CN105753546A - 生物炭肥及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物炭肥，包括下述重量百分比的原料：生物炭粉10?50％，复合肥20?70％，助剂5?30％；其中生物炭粉是将秸秆置于炭化炉中脱水排氧处理并经过高温炭化后粉碎使其粒径≤0.5mm。制备方法：将秸秆转入炭化炉中，在100～250℃温度下脱水排氧处理1～2h；然后将秸秆在600?700℃高温炭化30～240min；冷却后将炭化产物粉粹成粒径≤0.5mm的生物炭粉；将生物炭粉、复合肥、助剂按配比混匀后造粒；最后冷却、过筛使其粒径1.5～4.75mm，包装即可。本发明生物炭肥原料秸秆来源广、炭化效果好，炭含量高，能显著提高肥料的利用率和肥料质量的稳定性，且符合环保理念，其制备工艺简单，原料可集中处理，能耗少，产品强度高。本发明还提供了上述生物炭肥在作物生长中的应用。

Description

生物炭肥及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于肥料技术领域，尤其涉及一种将秸秆炭化生成生物炭，并利用生物炭组分形成生物炭肥产品及其制备该生物炭肥的方法和应用。

背景技术

我国地大物博富源辽阔,有十亿农民是农业大国。其生长形成的大量“剩余物”长期以来只是生火取暖做饭的传统农家燃料,特别是华北地区农民一般种植两季作物,以种植玉米，棉花为主。据统计，我国农作物秸秆中约有35％作为农村生活能源，25％作为牲畜饲料，还田作为肥料只占9.81％，工业原料为7％，而废弃和焚烧量到了20.7％。特别是近几年来大面积焚烧秸秆而造成多次棕烟污染，大量的小麦、玉米等秸秆在田间焚烧，这样做对农业生物质资源是一种浪费,更加重要的是产生了大量浓重的烟雾，对大气层的污染和环境带来了污染，尤其是近年来农作物秸秆成为农村面源污染的新源头，不仅成为农村环境保护的瓶颈问题，甚至成为殃及城市环境、产生雾霾的罪魁祸首。

目前公开了一种污泥炭肥及其生产方法，其是采用如下步骤的生产方法制成：(1)先将生物质废弃物粉碎至粒径1～15mm，然后与有机污泥经过搅拌充分混合得混合物料，生物质废弃物与有机污泥的质量混合比例为1:5～1∶1；(2)将上述混合物料在60～180℃下进行干燥造粒，经干燥造粒后的物料为含水率20～40％，粒度1～20mm的圆形颗粒；(3)物料经过干燥造粒后，进入炭化处理流程段，将物料在300～800℃、无氧或低氧环境中进行加热处理，处理时间为15～240分钟，处理过程中产生固、气两相物质；(4)将炭化产生的固体物进行冷却，将温度降至150～250℃；(5)冷却后的固体物进行过筛，筛孔直径为4～5mm；筛上物经过进一步自然降温至常温后包装，即成为污泥炭肥。上述方法中，污泥的相态会导致物流较困难，物流成本高；同时污泥会散发恶臭，储存要求高，会带来环境负荷，操作人员的作业环境相对偏差，相应需要增加人工成本及环保投入成本。

目前还公开了一种利用秸秆、厨余废弃物生产多功能生物质炭肥的方法，其是将收集的农作物秸秆，风干或晾晒和收集的厨余废弃物，挤压脱水烘干后，在450-550℃进行热裂解炭化、冷却、磨碎，过筛，得到的生物质炭原料。然后将生物质炭与化肥混合，添加一定量的粘土，蒸汽滚筒造粒，烘干后冷却过筛，制成颗粒直径为2mm～3mm的表面光滑、大小均匀的肥料颗粒。实际生产中，上述制备的生物质炭肥，具有下述缺陷：①采用晾晒、风干方式依赖于环境条件，需要的时间长，场地面积大，且这种挤压脱水烘干方式不是很可靠；②炭化得到的原材料热裂解炭化、粉碎过筛后，得到的绝大部分是炭粒而非炭粉，而以炭粒为原料制备炭基复合肥，其大返料的控制和成品率是生产中难以保证的指标；③采用粘土为团粒助剂，得到的炭肥产品强度方面及残渣率难以达到普通肥料标准，而且添加的粘土越多，势必导致其养分和炭含量降低，降低肥料的利用率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种主要原料来源广、成本低、有效成分高且符合环保理念的生物炭肥。

