CN107586220B

CN107586220B - 一种生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法

Info

Publication number: CN107586220B
Application number: CN201710624853.6A
Authority: CN
Inventors: 王明峰; 蒋恩臣; 任永志; 吕娟; 许细薇; 钟旋; 吴宇健
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: CN107586220A

Abstract

本发明公开一种生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法。该方法包括如下步骤：原料配备；生物炭与尿素熔融渗透；快速冷却成肥；主要成肥工艺在于尿素粉末与生物炭粉末预热，控制二者体系温度达到尿素熔融温度，实现尿素熔液和生物炭粉末的完全渗透融合，最后经过冷却获得生物炭基尿素肥料。该方法能够适应不同生物炭种类、配比易于调整和控制、炭肥成型率高、机械强度适中、稳定性高、易于与现有尿素生产工艺结合实现原位成型，具有一定的推广应用工业基础，前景广阔。本发明在制备过程中能够很好的与现有的尿素成型装置原位结合，成型时间短，效率高，成型后所获得的产品含水率小，所制得产品粒径可方便调控，产品强度均在50N以上。

Description

一种生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法

技术领域

本发明属于生物质资源化利用领域/肥料技术领域，尤其涉及一种生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法。

背景技术

我国是化肥的消费大国，施用总量接近世界总量的1/3，但利用效率仅为33％，每年仅在粮食和蔬菜作物上施用的氮肥就约有17.4万吨直接流失掉，过量和不合理地施用化肥所带来的养分流失已经成为现阶段中国农业面源污染最主要的来源之一。生物炭的孔隙结构发达、比表面积大且含氧活性基团丰富，与农业化肥一起施用，不仅能通过自身对肥料的固持作用提高肥料的利用效率，改善作物营养，提高产量和品质，肥料释放后，残留于土壤的生物炭还具有土壤改良、固碳减排等积极作用。因此将生物炭与农业化肥结合制备生物炭肥对我国的农业发展具有重大意义。

专利号CN105753546A公开了一种生物炭肥及其制备方法，其是采用如下步骤的生产方法制成的：(1)按照生物炭60～80、复合肥20～50、添加剂15～25的比例称量原料，并将所述原料混合均匀得到混合料1；(2)以高猛酸盐为处理剂，将高猛酸盐和水按固液比为1:20～30得到混合液，再将步骤(1)中所得的混合料1放入混合液中浸渍，其中混合料1和高猛酸盐的质量比为2～4:1，浸渍处理时间为4～8h，得到混合液2；(3)将所述混合料2送入到裂解设备中，升温至250～270℃，保持该温度12～15min，然后在5min内升温至460～480℃，并保持3～4h，然后在3min内急冷至150～180℃，保持改温度30～50min，自然冷却得到产品。上述方法所得生物炭肥可钝化土壤中的重金属，提高土壤微生物活力，且生物炭较大的比表面积提高了土壤的有机质含量。

专利号CN106316673A还公开了一种生物炭肥及其制备方法和应用，其原料比例分别是生物炭粉10％～50％，复合肥20％～70％，助剂5％～30％，首先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。上述所得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。

目前，生物炭肥主要沿用了有机肥的制备方法，而生物炭肥制备的本质是生物炭与化肥的结合过程，其制备应以原料的物性特点为基础展开，由于生物炭基本无粘结性，与化肥结合困难、强度低。相较生物炭而言，化肥的性质更加单一且易于调控。

发明内容

为了克服目前生物质炭肥强度低，与化肥结合困难的问题，本发明的目的在于提供一种生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法。该方法是一种采用生物质炭与熔融尿素异相渗融结合的制肥工艺，生产能够适应不同生物炭种类、配比易于调整和控制、炭肥成型率高、机械强度适中、稳定性高、易于与现有尿素生产工艺结合实现原位成型，具有一定的推广应用工业基础，前景广阔的生物炭基尿素肥料。

本发明的另一目的在于提供一种生物炭基尿素肥料。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法，包括如下步骤：

1)原料配备；2)生物炭与尿素熔融渗透；3)快速冷却成肥；主要成肥工艺在于尿素粉末与生物炭粉末预热，控制二者体系温度达到尿素熔融温度，实现尿素熔液和生物炭粉末的完全渗透融合，最后经过冷却获得生物炭基尿素肥料；

具体包括如下步骤：

1)原料配备，包括生物炭颗粒和尿素两种原料的粉碎，得到生物炭粉末和尿素粉末，并利用掺混的方式将粉碎后的两种原料以一定比例均匀混合；

2)生物炭与尿素熔融渗透是将配备的原料装入成肥管内预热一段时间后再将体系温度升高至一定温度进行尿素熔融，尿素熔融后液体以静态渗透的方式与生物炭粉结合，待尿素熔融液与生物炭充分浸润，结束过程；

或者，

A)原料配备，包括生物炭颗粒和尿素两种原料的粉碎，得到生物炭粉末和尿素粉末；

B)生物炭与尿素熔融渗透是将配备的尿素粉末装入成肥管内预热一段时间后再将体系温度升高至一定温度进行尿素熔融，尿素熔融后液体以静态渗透的方式与生物炭粉末结合，待尿素熔融液与生物炭充分浸润，结束过程；

