CN115176551A - 一种利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，包括制备生物炭、热解烟气加热、红壤热力风化、红壤与生物炭培养以及施加颗粒硅酸盐细菌肥培养步骤。还公开了一种实现所述方法的装置，包括生物质热解系统、烟气加热系统、土壤风化系统、管道系统、反应控制系统。本发明将生物质热解生物炭产生的烟气用来加速红壤风化成土，促进矿质元素的释放，同时去除有害微生物和挥发性有机污染物，也实现了净化烟气的效果，然后将热解的生物炭和红壤混合，生物炭不仅提供了碳源，增加红壤的肥力，同时很好地调节红壤地酸性，在此基础上添加硅酸盐细菌肥提供微生物源，进一步促进红壤中钾、磷和其他灰分元素的释放，达到红壤增肥提质效果。
Description
技术领域
本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及一种利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的装置及方法。
背景技术
红壤是在亚热带气候和常绿阔叶林共同作用下发育而成的土壤，广泛分布于热带、亚热带地区。红壤作为我国主要的耕地类型之一，主要分布于华南、华东、华中等地区，占地面积218万km2 ，占总全国耕地面积27%。但是，由于高温高湿的自然原因和过度开发、不合理施肥等人为原因导致红壤水土流失、酸化、养分贫瘠和生产力下降的问题日趋加重，这已经严重影响到我国农业的可持续发展。以云南为例，由于该地区降雨丰沛，土壤溶淋作用，所以红土中钾、钠、钙、镁极少，而存较多的铁铝氧化物，故土壤呈现红色。碳酸盐类或含其他富铁吕氧化物的岩石在湿热气候条件下风化，所以红壤是酸性土壤。红壤中游离的铝、铁较多容易把作物能吸收的磷变成作物不易吸收的磷酸铁和磷酸铝，降低磷的有效性，并且容易把土壤胶体吸附的养分如钾、钙、镁等代换到土壤溶液中，导致矿质营养元素的流失，使红壤粘性增强、不蓄水容易板结，通透性和耕作性变差。常年高强度耕作导致红壤产生连作障碍，缺乏有机质，肥力降低。以上原因是红壤种植作物低产，贫瘠的原因。
现有的红壤增肥提质方法包括施肥，添加石灰改善红壤酸性，或通过种植绿肥增加肥力。中国专利CN110178513A一种提高坡耕地红壤肥力的玉米施肥方法将有机肥、磷肥、钾肥施加到红壤上，其方法能在短期内达到增肥效果，但是未能从根本上改良红壤质量，并且长期大量施用肥料会导致土壤板结，加速红壤酸化。所诉方法不仅改良效果差，需要大量的成本，同时会产生环境二次污染。
综上所述，由于现有红壤增肥提质技术存在缺陷，所以需要寻找一种改良效果好，成本低，且对环境有益的方法来解决红壤存在的问题。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法。
本发明的第二目的在于提供一种实现利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法的装置。
本发明的第一目的是这样实现的，包括以下步骤：
（1）将农林废弃生物质和禽畜粪便风干、破碎、充分混合后送入热解反应器中，通过加热器进行热解3~8h制成生物炭；
（2）将步骤（1）制备好的生物炭冷却，步骤（1）产生的热解烟气由烟气管道输送到加热装置中进行高温加热；
（3）将经过加热装置加热的烟气由烟气管道通入土壤加热器，使红壤在土壤加热器中热力风化，热力风化期间不断搅拌红壤，风化后的红壤倒出并冷却；
（4）将步骤（3）冷却后的红壤和步骤（2）冷却后的生物炭按质量比4~15：1~5充分混合后摊平并培养；
（5）在经生物炭改良后的红壤上施加颗粒硅酸盐细菌肥，然后覆土2~3cm，培养后即可种植植物。
