TW202140376A - 一種將禽畜廢棄物製成生物碳的方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示了一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其包括下列步驟：(1)將禽畜廢棄物進行一除水處理；(2)將該除水處理之禽畜廢棄物進行一破碎處理；(3)將該破碎處理後之禽畜廢棄物在一少氧條件下進行一微波加熱處理；(4)將該微波加熱處理之禽畜廢棄物分解成一氣態物質與一固態物質。該方法在微波加熱前，僅需將禽畜廢棄物除水、破碎並添加微波吸收材料，操作簡單方便，分解產生的固體、液體、氣體產物皆為可利用的資源。

Description

一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法

本發明係有關於一種將有機廢棄物製成再生資源的方法，更特別係有關於一種將禽畜產生之廢棄物進行微波熱裂解製造生物炭的方法。

常見的雞、鴨、鵝、豬、牛或羊等禽畜是人類日常餐桌的蛋白質來源，因此需要有相當多的養殖與屠宰場地，也產生了相當多的禽畜廢棄物。未經妥善處理之禽畜廢棄物，不僅造成蚊蠅滋生、疫病傳播，影響環境衛生，並造成防疫上的困擾。習知禽畜廢棄物處理方式為堆肥掩埋，利用土壤中之微生物將禽畜廢棄物進行醱酵處理。然而堆肥掩埋過程處理時間長，有生物安全及污染土壤和地下水的疑慮。另一習知處理禽畜廢棄物為焚化方式，除產生臭味等空氣污染，甚至可能產生有害氣體，例如世紀之毒一戴奧辛等。

另一方面，生物炭是一種有機生物質經過分解剩下以碳為主的炭化材料。生物炭與土壤混合後，不但能夠改善土壤的物理及化學性質，提升土壤的生產力，且能吸附土壤重金屬離子及有機污染物。因生物炭的結構穩定，可長期將有機物儲存在土壤中，達到增加土壤固碳的效果。因此，生物炭是同時具有資源再利用與對環境減碳效果。若將雞、鴨、鵝、豬、牛或羊等禽畜廢棄物適當回收處理利用，製成生物炭回歸土地使用，不僅可改良地力，解決化學肥料使用的環保問題，同時達到碳封存的減碳功能。

習知生產生物炭之方式，是利用利用窯爐、蒸餾器等設備，將有機物質，特別是農林廢棄物，於限氧環境下進行高溫分解反應，同時涉及化學成分和物理相位的變化，屬於不可逆的反應。當有機物質在高溫分解時，第一步會先釋放出可燃性氣體(氫氣與甲烷等)，再釋出焦油，最後是經炭化後的生物炭主體。然而，目前習知生物炭生產方式，由於使用加熱或電熱窯爐與蒸餾器的熱效率過低，造成生物炭的生產效率不佳，生產過程不但耗能，且有煙霧、臭味及焦油等問題尚待解決。此外，目前並無特別針對禽畜產生之廢棄物製成生物炭的較佳方式。

有鑒於此，有必要提出一種快速且環保將禽畜廢棄物製成生物炭的方法。

為解決上述問題，本發明的主要目的係提供一種禽畜廢棄物處理方法，係針對禽畜產生的有機廢棄物進行微波熱裂解，並取得固體產物，亦即生物炭者，過程中同時能夠取得液體產物，亦即生質油，與氣體產物，亦即合成氣。為了有效得到高品質的生物炭，且避免過多的焦油與生質氣產生，本發明提出兩段式微波功率與加熱時間的控制。

為達到本發明的目的，本發明提供一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其特徵在於包括如下步驟：

