后，物料开始快速热解，然后继续下行，在绝氧与保温环境中继续炭化，炭化完成后冷却出炭[67-68]。该种设备采用自燃加热的方式对物料进行炭化，具有产率高和成本低等优点，但设备炭化温度和升温速率等炭化工艺参数控制比较困难，热解气中可燃组分含量低，适用于稻壳、花生壳等原料，小麦、玉米、稻草等秸秆较轻、易架桥，不能靠自身重力下降，需要挤压成颗粒后才易炭化。

黄宇[69]研究设计了直立连续式生物质炭化设备(图8)，通过以稻壳(含水率12.71%)为原料、在500 ℃炭化1.5 h，稻壳炭化得率为 21.46%，稻壳炭产率约为0.14 t/h。

图8 立式生物质炭化设备示意[69]Fig.8 Schematic diagram of vertical biomass carbonization equipment[69]

2.2 干馏法制备秸秆炭

干馏是在隔绝空气条件下通过加热分解生物质原料的反应过程，生成生物质炭、混合气体以及经冷凝形成的液体[70]。干馏最早是在木材制炭行业开始的，如干馏制备木炭，同时得到木精(甲醇)、木醋酸等。干馏是一个复杂的热化学反应过程，包括脱水、热解、脱氢、热缩合和焦化等反应。所用的设备是干馏釜，通过外加热方式热解炭化，由于作业时要反复进行装料、加温、冷却和出炭等，生产率受到限制[71]。另外，受生物质物料传热传质过程的影响，反应室各部位温度梯度较大，各批次产品的品质存在差异[72]。

2.2.1 立式干馏法

笔者所在的张齐生院士团队[73]是国内最早开展工业化秸秆干馏制备秸秆炭的研究团队，将农作物秸秆装入干馏釜内，如图9所示，在温度为300～600 ℃、在隔绝氧气或限制性地供给氧气条件下热解4～12 h，固体经冷却得到秸秆炭，热解气体经气液分离得到秸秆醋液和可燃气体，可燃气体再回送到燃烧室内给热解反应提供热源。在干馏温度为500 ℃、时间为5 h时，稻草秸秆炭的得率为38%，玉米秸秆炭得率为30%。秸秆炭用于制作炭基复合肥，秸秆醋液经过加工可以制成农作物和果蔬的液体肥。

1—烟道口；2—炉膛；3—干馏釜；4—热源图9 吊装式干馏釜示意[73]Fig.9 Schematic diagram of lifting type carbonization distillation kettle[73]

2.2.2 卧式干馏法

丛宏斌等[74]开发连续式外热干馏装置(图10)，玉米秸秆最大处理量9.6 kg/h，原料水分7.69%，在连续热解条件下，热解温度550～600 ℃、物料停留时间为48 min时，玉米秸秆炭得率为30.7%、体积产气率为0.28 m3/kg、质量产气率为34.7%、木焦油产率约为7.1%、轻油产率约为1.3%、木醋液产率(含水)约为18.1%。

1—生物质热解系统；2—生物炭冷却系统；3—二次裂解系统；4—冷凝分离系统图10 玉米秸秆连续干馏装置示意[74]Fig.10 Physical diagram of corn stalk continuous retorting device[74]

2.3 气化多联产法制备秸秆炭

传统气化技术的产物以可燃气为主，固体产物是灰渣，经济效益不显著，笔者所在的团队于2002年开始在国内外率先提出了基于“生物质气化多联产技术”的新发展思路，在气化同时联产生物质炭[75]。

2.3.1 流化床秸秆气化联产炭

流化床气化炉中的流态化是指固体颗粒在流体介质作用下呈现的流体化现象，也是介于固定床与气力输送床之间的相对稳定状态[76]。流化床技术最早应用于气固两相反应，由于流化床气化具有良好的传质、传热和反应条件，物料能与汽化剂完全接触，原料适应性强、气化强度大，适合于大规模气化生物质原料，逐渐发展成为生物质气化的主流技术之一。秸秆流化床气化联产炭技术的优点是处理量大、气化速度快，单机规模可处理原料速率为2～10 t/h，缺点是生物质炭得率较低，一般为15%～18%[77]。

笔者所在的张齐生院士团队[78]针对秸秆类(玉米秆、麦秆等)生物质研发流化床气化发电联产炭、热、肥的工艺(图11)，秸秆类生物质进入气炭联产流化床气化炉，产生的可燃气热值为1 100～1 200 kcal/Nm3、出口温度600 ℃左右；热燃气经过换热系统降温到350 ℃左右后直接通入燃烧器进行稳定环保燃烧，产生中温中压蒸汽，推动汽轮机进行发电供热；秸秆类生物质在气化过程中得到的秸秆炭适合生产炭基复合肥。

