木头明明可以烧，为啥古人还要加工成木炭？
木头明明可以烧，为啥古人还要加工成木炭？
为什么古人要将木材加工成木炭？这个问题看似简单，但要回答清楚却需要一些生物和化学知识。本文将从木材的化学成分入手，详细解释木材和木炭在燃烧效率、燃烧温度和环保性方面的差异，帮助读者理解这一古老的燃料加工技术。
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：
- 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。