全 文 ：第 27 卷 增刊 2 农 业 工 程 学 报 Vol.27 Supp.2
2011 年 12 月 Transactions of the CSAE Dec. 2011 135

杉木根的干馏及干馏可燃气的组成
朱 凯，陈 科
（南京林业大学化学工程学院，南京 210037）

摘 要：以杉木根为原料，通过干馏的方法制备干馏杉木精油，木醋液、木焦油、木炭及可燃气体。重点研究了不凝性
可燃气体在不同温度区间的释放及气体中 CO、CH4、H、CO2 的组成，气体的热值及其变化。结果显示：150～260℃区
间，不凝性气体的主要成分为 CO2，其次为 CO；260～490℃区间，CO2相对体积分数明显下降，而 CH4明显上升，最高
达到了 26%，最终 H2 相对体积分数也达到了 12%。得到的可燃气体的热值基本在 6 281 kJ/m3 以上，平均热值也达到
8 374 kJ/m3以上，是一种具有较高热值的清洁能源。干馏可同时得到干馏杉木精油、木醋液、焦油、木炭及不凝性可燃
气，产率分别为 9%、33.5%、5.5%、32.9%、15%，杉木根原料全部转化成了产品，无废弃，无排放，产品的总转化率达
到了 90%以上，实现了资源的综合利用，绿色环保。
关键词：干馏，热解，二氧化碳，杉木，可燃气体
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.z2.027
中图分类号：S216.2 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2011)-Supp.2-0135-04
朱 凯，陈 科. 杉木根的干馏及干馏可燃气的组成[J]. 农业工程学报，2011，27(增刊 2)：135－138.
Zhu Kai, Chen Ke. Fir root dry distillation and composition of combustible gases[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(Supp.2):
135－138. (in Chinese with English abstract)

0 引 言
杉木为中国南方最重要的造林树种，每年采伐留下
的树根及加工的废弃物甚多，资源量在 100 万 t/a 以上，
可再生[1-2]。目前杉木根及加工废弃物没被很好的利用，
或留在山林中任由腐烂，或用作燃烧等低附加值的利用，
造成了资源的严重浪费[3-4]。
杉木根及加工废弃物中富含精油及多种生物活性物
质[4]。杉木精油的主要成分是柏木醇、α-柏木烯、β-柏木
烯、罗汉柏烯等[5-7]，从主要化学组成及香气特征来看非
常接近柏木油，所以完全可以用来替代柏木精油用于香
料工业[8]。杉木油的加工多采用水蒸气蒸馏法或干馏法，
其中，对干馏法的研究主要针对精油的提取，此外，对
副产物木醋液、木焦油以及木炭等也有涉及[9-10]，而对于
杉木根干馏可燃气的研究很少论及。杉木根干馏可燃气
作为一种生物质能源，具有可再生、低污染、清洁、高
效的特点，符合国家能源发展战略，有广阔的市场应用
前景[11-12]。
本文以杉木根为原料通过干馏制备干馏杉木精油，
木醋液、木焦油、木炭及不凝性可燃气，重点研究气体
中 CO、CH4、H、CO2的组成及干馏过程中的变化规律，
以及可燃气体的热值的变化，为这一生物质的高效利用
做初步的探索。

收稿日期：2010-11-18 修订日期：2011-07-07
基金项目：国家自然科学基金资助项目（30871989）；江苏高校优秀学科建
设工程资助项目
作者简介：朱 凯（1959－）男，江苏南京人，教授，硕士生导师，主要从
事精细化工及林业化工的研究。南京市龙蟠路 159 号 南京林业大学化工学
院，210037。Email：zhukai53@163.com
1 材料与方法
1.1 仪 器
GR-1 型微流红外煤气分析仪，武汉四方光电科技有
限公司；LMF-2 湿示气体流量计，长春汽车滤清器有限
责任公司。
1.2 原 料
杉木根，取自福建清流县，自然风干。
1.3 试验方法
将 600 g 原料劈成 20～30 mm 的小块，放入干馏釜
中，控制一定的加热速率，当釜内温度升至 550℃时，停
止加热，并保持 60 min。收集不凝性可燃气体；在不同
温度下收集冷凝液，冷凝液再通过精制分离，分别得到
干馏杉木精油，木醋液及木焦油产品；留在釜内的为木
炭产品。
每 5 min 采集数据一次，分别读出温度、气体组成，
气体热质、气体流量等数值。用热电偶测量、控制加热
温度；按 HJ75-2007 和 HY76-2007 规范，采用完全抽取
法，以非分光红外和 TCD 热导气体传感技术在线检测不
凝性可燃气体中 CO2、CO、H2及 CH4的相对组成及可燃
气体的热值；用湿示气体流量计测定可燃气体的体积流
量。精油、木醋液、木焦油及木炭均直接称质量，并以
原料为基准计算得率；可燃气采用气体密度及物料恒算，
以原料为基准计算得率。
2 结果与分析
2.1 干馏温度变化
研究是以效益最大化为原则，目的是要同时得到符
合一定质量要求的干馏杉木精油、木醋液、木焦油产品、
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木炭及可燃气体等系列产品。所以最终的干馏加热温度
设定在 550℃。
原料的干馏过程主要包括干燥阶段、预炭化阶段及
炭化 3 个阶段[13]。从干馏釜内的温度和设定的加热温度
的变化可以反映出杉木根干馏各阶段的大致温度范围及
内在的规律。干馏釜内外温度变化见图 1。