1—进料斗；2—进料螺旋；3—布风结构；4—炉体；5—一级出炭旋风器；6—二级出炭旋风器；7—可燃气出口；8—出炭螺旋图11 秸秆类流化床气化联产设备示意[78]Fig.11 Equipment diagram of straw fluidized bed gasification polygeneration[78]

2.3.2 固定床秸秆气化联产炭

固定床是指以恒定高度保持在两个固定界面之间由颗粒或块状原料组成的床层，固定床气化炉有一个容纳原料的炉膛和一个承托反应层的炉排，其结构示意见图12。

1—进料口；2—过渡料仓；3—反应炉体；4—炉排；5—出炭冷却器；6—鼓风机；7—出气缓冲筒图12 秸秆类固定床气化联产设备示意[79]Fig.12 Equipment diagram of straw fixed bed gasification polygeneration[79]

原料由顶部进入床层，依靠自身重力向下移动，以取代在气化反应中消耗的原料，气化介质穿过颗粒间的空隙，与原料表面接触而发生反应，炭从下部取出。相对于气体流动速率，原料层的下移速率很慢，但是称之为固定床气化炉[79]。物料在固定床气化炉中按层次进行气化反应，通过4个可区分但又无明确界线的区段(图13)。根据可燃气在炉内的流动方向，固定床气化又可分为上吸式、下吸式和横吸式3种[80-81]。

图13 下吸式固定床生物质多联产气化炉系统原理[82]Fig.13 Schematic diagram of downdraft fixed bed biomass polygeneration gasifier system[82]

由于原料在固定床气化炉中需要依靠重力下降，因此适合块状、有一定密度的秸秆，如切断的棉秆、稻壳、花生壳等，小麦、稻草、玉米等秸秆可通过挤压成型后使用，但会导致成本增加。成亮等[82]以秸秆利用后的成型糠醛渣和废菌棒为原料，通过固定床气化联产炭试验，糠醛渣和废菌棒的气化产炭率分别为29.99%和22.26%、糠醛渣炭的比表面积为253.58 m2/g，高于废菌棒炭的189.08 m2/g。糠醛渣和废菌棒可燃气的产率分别为2.49 和2.25 m3/kg，其热值分别为4.86和4.92 MJ/m3。

3 秸秆制炭产业化对比

为了获得最大的秸秆生物炭产量，根据秸秆类型选择合适的生产技术，并且控制工艺条件如加热速率、温度、压力、停留时间及反应器类型等，以达到最佳生产条件，这些参数在生产过程中影响会秸秆炭的物理和化学性质。对秸秆制炭技术的参数对比如表3所示。

表3 秸秆制炭技术的参数对比

3.1 原料的适应性对比

从工艺技术层面来看，生物质炭化、干馏、气化多联产技术几乎可以适应所有生物质原料，但这些技术的处理成本相去甚远。原有的生物质干馏和炭化制炭技术应用在生物质加工、木炭生产、生物质成型颗粒或棒炭化以及活性炭生产领域，适应的原料密度比较大，原料多为木段、木块、竹材或是挤压成型的生物质颗粒、果壳等。由于炭化经历的升温和降温时间较长，单位体积的干馏釜能容纳原料越多，炭化产能越大，但是难以适应秸秆、稻草、稻壳和木屑等农林废弃物，它们需挤压成型预处理后才能炭化，这导致成本增加。气化联产炭的方式适应性更广，可根据原料的特性选择合适的气化炉形式，实现连续稳定生产。

3.2 生物质产炭的得率及产量对比

生物质干馏和炭化的升温、降温时间较长，由于生物质的导热性较差，外热式的干馏和炭化制炭，原料进入炉内后依次经历升温、保温炭化、降温和出炭等阶段，属间歇(分批)式生产，作业时要反复进行装料、加温、冷却和出炭等，生产率受到限制。受物料传热传质过程的影响，反应室各部位温度梯度较大，各批次产品品质存在差异。根据不同原料，如木块、竹块、果壳类、成型颗粒类生物质，通过控制温度和保温时间等条件，干馏方式炭得率约为30%～38%，干馏是隔绝空气加热，炭得率相对较高；炭化方式根据外热或内热、外加热或自热的加热方式不同，得率约为25%～35%；气化多联产技术产炭方式由于有气化剂的存在，炭会氧化放热供自身热解，同时对外产可燃气，炭得率约为15%～30%。