本发明提供的一种生物炭肥，包括下述重量百分比的原料：

生物炭粉10-50％，复合肥20-70％，助剂5-30％；其中所述生物炭粉是将秸秆置于炭化炉中脱水排氧处理并经过高温炭化后粉碎使其粒径≤0.5mm。

作为本发明生物炭肥的优选，所述助剂为熔融尿素和水的混合物。

作为本发明生物炭肥的优选，所述复合肥包括氮肥10-30％，磷肥5-20％和钾肥5-20％。

进一步地，所述氮肥包括尿素、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵、聚磷酸铵或碳酸氢铵中的至少一种。

进一步地，所述磷肥包括聚磷酸铵、磷酸二氢钾、磷酸一铵、钙镁磷肥或硝酸磷肥中的至少一种。

进一步地，所述钾肥包括磷酸二氢钾、硫酸钾、氯化钾或硝酸钾中的至少一种。

上述本发明生物炭肥，是以农作物秸秆为原料组分，其采用的原材料秸秆成本低廉，来源易得，通过脱水排氧处理并经过高温炭化方式粉碎形成生物炭粉，炭化效果好，炭含量在25％以上，有效提高了秸秆的炭化率，炭肥成品率高，施用效果好，且可钝化土壤中的重金属，提高土壤微生物的活力。同时，采用熔融尿素充当液相作为制备时的助剂，可进一步提高肥料有效成分的含量，降低水的含量，使得肥料的利用率和肥料质量更进一步得到提高，且可降低产品制备时的难度。本发明生物炭肥产品可采用普通的造粒机造粒，通用性强，适应性广。

本发明还提供了上述生物炭肥制备方法，包括如下步骤：

将含水量10-30％的秸秆转入炭化炉中，在100～250℃温度下脱水排氧处理60～120min；

将脱水排氧后的秸秆在600～700℃高温下炭化30～240min；

冷却后将炭化产物粉粹，使其粒径≤0.5mm，形成生物炭粉；

将生物炭粉10-50％、复合肥20-70％、助剂5-30％的原料混合均匀后在一定的温度下进行造粒；

将造粒产物冷却、过筛，使其粒径1.5～4.75mm，包装后得到生物炭肥产品。

上述造粒步骤中，其造粒温度可为100～140℃。

本发明上述生物炭肥制备工艺中，秸秆在炭化炉中采用分阶段、不同温度的炭化方式处理，有利于提高秸秆炭化率和炭化效果，其过程中产生的气体经过燃烧后基本就是水和二氧化碳，可获得较高质量的炭粉颗粒，同时避免了秸秆的直接焚烧所造成的环境污染，制备时原料可集中处理，不会带来环境负荷，符合环保理念。本发明生物炭肥制备时不需要对现有造粒装置进行改造，造粒时需要的水分少，有利于肥料成球与烘干过程的进行，降低了能源消耗，制得的产品颗粒圆润光滑，不易结块，产品强度在20以上，产品成品率高，储存和运输性能较好。整个制备工艺相对简单，加工时间短，需要的场地面积小，产量也相应提高。

本发明还提供了上述生物炭肥及采用上述制备方法制备的生物炭肥在作物生长中的应用。上述生物炭肥施用后既可提高肥料的利用率和肥料质量的稳定性,改善土壤生态环境，同时可解决目前秸秆燃烧带来的环境污染问题，变废为宝，且符合环保要求，具有很好的推广应用价值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明首先提供了一种生物炭肥，包括下述重量百分比的原料：

