CN110016355A - 一种生物质炭化的方法及利用该方法制得的土壤改良剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物质炭化技术领域，公开了一种生物质炭化的方法及利用该方法制得的土壤改良剂，所述方法将秸秆颗粒与凹凸棒土于250～450℃下共炭化，利用凹凸棒土具有丰富的纳米孔结构及微量元素等特殊结构，使其表面形成丰富的活性中心，可以降低秸秆热解气反应表观活化能，促进初级热解的高分子气体继续裂解反应，从而降低大分子液相产物，而提高小分子不凝气的产量。本发明的方法可以降低炭化反应温度，减小生物油中氧含量，并可以得到了部分蜡状物质，提高了生物油的稳定性，同时避免了炭化设备及其管路被堵塞等现象发生，延长了设备使用寿命。

Description

一种生物质炭化的方法及利用该方法制得的土壤改良剂
技术领域
本发明涉及生物质炭化技术领域，具体涉及一种生物质炭化的方法及利用该方法制得的土壤改良剂。
背景技术
生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。生物质作为储存生物质能的载体，种类多且储量丰富。目前，可大规模开发利用的生物质主要指农业和林业废料，如稻谷、秸秆等。随着世界经济的不断发展，化石能源大量消耗导致的资源短缺和环境污染问题日益突出。近年来，生物质的开发和利用已引起世界各国研究者的高度重视。生物质的热化学转化可将较低品位的生物质能通过热化学反应向高品位能源转化，主要包括炭化、热电联产及气化等技术。
生物质炭化主要基于纤维素、半纤维素及木质素在完全缺氧或限氧条件下进行热解反应，最终得到生物质炭、液相产物及不凝气产物。如现有技术中利用农作物秸秆制备生物质炭时一般采用将农作物秸秆依次进行粉碎和干燥，制得生物质颗粒，然后在限氧下，于超过500℃的高温条件下进行热裂解反应。然而，加热至如此高的温度势必需要消耗大量的能源，经济性不高，并且在该炭化条件下，秸秆气中大分子含量高，容易凝结且粘度比较大，液相产物含氧量高，凝结的液体在高温下会发生缩聚反应，逐渐堵塞管道，影响工艺装备平稳长周期运行。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的生物质炭化能耗高，液相秸秆油收率高且含氧量高，秸秆油不稳定，会发生缩合反应而导致管道堵塞，从而提供一种生物质炭化的方法；同时，本发明还提供了一种利用该方法制得的土壤改良剂。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种生物质炭化的方法，包括如下步骤：
(1)向秸秆料中加入不超过占其质量25％的非金属矿物质，混合均匀；
(2)密闭限氧下，将上述混合物于250～450℃下进行炭化，得到固体物质和秸秆气。
进一步地，所述秸秆料为秸秆碎屑或秸秆颗粒。
进一步地，所述非金属矿物质为凹凸棒土。
进一步地，步骤(1)中，所述非金属矿物质的加入量不超过所述秸秆料质量的10％。
进一步地，所述炭化的温度为400～430℃，时间为1～2h。
进一步地，所述限氧为向所述炭化的反应体系中通入惰性气体至反应体系内的氧含量不大于3％。
进一步地，还包括：对所述秸秆气进行冷凝，得到液相产物及不凝气的步骤；所述液相产物包括秸秆油和木醋液。
进一步地，所述秸秆油包括密度小于1g/mL的蜡状物质。
本发明还提供了一种土壤改良剂，其通过将根据上述方法得到的木醋液喷淋在根据上述方法得到的固体物质上的方式得到。
本发明的技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的生物质炭化的方法，将秸秆颗粒与凹凸棒土于250～450℃下共炭化，利用凹凸棒土具有丰富的纳米孔结构及微量元等特殊结构，使其表面形成丰富的活性中心，可以降低秸秆气反应表观活化能，促进初级热解的高分子秸秆气继续裂解反应，从而降低大分子液相产物，而提高小分子不凝气的产量。本发明的方法可以降低炭化温度，提升了秸秆油化学稳定性，降低了秸秆油中含氧基团的含量，并得到了蜡状物质，同时避免了热解设备及其管路被堵塞、腐蚀等现象发生，延长了设备使用寿命。
2.本发明提供的土壤改良剂，将木醋液喷淋在所述固体物质上，利用固体物质中的凹凸棒土具有高比表面积极高孔隙率等结构性质，将喷淋在其表面的木醋液吸收，增加了固体物质中的有机质种类及含量；同时，固体物质中钙镁等矿物质与木醋液中醋酸发生反应，转化为植物可以吸收的营养元素。本发明的土壤改良剂由于凹凸棒土的多孔道纳米结构而具有强大的吸附性，可以控制和固定土壤中的养分，具有保肥保水和缓释能力，可长期有效发挥肥效，能减少营养元素损耗，平衡调节土壤养分，提高肥料利用率，能防止土壤养分流失和贫瘠化；同时，其吸附有木醋液，可提供植物吸收利用的各种有机养分等，长期使用本发明的土壤改良剂可涵养土地、培肥地力、提高有机质含量，使作物健康生长，农产品品质提高，经济效益随之提高，为农业可持续发展开辟出新路。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供了一种生物质炭化的方法，包括如下步骤：
(1)分别称取5.82kg稻壳颗粒、0.18kg凹凸棒土，混合均匀，干燥，得混合物颗粒；
(2)将上述混合物颗粒置于炭化炉中，通入氮气至炭化炉中氧含量不大于3％，加热至350℃，将所述混合物颗粒在该温度下炭化1.0h，得到固体物质和秸秆气；
(3)对上述秸秆气进行冷凝，得到液相产物和不凝气，所述液相产物包括秸秆油和木醋液。
实施例2
本实施例提供了一种生物质炭化的方法，包括如下步骤：
(1)分别称取5.7kg稻壳碎屑、0.3kg凹凸棒土，混合均匀，干燥，得混合物颗粒；