3)快速冷却成肥是将熔尿素融渗透后的生物炭肥在一定温度下快速冷却，使其固化成型，然后将生物炭基尿素肥排出成肥管，最终获得不同粒径大小的生物炭基尿素肥料。

特别地，本方法也保护将尿素替代为硝酸铵、碳酸氢铵、磷酸一铵和磷酸二氢钾等中的至少一种的其他可熔融性肥料与生物炭的渗融成肥。

所述的生物炭粉末是将稻壳原料置于连续热解炭化装置中高温热解炭化后使其粒径大小≤0.25mm；优选为≤0.18mm；更有选为0.075～0.18mm；

所述的尿素粉末的粒径大小≤0.5mm；

进一步地，作为本发明的优选，所述的生物炭粉末与尿素粉末配比为(0.1～1.5)：1；优选为(0.67～1.5)：1，更优选为1：1、1.5：1、0.67：1，最优选为0.67：1。

所述的预热的条件为130～135℃预热5～10min；

所述的尿素熔融的温度为135℃～155℃；

所述的冷却介质为冷空气，其温度≤40℃；

所述的不同粒径大小的生物炭基尿素肥料的外形为圆柱形状，颗粒直径大小通过调节成肥管直径来控制，颗粒长度由冷却出肥后切段装置控制。

所述的成肥管的直径优选为6～12mm；更优选为8～12mm。

一种生物炭基尿素肥料，通过上述方法制备得到。

本发明的一种生物炭基尿素肥料，其生物炭是以农作物稻壳为原料组分，价格低廉，来源易得，且利用两段式连续热解炭化方式提升了了生物炭炭化性能，炭化效果好，炭得率在30％以上。本发明生物炭基尿素肥料采用熔融尿素与生物炭粉渗透融合的方式成型，不仅能与尿素的生产方式原位结合，还能提高生物炭肥的抗压强度，适应包装、运输的强度要求，前景广阔，具有推广应用价值。

本发明的机理是：

本发明利用尿素熔融后流动性好的特点，通过生物炭与熔融尿素渗融成型的方法制备生物炭肥，不仅能够适应不同种类的生物炭，同时炭肥配比易于调整和控制，炭肥成型率高、机械强度大、稳定性高，易于与现有尿素生产工艺结合实现原位成型，具有一定的工业基础，应用前景广阔。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

(1)本发明的制备方法中，生物炭原料在连续热解炭化装置中采用两步法，经过连续热解器炭化(500℃)-炭箱保温(700℃)处理后获得稻壳生物炭原料，采用两步法有效提高了原料的热解速率以及保证生物炭的炭化质量。本发明生物炭基尿素肥料主要通过尿素熔液与生物炭粉末渗透融合的方式成型，尿素熔液渗透均匀能与生物炭粉末紧密结合，冷却从而获得表面平整、成型强度大的生物炭基尿素肥料。本发明在制备过程中能够很好的与现有的尿素成型装置原位结合，成型时间短，效率高，成型后所获得的产品含水率小，所制得产品粒径可方便调控，产品强度均在50N以上。

(2)本发明制备的生物炭基尿素肥料可在较大的生物炭和尿素配比范围内成肥并释放，以满足不同作物的用肥需求。本发明成肥工艺简单，易于与现有尿素生产工艺结合实现原位成型，能够适应不同的生物炭和炭肥比，炭肥成型率高、机械强度大、具有缓释性，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明生物炭基尿素肥料制备工艺流程图。

图2是实施例5制备所得不同粒径大小的生物炭基尿素肥料淋溶释放曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本实例提供了一种基于渗透融合的生物炭基尿素肥料，以下是通过调节不同反应温度、生物炭粉粒径、成肥管管径以及生物炭粉/尿素质量比例获得的生物炭基尿素肥料。

生物炭基尿素肥料制备工艺流程图，如图1所示。

实施例1

称取粒径为0.075～0.1mm的生物炭粉0.3g，尿素粉末0.2g(比例为1.5:1)依次加入管径为8mm，下底封闭的成肥管内，轻敲成肥管使生物炭粉与尿素均匀接触，然后将成肥管转移到真空烘箱，调节温度至135℃，预热5min后将温度分别升高至140℃、145℃、150℃和155℃，分别反应30、25、20、15min后取出，在25℃的空气作用下冷却5s取出，即获得不同熔融反应温度的生物炭基尿素肥料。

将上述生物炭基尿素肥料作抗压强度测试，抗压强度分别为72.91N，207.5N，98.45N和86.67N。

实施例2

称取粒径大小分别为0.125～0.18mm，0.10～0.125mm和0.075～0.1mm的生物炭粉0.3g，尿素粉末0.2g(比例为1.5:1)依次加入成肥管管径为8mm，下底封闭的成肥管内，轻敲成肥管使生物炭粉与尿素均匀接触，然后将成肥管转移到真空烘箱，调节温度至135℃，预热5min后将温度分别升高至155℃，反应15min后取出，在25℃的空气作用下冷却5s取出，即获得不同生物炭粉粒径的生物炭基尿素肥料。