步驟(1)，將一禽畜廢棄物進行一除水處理；

步驟(2)，將該除水處理之禽畜廢棄物進行一破碎處理；

步驟(3)，將該破碎處理後之禽畜廢棄物在一少氧條件下進行一微波加熱處理；且

步驟(4)，將該微波加熱處理之禽畜廢棄物分解成一氣態物質與一固態物質。

根據本發明之一特徵，在步驟(1)中係將該禽畜廢棄物之含水率降低至60-30%。

根據本發明之一特徵，在步驟(1)中之該除水處理係選自機械脫水或乾燥脫水之一。

根據本發明之一特徵，在步驟(2)中之該破碎處理係將禽畜廢棄物破碎至10mm以下。

根據本發明之一特徵，步驟(2)更包含：加入一微波吸收物質。

根據本發明之一特徵，該微波吸收物質係選自於含碳物質、金屬顆粒或金屬氧化物粉末。

根據本發明之一特徵，在步驟(3)中之該少氧條件下係選自使用限制進氣設計或通入惰性氣體之一。

根據本發明之一特徵，在步驟(3)中該微波加熱處理係將該破碎處理後之禽畜廢棄物在該少氧條件下加熱至400-1200℃之間。

根據本發明之一特徵，該微波加熱處理係採用一頻率在915MHz或2450MHz之一微波功率。

根據本發明之一特徵，分解成該分解之反應後固態物質收集並進行一後續處理以生成一生物炭材料。

本發明之禽畜廢棄物製成生物炭的方法具有以下功效：

1 使用微波加熱處理的熱效率極高，生物炭的生產效率佳；

2 使用微波加熱處理的耗能極低，且無煙霧與臭味等問題；

3 使用微波加熱處理製成的生物炭，碳的含量高，品質較傳統加熱方式高。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1顯示本發明之一種禽畜廢棄物製成生物炭的方法的流程圖。

雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於本文中說明者係為本發明可之較佳實施例。熟習此項技術者將瞭解，本文所特定描述且在附圖中繪示之裝置及方法係考量為本發明之一範例，非限制性例示性實施例，且本發明之範疇僅由申請專利範圍加以界定。結合一例示性實施例繪示或描述之特徵可與其他實施例之諸特徵進行結合。此等修飾及變動將包括於本發明之範疇內。

為達到本發明的目的，本發明提供一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法。現請參考圖1，其顯示本發明之一種禽畜廢棄物製成生物炭的方法的流程圖。該方法包括下列步驟：

步驟(1)，將一禽畜廢棄物進行一除水處理；

步驟(2)，將該除水處理之禽畜廢棄物進行一破碎處理；

步驟(3)，將該破碎處理後之禽畜廢棄物在一少氧條件下進行一微波加熱處理；且

步驟(4)，將該微波加熱處理之禽畜廢棄物分解成一氣態物質與一固態物質。

禽畜類包含雞、鴨、鵝、豬、牛或羊等，而禽畜廢棄物係指，在養殖禽畜時，或在屠宰禽畜時所產生的各式廢棄物，包含污泥或污水。例如養殖雞、鴨、鵝、豬、牛或羊時候的禽畜排泄物，飼料殘渣等，或是 屠宰時禽類羽毛、血水、下腳料、不可食用的部分等。未經處理的禽畜廢棄物其含水量可能高達100%。

在步驟(1)中，先將該禽畜廢棄物之含水率降低至60-30%。較佳的，將該禽畜廢棄物之含水率降低至50-30%，可縮短後續加熱裂解反應之時間。

在步驟(1)中，該除水處理係指將該禽畜廢棄物之含水率降低，可選自機械脫水或乾燥脫水之一。機械脫水原理主要可分為真空過濾脫水、壓濾脫水及離心脫水三大類。真空過濾脫水又稱為減壓過濾，利用抽氣減壓裝置將下腔的空氣部分抽除，造成壓力差，使液體在重力與壓力差的雙重作用下加速過濾，以達到快速分離液體與固體沉澱物之目的；壓濾脫水由由機架、濾板、濾布等機件組成，待處理物壓送接觸濾布時，較大顆粒在濾布孔洞前產生架橋作用行成濾餅而達固液分離效果；離心脫水主要藉由高速旋轉產生的離心力作用下，固體顆粒被甩貼在內壁上，形成固體層，藉此達脫水效果。乾燥脫水採加熱處理方式，例如通過曝曬乾燥、熱風乾燥、火爐加熱、電熱乾燥、微波乾燥等，一般乾燥至100℃至150℃高溫，時間約10分鐘到30分鐘，可使該禽畜廢棄物水分蒸發，達到該禽畜廢棄物之除水目的。較佳地，為了達到快速除水，在本發明的一實施例中，該除水處理係採用微波乾燥，以將該禽畜廢棄物之含水率降低至60-30%。

在步驟(2)中，該破碎處理係將禽畜廢棄物破碎至較小的尺寸。由於禽畜廢棄物不是均質材料，不同的形狀和結構會影響熱傳，進而影響熱裂解效果，因此需將較大型之禽畜廢棄物破碎，以能均勻混合之尺寸為佳。破碎方式採機械處理，可選用粉碎機、破碎機及絞碎機等。該破碎處理係將禽畜廢棄物破碎至10mm以下，較佳係至5mm以下。

