什么是薪炭林

木材和木质材料经过不完全燃烧，或在隔绝氧气的条件下热解所残留的深褐或黑色多孔固体。木炭保存了木材的原来构造，并在孔内残留有木材炭化时所产生的焦油，是一种优质燃料和有多种用途的碳素原料。

历史沿革

人类对木炭的认识和使用，起源于对火的掌握和使用。当人类发现燃烧的木材被砂土掩盖后所残留的黑色固体——木炭能在砂土下继续保持阴燃不灭，而且再次燃烧时火力既大又没有烟雾时，人类不仅有了保留火种的手段，而且对火的使用有了很大进步。中国对木炭的认识和利用很早就有文字记载。《诗经》中多次提到发火取热的薪材树种。《礼记》“月令”中有季秋之月“草木黄落乃伐薪为炭”的记载，不仅谈到制炭，而且指出烧炭的理想季节。殷商时代的青铜器，春秋战国时代的铁器等冶炼铸造都使用优质木炭作燃料。秦汉以后煤虽被用于铁的冶炼，但由于木炭有其优点，不仅仍然大量使用，而且还用做固体表面渗碳剂来淬制武器。唐代不仅木炭生产规模庞大，而且烧炭技术也传至日本和朝鲜。

欧洲早在纪元前3000年以前，塞浦路斯人就用木炭制造青铜兵器，供应希腊、罗马军队。薪炭是欧洲整个中世纪的基本燃料。美国在19世纪后期以前炼铁仍用木炭，1890年左右发展了除生产木炭外还生产液体产品（醋酸、丙酮、木精等）的干馏工业。目前液体产品已被合成工业所代替，但木炭是人们极为重视的可再生能源，仍在民间和工业中大量使用。

种类

因烧制条件不同而分为：白炭、黑炭、干馏木炭、桴（枹）炭等。或因原料树种不同分为：硬阔叶树木炭、阔叶树木炭、松木炭、竹炭、果壳炭等。因加工不同分为：压积炭、活性炭。桴炭指民间炉灶内余烬木炭。按用途分可分画用炭、研磨用炭、火药用炭、日本的茶汤炭等。

成分

除碳素外还含有氢、氧、氮以及少量的其他元素。商品木炭的技术指标，包括水分、灰分、固定碳。木炭中水分多少将影响其实际重量和有效热值。灰分因原材料树种而异，其中含钙、镁、钾、锰以及少量其他元素。木炭中的磷、硫含量比其他固体燃料少是其优点。固定碳是指木炭经过高温（850～950℃）煅烧几分钟后所残留的碳素，它是在高温条件下反应时，可以有效使用的碳素。木炭属于碳化物一类，经高温炭化得到的木炭中具有一种共同特性的结构单元，它们是一种平面六角形的环状碳原子网，以相应的价互相联结，几层平行的碳原子网组成的碳束构成微晶，微晶之间的相互排列是无规则的。边缘联结着一些碳综合体和官能团。其宏观结构则仍保持木材原有形式。

性质

木炭的比重与煅烧温度有关。真比重为1.3～2.0；容积重为0.2～0.5；孔隙占总体积的70%以上。木炭是憎水物质，存放时，含水率3～6%，有时可达7%以上。其吸湿性受空气的相对湿度和木炭表面氧化程度的影响，表面氧化程度越大，吸湿力越强。木炭含有极性官能团时亲水性增强。木炭吸湿性虽差，但在水中浸湿能力却很强，吸收的水分可以超过自身重量。木炭比热为0.25～0.29卡/克·℃，热导率是23.77卡/厘米·秒·℃，发热量在8000卡/克左右。木炭的化学反应能力比煤大得多。这是与木炭的微观化学结构以及孔隙度大有关，并且有灰分的催化作用所致。木炭的比电阻约等于1010～1012欧姆·厘米（顺纤维方向仅为垂直方向的1/5～1/3）。木炭有大量的裂缝存在，外力作用下会扩展导致破碎。木材炭化时在240～400℃之间不仅重量大减，而且收缩也最显著。木炭的抗压强度，沿纤维纵向接近于焦炭，沿纤维横向仅为焦炭的1/6～1/4。木炭中有一定量的微孔和过渡孔，具有一定的吸附能力，比煤炭的吸附性能大得多。木炭孔内焦油物质影响吸附性能，在制备活性炭时，应将它除去。