生物炭粉10-50％，复合肥20-70％，助剂5-30％。其中所述的生物炭粉是将秸秆置于炭化炉中进行脱水排氧处理，并经过高温炭化后粉碎使其粒径≤0.5mm。

作为本发明的优选，所述复合肥包括氮肥10-30％，磷肥5-20％和钾肥5-20％。其组分中：

所述氮肥在作物生长中可促使作物的茎、叶生长茂盛,叶色浓绿，可选自尿素、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵、聚磷酸铵或碳酸氢铵中的至少一种。其中所述的尿素是由碳、氮、氧和氢组成的有机化合物，含氮(N)46％，是固体氮肥中含氮量最高的，通常用作植物的氮肥，也可用于生产多种复合肥料。尿素能促进细胞的分裂和生长，使枝叶长得繁茂，在土壤中不残留任何有害物质，长期施用没有不良影响。作为一种中性肥料，尿素适用于各种土壤和植物,它易保存，使用方便，对土壤的破坏作用小。所述的硝酸铵适宜于制造含钾、磷、钙等的复合肥料，对多种作物都有较好的效果，可作基肥，也可作种肥，集中施用效果更好；所述的硫酸铵也是一种优良的氮肥，适用于一般土壤和作物，能使枝叶生长旺盛，提高果实品质和产量，增强作物对灾害的抵抗能力，可作基肥、追肥和种肥。所述氯化铵在农业上也用作氮肥，其作用机理与硫酸铵相似。所述碳酸氢铵是无(硫)酸根氮肥，适用于各种土壤，其三个组分都是作物的养分，可同时提供作物生长所需的铵态氮和二氧化碳，不含有害的中间产物和最终分解产物，长期使用不影响土质，能促进作物生长和光合作用，催苗长叶，可作追肥，也可作底肥直接施用，是最安全氮肥品种之一。所述聚磷酸铵含磷量大、含氮量高，磷氮体系产生协同效应好，且不易与土壤溶液中的钙、镁、铁、铝等离子反应而使磷酸根失效。聚磷酸铵还具有螯合金属离子的作用，提高诸如锌、锰等微量元素的活性。聚磷酸铵施入土壤后，在酶的作用下产生水解反应，且水解的速率较快，可以在几个小时到几天内完成，可提高磷肥的施用效果。

所述磷肥可促使作物根系发达,增强抗寒抗旱能力，促进作物提早成熟,穗粒增多,籽粒饱满，可选用聚磷酸铵、磷酸二氢钾、磷酸一铵、钙镁磷肥或硝酸磷肥中的至少一种。其中所述的聚磷酸铵已有描述；所述磷酸二氢钾在农业上用作高效磷钾复合肥，广泛适用于各类型经济作物、粮食、瓜果、蔬菜等几乎全部类型的作物，具有显著增产增收、改量优化品质、促使作物根系发达、叶片肥厚浓绿、茎杆粗壮、抗倒伏、抗病虫害、防治早衰等许多优良作用，并且能缓冲土壤酸碱变化，稳定土壤的pH值，具有克服作物生长后期根系老化吸收能力下降而导致的营养不足的作用；所述磷酸一铵既有硝态氮，又有铵态氮，既有水溶磷，又有枸溶磷，可在作物生长期间施用，是含氮磷两种营养成分的复合肥，且是一种高浓度的速效肥料，适用于各种作物和土壤，特别适用于喜氮需磷的作物，与尿素、硝酸铵可混性较好。所述钙镁磷肥是一种多元素肥料，不仅提供12％-18％的低浓度磷，还可在一定程度补充土壤中的钙、镁中量元素，镁对形成叶绿素有利，硅能促进作物纤维组织的生长，使植物有较好的防止倒伏和病虫害的能力，并可改良酸性土壤，适当调整土壤PH，广泛地适用于各种作物和缺磷的酸性土壤。所述硝酸磷肥是氮磷二元复合肥，氮磷比约为2:1，有利于作物吸收利用，且能活化土壤，对提高作物产量和品质方面有着不可替代的作用，适用多种土壤和多种作物。

