CN107200666A

CN107200666A - 一种生物炭基肥料及制备方法

Info

Publication number: CN107200666A
Application number: CN201710572758.6A
Authority: CN
Inventors: 陈庆; 曾军堂; 陈兵
Original assignee: Chengdu New Keli Chemical Science Co Ltd
Current assignee: Chengdu New Keli Chemical Science Co Ltd
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2017-09-26

Abstract

本发明属于生物炭基肥料的制备技术领域，提供了一种生物炭基肥料及制备方法。该方法通过将秸秆微细化处理，与少量磷酸捏合，使磷酸浸透秸秆微粉内部，然后配以尿素、硫酸钾及过磷酸钙，采用高速混合机预混均匀，加入少量水分调节物料含水量，再利用高剪切挤压机使其低温连续剪切碳化，各组分均化复合得到生物炭基肥料。该方法利用磷酸使得秸秆低温碳化，并保留了有机质，利用尿素使得秸秆微粉具有可热塑加工性，从而实现了规模化、连续化、清洁化生产生物炭基肥料。

Description

一种生物炭基肥料及制备方法

技术领域

本发明涉及生物炭基肥料的制备技术领域，尤其是涉及一种生物炭基肥料及制备方法。

背景技术

在农业生产中，传统化肥的弊端很多，不仅污染环境，而且利用率很低。生物炭基肥料具有高度的稳定性及较强的养分吸附持留特性，可延缓肥料在土壤中的养分释放，降低营养成分的损失，提高利用率。其元素丰富，可提高土壤有机碳含量，改善土壤保水保肥性能，有利于土壤的生物栖息及活动。其施用可使土壤容重降低，通气性改善，限制氮素的微生物转化及反硝化，使作物的一氧化二氮等气体的排放通量减少。同时，利用秸秆制备生物炭基肥料，可避免秸秆焚烧的碳流失及对环境造成的危害，保证秸秆的可持续应用。

1996年，辽宁省农科院开始积极推广施用生物炭基肥，取得明显有益效果。实践表明，生物炭基肥的施用，使玉米、高粱每公顷产量增加600~800kg，水稻每公顷产量增加1000kg左右，大扁杏核产量增加28~32%，可使日本落叶松苗高增加20~23%，地径增加43~62%。2008年，南京农业大学建立了生物炭基肥试验基地，试验及实践结果表明，施用生物炭基肥的玉米、小麦及烟草等作物，苗壮，个大，叶绿，产量保持每年增长10~30%，而且有效减小甚至消灭了病虫害的发生。2012年，南京农业大学在南京市六合区建立了生物炭基肥料研发、生产和示范基地，累计消化近4万吨秸秆。2016年，示范基地累计处理秸秆近10万吨，生产生物炭基肥料近2万吨。

近年来，其他科研机构或企业也对生物炭基肥的制备进行了一些研究。Sun等首先利用棉花秸秆制备生物炭，然后粉碎石膏、膨润土和秸秆生物炭，将石膏和膨润土过100目筛，秸秆生物炭过40目筛，再将16~19重量份磷酸铵、7~9重量份尿素、7~9重量份硫酸钾、1~2重量份硫酸锌、1~2重量份硼酸、7~9重量份硝基腐植酸、30~40重量份棉花秸秆生物炭、7~12重量份石膏和7~12重量份膨润土混合到一起并搅拌均匀，采用转鼓造粒机进行初步造粒，然后用圆盘造粒机进行整型造粒，再用干燥机对肥料颗粒进行干燥处理，得到生物炭基肥料。Liu等通过将小麦秸秆粉碎、烘干、混合等步骤后得到生物灰，将生物灰过筛处理，然后与15~18份硫酸铵、9~12份尿素、6~8份硫酸钾、1~2份磷酸一铵、9~13份膨润土搅拌混合，最后进行造粒流程，得到生物肥料颗粒。Li等取5~20重量份稻壳炭烘干，破碎过100目筛，取5~10重量份凹凸棒土，粉碎过100目筛，取30~50重量份尿素、10~20重量份氯化铵、5~20重量份氯化钾、5~15重量份磷酸一氢铵、2~6重量份碳酸氢铵，与破碎后的稻壳炭混合，搅拌5min，再与3~5重量份粘合剂混合后继续搅拌10min，再加入混合物总重量2％~4％的水混合搅拌10min，然后在60~85℃下进行造粒，得到颗粒直径为3~5mm、质量为0.1~0.5g的生物炭基颗粒肥料。Lu等发明了一种秸秆炭基肥料的造粒成型工艺，包括原料研磨加水混匀、造粒、烘干等步骤。其采用挤压工艺将炭基肥料造粒成型，在加入秸秆炭的同时，还保证了复混生产工艺简单。适量炭基肥料施入土壤，可缓释肥效，减少肥料流失，同时能改善土壤的pH值状况。