炭化原理

木材在100℃左右会失去水分，逐渐干燥。在缺氧的条件下受到更高温度时，进行热分解生成水分和CO、CO2等挥发物，最后得到残留的木炭。

木材炭化时的关键温度为273±25℃，低于此温度木材必须有外热才能继续升温炭化。当达到此温度后，由吸热反应转为放热反应，可以依靠放出的反应热自行继续升温炭化。

烧制方法

先将原料加热干燥，进而达到炭化，炭化完毕，密封隔绝空气进行冷却。另有一种烧制方法，可在炭化将完成时，使赤热的木炭与空气接触，利用热解挥发物的燃烧来进行高温精炼，然后再隔绝空气进行冷却。前一种方法制得的炭表面显黑色，称黑炭。后一种方法制得的木炭含固定碳较高，表面残留白色灰分，故名白炭，白炭是中国独创的一种传统的烧制方法。朝鲜和日本也在应用。木炭烧制有两种类型：①堆烧法。将薪材集中堆架，部分用土覆盖，然后点燃薪材使其炭化。炭化将近全部完成时，再将柴堆全部用土密封，待木炭冷却后，破土取炭。此法操作粗放，不易控制，产量和质量都很差。②窑烧法。能较好地控制炭化条件，提高木炭的质量和产量。有黑炭窑、白炭窑和改良窑等类型。如简单的土窑、砖窑、室型窑以及新型连续作业窑（立式或卧式）等都有应用。

可作为能源的植物种类很多，主要是某些农作物及有机残留物，林木、森林工业残留物，藻类、水生植物也是有待开发的能源植物。使用植物作为能源，可以作为固体燃料，或借助科学方法转换为炭、可燃气或生物原油等。林业能源方面，培植生长快、光合作用效率高、繁殖力强的树木在国外已受到重视。中国林业科学研究院试验研究，列出60余种能源植物。森林能源的利用方法有两种：通过干馏来提取煤气、焦油和炭；直接进行燃烧，石油植物也是近年来开辟的一个新领域。

石油是不可再生的能源，故它的枯竭是不可避免的，必然的。所以许多国家都在进行替代能源的研究，能源植物的研究便应运而生了。美国诺贝尔奖获得者卡尔教授，早在1984年就开发出首个人工石油植物，得到每公顷120-140桶原油的收成。美国现已种植石油植物达几百万亩之多，英国也开发了150万亩，而瑞士更制订计划利用植物石油取代全国半数石油消耗量。

欧洲和北美也大量种植多年生草本植物，作为燃料发电，如象草就是这样一种植物。英国还查明，草原网草，大网茅和高沙草等植物的生长速度快，是种植的重要能源植物。还有大戟科的大戟属，红雀珊瑚属和海漆属，也是理想的燃料植物。

树海桐，又叫石油果 ，是一种潜在的石油代用品。巴西的香波树，在树上挖个洞，油就会流出来。美国的黄鼠草，西海岸的巨型藻，澳大利亚的丛粒藻等也能提炼出石油来。

我国也不乏石油植物，如海南的汕楠树，还有桉树，都能高产石油。经科学家鉴定，有生产价值的能源植物，生长在亚太地区的，就有10多种草本植物，18种灌木，23种乔木和18种灌木。

富含类似石油成分的能源植物

续随子、绿玉树、西谷椰子、西蒙得木、巴西橡胶树等均属此类植物。例如巴西橡胶树分泌的乳汁与石油成分极其相似，不需提炼就可以直接作为柴油使用，每一株树年产量高达40L。我国海南省特产植物油楠树的树干含有一种类似煤油的淡棕色可燃性油质液体，在树干上钻个洞，就会流出这种液体，也可以直接用作燃料油。

富含高糖、高淀粉和纤维素等碳水化合物

利用这些植物所得到的最终产品是乙醇。这类植物种类多，且分布广，如木薯、马铃薯、菊芋、甜菜以及禾本科的甘蔗、高粱、玉米等农作物都是生产乙醇的良好原料。

富含油脂的能源植物

这类植物既是人类食物的重要组成部分,又是工业用途非常广泛的原料。对富含油脂的能源植物进行加工是制备生物柴油的有效途径。世界上富含油的植物达万种以上，我国有近千种，有的含油率很高，如桂北木姜子种子含油率达64.4%，樟科植物黄脉钓樟种子含油率高达67.2%。这类植物有些种类存储量很大，如种子含油达15%～25%的苍耳子广布华北、东北、西北等地，资源丰富，仅陕西省的年产量就达1.35万吨。集中分布于内蒙、陕西、甘肃和宁夏的白沙蒿、黑沙蒿，种子含油16%～23%，蕴藏量高达50万t。水花生、水浮莲、水葫芦等一些高等淡水植物也有很大的产油潜力。