所述钾肥可以提高作物光合作用的强度，促使作物生长健壮,茎秆粗硬,增强病虫害和倒伏的抵抗能力，促进作物体内淀粉和糖的形成，还能提高作物对氮的吸收利用。所述钾肥可选用磷酸二氢钾、硫酸钾、氯化钾或硝酸钾中的至少一种。所述磷酸二氢钾已有描述，所述硫酸钾是一种无氯、在农业上常用的优质高效钾肥，氧化钾含量50％，具有很好的水溶性，施用方便。硫酸钾也是化学中性、生理酸性肥料，是优质氮、磷、钾三元复合肥的主要原料，除含有植物必需的N、P、K三大主要营养元素外，还含有S、Ca、Mg、Zn、Fe、Cu等中微量元素。所述氯化钾含钾60％左右，可直接用作钾肥或作掺和肥料的基础肥料，主要是补充植物的钾元素，促进植物开花结果和枝叶生长的刚度、强度，提高植物的抗病能力，其肥效快，易被作物根系吸收。所述硝酸钾属于二元复合肥，是无氯钾、氮复合肥料，植物营养素钾、氮的总含量可达60％左右，具有良好的物理化学性质。由于没有挥发性，可直接施于土壤表面且能阻止作物吸收土壤中氯，其中的硝态氮在任何条件下能迅速提供养分，适用于春、夏、秋、冬作物，不会在土壤中造成盐类的积累。具有肥效高，易吸收，促进幼苗早发，增加产量，提高品质的重要作用。作为本发明的优选，所述助剂为熔融尿素和水的混合物。所述熔融尿素既可作为生物炭肥的原料，同时可用于生物炭肥的制备过程，在造粒时有利于与生物炭粉和复合肥原料粘合,充当液相参与造粒,一方面可降低造粒水分，同时由于熔融尿素也是肥料原料，故可大大提高肥料有效成分的含量，改善了产品质量，且可减轻生物炭肥施用后的结块程度。

本发明生物炭肥以农作物秸秆作为原料制造炭肥产品，形成产业化生产后可消耗大量农余秸秆，其采用的原材料秸秆成本低廉，来源易得，通过脱水排氧处理并经过高温炭化后粉碎成生物炭粉，有效提高了秸秆的炭化率，可使得制备后的生物炭肥炭含量较高(炭≥25％)，同时由于水含量对炭肥产品造粒有很大影响，本发明生物炭肥采用熔融尿素充当液相作为制备时的助剂，便可降低水的含量，其肥料养分≥35％，进而提高了秸秆的利用率和肥料有效成分的含量，且在造粒过程中可有效实现团粒法造粒，降低了产品制备时的难度，产品成品率高。本发明生物炭肥施用后还可在土壤中可形成较大空隙较大的团粒，具有保水保肥的功能，降低施用后的结块程度，故能显著提高肥料的利用率和肥料质量的稳定性；还可吸附、钝化土壤中的重金属，提高土壤微生物的活力。同时，本发明生物炭肥产品可采用普通的造粒机造粒，可确保生物炭肥产品投资少，使用成本低廉，适应性广。另外，本发明生物炭肥秸秆采用高温炭化方式获得，可以避免秸秆的直接焚烧所造成的环境污染，符合环保理念，具有广阔的应用市场。

