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木头明明可以烧,为啥还要多此一举加工成木炭?

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这个问题看起来很简单。

但要说清楚,需要一点点的生物和化学知识。

01

干燥后的木材和秸秆等植物性燃料中,大部分有机物集中在植物的细胞壁结构中:

其中

纤维素占40~50%、 还有10~30%的半纤维素、 20~30%的木质素。

剩下的主要是植物的细胞质和细胞核里面含有的物质 (植物蛋白、果糖、果胶、核酸等) ,占比不大。


用一个太恰当的比喻——

植物三素就像是建筑里面的钢筋混凝土:

纤维素提供了砂子和碎石等成分的骨料;

半纤维素提供了水泥成分的浆料;

坚硬的木质素提供了钢筋的筋料。

三者结合在一起,变成了植物体内的组织结构。


作为一种植物的组织结构,这些物质各有妙用,构成了植物体的各种功能性部分。

有的富含油分,闻之芳香馥郁;有的坚实致密,敲之能发出清脆悦耳的音质;有的轻巧松软,可以隔音隔热,妙用无穷。

但这也是为啥要把木头加工成木炭售卖的原因。

02

第一个拦路虎——纤维素和半纤维素

纤维素,本质上是由葡萄糖分子构成的高聚合物。

半纤维素,是由木糖和其他糖类聚合产生的。

都是碳水化合物,意思就是含碳也含聚合水。

加热之后聚合水会析出变成水蒸气,并带走一部分热量。

所以碳水化合物里面的聚合水并不能提供热量,反而会带走热量。

这是木材燃烧后产生的水汽的主要来源。

第二个拦路虎——木质素

木质素,是由三种单体聚合而成的天然高分子,这三种单体含有9个碳原子且具有芳香族化合物的苯环结构。

加热之后,各种芳香烃裂解后变成芳香酯类、萜烯和醚类物质。

比如,松木里面的松节油酯类的。

理论上这些芳香物质也能参与燃烧,但因为它们在加热后大多是气态,往往不等完全燃烧就已然挥发掉了;或者参与了燃烧,但是因为碳环结构太稳定而无法完全燃烧,产生大量的木焦油和烟炱。

这是木材燃烧后带来的挥发分和PM2.5物质的主要来源。

第三个拦路虎——

木材本身的结构是热的不良导体,在燃烧时会出现膨胀不一致,容易出现木材内部燃烧不完全而产生大量一氧化碳,以及木材燃烧中受热炸裂等情况。

第四个拦路虎——

木材里的蛋白质和酯类,燃烧时会产生二氧化氮和二氧化硫。

这4个拦路虎既阻碍了燃烧的进行,带走了很大一部分热量,降低了燃烧的效率,使得燃烧的温度上不去,又产生了大量的PM2.5和有害化学物质,不利于健康。

所以聪明的人类就想了,既然木材受热会裂解产生一堆不利于燃烧不利于健康的物质,那么在燃烧之前先把木材拿去受热一把,将这些能挥发的,能出油的,能变水的全给干出来,只留下纯纯碳棍棍,不就很美好了吗?

03

土窑烧木炭是个很古老的手艺活。


土法烧炭窑是柴炭一体的。

要先热窑,把窑温烧到足够高之后就焖窑,把窑门的进气口关闭,保存热量并使得外面的新鲜空气无法进入炭窑,窑内就会形成高温和缺氧的环境,使木柴被干馏成为木炭。

这种做法的优点是简单,缺点是入窑的木柴部分充当了燃料,所以出炭率低。

而改良后的现代制炭干馏罐是将木炭放进干馏罐内,然后在外面用柴火加热,罐内隔绝了空气自然更容易形成干馏的环境。

这种做法出炭率高,但是需要添加额外的燃料。

04

以热值而言——

木炭热值33.5X10^6/KG,木柴热值12.6×10^6J/kg。

木柴的热值不到同质量木炭的一半。


以燃烧时间而言——

木炭的可燃物全为固态碳,在正常的燃烧温度下不会熔融、升华或分解产生可燃气体,因此在不鼓风的情况下燃烧方式为没有火焰的阴燃,因此能够燃烧更长时间。

不鼓风情况下自然燃烧的木炭的燃烧时间会比木柴长50%-100%左右。

以燃烧温度而言——

在金属熔炼和打铁烧窑等场合,用木柴的砖窑、瓦窑、石灰窑等,可以将温度提升到800-900℃。

而烧木炭的锻铁炉、瓷器窑,可以将温度提升到1600度以上。

综上,木炭是比木柴更加优质的燃料。

05

木炭什么都好,唯一一个缺点就是价格高。

木材干馏成木炭会大幅减重,一般硬木的出炭率有30%,杂木15%-25%。

而且还得搭进去造窑、烧窑的人工和额外的燃料成本。

古代的薪柴价格一般会是米价的一成左右,而木炭的价格就跟米价不相上下了。

但即使是这样,城市居民也仍然愿意使用更加清结干净的木炭,尤其是室内取暖和烧水煮食的场合。

烧炭炉比烧柴火要更加普遍。

毕竟烧柴再便宜不管,那大黑烟熏着是个人都受不了。

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