CN107364860A - 一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法。本方法是将植物秸秆粉碎细化和干燥过程后，加入催化酶和塑化剂，充分搅拌。酶及塑化剂能够使粉碎细化后的秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素中大量的强极性羟基和酚羟基官能团处于紊乱状态，从而降低秸秆碳化温度，然后在缺氧条件下碳化、挤压，得到秸秆生物炭。按照本发明提供的方法生产生物炭，碳化反应需要的温度低、时间短，有利于节能减排、降低生产成本、提高生产效率。另一方面，本发明所述的方法生产的生物炭碳化温度低，生物炭活性更好。

Description

一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法

技术领域

本发明涉及生物炭产品的制备领域，具体涉及一种在低温条件下高效地碳化制备秸秆生物炭的方法。

背景技术

生物炭是指农林废弃物等生物质，在缺氧和一定温度条件下热解形成的富碳产物，可以让秸秆等农业废弃物变废为宝。生物炭具有极好的吸附缓冲能力和保肥保水性能，可有效改良土壤结构、提高肥力、解决土壤退化问题，从而实现农业生产良性循环。农业部发言人介绍：今年拟安排中央财政资金6亿元，在东北地区60个玉米主产县开展整县推进秸秆综合利用试点。力争到2020年，东北地区秸秆综合利用率达到80%以上，新增秸秆利用能力2700多万吨。这给秸秆炭化还田土壤改良技术的推广注入了新的推广力。

目前农业生产中的大量农作物秸秆大都被废弃在田间或露天焚烧，不仅造成了生物质资源的浪费，破坏了土壤结构、使生产能力下降，还导致了严重的环境污染，威胁生活安全。将这些废弃物的生物质资源通过炭化技术制备成生物炭加以开发利用在很大程度上可以解决可持续发展和环境保护等复杂问题。目前国内外普遍采用的炭化工艺主要是全封闭的高温炭化炉干馏工艺，需要在 700~1000℃高温条件下进行，需要额外投入较多，生产工艺相对复杂，生产成本较高，并且温度过高会影响生物质炭的产量和能源转化率；操作工艺复杂，生产成本高。

中国专利CN201310643730.9涉及一种利用秸秆制备生物炭的方法，将秸秆风干粉碎后采用低温裂解炭化，直接产生生物质炭粉和气体，气体经过净化器可得木焦油、木醋液和燃气；本发明的利用秸秆制备生物炭的方法步骤简单，操作方法简便，可在原产地进行直接炭化，减少了运输过程中的成本；并在温度为300~500℃下制得的，炭产量好，能源转化率高；所生产的生物炭硬度小，孔隙度好，富含微孔，有良好的吸附性；生产的副产品为木醋液，呈弱酸性，有机质含量丰富，渗透性很强，其可作缓释肥基质，具有改良土壤、促进植物生长等特点。该方法工艺简单、操作方便，但是，由于未能对秸秆进行改性处理，其碳化需要的温度较高、碳化物产率低，不利于能源节约。

中国专利CN201610650186.4公开了一种水葫芦生物炭的制备方法及其应用，属于生物炭技术领域，其制备方法包括下述步骤：(1)原材料的准备：采集富营养化水域中的新鲜水葫芦，洗净后，在60～80℃环境下烘干，时间12～48h，烘干后再粉碎，备用；(2)生物炭的制备：将粉碎的水葫芦在200～400℃低温限氧环境下热解4～8h，随后将热解产物碾碎、过筛、保存，制得水葫芦生物炭；本发明同时涉及水葫芦生物炭在吸附铜离子中的应用；本发明的目的在于提供一种水葫芦生物炭的制备方法及其应用，旨在有效利用水葫芦资源，既可有效消耗水葫芦，又可实现对废水的处理；用于制备水葫芦生物炭并用于废水中铜离子的吸附。该方法是利用水热碳化植物纤维的方法制备生物炭，该方法的碳化反应时间长、能量消耗多，水热碳化的反应也不够充分。

中国专利CN201710030796.9涉及一种低温制备生物炭的炭化设备及工艺。所述炭化设备包括分离设置的干燥装置、低温炭化装置和高温热解装置，干燥装置的出料口通过上料机构分别与低温炭化装置和高温热解装置的进料口连接，高温热解装置的排气口与低温炭化装置的燃料进口连接，低温炭化装置的排气口与干燥装置的燃料进口连接。本发明通过对生物质进行两段式炭化作业，可以有效控制生物质的炭化温度和时间，提高生物质的流动性，提高出炭率和生物炭的品质。该方法是依次干燥、低温炭化装置和高温热解过程，生产效率较高，但是有同样的弊端：未对植物原料进行处理，碳化是需要的温度较高，特别是高温热解工程，使产品的炭活性大大降低。