现有生物碳肥的制备均是将生物炭源与肥料混合然后造粒制备，而生物碳源需要单独制备，不但成本高，而且难以较佳的将生物炭与传统肥料肥料有效复合。

发明内容

针对现有技术制备生物碳肥的缺陷，本发明提出一种新的生物炭基肥料的制备方法。其主要在于通过将秸秆微细化处理，与少量磷酸捏合，使磷酸浸透秸秆微粉内部，然后配以尿素、硫酸钾及过磷酸钙，采用高速混合机预混均匀，加入少量水分调节物料含水量，再利用高剪切挤压机使其低温连续剪切碳化，各组分均化复合得到生物炭基肥料。该方法利用磷酸使得秸秆低温碳化，并保留了有机质，利用尿素使得秸秆微粉具有可热塑加工性，从而实现了规模化、连续化、清洁化生产生物炭基肥料。创造性的采用磷酸捏合、尿素增塑秸秆微粉，并配以硫酸钾及过磷酸钙，制得的生物炭基肥料孔隙发达且均匀，可明显提高土壤的保水保肥能力，改善酸碱环境，提高作物产量，减少病虫害的发生。

为实现上述目的，本发明采用如下具体技术方案：

一种生物炭基肥料的制备方法，通过将秸秆微细化处理，与少量磷酸捏合，使磷酸浸透秸秆微粉内部，然后配以尿素、硫酸钾及过磷酸钙，采用高速混合机预混均匀，加入少量水分调节物料含水量，再利用高剪切挤压机使其低温连续剪切碳化，各组分均化复合得到生物炭基肥料，具体步骤如下：

（1）将农作物秸秆捆扎成截面面积不超过700×600mm的秸秆束，经秸秆粉碎机得到长度为10~20mm的秸秆碎片，再将秸秆碎片用专用研磨机研磨成粉末，取粒径不超过1mm的秸秆微粉备用；

（2）将步骤（1）所得的秸秆微粉与磷酸按一定比例加入捏合机中，合理设置捏合机桨叶转速及捏合温度，一定时间后得到内部有效浸透的秸秆微粉；

（3）将步骤（2）所得的浸透的秸秆微粉与尿素、硫酸钾、过磷酸钙按一定比例加入高速混合机中，在一定转速及温度下，高速混合一段时间，得到均匀分散的复合物料；

（4）将步骤（3）所得的复合物料，加入少量水分以调节含水率，然后加入剪切式挤压造粒机中，在一定的温度及挤出压力下，混合物料发生连续剪切炭化，经挤出切粒，得到生物炭基肥料。