本发明还提供了上述生物炭肥的制备方法，包括下述步骤：

S1脱水预处理：将含水量10-30％的秸秆转入炭化炉中，在100～250℃温度下脱水排氧处理60～120min；

S2高温炭化：将脱水排氧后的秸秆置于密闭炉胆(仅炉胆上方有排气管)加热燃烧，在600～700℃高温下炭化30～240min；

S3粉碎：冷却后将炭化产物粉粹，使其粒径≤0.5mm，形成生物炭粉；

S4造粒：将生物炭粉10-50％，复合肥20-70％，助剂5-30％的原料混合均匀后，可采用圆盘造粒或转鼓造粒，造粒温度100～140℃；

S5：包装：将造粒产物冷却、过筛，使其粒径1.5～4.75mm，包装后得到生物炭肥产品。

上述本发明制备工艺中，首先将秸秆进行脱水预处理，这是本发明制备工艺的关键步骤，该步骤将秸秆置于隔绝外界空气的炭化炉内，进行100-250℃加温，其过程中会有大量的水分蒸发，并排出了大部分炭化炉内空气，这样可使整个脱水过程完成时仅排除水蒸气而无白烟冒出，且这个过程中，农余秸秆暂不会被炭化，从能源利用角度上看，前期产生的水汽可不利用，因此，设置一个脱水预处理环节，一方面可排出水蒸气，另一方面可快速脱水，既可保证脱水效果，同时又可缩短产品制造时间。脱水排氧预处理结束后在炉胆内使秸秆在高温条件下被炭化，可使炭化产物为水分、可燃气体、焦油和生物质炭。炭化过程中，在炉胆内原料含水量≤5％以后，系统快速升温，利用炭化炉无氧或厌氧条件下迅速加热裂解炭化，秸秆炭化快；同时此阶段产生的气体可以作为自产燃气返回燃烧系统，可节约大量能源，这也是把本发明制备工艺将脱水和炭化分成两个阶段的重要原因。因此，本发明工艺能够将秸秆迅速炭化，冷却后能够得到较小粒径的炭粉颗粒，过程中不会带来环境负荷，炭化过程产生的气体经过燃烧后基本就是水和二氧化碳；整个制备工艺相对简单，主要过程就是炭化及造粒，利用助剂熔融尿素的特点将炭粉与肥料衔接在一起，并在造粒过程中提供一定的热量加热物料，有利于肥料成球与烘干过程的进行，使制得的产品颗粒圆润光滑，不易结块，产品强度在20以上，产品成品率高，不会产生大返料问题，储存和运输性能较好。且采用上述工艺，不需要改变原料造粒装置，且造粒时在不加水的情况下，能使熔融尿素在100～140℃之间快速溶解，从而可提高造粒成球率，降低造粒水分，减少了物料的含水量，进而提高了烘干设备的干燥能力，降低了能源消耗，由于缩短了加工时间，产量也相应提高。

本发明提供的生物炭肥产品，可应用于各种作物，由于原材料采用农余秸秆，来源广，成本低，其制得的产品有效成分含量高，可提高肥料的利用率和肥料质量的稳定性,且可改善土壤生态环境，降低或避免秸秆燃烧带来的环境污染及化肥的施用量，兼具环保效应。

下面结合实施例对本发明做进一步详述。

实施例1：

取含水量25％左右的农余稻秆或麦秆3kg，放入炭化炉，在温度150℃的条件下脱水排氧预处理1h，然后在600℃下炭化0.5h。产物为含碳量80-99.9％的生物炭，冷却至室温后粉碎，过0.35mm筛，形成生物炭粉；

取尿素30％、农用硫酸钾10％、农用磷酸一铵15％、生物炭粉35％,添加8％的熔融尿素，水2％，在100-140℃温度条件下用圆盘法造粒，烘干筛分后，粒径3mm包装。

将上述制得的生物炭肥应用于水稻生长期，肥料利用率增加10％左右，可增产约7％左右。

实施例2：

取含水量30％左右的玉米秸秆5kg，放入炭化炉，温度250℃脱水排氧预处理2h，然后在700℃下炭化3h。产物为含碳量45-70％的生物炭，冷却至室温后粉碎，过0.5mm筛，形成生物炭粉；