步驟(2)更包含：加入一微波吸收物質。該微波吸收物質係選自於含碳物質、金屬顆粒或金屬氧化物粉末，與其混合物。微波吸收物質能吸收微波之能量，藉由均勻混合於該破碎處理後之禽畜廢棄物，使該破碎處理後之禽畜廢棄物可均勻受熱，加速反應速率。其中含碳物質可選用碳黑、石磨、活性碳及碳纖維等，與其混合物；金屬顆粒可選用碳素鐵、鎳銅鋅鐵氧磁體、鎳鋅鐵氧磁體、錳鋅鐵氧磁體或相關金屬物質或奈米金屬物質，或其混合物；金屬氧化物粉末可選用氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、氧化鋁、氧化矽、氧化鐵、氧化鋯、氧化釩、氧化鐵、氧化鈦、氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、碳酸鎂、碳酸鈣、碳酸鍶、碳酸鋇、碳酸鋁等，具有高介電常數的氧化物或碳氧化物材料，與其混合物。該微波吸收物質在該破碎處理後之禽畜廢棄物的添加量，係為該破碎處理後之禽畜廢棄物的重量百分比的2%至30%之間。較佳地，該微波吸收物質在該破碎處理後之禽畜廢棄物的添加量，係為該破碎處理後之禽畜廢棄物的重量百分比的5%至10%之間。需注意的是，加入一微波吸收物質可以在該禽畜廢棄物進行該破碎處理之前、當中或之後加入，亦即進行步驟(3)之前加入即可。

在步驟(3)中，該少氧條件下係選自使用限制進氣設計或通入惰性氣體之一。熱裂解是一種將有機物質在高溫、無氧或少氧條件下，分解成生物炭、生物油和可燃氣的熱化學反應過程。該少氧條件係指加熱過程中，加熱腔體內的氧氣量少於一般空氣的氧氣量，該少氧條件是指該氧氣量為一般空氣氧氣量的三分之一以下，較佳地，該少氧條件是指該氧氣量為一般空氣氧氣量的十分之一以下。該少氧條件也可以透過限制進氣設計，亦即加熱腔體在反應過程，只有抽氣，而沒有進氣。藉由開始氧氣消耗完畢，沒有後續氧氣補充達到限制進氣設計。該少氧條件也可以持續通入惰性氣體，例如氮氣或氬氣，其流量速度與加熱腔體的容量成正比。

需注意的是，步驟(1)和步驟(2)可以互換，亦即可以先進行破碎處理，再進行除水處理，並不改變本發明的精神，與改變生物炭產生的結果。然而，若步驟(1)和步驟(2)互換，則加入一微波吸收物質仍是在步驟(2)之後與步驟(3)之前進行。

在步驟(3)中，該微波加熱處理係將該破碎處理後之禽畜廢棄物在該少氧條件下加熱至400-900℃之間。微波是一種電磁波，微波加熱乃利用輻射原理，透過介質表面進入物質內部，介質將吸收之微波能轉換成熱量而達到加熱之目的。該破碎處理後之禽畜廢棄物的熱裂解在高溫、少氧狀態開始進行反應，依不同反應物與欲取得之產物類型，調整加熱溫度，範圍控制在400-1200℃之間，且持續加熱一段時間。較佳地，該微波加熱處理係將該破碎處理後之禽畜廢棄物在該少氧條件下加熱至500-800℃之間。所需要的微波功率與加熱腔體的容量以及所處理的禽畜廢棄物重量有關，在本發明中，為了達到有效的溫度範圍，該微波加熱處理的微波功率的範圍係：禽畜廢棄物重量在100公斤以下用4KW到6KW，禽畜廢棄物重量在100公斤至300公斤時用6KW到9KW，禽畜廢棄物重量在300公斤至1000公斤時用9KW到15KW。

需注意的是，為了有效得到高品質的生物炭，且避免過多的焦油與生質氣產生，在步驟(3)中包含：在溫度400℃以下時，使用第一種微波功率，且在溫度400℃時，持續加熱一第一段時間；在超過溫度400℃時，使用第二種微波功率，且在溫度達到最終設定溫度時，持續加熱一第二段時間。第一種微波功率係小於第二種微波功率。例如，禽畜廢棄物重量在100公斤至300公斤時，用6KW到9KW，在溫度400℃以下時，第一種微波功率為6KW，且在溫度400℃時，持續加熱10分鐘；在超過溫度400℃時，第二種微波功率為9KW，且在溫度達到最終設定溫度時，持續加熱5分鐘。這種兩段式微波功率與加熱時間的控制方式，很容易由腔體的電控 設計達到，並且有效地得到高品質的生物炭，且避免過多的焦油與生質氣產生。該微波加熱處理係採用一頻率在915MHz或2450MHz之一微波功率。