中国专利CN201510410635.3涉及一种利用烟草废弃物生产生物炭的处理工艺，它是提出一种烟草废弃物生产生物炭的新方法，本发明是以烟草废弃物为原料，经过水热反应将烟草废弃物转变为生物炭，无需在缺氧或无氧环境下燃烧低温裂解就可得到生物炭，与缺氧或无氧环境下燃烧低温裂解生产生物炭相比，能够有效的提高烟草废弃物的利用率，生物炭产出率高，不排放烟气、对环境无污染，节能减排。利用水热解烟草植物的废弃物的方法进行碳化反应，虽然反应不会有污染产物，但是水热解工程需要的反应时间更长，意味着该反应需要消耗的能量也就越多。本发明与之相比，更为节能环保。

中国专利CN201610311361.7公开了一种污泥热解生物炭制备陶粒的方法与装置，所述的方法是将污泥热解生物炭经粉磨、调湿、造粒、低温干燥、中温预烧、高温烧结，最后冷却获得陶粒。所述的装置包括定量给料装置、加水装置、调湿装置、成型造粒装置、干燥装置、中温预烧装置、高温烧结装置和冷却装置。本发明利用污泥热解生物炭制备陶粒，实现污泥热解生物炭的大规模利用，同时实现污泥热解生物炭中重金属元素进一步高效固化与钝化，避免了污泥热解生物炭在土地利用过程中潜在的重金属累积污染，尤其适用于重金属含量超标的污泥热解炭的资源化利用。本发明所述的方法简单实用，设备投资少，成本低，具有良好的经济效益与环境效益。该发明是将污泥热解碳化，在经一系列其他工艺制程具有炭活性的陶粒，该方法对重金属污染土壤的资源化利用有着积极的意义，但就其制备的生物炭产品来说，该产品制备时的工艺复杂、碳化反应温度高、产物的炭活性不足。

综上所述，现有制备的生物炭的技术普遍存在碳化温度高、碳化时间长、碳化过程消耗能量多、生产效率低、生物炭产品的碳活性差的缺点。为克服上述技术的不足，特提出本发明。

发明内容

针对上述现有技术中生物炭制备存在碳化温度高，碳化时间长的缺陷，本发明旨在提供一种在低温条件下高效地碳化制备秸秆生物炭的方法。其通过在粉碎细化的植物秸秆中添加酶及塑化剂，通过酶及塑化剂使微细化的秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素等中大量的极性羟基和酚羟基官能团处于紊乱状态，从而降低植物秸秆碳化温度，提高谈话效率。特别是制备的生物炭活性更好，更适合制备农用碳肥。

为实现上述目的，采用如下具体的技术方案：

一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其具体制备步骤如下：

步骤1：干燥，将植物秸秆脱水干燥，使秸秆含水量将至15%以下；

步骤2：粉碎细化，将步骤1中干燥完成的植物秸秆在粉碎机中粉碎至颗粒大小为5毫米左右；

步骤3：催化改性，将步骤2中经过干燥和粉碎细化后的植物秸秆放入反应釜中，再加入催化酶和塑化剂，并将混合物在25~40℃温度条件下充分搅拌2小时，得到塑化植物秸秆；

步骤4：低温碳化，将步骤经过步骤3处理的塑化植物秸秆以氮气高压送入流化床，在缺氧和300-400℃的高温条件下塑化植物秸秆快速碳化，并连续从流化床的出料口排除，得到秸秆生物炭；冷却后采用雷蒙磨机进行粉碎，经旋风分离器和袋滤器分级收集，然后送到成品库贮存；

步骤5：挥发份回收：在流化床设置排气阀，与冷凝器连接，将烟气中挥发性物质和水分冷凝出来，经冷凝后的烟气送到流化床燃烧热风炉继续燃烧，回收利用；冷凝液流入收集槽进行收集。