将上述生物炭基尿素肥料作抗压强度测试，抗压强度分别为73.23N，93.52N和86.67N。

实施例3

分别称取粒径为0.075～0.1mm的生物炭粉0.3g，尿素粉末0.2g(比例为1.5:1)依次加入管径分别为6mm、8mm、10mm、12mm，下底封闭的成肥管内，轻敲成肥管使生物炭粉与尿素均匀接触，然后将成肥管转移到真空烘箱，调节温度至135℃，预热5min后将温度分别升高至155℃，反应15min后取出，在25℃的空气作用下冷却5s取出，即获得不同颗粒直径大小的生物炭基尿素肥料。

将上述生物炭基尿素肥料作抗压强度测试，抗压强度分别为55.61N，86.67N，97.47N和89.75N。

实施例4

称取粒径为0.075～0.1mm的生物炭粉0.3g、0.3g、0.2g，尿素粉末0.2g(比例为1.5:1)、0.3g(比例为1:1)、0.3g(比例为0.67：1)依次加入管径为8mm，下底封闭的成肥管内，轻敲成肥管使生物炭粉与尿素均匀接触，然后将成肥管转移到真空烘箱，调节温度至135℃，预热5min后将温度分别升高至155℃，反应25min后取出，在25℃的空气作用下冷却5s取出，即获得不同生物炭/尿素配比的生物炭基尿素肥料。

将上述生物炭基尿素肥料作抗压强度测试，抗压强度分别为86.67N，186.81N和238.62N。

实施例5

将所得生物炭基尿素肥料按照国标GBT 23348-2009开展淋溶实验，测试肥料的释放性能，测试结果如图2所示，从图中可以看出，纯尿素的首次淋溶释放率大约为70％，且第二次淋溶后就已经完全释放了，而生物炭基尿素肥料有效的降低了肥料的首次淋溶释放率，当颗粒直径为d＝10mm的时候，首次淋溶释放率仅为15％，且所有的生物炭基尿素肥料的释放期可以延长到第5天才达到释放饱和期，且在生物炭的吸附作用下没有达到完全释放，证明本发明所制备的生物炭基尿素肥料具备良好的缓释性。

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，同时保护所有的生物炭与肥料如氮肥、磷肥、复合肥的熔融、冷却成型制肥方法。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。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法，其特征在于包括如下步骤：

1）原料配备；2）生物炭与尿素熔融渗透；3）快速冷却成肥；主要成肥工艺在于尿素粉末与生物炭粉末预热，控制二者体系温度达到尿素熔融温度，实现尿素熔液和生物炭粉末的完全渗透融合，最后经过冷却获得生物炭基尿素肥料；

所述的生物炭粉末与尿素粉末配比为（0.67～1.5）：1；

所述的尿素熔融的温度为135℃～155℃；

具体包括如下步骤：

1）原料配备，包括生物炭颗粒和尿素两种原料的粉碎，得到生物炭粉末和尿素粉末，并利用掺混的方式将粉碎后的两种原料以一定比例均匀混合；

2）生物炭与尿素熔融渗透是将配备的原料装入成肥管内预热一段时间后再将体系温度升高至一定温度进行尿素熔融，尿素熔融后液体以静态渗透的方式与生物炭粉结合，待尿素熔融液与生物炭充分浸润，结束过程；

或者，

A）原料配备，包括生物炭颗粒和尿素两种原料的粉碎，得到生物炭粉末和尿素粉末；

B）生物炭与尿素熔融渗透是将配备的尿素粉末装入成肥管内预热一段时间后再将体系温度升高至一定温度进行尿素熔融，尿素熔融后液体以静态渗透的方式与生物炭粉末结合，待尿素熔融液与生物炭充分浸润，结束过程；

3）快速冷却成肥是将尿素熔融渗透后的生物炭肥在一定温度下快速冷却，使其固化成型，然后将生物炭基尿素肥排出成肥管，最终获得不同粒径大小的生物炭基尿素肥料；

所述的生物炭粉末是将稻壳原料置于连续热解炭化装置中高温热解炭化后使其粒径大小≤0.25mm；

在连续热解炭化装置中采用两步法，经过连续热解器500℃炭化-700℃炭箱保温处理后获得稻壳生物炭原料。

2.根据权利要求1所述的生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法，其特征在于：

所述的生物炭粉末的粒径大小≤0.18mm。

3.根据权利要求1所述的生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法，其特征在于：

所述的尿素粉末的粒径大小≤0.5mm。

4.根据权利要求1所述的生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法，其特征在于：

所述的生物炭粉末与尿素粉末配比为1：1、1.5：1或0.67：1。

5.根据权利要求1所述的生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法，其特征在于：

所述的预热的条件为130～135℃预热5～10min。

6.根据权利要求1所述的生物炭基尿素肥料的渗透融合成肥方法，其特征在于：

所述的成肥管的直径为6～12mm。

7.一种生物炭基尿素肥料，其特征在于通过权利要求1～6任一项所述的方法制备得到。