本发明的第二目的是这样实现的，包括生物质热解系统、烟气加热系统、土壤风化系统、管道系统、反应控制系统；生物质热解系统包括送料口、热解反应器、加热器、冷却筒、温度调节器；烟气加热系统包括加热装置；土壤风化系统包括土壤加热器、搅拌装置、热电偶、热电偶温度记录仪；管道系统包括烟气管道、阀门；反应控制系统包括电源开关、温度控制面板；所述的热解反应器顶部设有送料口，所述的加热器设于热解反应器侧面，加热器与温度调节器电连接，温度调节器装有电源开关以及温度控制面板，所述的热解反应器底部设有冷却筒，所述的热解反应器的排烟口通过烟气管道与加热装置进烟口连接，加热装置排烟口通过烟气管道与土壤加热器进烟口连接，所述的烟气管道分别设有阀门，所述的土壤加热器内设有搅拌装置、热电偶，热电偶与热电偶温度记录仪电连接。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明将生物质热解生物炭产生的烟气用来加速红壤风化成土，促进矿质元素的释放，同时去除有害微生物和挥发性有机污染物，也实现了净化烟气的效果，然后将热解的生物炭和红壤混合，生物炭不仅提供了碳源，增加红壤的肥力，同时很好地调节红壤地酸性，在此基础上添加硅酸盐细菌肥提供微生物源，进一步促进红壤中钾、磷和其他灰分元素的释放，以此达到红壤增肥提质的效果；
2、本发明所采用农林废弃生物质和家禽粪便为原料制备生物炭，充分利用了其中的价值，实现了变废为宝的原则；
3、本发明充分利用了生物质热解产生的烟气，将烟气收集起来经过加热装置加热后变成高温气体通入到红壤中；一方面，高温加速红壤风化成土，促进其中钾、钙、钠、镁等矿质元素的释放，使原生矿物风化成次生矿物，有利于土壤的形成；另一方面，高温杀灭红壤中的有害微生物，去除挥发性有机污染物，同时净化了生物质热解产生的烟气，避免了环境二次污染，一举两得；
4、将生物质热解产生的生物炭来改良红壤，生物炭呈碱性并保留了生物质中大量的氮、磷、钾、钙等离子态养分，作为土壤改良剂，调节并稳定土壤pH值，对酸性粘土和盐碱土都可以起到改良作用，同时提供碳源，增加有机质和营养元素，提高土壤肥力，促进植物生长；
5、硅酸盐菌作为菌肥，能够将土壤中含钾的长石、云母、磷灰石、磷矿粉等矿物的难溶性钾及磷溶解出来为作物和菌体本身利用；另一方面它所产生的激素、氨基酸、多糖等物质促进作物的生长，将硅酸盐细菌肥添加到生物炭改良后的红壤中，进一步促进红壤中钾、磷和其他灰分元素的释放，同时生物炭为微生物的生长繁殖提供营养源，以此达到红壤增肥提质的效果。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图中：1-送料口，2-热解反应器，3-加热器，4-冷却筒，5-温度调节器，6-加热装置，7-土壤加热器，8-搅拌装置，9-热电偶，10-热电偶温度记录仪，11-烟气管道，12-阀门，13-电源开关，14-温度控制面板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，包括以下步骤：
（1）将农林废弃生物质和禽畜粪便风干、破碎、充分混合后送入热解反应器中，通过加热器进行热解3~8h制成生物炭；
（2）将步骤（1）制备好的生物炭冷却，步骤（1）产生的热解烟气由烟气管道输送到加热装置中进行高温加热；
（3）将经过加热装置加热的烟气由烟气管道通入土壤加热器，使红壤在土壤加热器中热力风化，热力风化期间不断搅拌红壤，风化后的红壤倒出并冷却；
（4）将步骤（3）冷却后的红壤和步骤（2）冷却后的生物炭按质量比4~15：1~5充分混合后摊平并培养；
（5）在经生物炭改良后的红壤上施加颗粒硅酸盐细菌肥，然后覆土2~3cm，培养后即可种植植物。
步骤（1）中农林废弃生物质为菌棒、作物秸秆、树枝、松针中的一种或多种，禽畜粪便为牛粪、鸡粪、猪粪中的一种或多种，生物质热解温度为300~500℃。
牛粪、鸡粪、猪粪和菌棒破碎至3~10mm，作物秸秆、树枝、松针破碎至2~8cm。
步骤（2）中生物炭冷却时间为5~10h，热解烟气在加热装置中边加热边输送至土壤加热器，加速红壤风化成土，促进热解促进矿质元素的释放，同时高温可杀灭有害微生物，去除挥发性有机污染物，红壤也凸显出净化烟气的作用。
