CN104760945A - 一种小麦秸秆生物炭的制备方法 - Google Patents

一种小麦秸秆生物炭的制备方法 Download PDF

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杨瑞芹
单胜道
刘宝鉴
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Abstract

本发明公开了一种小麦秸秆生物炭的制备方法。本发明以小麦秸秆作为生物炭制备的原料,经过水热反应将小麦秸秆转变为生物炭,提供了一种新的小麦秸秆的利用方式,提高了小麦的综合利用率和经济效益,提高了附加值。本发明的制备方法过程清洁、绿色、操作简单,实现了资源的循环利用,并有利于固定碳素,减少二氧化碳的排放,具有良好的生态效益。此外,该方法能耗少、成本低,工业化应用前景良好,既能实现增汇减排,制得的产品可还应用于改良土壤,修复于水体环境,应用前景广阔。

Description

一种小麦秸秆生物炭的制备方法
技术领域
本发明涉及生物炭制备技术领域,尤其是一种小麦秸秆生物炭的制备方法。
背景技术
生物炭(biochar)是指生物质在缺氧或无氧条件下形成的稳定的富碳固体。研究表明,向土壤中添加生物炭,可提改善土壤肥力,促进农作物生长,同时,生物炭在土壤中的施用可抑制温室气体的释放,减少农药在土壤中的扩散和在动植物体内的积累。另外,生物炭对污染物具有吸附作用,向污染水体中添加生物炭可改良水质、修复水体污染。因此,将废弃生物质炭化成生物炭,被认为是一种能有效固碳和生物质资源化的方法。
生物质的炭化技术可分为热解炭化和水热炭化两种。其中热解炭化是指生物质在惰性气氛下,加热到较高温度,如550~1300℃,停留一段时间从而发生炭化的方法;水热炭化则以水为介质,密闭体系中,在一定温度下,如130~350℃,水自产生压力或惰性气体加压下,生物质经脱水、脱羧等复杂反应,发生炭化转化成生物炭的过程。其中,水热炭化可直接处理含水率较高的原料;反应介质清洁且反应条件较温和,设备操作简便,且有助于保留生物质表面的含氧、含氮官能团,是一种绿色的制备生物炭材料的理想方法。
秸秆是一类常见的农业生产废料,小麦秸秆是最为常见的农作物秸秆之一。小麦是我国最重要的粮食作物之一,种植范围非常广泛,从平原到海拔4000米的高原均有种植。然而,目前小麦秸秆的利用率普遍不高,仅一小部分用于饲料或造纸外,大多被废弃在田间或直接燃用、焚烧。秸秆焚烧会带来极为严重的大气污染,如增加空气中二氧化碳的含量和可吸入颗粒物,降低空气能见度等,已被许多大城市明令禁止。
基于上述考虑,本发明提出了一种以小麦秸秆为原料采用水热炭化制备麦秸生物炭的方法,旨在提供一种新型的小麦秸秆循环利用方式,减少污染,提高小麦秸秆附加值,实现增汇减排,制得的产品还可用于改良土壤或水体环境的修复。
发明内容
本发明提供了一种小麦秸秆生物炭的制备方法,工艺简单,提高了小麦秸秆的综合利用率和附加值,具有较好的经济效益,实现了节能减排。
为实现上述目的,本发明的小麦秸秆生物炭的制备方法包括以下步骤:
将小麦秸秆粉碎,与水混合,然后导入水热反应釜进行水热炭化反应,所述小麦秸秆与水的固液比为1kg:5L~1kg:15L;
将水热炭化反应的产物冷却,过滤分离,干燥后得到小麦秸秆生物炭。
进一步的,还包括小麦秸秆的预处理步骤:去除小麦秸秆残根,清除表面泥土和杂物。
优选的,采用秸秆破碎机将小麦秸秆粉碎。
优选的,所述水热炭化反应的反应温度为160 oC~280 oC。
优选的,所述的水热炭化反应的反应时间为2 h~14 h。
优选的,冷却温度为80 oC以下。
优选的,过滤分离得含水率为20 wt%~30 wt%的固态产物。
优选的,所述过滤分离采用板框压滤机进行。
进一步的,干燥步骤包括将固态产物置于阳光下晒干,然后置于干燥通风处进一步风干。
优选的,所述小麦秸秆生物炭的含水率在10 %以下。
本发明的有益效果:
本发明提供了一种小麦秸秆生物炭的制备方法,包括:将小麦秸秆粉碎,与水混合,然后导入水热反应釜进行水热炭化反应,所述小麦秸秆的质量与水的体积的比例为1kg:5L~1kg:15L;将水热炭化反应的产物冷却,过滤分离,干燥后得到小麦秸秆生物炭。与现有技术相比,本发明通过水热炭化将小麦秸秆转变为生物炭,提供了一种新的小麦秸秆的利用方式,提高了小麦秸秆的利用率和附加值,增加了经济效益,且有利于碳素的固定和减少二氧化碳的排放,具有良好的生态效益和社会效益。另外,本发明中小麦秸秆原料无需预处理,水热反应介质绿色、反应条件温和,反应设备结构简单、操作简便,能耗少、成本低;制得的麦秸生物炭产品可用于改良土壤或修复水体环境,应用前景广阔。
附图说明
   图1为本发明实施例1制备小麦秸秆生物炭的工艺流程图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行详细说明。但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
本发明的实施例提供了一种小麦秸秆生物炭的制备方法,包括以下步骤:
将小麦秸秆粉碎,与水混合,然后导入水热反应釜进行水热炭化反应,所述小麦秸秆的质量与水的体积的比例为1kg:5L~1kg:15L;将水热炭化反应的产物冷却,过滤分离,干燥后得到小麦秸秆生物炭。
在上述技术方案中,本发明实现了小麦秸秆的综合利用,提高了附加值,且能固碳减排,得到了可用于环境污染修复的产品,具有较好的经济效益和社会效益。
作为优选方案,本发明还包括小麦秸秆的预处理步骤:去除小麦秸秆残根,清除表面泥土和杂物。
作为优选方案,本发明采用秸秆破碎机将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料,有利于与水进行水热炭化反应。
作为优选方案,将质量、体积比为1kg:5L~1kg:15L范围内的小麦秸秆与水导入水热反应釜进行水热炭化反应,具体为:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,密闭,确保水热釜的密闭性后加热。所述水热炭化反应的反应温度优选为160 oC~280 oC,更优选为200 oC~240 oC;所述的水热炭化反应的反应时间优选为2 h~14 h,更优选为5 h~10 h。
本发明采用水热炭化技术制备小麦秸秆生物炭,工艺简单、反应温和,制备过程绿色环保且能够有效拓展小麦秸秆利用的新途径,对于提高小麦秸秆的利用率和附加值具有重要的意义。
作为优选方案,冷却水热反应釜至80℃以下,之后采用板框压滤机进行过滤分离,过滤分离优选得含水率为20 wt%~30 wt%的固态产物。
作为优选方案,干燥优选为将上述固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干,得到小麦秸秆生物炭的含水率在10 %以下。
从以上方案可以看出,本发明利用小麦秸秆为原料,在小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收、粉碎,与水混合置于水热釜中,经水热炭化形成麦秸生物炭产品。该方法提高了产品的综合利用率,过程绿色环保、耗能低,实现了固碳减排和资源的循环利用,具有明显的生态效益;另外,该法成本较低,提高了小麦秸秆的经济效益,并具有良好的工业化应用前景。
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明,本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
