CN108946696A - 一种螺旋柱塞组合加工的生物炭及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物炭技术领域，更具体地，涉及一种螺旋柱塞组合加工的生物炭及其制备方法，包括一种由植物纤维、甘油、蔗糖和松脂制备的生物炭，该生物炭的制备方法如下：将植物纤维与甘油，蔗糖和松脂按比例混合均匀；再将混合物放入螺旋柱塞组合挤压纤维炭化装置中，进行炭化处理，得生物炭。本发明以农林废弃物为主要原材料，与甘油、松脂和蔗糖混合后，在螺旋柱塞组合挤压纤维炭化装置作用下压缩并炭化，实现了对农林废弃物的回收利用，且制备工艺简单。本发明提供的生物炭吸附性能好，性能稳定，能有效应用于污水净化，人畜粪便处理等领域，具有极高的推广价值。

Description

一种螺旋柱塞组合加工的生物炭及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物炭技术领域，更具体地，涉及一种螺旋柱塞组合加工的生物炭及其制备方法。
背景技术
我国作为一个农业大国，每年都会产生大量的秸秆、稻草等农林废弃物。然而，大量农林废弃物并没有得到有效利用，而是堆积在田间地头占据大量的土地资源，或者直接焚烧，产生大量温室气体，对大气环境造成较大的破坏。
生物炭是生物有机材料在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物。既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。在污水净化、人畜粪便处理等领域，我国每年需要大量高吸附性能的生物炭，而秸秆、稻草等农林废弃物是一种很好的生物炭材料来源。
因此，合理利用秸秆、稻草等农林废弃物资源制备高吸附性能并且性能稳定的生物炭材料具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中生物炭材料及制备技术的不足，提供一种螺旋柱塞组合加工的生物炭，该生物炭由秸秆、稻草等农林废弃物制成，具有良好的吸附性能，且质量稳定。
本发明要解决的另一技术问题是提供所述螺旋柱塞组合加工的生物炭的制备方法，该制备方法实现了对稻草、秸秆等农林废弃物的有效利用，且制备工艺简单，所得生物炭成品炭化程度高、吸附性能好。
本发明还要解决的技术问题是提供实现所述制备方法的装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种螺旋柱塞组合加工的生物炭，由以下组分制成：植物纤维、甘油、蔗糖和松脂，甘油质量为植物纤维质量的1～10％，蔗糖质量为植物纤维质量的1～10％，松脂质量为植物纤维质量的1～10％。
进一步地，甘油质量为植物纤维质量的3％，蔗糖质量为植物纤维质量的3％，松脂质量为植物纤维质量的3％。
本发明通过加入甘油和松脂，降低了生产过程中植物纤维与生产设备之间的摩擦阻力，有助于提高生产效率，同时还能促进植物纤维炭化成块，便于后续使用。此外，甘油和松脂炭化后，能够提高生物炭吸附分子级物质的吸附能力。蔗糖的加入能够促进纤维炭化后的粘结成块，也能够提高生物炭对分子、离子级盐、微生物等的吸附作用。
进一步地，所述植物纤维为稻草纤维，秸秆纤维或芦苇纤维的一种或几种；所述植物纤维长度小于2mm，含水率为3～5％。
本发明还提供所述螺旋柱塞组合加工的生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1.将植物纤维先粉碎后再干燥；
S2.将步骤S1中处理好的植物纤维与甘油，蔗糖和松脂按比例混合均匀；
S3.将步骤S2中得到的混合物放入螺旋柱塞组合炭化装置中，进行炭化处理，得生物炭。
进一步地，步骤S1中植物纤维为稻草纤维，秸秆纤维和芦苇纤维的一种或几种。
优选的，植物纤维粉碎后，长度小于2mm，干燥方式为烘干，烘干后纤维含水率为3～5％。
本发明所用的植物纤维的含水率要严格控制在3～5％之间，如果含水率过高，则纤维在炭化过程中会产生大量的水蒸气，影响炭化处理效率和质量，同时还会影响设备的使用寿命。如果含水率过低，则纤维加料、输送难度增加，影响生产效率；同时植物纤维在炭化过程中缺少水蒸气的保护，容易燃烧。
在本发明中，炭化过程受多方面因素影响，炭化处理的温度，压力，时间都会影响生物炭成品的性能。
进一步的，步骤S3中炭化处理的工艺为：温度为200～400℃，压力为5～20MPa，时间为30～180分钟。
优选的，步骤S3中炭化处理的工艺为：温度为280～350℃，压力为10～15MPa，时间为90～180分钟。
本发明还提供实现所述制备方法的螺旋柱塞组合炭化装置，螺旋柱塞组合炭化装置呈“T”字型，包括螺旋挤压机和柱塞炭化炉；“T”字型的竖向部分为螺旋挤压机，“T”字型的横向部分为柱塞炭化炉；螺旋挤压机和柱塞炭化炉相互连通；