优选的，步骤（1）所述秸秆粉碎机的主轴转速设置为1400~1800r/min，进料速度为25~28m/min；

优选的，步骤（2）所述磷酸的加入量为秸秆微粉质量的3%~5%；

优选的，步骤（2）所述捏合机的快桨叶转速为40~50r/min，慢桨叶转速为30~38r/min；

优选的，步骤（2）所述捏合温度为80~90℃，捏合时间为40~60min；

优选的，步骤（3）所述尿素的加入量为秸秆微粉质量的20%~30%；

优选的，步骤（3）所述硫酸钾的加入量为秸秆微粉质量的10%~15%；

优选的，步骤（3）所述过磷酸钙的加入量为秸秆微粉质量的5%~10%；

优选的，步骤（3）所述高速混合机的转速为100~120r/min，处理温度为60~70℃，处理时间为10~20min；

优选的，步骤（4）所述剪切式挤压造粒机为密闭式磨盘式挤压造粒机，连续对混合料剪切并碳化。

一种生物炭基肥料，其特征是由上述所述方法制备得到的肥料。

本发明制备过程中，需严格控制水分及磷酸的加入量。水分加入量过多，会使养分随水分蒸发而流失，水分加入量过少，会影响对秸秆的塑化。而磷酸的加入量过多会使尿素及有机肥的肥力下降，加入量过少会降低炭基肥的抗压强度。生物炭基肥对水分及养料的持留能力，一方面依赖于其本身的营养元素含量，另一方面是由于其复杂的空隙结构本身超强的吸附性，将土壤中的营养元素吸附于周围，达到缓释效果，同时改善了土壤的通气透水性能，利于水分入渗，因此，其捏合及炭化过程非常重要。磷酸的使用可降低炭化温度，降低能耗，同时保证物料基本结构不受损。尿素具有增塑性，赋予秸秆微粉可热塑加工的能力。同时，磷酸、尿素、硫酸钾及过磷酸钙的加入，引入无机的氮磷钾元素，与秸秆微粉形成复合肥，更符合实际应用需求。

本发明提供了一种生物炭基肥料的制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1.本发明制备方法，通过少量磷酸捏合，使磷酸浸透秸秆微粉内部，然后配以尿素、硫酸钾及过磷酸钙，采用高速混合机预混均匀，加入少量水分调节物料含水量，再利用高剪切挤压机使其低温连续剪切碳化，各组分均化复合得到生物炭基肥料。生物炭基肥料具有大量的复杂的孔隙结构，其比表面积大，能将植物生长所需的营养元素吸附在其周围，不易流失，具有缓释作用。

2.本发明制备方法集秸秆碳化与肥料复合于一体，实现秸秆塑化炭化，不但碳化效率高，而且制备过程中不添加任何胶黏剂复合。

3.本发明中用到的秸秆，来源广泛，成本低廉，将其制成肥料，能减少焚烧对生态环境的破坏，实现废物资源化利用，可规模化、连续化、清洁化生产。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。

实施例1

一种生物炭基肥料的制备方法，其制备生物炭基肥料的具体过程如下：

将农作物秸秆人工捆扎成截面面积不超过700×600mm的秸秆束，经秸秆粉碎机粉碎，控制粉碎机主轴转速为1800r/min，进料速度为28m/min，得到长度为10~20mm的秸秆碎片，再将秸秆碎片用专用研磨机研磨成粉末，取粒径不超过1mm的秸秆微粉备用；将100kg秸秆微粉与4kg磷酸加入捏合机中，设置捏合机快桨叶转速为50r/min，慢桨叶转速为38r/min，捏合温度为90℃，捏合40min后得到内部被磷酸有效浸透的秸秆微粉；将浸透的秸秆微粉与25kg尿素、10kg硫酸钾、10kg过磷酸钙加入高速混合机中，在120r/min的转速及60℃的温度下，高速混合20min，得到均匀分散的复合物料；在复合物料中加入少量水分以调节含水率至9%左右，然后加入密闭式磨盘式挤压造粒机中，在250℃的温度及35MPa挤出压力下，混合物料发生连续剪切炭化，经挤出切粒，即可得到生物炭基肥料。

实施例2

一种生物炭基肥料及制备方法，其制备生物炭基肥料的具体过程如下：

将农作物秸秆人工捆扎成截面面积不超过700×600mm的秸秆束，经秸秆粉碎机粉碎，控制粉碎机主轴转速为1600r/min，进料速度为26m/min，得到长度为10~20mm的秸秆碎片，再将秸秆碎片用专用研磨机研磨成粉末，取粒径不超过1mm的秸秆微粉备用；将100kg秸秆微粉与5kg磷酸加入捏合机中，设置捏合机快桨叶转速为40r/min，慢桨叶转速为30r/min，捏合温度为80℃，捏合60min后得到内部被磷酸有效浸透的秸秆微粉；将浸透的秸秆微粉与20kg尿素、15kg硫酸钾、5kg过磷酸钙加入高速混合机中，在100r/min的转速及70℃的温度下，高速混合15min，得到均匀分散的复合物料；在复合物料中加入少量水分以调节含水率至2%左右，然后加入密闭式磨盘式挤压造粒机中，在300℃的温度及30MPa挤出压力下，混合物料发生连续剪切炭化，经挤出切粒，即可得到生物炭基肥料。