步骤（3）中红壤热力风化时间为5~8h，加热温度为700~1100℃。
步骤（4）中生物炭和红壤混合后培养时间为10~30d，调节红壤酸性，增加有机碳源，改善红壤的连作障碍。生物炭为红壤提供碳源，增加有机质，提升红壤肥力。
步骤（5）中颗粒硅酸盐细菌肥的施加量为1~3kg/亩，培养时间为1~3个月，培养使微生物充分繁殖，进一步促进红壤中钾、磷和其他灰分元素的释放。
如附图1所示，实现所述的利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法的装置，包括生物质热解系统、烟气加热系统、土壤风化系统、管道系统、反应控制系统；生物质热解系统包括送料口1、热解反应器2、加热器3、冷却筒4、温度调节器5；烟气加热系统包括加热装置6；土壤风化系统包括土壤加热器7、搅拌装置8、热电偶9、热电偶温度记录仪10；管道系统包括烟气管道11、阀门12；反应控制系统包括电源开关13、温度控制面板14；所述的热解反应器2顶部设有送料口1，所述的加热器3设于热解反应器2侧面，加热器3与温度调节器5电连接，温度调节器5装有电源开关13以及温度控制面板14，所述的热解反应器2底部设有冷却筒4，所述的热解反应器2的排烟口通过烟气管道11与加热装置6进烟口连接，加热装置6排烟口通过烟气管道11与土壤加热器7进烟口连接，所述的烟气管道11分别设有阀门12，所述的土壤加热器7内设有搅拌装置8、热电偶9，热电偶9与热电偶温度记录仪10电连接。
本发明装置的工作原理和工作过程：风干、破碎、充分混合后的农林废弃生物质和禽畜粪便的混合物从送料口1送入热解反应器2中，加热器3用于将混合物加热，温度调节器5用于控制加热温度；热解制得的生物炭在冷却筒4内冷却；热解过程产生的热解烟气经烟气管道11送入加热装置6，加热烟气；经加热的烟气经烟气管道11送入土壤加热器7中，热解烟气与热电偶9共同对土壤加热器7内的红壤形成热力风化作用，搅拌装置8不断搅拌红壤；风化完毕后取出红壤并冷却，等待后续使用；热电偶温度记录仪10用于记录温度。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1~实施例3在试验地区进行，试验地区概况：
试验区为云南省昆明市东川区某红土区，该地地处云贵高原北部边缘，境内最高海拔4344.1m，最低海拔695 m，高差3649.1m，年平均降水量约为1000.5mm，由于高温多雨和不合理耕作的原因导致该地红壤整体上养分贫瘠，且偏酸性；以下是红壤的基本理化性质：
表1红壤理化性质
实施例1
利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，包括以下步骤：
（1）将牛粪、作物秸秆风干、破碎、充分混合后送入热解反应器中，牛粪破碎至3~5mm，作物秸秆破碎至2~4cm，通过加热器进行热解3h制成生物炭，温度为300℃；
（2）将步骤（1）制备好的生物炭冷却，步骤（1）产生的热解烟气由烟气管道输送到加热装置中进行高温加热；
（3）将经过加热装置加热的烟气由烟气管道通入土壤加热器，使红壤在土壤加热器中热力风化，加热时间为5h，温度控制在700~800℃，热力风化期间不断搅拌红壤，风化后的红壤倒出并冷却；
（4）将步骤（3）冷却后的红壤和步骤（2）冷却后的生物炭按质量比4：1充分混合后摊平并培养15d；
（5）在经生物炭改良后的红壤上施加1kg/亩颗粒硅酸盐细菌肥，然后覆土2~3cm，培养30d后即可种植植物；测得改良后的红壤的理化性质如下：
实施例2
利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，包括以下步骤：
（1）将牛粪、菌棒、作物秸秆、松针风干、破碎、充分混合后送入热解反应器中，牛粪和菌棒破碎至4~5mm，作物秸秆和松针破碎至2~4cm，通过加热器进行热解4h制成生物炭，温度为500℃；
（2）将步骤（1）制备好的生物炭冷却，步骤（1）产生的热解烟气由烟气管道输送到加热装置中进行高温加热；