取硫酸铵30％、磷酸二氢钾20％、聚磷酸铵20％、生物炭粉25％,添加4％的熔融尿素，水1％，在10-140℃温度条件下用转鼓法造粒，烘干筛分后，粒径4.5mm包装。

将上述制得的生物炭肥应用于玉米生长期，肥料利用率增加8％，可增产约10％左右。

实施例3：

取含水量15％左右的花生秸秆10kg，放入炭化炉，温度200℃脱水排氧预处理1.5h，然后在650℃下炭化2h。产物为含碳量60-80％的生物炭，冷却至室温后粉碎，过0.4mm筛，形成生物炭粉；

取硝酸铵25％、聚磷酸铵10％、磷酸一铵12％、硫酸钾10％、磷酸二氢钾5％、生物炭粉30％,添加6％的熔融尿素，水2％，在100-140℃温度条件下用转鼓法造粒，烘干筛分后，粒径4mm包装。

将上述制得的生物炭肥应用于花生生长期，肥料利用率增加12％，可增产约8％左右。

实施例4：

取含水量15％左右的大豆秸秆5kg，放入炭化炉，温度200℃脱水排氧预处理1.5h，然后在650℃下炭化2.5h。产物为含碳量70-90％的生物炭，冷却至室温后粉碎，过0.4mm筛，形成生物炭粉；

取尿素12％、钙镁磷肥20％、氯化钾6％、硫酸钾12％、生物炭粉38％,添加10％的熔融尿素，水2％，在100-140℃温度条件下用转鼓法造粒，烘干筛分后，粒径4mm包装。

将上述制得的生物炭肥应用于大豆生长期，肥料利用率增加10％，可增产约8％左右。

综上所述，本发明上述实施例所示仅为本发明较佳实施例之部分，并不能以此局限本发明，在不脱离本发明精髓的条件下，本领域技术人员所作的任何修改、等同替换和改进等，都属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种生物炭肥，其特征在于，包括下述重量百分比的原料：

生物炭粉10-50％，复合肥20-70％，助剂5-30％；其中所述生物炭粉是将秸秆置于炭化炉中脱水排氧处理并经过高温炭化后粉碎使其粒径≤0.5mm。

2.如权利要求1所述的生物炭肥，其特征在于，所述助剂为熔融尿素和水的混合物。

3.如权利要求1或2所述的生物炭肥，其特征在于，所述复合肥包括氮肥10-30％，磷肥5-20％和钾肥5-20％。

4.如权利要求3所述的生物炭肥，其特征在于，所述氮肥包括尿素、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵、聚磷酸铵或碳酸氢铵中的至少一种。

5.如权利要求3所述的生物炭肥，其特征在于，所述磷肥包括聚磷酸铵、磷酸二氢钾、磷酸一铵、钙镁磷肥或硝酸磷肥中的至少一种。

6.如权利要求3所述的生物炭肥，其特征在于，所述钾肥包括磷酸二氢钾、硫酸钾、氯化钾或硝酸钾中的至少一种。

7.如权利要求1-6任一项所述的生物炭肥制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将含水量10-30％的秸秆转入炭化炉中，在100～250℃温度下脱水排氧处理60～120min；

将脱水排氧后的秸秆在600-700℃高温下炭化30～240min；

冷却后将炭化产物粉粹，使其粒径≤0.5mm，形成生物炭粉；

将生物炭粉10-50％、复合肥20-70％、助剂5-30％的原料混合均匀后在一定的温度下进行造粒；

将造粒产物冷却、过筛，使其粒径1.5～4.75mm，包装后得到生物炭肥产品。

8.如权利要求7所述的生物炭肥制备方法，其特征在于，所述造粒步骤中，其造粒温度100～140℃。

9.权利要求1-6任一项所述的生物炭肥及权利要求7-8任一项所述的制备方法制备的生物炭肥在作物生长中的应用。