实施例3

将农作物秸秆人工捆扎成截面面积不超过700×600mm的秸秆束，经秸秆粉碎机粉碎，控制粉碎机主轴转速为1400r/min，进料速度为25m/min，得到长度为10~20mm的秸秆碎片，再将秸秆碎片用专用研磨机研磨成粉末，取粒径不超过1mm的秸秆微粉备用；将100kg秸秆微粉与3kg磷酸加入捏合机中，设置捏合机快桨叶转速为45r/min，慢桨叶转速为35r/min，捏合温度为90℃，捏合40min后得到内部被磷酸有效浸透的秸秆微粉；将浸透的秸秆微粉与30kg尿素、15kg硫酸钾、10kg过磷酸钙加入高速混合机中，在110r/min的转速及65℃的温度下，高速混合10min，得到均匀分散的复合物料；在复合物料中加入少量水分以调节含水率至10%左右，然后加入密闭式磨盘式挤压造粒机中，在300℃的温度及30MPa挤出压力下，混合物料发生连续剪切炭化，经挤出切粒，即可得到生物炭基肥料。

实施例4

将农作物秸秆人工捆扎成截面面积不超过700×600mm的秸秆束，经秸秆粉碎机粉碎，控制粉碎机主轴转速为1800r/min，进料速度为28m/min，得到长度为10~20mm的秸秆碎片，再将秸秆碎片用专用研磨机研磨成粉末，取粒径不超过1mm的秸秆微粉备用；将100kg秸秆微粉与5kg磷酸加入捏合机中，设置捏合机快桨叶转速为50r/min，慢桨叶转速为30r/min，捏合温度为90℃，捏合40min后得到内部被磷酸有效浸透的秸秆微粉；将浸透的秸秆微粉与20kg尿素、10kg硫酸钾、5kg过磷酸钙加入高速混合机中，在120r/min的转速及70℃的温度下，高速混合15min，得到均匀分散的复合物料；在复合物料中加入少量水分以调节含水率至8%左右，然后加入密闭式磨盘式挤压造粒机中，在250℃的温度及35MPa挤出压力下，混合物料发生连续剪切炭化，经挤出切粒，即可得到生物炭基肥料。

实施例5

将农作物秸秆人工捆扎成截面面积不超过700×600mm的秸秆束，经秸秆粉碎机粉碎，控制粉碎机主轴转速为1400r/min，进料速度为25m/min，得到长度为10~20mm的秸秆碎片，再将秸秆碎片用专用研磨机研磨成粉末，取粒径不超过1mm的秸秆微粉备用；将100kg秸秆微粉与3kg磷酸加入捏合机中，设置捏合机快桨叶转速为40r/min，慢桨叶转速为35r/min，捏合温度为85℃，捏合50min后得到内部被磷酸有效浸透的秸秆微粉；将浸透的秸秆微粉与30kg尿素、15kg硫酸钾、5kg过磷酸钙加入高速混合机中，在110r/min的转速及65℃的温度下，高速混合20min，得到分散的复合物料；在复合物料中加入少量水分以调节含水率至1.5%左右，然后加入密闭式磨盘式挤压造粒机中，在250℃的温度及35MPa挤出压力下，混合物料发生连续剪切炭化，经挤出切粒，即可得到生物炭基肥料。

实施例6

将农作物秸秆人工捆扎成截面面积不超过700×600mm的秸秆束，经秸秆粉碎机粉碎，控制粉碎机主轴转速为1600r/min，进料速度为27m/min，得到长度为10~20mm的秸秆碎片，再将秸秆碎片用专用研磨机研磨成粉末，取粒径不超过1mm的秸秆微粉备用；将100kg秸秆微粉与4kg磷酸加入捏合机中，设置捏合机快桨叶转速为45r/min，慢桨叶转速为38r/min，捏合温度为90℃，捏合40min后得到内部被磷酸有效浸透的秸秆微粉；将浸透的秸秆微粉与25kg尿素、10kg硫酸钾、5kg过磷酸钙加入高速混合机中，在100r/min的转速及70℃的温度下，高速混合15min，得到均匀分散的复合物料；在复合物料中加入少量水分以调节含水率至1%左右，然后加入密闭式磨盘式挤压造粒机中，在200℃的温度及40MPa挤出压力下，混合物料发生连续剪切炭化，经挤出切粒，即可得到生物炭基肥料。