（3）将经过加热装置加热的烟气由烟气管道通入土壤加热器，使红壤在土壤加热器中热力风化，加热时间为8h，温度控制在800~900℃，热力风化期间不断搅拌红壤，风化后的红壤倒出并冷却；
（4）将步骤（3）冷却后的红壤和步骤（2）冷却后的生物炭按质量比5：3充分混合后摊平并培养30d；
（5）在经生物炭改良后的红壤上施加2kg/亩颗粒硅酸盐细菌肥，然后覆土2~3cm，培养60d后即可种植植物；测得改良后的红壤的理化性质如下：
实施例3
利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，包括以下步骤：
（1）将菌棒、作物秸秆、松针、树枝、猪粪风干破碎、充分混合后送入热解反应器中，猪粪和菌棒破碎至3~6mm，作物秸秆、树枝、松针破碎至4~7cm，通过加热器进行热解5h制成生物炭，温度为400℃；
（2）将步骤（1）制备好的生物炭冷却，步骤（1）产生的热解烟气由烟气管道输送到加热装置中进行高温加热；
（3）将经过加热装置加热的烟气由烟气管道通入土壤加热器，使红壤在土壤加热器中热力风化，加热时间为10h，温度控制在900~1100℃，热力风化期间不断搅拌红壤，风化后的红壤倒出并冷却；
（4）将步骤（3）冷却后的红壤和步骤（2）冷却后的生物炭按质量比4：2充分混合后摊平并培养60d；
（5）在经生物炭改良后的红壤上施加3kg/亩颗粒硅酸盐细菌肥，然后覆土2~3cm，培养90d后即可种植植物；测得改良后的红壤的理化性质如下：
实施例4
利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，包括以下步骤：
（1）将农林废弃生物质和禽畜粪便风干、破碎、充分混合后送入热解反应器中，通过加热器进行热解3h制成生物炭，热解温度为300℃，生物炭冷却时间为5h；
（2）将步骤（1）制备好的生物炭冷却，步骤（1）产生的热解烟气由烟气管道输送到加热装置中进行高温加热；
（3）将经过加热装置加热的烟气由烟气管道通入土壤加热器，使红壤在土壤加热器中热力风化，时间5h，加热温度为700℃，热力风化期间不断搅拌红壤，风化后的红壤倒出并冷却；
（4）将步骤（3）冷却后的红壤和步骤（2）冷却后的生物炭按质量比4：1充分混合后摊平并培养10d；
（5）在经生物炭改良后的红壤上施加1kg/亩颗粒硅酸盐细菌肥，然后覆土2cm，培养1个月后即可种植植物。
实施例5
利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，包括以下步骤：
（1）将农林废弃生物质和禽畜粪便风干、破碎、充分混合后送入热解反应器中，通过加热器进行热解8h制成生物炭，热解温度为500℃，生物炭冷却时间为10h；
（2）将步骤（1）制备好的生物炭冷却，步骤（1）产生的热解烟气由烟气管道输送到加热装置中进行高温加热；
（3）将经过加热装置加热的烟气由烟气管道通入土壤加热器，使红壤在土壤加热器中热力风化，时间8h，加热温度为1100℃，热力风化期间不断搅拌红壤，风化后的红壤倒出并冷却；
（4）将步骤（3）冷却后的红壤和步骤（2）冷却后的生物炭按质量比15：5充分混合后摊平并培养30d；
（5）在经生物炭改良后的红壤上施加3kg/亩颗粒硅酸盐细菌肥，然后覆土3cm，培养3个月后即可种植植物。
实施例6
利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，包括以下步骤：
（1）将农林废弃生物质和禽畜粪便风干、破碎、充分混合后送入热解反应器中，通过加热器进行热解5.5h制成生物炭，热解温度为400℃，生物炭冷却时间为7.5h；
（2）将步骤（1）制备好的生物炭冷却，步骤（1）产生的热解烟气由烟气管道输送到加热装置中进行高温加热；
（3）将经过加热装置加热的烟气由烟气管道通入土壤加热器，使红壤在土壤加热器中热力风化，时间6.5h，加热温度为900℃，热力风化期间不断搅拌红壤，风化后的红壤倒出并冷却；