(2)将上述混合物颗粒置于炭化炉中，通入氮气至炭化炉中氧含量不大于3％，加热至450℃，将所述混合物颗粒在该温度下炭化1.0h，得到固体物质和秸秆气；
(3)对上述秸秆气进行冷凝，得到液相产物和不凝气，所述液相产物包括秸秆油和木醋液。
实施例3
本实施例提供了一种生物质炭化的方法，包括如下步骤：
(1)分别称取5.4kg稻壳颗粒、0.6kg凹凸棒土，混合均匀，干燥，得混合物颗粒；
(2)将上述混合物颗粒置于炭化炉中，通入氮气至炭化炉中氧含量不大于3％，加热至430℃，将所述混合物颗粒在该温度下炭化1.0h，得到固体物质和秸秆气；
(3)对上述秸秆气进行冷凝，得到液相产物和不凝气，所述液相产物包括秸秆油和木醋液。
实施例4
本实施例提供了一种生物质炭化的方法，包括如下步骤：
(1)分别称取4.8kg稻壳颗粒、1.2kg凹凸棒土，混合均匀，干燥，得混合物颗粒；
(2)将上述混合物颗粒置于炭化炉中，通入氮气至炭化炉中氧含量不大于3％，加热至400℃，将所述混合物颗粒在该温度下炭化1.0h，得到固体物质和秸秆气；
(3)对上述秸秆气进行冷凝，得到液相产物和不凝气，所述液相产物包括秸秆油和木醋液。
对比例1
本对比例提供了一种生物质炭化的方法，包括如下步骤：
(1)称取6.0kg稻壳颗粒，干燥；
(2)将上述稻壳颗粒置于炭化炉中，通入氮气至炭化炉中氧含量不大于3％，加热至430℃，将所述稻壳颗粒在该温度下炭化1.0h，得到固体物质和秸秆气；
(3)对上述秸秆气进行冷凝，得到液相产物和不凝气，所述液相产物包括秸秆油和木醋液。
实验例1
分别对实施例1-4及对比例1的产物进行检测，并根据检测结果计算对应的产物收率，结果分别见下表1及表2所示。
表1不同原料下各产物收率
由实施例3和对比例1的数据对比可知，凹凸棒土的加入，生物质炭及液相产物收率降低，而不凝气收率增加，可能原因为在凹凸棒土的作用下，初级热解的高分子有机物继续断裂形成小分子气体产物。
表2不凝气的组成及热值
CO/％ CO<sub>2</sub>/％ CH<sub>4</sub>/％ C<sub>m</sub>H<sub>n</sub>/％ H<sub>2</sub>/％ O<sub>2</sub>/％ 热值(Kcal/m<sup>3</sup>)
实施例1 33.88 52.41 4.35 0.79 0.28 1.34 1571.67
实施例2 34.03 52.27 5.85 0.81 0.72 1.27 1722.33
实施例3 31.99 50.98 3.20 0.42 0.23 1.86 1335.00
实施例4 33.51 48.38 4.38 0.58 0.06 1.35 1510.67
对比例1 34.48 50.49 6.09 0.75 1.02 1.00 1750.00
由实施例3和对比例1的数据对比可知，加入凹凸棒土后，不凝气中甲烷气体含量减小，二氧化碳含量增加，脱氧效果增加，脱氢反应得到抑制。
实验例2
将对比例1的秸秆油于80℃下减压脱水，再对脱水后的秸秆油中的氧元素进行含量分析，结果显示，重质秸秆油氧含量为17.79％，轻质秸秆油氧含量为15.3％；再将实施例3的秸秆油于80℃下减压脱水，再对脱水后的秸秆油进行元素分析，分析结果见下表3所示。
表3脱水后液相产物的元素组成
元素组成 C/％ H/％ O/％ N/％ S/％
上层 82.73 11.68 5.17 0.1 0.06
下层 62.42 5.83 17.43 1.24 0.19
由上表3中的数据可知，N、S元素主要富集在重质秸秆油中，与对比例1相比，本发明实施例3中的重质秸秆油氧含量变化不大，而轻质秸秆油氧含量明显降低。取实施例3中的上层轻质秸秆油，对其进行密度测定，其密度小于1mg/mL，待冷却后，得到蜡状物质。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种生物质炭化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)向秸秆料中加入不超过占其质量25％的非金属矿物质，混合均匀；
(2)密闭限氧下，将上述混合物于250～450℃下进行炭化，得到固体物质和秸秆气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述秸秆料为秸秆碎屑或秸秆颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述非金属矿物质为凹凸棒土。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述非金属矿物质的加入量不超过所述秸秆料质量的10％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述炭化的温度为400～430℃，时间为1～2h。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述限氧为向所述炭化的反应体系中通入惰性气体至反应体系内的氧含量不大于3％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，还包括：对所述秸秆气进行冷凝，得到液相产物及不凝气的步骤；所述液相产物包括生物油和木醋液。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述生物油包括密度小于1g/mL的蜡状物质油。
9.一种土壤改良剂，其特征在于，其通过将根据权利要求7所述的方法得到的木醋液喷淋在根据权利要求1-8任一项所述的方法得到的固体物质上的方式得到。
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