用于薪炭的能源植物

这类植物主要提供薪柴和木炭。如杨柳科、桃金娘科桉属、银合欢属等。目前世界上较好的薪炭树种有加拿大杨、意大利杨、美国梧桐等。近来我国也发展了一些适合作薪炭的树种，如紫穗槐、沙枣、旱柳、泡桐等，有的地方种植薪炭林3~5年就见效，平均每公顷薪炭林可产干柴15t左右。美国种植的芒草可燃性强，收获后的干草能利用现有技术轻易制成燃料用于电厂发电。

可再生能源的发展前景随着越来越多的国家采取鼓励可再生能源的政策和措施，可再生能源的生产规模和使用范围正在不断扩大，2007年全球可再生能源发电能力达到了24万兆瓦，比2004年增加了50%。2007年至少有60多个国家制订了促进可持续能源发展的相关政策，欧盟已建立了到2020年实现可持续能源占所有能源20%的目标，而中国也确立了到2020年使可再生能源占总能源的比重达到15%的目标。

自2006年1月可再生能源法实施以来，中国可再生能源已经进入快速发展时期。2007年中国可再生能源项目的投资总额已达到120亿美元，名列世界第二。2008年11月起陆续公布的4万亿投资计划中，也毫无悬念地出现了发展新型清洁能源的投资计划，天然气、核能、水能已经成为优先发展的目标。

根据中国中长期能源规划，2020年之前，中国基本上可以依赖常规能源满足国民经济发展和人民生活水平提高的能源需要，到2020年全国可再生能源利用总量将相当于6亿吨标准煤，对中国能源结构调整，减少温室气体排放，保护生态环境将发挥更大作用。

生产技术

生物柴油生产

化学法

国际上生产生物柴油主要采用化学法，即在一定温度下，将动植物油脂与低碳醇在酸或碱催化作用下，进行酯交 换反应，生成相应的脂肪酸酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生产过程中可循环使用，生产设备与一般制油设备相 同，生产过程中副产10%左右的甘油。但化学法生产工艺复杂，醇必须过量；油脂原料中的水和游离脂肪酸会严重影响生物柴油 得率及质量；产品纯化复杂，酯化产物难于回收，成本高；后续工艺必须有相应的回收 装置，能耗高，副产物甘油回收率低。使用酸碱催化对设备和管线的腐蚀严重，而且使用酸碱催化剂产生大量的废水，废碱（酸）液排放容易对环境造成二次污染等。

生物酶法

针对化学法生产生物柴油存在的问题，人们开始研究用生物酶法合成生物柴油，即利用脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯乙酯。酶法合成生物柴油对设备要求较低，反应条件温和、醇用量小、无污染排放。需以大豆油为原料，采用固定化酶的工艺，酶用量为 油的30%，甲醇与大豆油摩尔比为12:1，反应温度40℃，反应10h生物柴油得率为92%。因酶成本高、保存时间短，使得生物酶法制备生物柴油的工业化仍不能普及。此外，还有些问题是制约生物酶法工业化生产 生物柴油的瓶颈，如脂肪酶能够有效地对长 链脂肪醇进行酯化或转酯化，而对短链脂肪醇转化率较低（如甲醇或乙醇一般仅为40%—60%）；短链脂肪醇对酶有一定的毒性，酶易失活；副产物甘油难以回收，不但对产物形成抑制，而且甘油也对酶也有毒性。

超临界法

即当温度超过其临界温度时，气态和液态将无法区分，于是物质处于一种施加任何压力都不会凝聚的流动状 态。超临界流体密度接近于液体，粘度接近于气体，而导热率和扩散系数则介于气体和 液体之间，所以能够并导致提取与反应同时 进行。超临界法能够获得快速的化学反应和很高的转化率。Kusdiana和Saka发现用 超临界甲醇的方法可以使油菜籽油在4min 内转化成生物柴油，转化率大于95%。但反 应需要高温高压，对设备的要求非常严格，在大规模生产前还需要大量的研究工作。

生物乙醇生产

生物乙醇的生产是以自然界广泛存在的纤维素、淀粉等大分子物质为原料，利用 物理化学途径和生物途径将其转化为乙醇的一种工艺，生产过程包括原料收集和处理、糖酵解和乙醇发酵、乙醇回收等三个主要部分。发酵法生产燃料酒精的原料来源很多，主要分为糖质原料、淀粉质原料和纤维素类物质原料，其中以糖质原料发酵酒精的 技术最为成熟，成本最低。木质纤维原料要先经过预处理再酶解发酵，其中氨法爆破（ammonia fiber explosion）技术， 被认为是最有前景的预处理方法。随着耐高温、耐高糖、耐高酒精的酵母的选育和底物流加工艺，发酵分离耦合技术的完善，工业 发酵酒精的成本还将越来越低。