图 1 干馏釜内外温度变化
Fig.1 Change of carbonization temperature with heating time

由图 1 可见，开始时，随着釜外加热温度的上升，
釜内温度缓缓上升，在 70 min 以前，釜内温度的上升明
显要滞后于釜外加热温度，这一阶段为干燥阶段，主要
是脱除原料中的游离水，过程中要吸收热量，试验发现，
在 85℃左右开始有液体流出；65 min 后，釜内温度快速
上升，20min 内，釜内温度由 120℃上升至 222℃，釜内
温度升温快于釜外温度，这阶段为预炭化阶段，尽管此
时釜温不高，但加热介质的温度已经达到 450℃，在这过
程中半纤维素的热解和纤维素的一次分解速度明显加
快，生成大量的汽态和液态产物,并放出热量，促使釜内
升温加速；85 min 后，釜内温度急速上升，在 15 min 内，
釜内温度由 222℃上升至 420℃，这阶段为炭化阶段，此
时，加热介质的温度已经达到 550℃，在这过程中半纤维
素、纤维素及木质素加速热解，反应激烈进行，在产生
大量的汽态和液态产物同时，伴有挥发分的燃烧，使釜
内温度急速上升；100 min 后，温度的上升趋缓，直到温
度接近于 500℃，这是剩余物的缓慢分解过程，半纤维素
和纤维素的热分解基本结束，而木质素较难分解，其分
解几乎跨越整个热解过程[14]。
2.2 不同温度下热解气组成变化
用微流红外煤气分析仪对干馏产生的不凝性气体进
行在线检测，测得主要不凝气体中 CO2、H2、CO 及 CH4
的组成。不同温度下 CO2、H2、CO 及 CH4相对体积分数
变化情况见图 2。
图 2 可以看出，开始时，随着釜内干馏温度的升高
CO2含量急剧上升，在 190℃左右时，CO2体积分数达到
47%，此后，随着干馏温度的升高，CO2含量呈快速下降
趋势，到 480℃时降到 17%左右；在 100～190℃区间，
随着温度的升高，CO 的含量急剧上升，190℃后，CO 含
量增速开始趋缓，在 270℃时，体积分数达到最高值 31%，
继续升高温度，CO 含量基本不再增加，并在 400℃后呈
缓缓下降趋势；在较低的干馏温度下，H2的释放量很少，
随着温度的升高，H2含量只有少许的增加，到 400℃时，
H2 体积分数也只有 3%左右，400℃之后，随着热解温度
的升高 H2 的含量快速上升，到 490℃时，体积分数达到
12%左右；随着釜内干馏温度的升高，CH4的含量都呈现稳
定的增长趋势，到 450℃之后，其增幅趋缓，480℃时，
CH4 体积分数达到 26%左右。从可燃气体中 CO2、H2、
CO 及 CH4在不同温度段的分配比例来看，150～260℃区
间，不凝性气体的主要组成为 CO2，其次是 CO，CO2 和
CO 所占比例均分别在 35%、24%以上；260～490℃区间，
CO 仍保持高的含量，但 CO2含量明显下降，而 CH4含量
明显上升，最终超过了 CO2，达到了 26%，最终 H2 相对
体积分数也达到了 12%。这主要是由于，低温下主要是半
纤维素的降解，主要产生 CO2气体，CO2的释放主要是羰
基（C＝O）和羧基（—COOH）的断裂和重整所致；较高
的温度，主要是纤维素的降解，释放出更多的 CO 气体，
它是通过 C＝O 和 C—O—C 的断裂而生成；更高的温度
会使木质素大量分解，释放出较多的 CH4 和 H2 气体，它
们主要是由甲氧基、甲基及碳氢键的断裂造成的。实际上半
纤维素、纤维素及木质素的热解贯穿了干馏的整个过程[15]。

图 2 不同干馏温度下热解气体组成变化
Fig.2 Chang of pyrolysis gas compounds with different
temperature

2.3 不同干馏温度下气体流量及热值的变化
采用气体流量计对干馏杉木根所产生的不凝性气体
流量进行跟踪，并通过微流红外煤气分析仪对其释放的
气体热值进行检测。在不同干馏温度下气体流量及热值
的变化如图 3 所示。

图 3 不同干馏温度下气体流量及热值的变化
Fig.3 Chang of gas flow and its thermal value with different
temperature
增刊 2 朱 凯等：杉木根的干馏及干馏可燃气的组成