（4）将步骤（3）冷却后的红壤和步骤（2）冷却后的生物炭按质量比9.5：3充分混合后摊平并培养20d；
（5）在经生物炭改良后的红壤上施加2kg/亩颗粒硅酸盐细菌肥，然后覆土2.5cm，培养2个月后即可种植植物。
Claims (8)
1.一种利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将农林废弃生物质和禽畜粪便风干、破碎、充分混合后送入热解反应器中，通过加热器进行热解3~8h制成生物炭；
（2）将步骤（1）制备好的生物炭冷却，步骤（1）产生的热解烟气由烟气管道输送到加热装置中进行高温加热；
（3）将经过加热装置加热的烟气由烟气管道通入土壤加热器，使红壤在土壤加热器中热力风化，热力风化期间不断搅拌红壤，风化后的红壤倒出并冷却；
（4）将步骤（3）冷却后的红壤和步骤（2）冷却后的生物炭按质量比4~15：1~5充分混合后摊平并培养；
（5）在经生物炭改良后的红壤上施加颗粒硅酸盐细菌肥，然后覆土2~3cm，培养后即可种植植物。
2.根据权利要求1所述的利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，其特征在于步骤（1）中农林废弃生物质为菌棒、作物秸秆、树枝、松针中的一种或多种，禽畜粪便为牛粪、鸡粪、猪粪中的一种或多种，生物质热解温度为300~500℃。
3.根据权利要求2所述的利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，其特征在于牛粪、鸡粪、猪粪和菌棒破碎至3~10mm，作物秸秆、树枝、松针破碎至2~8cm。
4.根据权利要求1所述的利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，其特征在于步骤（2）中生物炭冷却时间为5~10h，热解烟气在加热装置中边加热边输送至土壤加热器。
5.根据权利要求1所述的利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，其特征在于步骤（3）中红壤热力风化时间为5~8h，加热温度为700~1100℃。
6.根据权利要求1所述的利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，其特征在于步骤（4）中生物炭和红壤混合后培养时间为10~30d。
7.根据权利要求1所述的利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法，其特征在于步骤（5）中颗粒硅酸盐细菌肥的施加量为1~3kg/亩，培养时间为1~3个月。
8.一种实现根据权利要求1~7任一所述的利用生物质热解烟气和硅酸盐菌改良红壤质量的方法的装置，其特征在于包括生物质热解系统、烟气加热系统、土壤风化系统、管道系统、反应控制系统；生物质热解系统包括送料口（1）、热解反应器（2）、加热器（3）、冷却筒（4）、温度调节器（5）；烟气加热系统包括加热装置（6）；土壤风化系统包括土壤加热器（7）、搅拌装置（8）、热电偶（9）、热电偶温度记录仪（10）；管道系统包括烟气管道（11）、阀门（12）；反应控制系统包括电源开关（13）、温度控制面板（14）；所述的热解反应器（2）顶部设有送料口（1），所述的加热器（3）设于热解反应器（2）侧面，加热器（3）与温度调节器（5）电连接，温度调节器（5）装有电源开关（13）以及温度控制面板（14），所述的热解反应器（2）底部设有冷却筒（4），所述的热解反应器（2）的排烟口通过烟气管道（11）与加热装置（6）进烟口连接，加热装置（6）排烟口通过烟气管道（11）与土壤加热器（7）进烟口连接，所述的烟气管道（11）分别设有阀门（12），所述的土壤加热器（7）内设有搅拌装置（8）、热电偶（9），热电偶（9）与热电偶温度记录仪（10）电连接。
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