螺旋挤压机包括有驱动装置，螺杆和料筒，驱动电机位于料筒一端，驱动电机与螺杆连接，螺杆位于料筒内与料筒间隙配合，料筒上装有料斗；
所述柱塞炭化炉的两端分别装有活塞一和活塞二，所述活塞一和活塞二分别与伸缩驱动装置连接，所述柱塞炭化炉上装有加热装置。
进一步地，螺杆与料筒的间隙为0.1～1mm，螺杆上设有螺槽，螺槽深度为螺杆直径的0.1～0.3倍，螺杆上螺距为螺杆直径的1～4倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的生物炭吸附性能好，性能稳定，能有效应用于污水净化，人畜粪便处理等领域，具有极高的推广价值。吸附后的生物炭经干燥除臭处理后，能作为有机肥用于生态有机农业，
本发明以农林废弃物为主要原材料，与甘油、松脂和蔗糖混合后，在螺旋柱塞组合炭化装置作用下压缩并炭化，实现了对农林废弃物的回收利用，且制备工艺简单。
本发明使用螺旋柱塞组合炭化装置对植物纤维进行加工，边压缩边进行炭化，工艺简单，生产效率高，且对环境无不良影响。
附图说明
图1为螺旋柱塞组合炭化装置结构示意图。
其中，1为驱动装置，2为螺杆，3为料筒，4为料斗，5为植物纤维，6为伸缩驱动装置一，7为活塞一，8为炭化炉，9为生物炭，10为加热装置，11为活塞二，12为伸缩驱动装置二，13为单向阀。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种螺旋柱塞组合炭化装置，炭化装置呈“T”字型，包括螺旋挤压机和柱塞炭化炉；“T”字型的竖向部分为螺旋挤压机，“T”字型的横向部分为柱塞炭化炉；螺旋挤压机和柱塞炭化炉相互连通；
螺旋挤压机包括驱动装置1、螺杆2和料筒3；其中驱动装置1与螺杆2连接，能够带动螺杆2转动；螺杆2位于料筒3内部，并与料筒3间隙配合，两者间隙为0.1～1mm；螺杆2设有螺槽，螺槽深度为螺杆直径的0.1～0.3倍，螺杆2的螺距为螺杆2直径的1～4倍。本实施例优选驱动装置1为驱动电机，螺杆2与料筒3间隙为0.8mm，螺杆2直径为50mm，螺杆上的螺槽深度为5mm，螺杆2的螺距为60mm。料筒3上还设有料斗4，用于投放植物纤维等原材料。
柱塞炭化炉两端分别装有活塞一和活塞二，活塞一7和活塞二11均能在炭化炉8内部滑动，活塞一和活塞二分别与伸缩驱动装置一6和伸缩驱动装置二12连接。伸缩驱动装置可以为气缸或者液压缸中的任意一种，本实施例采用压力更大的液压缸。在活塞二11上安装有单向阀13，能帮助排出炭化炉8内气体。
柱塞炭化炉8下部装有加热装置10，加热装置10安装在炭化炉外壁上靠近底部活塞11的一端。加热装置10可以为电阻丝加热、红外加热或电磁加热中任意一种，本实施例中优选为电阻丝加热。
本实施例提供的炭化装置用于将植物纤维原材料加工成生物炭材料，其工作过程如下：先将植物纤维从料斗投入，使其进入料筒与螺杆之间，开启驱动电机，带动螺杆转动。在螺杆的作用下，植物纤维一边被挤压一边向前输送至炭化炉。当植物纤维全部进入炭化炉后，伸缩驱动装置一启动，带动活塞一向下运动，将纤维压向炭化炉的下部分。一方面将纤维压缩成块，另一方面，对炭化炉内空气进行压缩调整炉内压强。随后启动加热装置，对炭化炉进行加热，炭化过程中产生的气体从单向阀排出。炭化结束后，伸缩驱动装置一卸压，伸缩驱动装置二启动，带动活塞二向下运动，将炉内成品退出炭化炉，得生物炭制品。在炭化过程中，炭化炉内温度为200～400℃，压强为5～20MPa，炭化时间为30～180分钟。
实施例2
本实施例提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，具体步骤如下：
S1.将稻草纤维破碎至长度为1mm，然后进行烘干处理，烘干至植物纤维的含水率为3％；
S2.取100kg步骤S1中处理好的稻草纤维，加入3kg甘油、3kg松脂和3kg蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2中混合好的物料加入实施例1所述螺旋柱塞组合炭化装置中，在温度为350℃，压力为15MPa的条件下，炭化处理180分钟后，得生物炭制品。
实施例3
本实施例提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，具体步骤如下：
S1.将秸秆纤维破碎至长度为1mm，然后进行烘干处理，烘干至植物纤维的含水率为3％；
S2.取100kg步骤S1中处理好的秸秆纤维，加入2kg甘油、2kg松脂和2kg蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2中混合好的物料加入实施例1所述螺旋柱塞组合炭化装置中，在温度为350℃，压力为15MPa的条件下，炭化处理180分钟后，得生物炭制品。
实施例4