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由图 3 可以看出，开始时，随着干馏温度的升高，
不凝气体的释放量快速增加，在 270℃左右时达到最大值
2 L/min，在此阶段主要是半纤维素的快速热解，及部分
纤维素的热解产生大量的气态产物；此后，随着温度的
持续上升，气体释放量呈快速下降趋势，当干馏温度在
480℃左右时，气体释放量减小为 0.2 L/min，此阶段半纤
维素已基本降解，纤维素也被逐渐的消耗，最后只有少
量木质素的热解产生少量的气体。由图 3 还可看出，随着
干馏温度的升高，不凝气体的热值基本保持上升趋势，低
温时气体热值不高的原因主要是由于热解产生的气体中
CO2的含量过大；随着温度的上升，CO 增加，在 230℃后，
基本上维持在较高的水平，同时 CH4 的含量在逐渐的增
加，而 CH4 在这 3 种可燃气体中热值最高；此后，CH4
和 H2 含量增加，CO2 的含量大幅的下降，导致热值上升
到一个较高的水平，为 13 901 kJ/m3。从不凝性气体的热
值来看，气体热值基本上在 6 281 kJ/m3以上，平均热值
也达到 8 374 kJ/m3，所以杉木根干馏产生的可燃气是一
种具有较高热值的清结能源，可用于工业燃料、发电及
民用方面，具有广阔的市场应用前景。
2.4 杉木根干馏产物
杉木根干馏所得各产品组成如图 4 所示。
由图 4 可以看出，干馏法提取的杉木干馏精油得率
为 9.6%，远高于水蒸气蒸馏法的 1.5%～2.0%的提取得
率，不过干馏油焦酸气过重，颜色很深，需要进行复杂
的脱色、脱臭等精制处理,才能基本满足作为香料使用[8]；
在得到干馏精油的同时,还得到木醋液、焦油、木炭及不
凝性可燃气。其中木醋液的量最大，占原料量的 33.5%，
木醋液主要含有乙酸，以及醇、酚、酮、醛及其衍生物
等物质，可用于杀虫、杀菌、消毒土壤、消除粪臭、防
腐保鲜、促进植物和食用菌生长等方面；木炭的得率也
比较高，为 32.9%，木炭在土壤改良、水质净化、融雪、
居空调湿、水果蔬菜保鲜、香菇栽培、畜牧、水产养殖
和工艺材料等方面起着越来越重要的作用[16]；木焦油得
率为 5.5%，产品可广泛用于橡胶，木材防腐及建筑材料
等领域；另外可产 15%的不凝性气，作为重要的可再生
绿色能源。利用干馏技术，杉木根原料全部转化成了产
品，无废弃，无排放，产品的总转化率达到了 90%以上，
实现了资源的综合利用，绿色、环保。

图 4 杉木根干馏产品组成
Fig.4 Composition of products from fir root carbonization

3 结 论
1）干馏釜内温度基本随着外部加热温度的上升而上
升。前期釜内升温速度低于外部升温速度，65～85 min，
釜内温度快速上升，超过釜外升温速度；85 min 后，釜
内温度急速上升，在 15 min 内，上升了 100℃；100 min
后，温度的上升趋缓，直到温度接近于 500℃。
2）150～260℃区间，不凝性气体的主要组成为 CO2，
其次是 CO，CO2和 CO 所占比例均分别在 35%、24%以上；
260～490℃区间，CO 仍保持高的含量，但 CO2含量明显
下降，而 CH4 含量明显上升，最终超过了 CO2，达到了
26%，最终 H2相对体积分数也达到了 12%。
3）100～270℃随着干馏温度的升高，不凝气体的释
放量快速增加，270℃后呈下降趋势；随着干馏温度的升
高，不凝气体的热值基本保持上升趋势。不凝性气体的
热值基本上在 6 281 kJ/m3 以上，平均热值也达到 8 374
kJ/m3，所以杉木根干馏产生的可燃气是一种具有较高热
值的清结能源，可用于工业燃料、发电及民用方面，具
有广阔的工业化应用前景。
4）以杉木根为原料进行干馏，可同时得到干馏杉木
精油、木醋液、焦油、木炭及不凝性可燃气，得率分别
为 9%、33.5%、5.5%、32.9%和 15%。杉木根原料全部转
化成了产品，无废弃，无排放，产品的总转化率达到了
90%以上，实现了资源的综合利用，绿色、环保。
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Fir root dry distillation and composition of combustible gases

Zhu Kai, Chen Ke
(College of Chemical Eegineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

Abstract: The dry-distilled essential oil, wood vinegar, wood tar, charcoal and combustible gases were obtained from fir
root by retorting. The release of non-condensable flammable gas in different temperature ranges and the composition of
CO, CH4, H2 and CO2 were studied. Results showed that CO2 was the main ingredients of non-condensable gas between
150-260℃, followed by CO; CO2 content decreased significantly between 260-490℃; CH4 levels increased significantly
up to 26%; the final volume fraction of H2 reached 12%; clean energy source with high thermal value mounted up to
6281 kJ/m3 and the average thermal value more than 8 374 kJ/m3. The Carbonization essential oil, wood vinegar, wood
tar, charcoal and combustible gases were obtained with the yield of 9%, 33.5%, 5.5%, 32.9% and 15% respectively. All
of the fir roots were converted into products with the total conversion rate more than 90% without waste. The method
proposed in this paper realizes the comprehensive utilization of resources and green environmental protection.
Key words: carbonization, pyrolysis, carbondioxide, fir root, combustible gas,