在土壤均匀的试验田间取3组24个试验区间，每组8个区间，分别为不施肥的空白区间、施加高效无机肥的试验区间、施加实施例1~6制得的生物炭基肥的试验区间，各区间随机排列。分别测试各区间0~20cm土层范围内的土壤含水率、PH值，3组所得数据取平均值，得到的测试结果如表1所示。在各区间种植同一品种的大豆，在幼苗期、花针期、结荚期及饱果期分别测试土壤的铵态氮含量、硝态氮含量、速效磷含量及速效钾含量，3组所得数据取平均值，得到的测试结果如表2所示。

将各实施例得到的生物炭基肥料应用于试验田间，得到的作物产量增长率及病虫害率如表3所示。

表1：

具体实施例	含水率（%）	PH值
			未施肥	17.2	5.42
高效无机肥	18.4	5.49
			实施例1	19.6	5.84
实施例2	19.8	5.85
			实施例3	20.2	5.79
实施例4	19.6	5.83
			实施例5	20.1	5.85
实施例6	19.7	5.82

由表1可见：

（1）施用高效无机肥能提高土壤的含水率，但施用生物炭基肥料时，土壤含水率的提高更大，持水性能的改善明显优于无机肥。这是由于生物炭基肥料具有大量的复杂的孔隙结构，其比表面积大，容重小，通气透水性能好，有利于水分入渗，并提高了土壤的持水性能。

（2）施用无机肥及生物炭基肥均能改善土壤的酸碱性能，但生物炭基肥的改善效果更为明显，土壤的酸性降低较多。

表2

由表2可见：

（1）通常，铵态氮解离出铵离子，可被土壤胶体吸收，但在碱性环境下分解释放氨气，造成氮素流失。若通气状况良好，铵离子发生硝化作用变成硝态氮，可被植物吸收，但同样易于流失。因此，氮元素的保持能力是衡量肥料的重要指标。施加高效无机肥有利于提高土壤中速效氮的含量，但提高幅度不大。生物炭基肥能明显提高植物生长各阶段土壤中的速效氮含量，尤其是在幼苗期，提高幅度高达40%左右。可见，生物炭基肥能明显延缓肥料在土壤中的养分释放，起到良好的保肥效果。

（2）同理，速效磷与速效钾的含量保持也同样重要。尤其是钾元素，特别容易被淋失。生物炭基肥能在植物生长各阶段有效缓解磷元素和钾元素的流失，其效果优于无机肥。

表3

由表3可见：施加本发明制备的生物炭基肥料，可使玉米和大豆增产30%以上，可使水稻增产20%以上，且可有效防止病虫害的发生，病虫害率降至较低水平。

Claims

1.一种生物炭基肥料的制备方法，其特征在于，通过将秸秆微细化处理，与少量磷酸捏合，使磷酸浸透秸秆微粉内部，然后配以尿素、硫酸钾及过磷酸钙，采用高速混合机预混均匀，加入少量水分调节物料含水量，再利用高剪切挤压机使其低温连续剪切碳化，各组分均化复合得到生物炭基肥料；制备的具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述一种生物炭基肥料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述秸秆粉碎机的主轴转速设置为1400~1800r/min，进料速度为25~28m/min。

3.根据权利要求1所述一种生物炭基肥料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述磷酸的加入量为秸秆微粉质量的3%~5%。

4.根据权利要求1所述一种生物炭基肥料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述捏合机的快桨叶转速为40~50r/min，慢桨叶转速为30~38r/min；所述捏合温度为80~90℃，捏合时间为40~60min。

5.根据权利要求1所述一种生物炭基肥料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述尿素的加入量为秸秆微粉质量的20%~30%；所述硫酸钾的加入量为秸秆微粉质量的10%~15%；所述过磷酸钙的加入量为秸秆微粉质量的5%~10%。

6.根据权利要求1所述一种生物炭基肥料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述高速混合机的转速为100~120r/min，处理温度为60~70℃，处理时间为10~20min。

7.根据权利要求1所述一种生物炭基肥料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述剪切式挤压造粒机为密闭式磨盘式挤压造粒机。

8.一种生物炭基肥料，其特征是所述肥料由权利要求1-7任一项所述方法制备得到的肥料。