本实施例提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，具体步骤如下：
S1.将芦苇纤维破碎至长度为1mm，然后进行烘干处理，烘干至植物纤维的含水率为4％；
S2.取100kg步骤S1中处理好的秸秆纤维，加入1kg甘油、1kg松脂和1kg蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2中混合好的物料加入实施例1所述螺旋柱塞组合炭化装置中，在温度为350℃，压力为15MPa的条件下，炭化处理180分钟后，得生物炭制品。
实施例5
本实施例提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，具体步骤如下：
S1.将稻草纤维破碎至长度为1.5mm，然后进行烘干处理，烘干至植物纤维的含水率为4％；
S2.取100kg步骤S1中处理好的稻草纤维，加入3kg甘油、3kg松脂和3kg蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2中混合好的物料加入实施例1所述螺旋柱塞组合炭化装置中，在温度为280℃，压力为10MPa的条件下，炭化处理180分钟后，得生物炭制品。
实施例6
本实施例提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，具体步骤如下：
S1.将稻草纤维破碎至长度为1.5mm，然后进行烘干处理，烘干至植物纤维的含水率为5％；
S2.取100kg步骤S1中处理好的稻草纤维，加入3kg甘油、3kg松脂和3kg蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2中混合好的物料加入实施例1所述螺旋柱塞组合炭化装置中，在温度为200℃，压力为10MPa的条件下，炭化处理180分钟后，得生物炭制品。
实施例7
本实施例提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，具体步骤如下：
S1.将稻草纤维破碎至长度为1.5mm，然后进行烘干处理，烘干至植物纤维的含水率为3％；
S2.取100kg步骤S1中处理好的稻草纤维，加入5kg甘油、5kg松脂和5kg蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2中混合好的物料加入实施例1所述螺旋柱塞组合炭化装置中，在温度为200℃，压力为5MPa的条件下，炭化处理90分钟后，得生物炭制品。
实施例8
本实施例提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，具体步骤如下：
S1.将稻草纤维破碎至长度为1.5mm，然后进行烘干处理，烘干至植物纤维的含水率为3％；
S2.取100kg步骤S1中处理好的稻草纤维，加入10kg甘油、10kg松脂和10kg蔗糖，混合均匀；
S3.将步骤S2中混合好的物料加入实施例1所述螺旋柱塞组合炭化装置中，在温度为400℃，压力为5MPa的条件下，炭化处理30分钟后，得生物炭制品。
对比例1
本对比例参照实施例2的操作步骤，提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S1中，植物纤维的含水率为1％。
对比例2
本对比例参照实施例2的操作步骤，提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S1中，植物纤维的含水率为8％。
对比例3
本对比例参照实施例2的操作步骤，提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S2中，未加入甘油和松脂。
对比例4
本对比例参照实施例2的操作步骤，提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S2中，未加入蔗糖。
对比例5
本对比例参照实施例2的操作步骤，提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S3中，炭化处理的温度为150℃。
对比例6
本对比例参照实施例2的操作步骤，提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S3中，炭化处理的温度为500℃。
对比例7
本对比例参照实施例2的操作步骤，提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S3中，炭化处理的压力为2MPa。
对比例8
本对比例参照实施例2的操作步骤，提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S3中，炭化处理的压力为25MPa。