在步驟(4)中，將該微波加熱處理之禽畜廢棄物分解成一氣態物質與一固態物質。該氣態物質經過後續的冷凝，會分成液體產物，亦即生質油，與氣體產物，亦即合成氣(主要是氫氣、甲皖與一氧化碳)。該微波加熱處理之禽畜廢棄物分解之該固態物質收集，並進行一後續處理以生成一生物炭材料。該後續處理係該微波加熱處理降溫為常溫後，由加熱腔體出料口取出該固態物質，進行該後續處理，例如以清水洗淨去除雜質並乾燥後，即取得一生物炭材料。

本發明之將禽畜廢棄物製成生物炭的方法之第一實施例，將取得之50Kg禽畜廢棄物採機械脫水之離心脫水機進行除水至含水率50%。將該除水處理之禽畜廢棄物以粉碎機進行破碎至10mm大小。將該破碎處理後之禽畜廢棄物混入10%炭黑，置於通入惰性氣體之無氧環境中，進行微波加熱處理。微波加熱處理過程溫度加熱並維持在500℃。在溫度400℃以下時，第一種微波功率為4KW，且在溫度400℃時，持續加熱10分鐘；在超過溫度400℃時，第二種微波功率為6KW，且在溫度達到500℃時，持續加熱5分鐘。待該微波加熱處理設備降溫為常溫後，由出料口取出該分解後之固態物質，以清水洗淨去除雜質並乾燥後，即取得該生物炭材料。

本發明之將禽畜廢棄物製成生物炭的方法之第二實施例，將取得之200Kg禽畜廢棄物採乾燥脫水之大型烘箱進行除水至含水率40%。將該除水處理之禽畜廢棄物以粉碎機進行破碎至5mm大小。將該破碎處理後之禽畜廢棄物混入10%活性碳粉，置於限制氣體進入之限氧環境中，進行微波加熱處理。微波加熱處理過程溫度加熱並維持在600℃。在溫度400℃以下時，第一種微波功率為6KW，且在溫度400℃時，持續加熱10分鐘；在超過溫度400℃時，第二種微波功率為9KW，且在溫度達到600℃時， 持續加熱5分鐘。待該微波加熱處理降溫為常溫後，由該加熱腔體的出料口取出並收集該分解後之固態物質，以清水洗淨去除雜質並乾燥後，即取得生物炭材料。

本發明之禽畜廢棄物製成生物炭的方法具有以下功效：

1 使用微波加熱處理的熱效率極高，生物炭的生產效率佳；

2 使用微波加熱處理的耗能極低，且無煙霧與臭味等問題；

3 使用微波加熱處理製成的生物炭，碳的含量高，品質較傳統加熱方式高。

雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，包含下列步驟：

   步驟(1)，將一禽畜廢棄物進行一除水處理；

   步驟(2)，將該除水處理之禽畜廢棄物進行一破碎處理；

   步驟(3)，將該破碎處理後之禽畜廢棄物在一少氧條件下進行一微波加熱處理；且

   步驟(4)，將該微波加熱處理之禽畜廢棄物分解成一氣態物質與一固態物質。
2. 如請求項1之一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其中在步驟(1)中係將該禽畜廢棄物之含水率降低至60-30%。
3. 如請求項1之一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其中在步驟(1)中之該除水處理係選自機械脫水或乾燥脫水之一。
4. 如請求項1之一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其中在步驟(2)中之該破碎處理係將禽畜廢棄物破碎至10mm以下。
5. 如請求項1之一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其中步驟(2)更包含：加入一微波吸收物質。
6. 如請求項5之一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其中該微波吸收物質係選自於含碳物質、金屬顆粒或金屬氧化物粉末。
7. 如請求項1之一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其中步驟(3)中之該少氧條件下係選自使用限制進氣設計或通入惰性氣體之一。
8. 如請求項1之一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其中該微波加熱處理係將該破碎處理後之禽畜廢棄物在該少氧條件下加熱至400-1200℃之間。
9. 如請求項8之一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其中，在溫度400℃以下時，使用第一種微波功率，且在溫度400℃時，持續加熱一第一段時間，且在超過溫度400℃時，使用第二種微波功率，在溫度達到最終設定溫度時，持續加熱一第二段時間。
10. 如請求項1之一種將禽畜廢棄物製成生物炭的方法，其中該分解之反應後固態物質收集後進行一後續處理，以生成一生物炭材料。

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