进一步的，步骤1中的干燥过程是在通风条件下进行的。

近一步的，为防止植物秸秆腐化、变质和燃烧，步骤1中的干燥过程的温度低于80℃。

进一步的，步骤1和步骤2的顺序可以互换。

进一步的，步骤3中添加的催化酶的质量占植物秸秆质量的1%~3%。

进一步的，步骤3中添加的塑化剂的质量占植物秸秆质量的3%~12%。

进一步的，步骤3中所述的催化酶为纤维素酶。

进一步的，步骤3中所述的塑化剂为酰胺塑化剂。

植物秸秆中的植物纤维是由纤维素、半纤维素、木质素和各种抽提物组成的。植物纤维是一种极不均匀的各向异性材料，界面特性十分复杂，其主要成分纤维素、半纤维素和木质素等，含有大量的极性羟基和酚羟基官能团，使得其表面表现出很强的化学极性，导致植物纤维在常规碳化时需要的碳化温度和反应时间都比较长。本发明的技术要点是在粉碎细化的植物秸秆中添加酶及塑化剂，通过酶及塑化剂使微细化的秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素等中大量的极性羟基和酚羟基官能团处于紊乱状态，能够有效的降低植物秸秆碳化温度，然后在缺氧条件下、300~400℃的流化床中连续高效碳化。实现了连续稳定的低温碳化制备秸秆生物炭，同时对秸秆碳化的副产品回收利用，为秸秆的高价值碳化利用提供了技术支持。进一步的，通过预先塑化处理的秸秆，在流化床连续碳化处理的过程中，较佳的使秸秆碳活化，具备普通活性炭的特性。

一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，与现有技术相比，其突出的额特点和优异的效果在于：

（1）通过预先没处理和塑化处理，使得植物秸秆碳化反应的温度降低，降低了能源消耗、节约的生物炭产品的成本。而且预先塑化处理后，在炭火过程中使得秸秆碳具备活性，具有普通活性炭的吸附特性，节省了碳高温活化处理的工艺。

（2）利用流化床实现了秸秆连续、高效碳化，植物秸秆完全碳化的时间更短，碳化更为完全，充分提高了生物炭产品的生产效率。

（3）本发明制备方法同时对秸秆碳化的副产品回收利用，为秸秆的高价值碳化利用提供了技术支持。适合于规模化制备秸秆碳，制备成本低，过程无污染。

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

一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其具体制备步骤如下：

步骤1：干燥，将植物秸秆脱水干燥，使秸秆含水量将至15%以下；

步骤2：粉碎细化，将步骤1中干燥完成的植物秸秆在粉碎机中粉碎至颗粒大小为5毫米左右；

步骤3：催化改性，将步骤2中经过干燥和粉碎细化后的植物秸秆放入反应釜中，再加入催化酶纤维素酶，加入的质量占植物秸秆质量的1%；加入塑化剂芥酸酰胺，加入的质量占植物秸秆质量的3%，并将混合物在25~40℃温度条件下充分搅拌2小时，得到塑化植物秸秆；

步骤4：低温碳化，将步骤经过步骤3处理的塑化植物秸秆以氮气高压送入流化床，在缺氧和300-400℃的高温条件下塑化植物秸秆快速碳化，并连续从流化床的出料口排除，得到秸秆生物炭；冷却后采用雷蒙磨机进行粉碎，经旋风分离器和袋滤器分级收集，然后送到成品库贮存；

步骤5：挥发份回收：在流化床设置排气阀，与冷凝器连接，将烟气中挥发性物质和水分冷凝出来，经冷凝后的烟气送到流化床燃烧热风炉继续燃烧，回收利用；冷凝液流入收集槽进行收集。

本实施例得到的秸秆碳具有普通市售活性炭的使用功能。将本发明秸秆碳与市售吸附活性炭进行红墨水溶液的静态吸附性能对比，在两个烧杯中装有500ml 的纯净水，并滴入10 滴红墨水，并在两个烧杯中分别加入体积为50ml 的市售活性炭和本发明秸秆碳，经过2小时的吸附，两个烧杯中的红色均消失，因此，本发明秸秆碳具有普通市售活性炭的吸附功能。

实施例2

一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其具体制备步骤如下：

步骤1：干燥，将植物秸秆脱水干燥，使秸秆含水量将至15%以下；

步骤2：粉碎细化，将步骤1中干燥完成的植物秸秆在粉碎机中粉碎至颗粒大小为5毫米左右；

步骤3：催化改性，将步骤2中经过干燥和粉碎细化后的植物秸秆放入反应釜中，再加入催化酶纤维素酶，加入的质量占植物秸秆质量的2%；加入塑化剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺 ，加入的质量占植物秸秆质量的5%，并将混合物在25~40℃温度条件下充分搅拌2小时，得到塑化植物秸秆；

步骤4：低温碳化，将步骤经过步骤3处理的塑化植物秸秆以氮气高压送入流化床，在缺氧和300-400℃的高温条件下塑化植物秸秆快速碳化，并连续从流化床的出料口排除，得到秸秆生物炭；冷却后采用雷蒙磨机进行粉碎，经旋风分离器和袋滤器分级收集，然后送到成品库贮存；

步骤5：挥发份回收：在流化床设置排气阀，与冷凝器连接，将烟气中挥发性物质和水分冷凝出来，经冷凝后的烟气送到流化床燃烧热风炉继续燃烧，回收利用；冷凝液流入收集槽进行收集。