    实施例1:
如图1所示,小麦秸秆生物炭按照如下步骤制备:
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度160 oC,反应时间14 h,麦秸原料与水固液比1kg:15L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例2:
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度200 oC,反应时间10 h,麦秸原料与水固液比1kg:10L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例3:
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度240 oC,反应时间6 h,麦秸原料与水固液比1kg:5L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例4
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度280 oC,反应时间2 h,麦秸原料与水固液比1kg:5L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例5
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度240 oC,反应时间10 h,麦秸原料与水固液比1kg:15L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例6
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度200 oC,反应时间14 h,麦秸原料与水固液比1kg:5L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例7
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度160 oC,反应时间10 h,麦秸原料与水固液比1kg:10L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例8
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度200 oC,反应时间6 h,麦秸原料与水固液比1kg:15L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例9
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度240 oC,反应时间2 h,麦秸原料与水固液比1kg:10L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例10
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度280 oC,反应时间6 h,麦秸原料与水固液比1kg:10L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例11
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度160 oC,反应时间6h,麦秸原料与水固液比1kg:5L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例12
步骤一、小麦秸秆的回收预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度280 oC,反应时间10 h,麦秸原料与水固液比1kg:15L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例13
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度240 oC,反应时间14h,麦秸原料与水固液比1kg:5L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
实施例14
步骤一、小麦秸秆的回收、预处理:小麦收获后,将残留的小麦秸秆回收,清除小麦秸秆表面泥土和杂物;
步骤二、小麦秸秆的粉碎:将小麦秸秆粉碎,得到小颗粒与小块状原料(长度小于1 cm),储存,备用;
步骤三、小麦秸秆的水热炭化:将小麦秸秆与水混合,导入水热釜,确保水热釜密闭,加热进行水热炭化反应,水热反应温度200 oC,反应时间2 h,麦秸原料与水固液比1kg:10L;
步骤四、固、液相产物的过滤分离:水热炭化过程结束后,停止加热,使水热反应釜冷却至低于80 oC后,开釜导出反应液及固相产物,经过滤得含水率为20 wt%-30 wt%的固态产物;
步骤五、固态产物的干燥:将固态产物置于阳光下自然晒干,然后置于干燥通风处进一步风干、储存,得含水率低于10 %的固态小麦秸秆生物炭产品。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种小麦秸秆生物炭的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将小麦秸秆粉碎,与水混合,然后导入水热反应釜进行水热炭化反应,所述小麦秸秆与水的固液比为1kg:5L~1kg:15L;
将水热炭化反应的产物冷却,过滤分离,干燥后得到小麦秸秆生物炭。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,还包括小麦秸秆的预处理步骤:去除小麦秸秆残根,清除表面泥土和杂物。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,采用秸秆破碎机将小麦秸秆粉碎。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述水热炭化反应的反应温度为160 oC~280 oC。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述的水热炭化反应的反应时间为2 h~14 h。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,冷却温度为80 oC以下。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,过滤分离得含水率为20 wt%~30 wt%的固态产物。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述过滤分离采用板框压滤机进行。
9.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,干燥步骤包括将固态产物置于阳光下晒干,然后置于干燥通风处进一步风干。
10.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述小麦秸秆生物炭的含水率在10 %以下。
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