在产量方面，单机规模生物质干馏方式年产炭量约为200～500 t，笔者团队研发的转炉干馏制备秸秆炭设备，日处理秸秆70 t左右，得到秸秆炭约为20 t，产生的可燃气作为热源，同时可燃气可供6 t/h锅炉产生蒸汽。生物质炭化方式年产量1 000～5 000 t，适用于密度大或成型预处理的生物质。气化联产炭方式规模为0.5～12 MW，可以处理不同生物质，生物质炭年产量2 000～30 000 t。笔者团队2013年在湖南宁乡建成2.5 MW稻壳固定床气化发电联产炭基肥料工程，年处理稻壳3万t，生产稻壳炭1万t。在河北承德华净活性炭有限公司建成3 MW杏壳气化发电联产活性炭、热、肥系统，年处理杏壳3.9万t，生产杏壳炭1.01万t[83]。

3.3 生物质炭的理化性能对比

笔者所在团队以玉米秸秆(含水率10.26%)、中草药秸秆(含水率6.79%)、杏壳(含水率7.66%)为例，分别进行干馏炭化和气化联产炭实验，对炭的理化性质进行分析，结果如表4所示。

表4 不同热解方式对生物质炭理化性质的影响

由表4可知：气化联产炭生产的生物质炭的比表面积、孔容积比炭化或干馏方式的高，孔隙更发达，吸附性能更好，这是因为干馏或炭化的方式是外加热，这使生物质原料热分解产生气体，原料表面气相和固相呈正压，导致表面产生的焦油挥发不完全，最终炭的孔隙难以形成或被堵塞。而在气化多联产的工艺中，由于采用限制性供氧，氧气具有活化造孔的性能，加上产生的可燃气经引风机引出，生物质固相表面呈微负压，一定程度上有利于生物质的分解，也有利于生物质炭孔隙的形成。孔隙发达的生物质炭可深加工制备成性能更佳的活性炭，以孔隙发达的秸秆炭制备炭基复合肥也更具优势。作为炭基肥料的生物质炭，孔隙发达、比表面积大和吸附性能强是生物质炭的最主要性能。

3.4 综合经济效益对比

传统的生物质炭化是应用于活性炭生产、木炭生产、木煤(机制炭)、生物质(炭化木)加工行业，炭化的原料多是果壳、木竹生物质、挤压成型棒等密度较大、形状较为均匀、产品附加值较高的生物质，如成品活性炭约8 000～15 000元/t、木炭为3 500～5 000元/t，有的如菊花炭、钢炭甚至超过10 000元/t。由于原料密度大，且原料的热值较高，炭化副产物燃气可开发设计成供自身炭化所需的能量使用，无论是固定式还是移动式炭化设备，其处理成本都在接受范围内。但在处理秸秆(稻草、玉米、棉花)、木屑、稻壳等低密度农业废弃物时，炭化成本较高：一方面需要原料预挤压成型，增加密度和单位体积设备处理量；另一方面是炭化时间较长、产率较低。秸秆等生物质炭的价格约1 000～1 500元/t，若单一炭化或干馏技术处理难以实现经其济效益。尤其是在制备生物质炭基肥领域，肥料的应用和推广面向广大的农民，其售价过高会严重影响推广，所以规模化、产业化、低成本、高性能的气化联产生物质炭的生产更有经济效益和环境效益的优势。

4 结论与展望

本文综述了目前秸秆炭生产技术，对比了秸秆炭化、干馏、气化制炭的产业化进展，在传统的秸秆炭化或干馏生产工艺中，炭得率较高，但较落后的工艺需要外加用电、燃煤、燃气或燃烧生物质供热，部分较先进的工艺不需要外加热，充分利用炭化或干馏产生的可燃气，循环燃烧供热，产物仍是以生物质炭为主的单一产出，经济效益不显著。生物质气化联产炭技术是在发电或供热的同时产生炭、电或蒸汽，该技术本身就能产生良好的经济效益，生物质炭的产出使综合经济效益更加显著，炭得率偏低但产能较高，是未来秸秆制炭的产业化发展方向之一，国家相关部门也多次发文推广。秸秆炭化还田也符合国家关于土壤改良、食品安全、环境保护、肥料减量、固碳减排的需求，但受限于秸秆收集的季节性、低密度、运输成本等因素制约，所以秸秆制炭技术及其应用的大规模推广尚未实现，秸秆炭相关国家标准仍缺失。此外，秸秆炭作为固碳减排的重要产品，对其的生产加强生命周期评估和成本计算，这将对生物质炭行业产生重大推动作用。