实施例3

一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其具体制备步骤如下：

步骤1：干燥，将植物秸秆脱水干燥，使秸秆含水量将至15%以下；

步骤2：粉碎细化，将步骤1中干燥完成的植物秸秆在粉碎机中粉碎至颗粒大小为5毫米左右；

步骤3：催化改性，将步骤2中经过干燥和粉碎细化后的植物秸秆放入反应釜中，再加入催化酶纤维素酶，加入的质量占植物秸秆质量的3%；加入塑化剂乙烯基双硬脂酰胺，加入的的质量占植物秸秆质量的10%，并将混合物在25~40℃温度条件下充分搅拌2小时，得到塑化植物秸秆；

步骤4：低温碳化，将步骤经过步骤3处理的塑化植物秸秆以氮气高压送入流化床，在缺氧和300-400℃的高温条件下塑化植物秸秆快速碳化，并连续从流化床的出料口排除，得到秸秆生物炭；冷却后采用雷蒙磨机进行粉碎，经旋风分离器和袋滤器分级收集，然后送到成品库贮存；

步骤5：挥发份回收：在流化床设置排气阀，与冷凝器连接，将烟气中挥发性物质和水分冷凝出来，经冷凝后的烟气送到流化床燃烧热风炉继续燃烧，回收利用；冷凝液流入收集槽进行收集。

实施例4

一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其具体制备步骤如下：

步骤1：干燥，将植物秸秆脱水干燥，使秸秆含水量将至15%以下；

步骤2：粉碎细化，将步骤1中干燥完成的植物秸秆在粉碎机中粉碎至颗粒大小为5毫米左右；

步骤3：催化改性，将步骤2中经过干燥和粉碎细化后的植物秸秆放入反应釜中，再加入催化酶纤维素酶，加入的质量占植物秸秆质量的1%；加入塑化剂丙烯酰胺，加入的质量占植物秸秆质量的12%，并将混合物在25~40℃温度条件下充分搅拌2小时，得到塑化植物秸秆；

步骤4：低温碳化，将步骤经过步骤3处理的塑化植物秸秆以氮气高压送入流化床，在缺氧和300-400℃的高温条件下塑化植物秸秆快速碳化，并连续从流化床的出料口排除，得到秸秆生物炭；冷却后采用雷蒙磨机进行粉碎，经旋风分离器和袋滤器分级收集，然后送到成品库贮存；

步骤5：挥发份回收：在流化床设置排气阀，与冷凝器连接，将烟气中挥发性物质和水分冷凝出来，经冷凝后的烟气送到流化床燃烧热风炉继续燃烧，回收利用；冷凝液流入收集槽进行收集。

Claims (7)

1.一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其具体制备步骤如下：

步骤1：干燥，将植物秸秆脱水干燥，使秸秆含水量将至15%以下；

步骤2：粉碎细化，将步骤1中干燥完成的植物秸秆在粉碎机中粉碎至颗粒大小为5毫米左右；

步骤3：催化改性，将步骤2中经过干燥和粉碎细化后的植物秸秆放入反应釜中，再加入催化酶和塑化剂，并将混合物在25~40℃温度条件下充分搅拌2小时，得到塑化植物秸秆；

步骤4：低温碳化，将步骤经过步骤3处理的塑化植物秸秆以氮气高压送入流化床，在缺氧和300-400℃的高温条件下塑化植物秸秆快速碳化，并连续从流化床的出料口排除，得到秸秆生物炭；冷却后采用雷蒙磨机进行粉碎，经旋风分离器和袋滤器分级收集，然后送到成品库贮存；

步骤5：挥发份回收：在流化床设置排气阀，与冷凝器连接，将烟气中挥发性物质和水分冷凝出来，经冷凝后的烟气送到流化床燃烧热风炉继续燃烧，回收利用；冷凝液流入收集槽进行收集。

2.根据权利要求1所述一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其特征在于：步骤1中的干燥过程是在通风条件下进行的。

3.根据权利要求1所述一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其特征在于：步骤1中的干燥过程的温度低于80℃。

4.根据权利要求1所述一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其特征在于：步骤3中所述的催化酶为纤维素酶。

5.根据权利要求1所述一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其特征在于：步骤3中添加的催化酶的质量占植物秸秆质量的1%~3%。

6.根据权利要求1所述一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其特征在于：步骤3中所述的塑化剂为酰胺塑化剂。

7.根据权利要求1所述一种低温高效碳化制备秸秆生物炭的方法，其特征在于：步骤3中添加的塑化剂的质量占植物秸秆质量的3%~12%。