对比例9
本对比例参照实施例2的操作步骤，提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S3中，炭化处理的时间为20min。
对比例10
本对比例参照实施例2的操作步骤，提供一种螺旋柱塞组合加工生物炭的方法，与实施例2的不同之处在于：步骤S3中，炭化处理的压力为200min。
实施例2～8及对比例1～10的制品的各项性能如表1所示。
表1
通过对比例1和对比例2分析可知，对比例1和对比例2制备的生物炭吸附性能有所下降。其原因如下：对比例1中植物纤维含水率过低，会增加生产过程中纤维加料、输送的难度，且纤维在炭化过程中缺少水蒸气的保护，容易燃烧；对比例2中植物纤维含水率过高，纤维在炭化过程中产生大量水蒸气，影响炭化效率和质量，同时会影响设备的使用寿命。
通过对比例3和对比例4分析可知，对比例3和对比例4制备的生物炭吸附性能有所下降。其原因如下：对比例3中未加入甘油和松脂，而实施例中甘油和松脂炭化后，能够提高生物炭吸附分子级物质的吸附能力；对比例4未加入蔗糖，而实施例中加入蔗糖后能够提高生物炭对分子、离子级盐、微生物等的吸附作用。
通过对比例5～10分析可知，上述对比例制备的生物炭吸附性能都有所下降。其原因如下：本发明炭化处理工程中，炭化过程受多方面因素的影响，炭化处理的温度，时间和压力都会影响到生物炭的性能。如果压力太小，生物炭不成块，而且内部空气多，导致生物炭力学性能不好；如果压力太大，则生物炭的密度太多，导致吸附性能下降。而且在炭化处理时，炭化温度和炭化时间要相匹配。温度高时，炭化时间可以缩短，但如果温度过高，则可能造成纤维内部温度不均匀，导致炭化不均匀等现象，温度太低，则炭化速度太低，而且容易造成炭化夹生的现象，影响生物炭的吸附性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺旋柱塞组合加工的生物炭，其特征在于，所述生物炭由以下组分制成：植物纤维、甘油、蔗糖和松脂，所述甘油质量为植物纤维质量的1~10%，所述蔗糖质量为植物纤维质量的1~10%，所述松脂质量为植物纤维质量的1~10%。
2.根据权利要求1所述的螺旋柱塞组合加工的生物炭，其特征在于，所述甘油质量为植物纤维质量的3%，所述蔗糖质量为植物纤维质量的3%，所述松脂质量为植物纤维质量的3%。
3.根据权利要求1或2所述的螺旋柱塞组合加工的生物炭，其特征在于，所述植物纤维为稻草纤维，秸秆纤维或芦苇纤维的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的螺旋柱塞组合加工的生物炭，其特征在于，所述植物纤维长度小于2mm，含水率为3~5%。
5.权利要求1~4任意一项所述螺旋柱塞组合加工的生物炭的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将植物纤维先粉碎后再干燥；
S2.将步骤S1中处理好的植物纤维与甘油，蔗糖和松脂按比例混合均匀；
S3.将步骤S2中得到的混合物放入螺旋柱塞组合炭化装置中，进行炭化处理，得生物炭。
6.根据权利要求5所述螺旋柱塞组合加工的生物炭的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述植物纤维为稻草纤维，秸秆纤维和芦苇纤维的一种或几种。
7.根据权利要求5所述螺旋柱塞组合加工的生物炭的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述植物纤维粉碎后长度小于2mm，所述植物纤维干燥方式为烘干，植物纤维干燥后，含水率为3~5%。
8.根据权利要求5所述螺旋柱塞组合加工的生物炭的制备方法，其特征在于：步骤S3中炭化处理的工艺为：温度为200~400℃，压力为5~20MPa，时间为30~180分钟。
9.一种实现权利要求5所述的制备方法的螺旋柱塞组合炭化装置，其特征在于：所述螺旋柱塞组合炭化装置呈“T”字型，所述炭化装置包括螺旋挤压机和柱塞炭化炉；所述“T”字型的竖向部分为螺旋挤压机，所述“T”字型的横向部分为柱塞炭化炉；所述螺旋挤压机和柱塞炭化炉相互连通；
所述螺旋挤压机包括有驱动装置，螺杆和料筒，所述驱动电机位于料筒一端，所述驱动电机与螺杆连接，所述螺杆位于料筒内与料筒间隙配合，所述料筒上装有料斗；
所述柱塞炭化炉的两端分别装有活塞一和活塞二，所述活塞一和活塞二分别与伸缩驱动装置连接，所述柱塞炭化炉上装有加热装置。
10.根据权利要求9所述的螺旋柱塞组合炭化装置，其特征在于：所述螺杆与料筒的间隙为0.1~1mm，所述螺杆上设有螺槽，螺槽深度为螺杆直径的0.1~0.3倍，所述螺杆上螺距为螺杆直径的1~4倍。
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