一种螺杆挤出加工的生物炭及其制备方法与流程

本发明涉及生物炭技术领域，更具体地，涉及一种螺杆挤出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，每年都有大量的秸秆、稻草等农业纤维废弃物产生。这些废弃物大部分没有得到很好的处理，一部分堆积在田间地头占据土地资源，另一部分直接就地焚烧，产生大量温室气体，污染大气环境。

炭化材料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炭化材料，而秸秆、稻草等农林废弃物是一种很好的炭化材料来源。

将秸秆、稻草等农林废弃物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。目前，制备炭化材料的炭化装置主要依靠燃烧器对物料进行加热干燥，使物料缺氧燃烧制备炭化材料。这种生产方式存在以下不足：

(1)不能持续加工，这种生产方式必须等炉内物料完全炭化后并冷却后再将炭化材料取出，然后才能进行下一次生产，影响了生产效率；

(2)不能保证产品性能，由于炭化过程中需保证缺氧环境，炭化装置为封闭状态，无法获知物料的炭化程度；如果对反应时间把握不当，提前停止加热打开炭化装置，将影响炭化材料成品的性能。

技术实现要素：

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，提供一种螺杆挤出加工的生物炭，该生物炭以秸秆、稻草等农林废弃物为原材料，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杆挤出加工的生物炭的制备方法，将稻草、秸秆等农林废弃物综合利用，且制备工艺简单，可实现连续挤出，连续炭化，连续生产，成品稳定可控，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：

.一种螺杆挤出加工的生物炭，由以下组分制成：植物纤维、甘油、石蜡和重柴油，甘油质量为植物纤维质量的1～10％，石蜡质量为植物纤维质量的1～10％，重柴油质量为植物纤维质量的1～10％。

优选地，甘油质量为植物纤维质量的3％，石蜡质量为植物纤维质量的3％，重柴油质量为植物纤维质量的3％。

本发明通过在植物纤维中加入甘油和石蜡，提高了植物纤维在螺杆挤出机料筒内的流动性；通过在植物纤维中加入重柴油，保证了纤维以及炭化后纤维表面与螺杆挤出机料筒内壁之间的润滑性。同时，与轻柴油相比，重柴油燃点较高，能保证植物纤维在高温下不被氧化，提高了纤维炭化效果。在添加重柴油时，如果重柴油过多会影响炭化效率，导致炭化不彻底；如果重柴油过少，会导致炭化不均匀，影响生物炭吸附性能。

进一步地，植物纤维为禾本科植物秸秆纤维，包括有稻草、玉米杆或高粱杆中的一种或几种，所述植物纤维长度小于10mm，含水率≤8％。

本发明还提供一种上述生物炭的制备方法，包括以下步骤：

s1.选取植物纤维粉碎后，再进行干燥；

s2.将步骤s1中处理好的植物纤维与甘油，石蜡和重柴油混合均匀；

s3.将步骤s2中混合好的物料在螺杆挤出炭化装置中进行炭化处理，得生物炭制品。

进一步地，步骤s1中植物纤维为禾本科植物秸秆纤维，包括有稻草、玉米杆和高粱杆中的一种或几种。

进一步地，步骤s1中破碎后的植物纤维长度小于10mm，干燥方式为烘干，植物纤维干燥处理后含水率不超过8％。

进一步地，步骤s3中螺杆挤出设备的挤出速度为0.1～0.2m/min。

进一步的，步骤s3中炭化装置的炭化温度为350～600℃，炭化处理时间为10～60min。

优选地，步骤s3中炭化装置的炭化温度为400℃，炭化处理时间为10min。

进一步地，步骤s3中物料挤出速度为0.05～0.25m/min。

优选地，步骤s3中物料挤出速度为0.1～0.2m/min。

本发明还提供一种实现所述制备方法的螺杆挤出炭化装置，所述螺杆挤出炭化装置包括有驱动装置，料筒和炭化炉；驱动装置位于料筒一端，料筒上设有进料斗，料筒内设有螺杆与料筒间隙配合，螺杆与驱动装置连接，炭化炉安装在料筒出料口，炭化炉进料口与料筒出料口相连接，炭化炉内部设有圆形芯棒，炭化炉表面装有加热器。

进一步地，螺杆与料筒之间的间隙距离为0.1～1mm，螺杆的螺槽深度为螺杆直径的0.1～0.3倍，螺槽升角的角度为20～45°。

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。

本发明通过先对植物纤维进行螺杆挤压，使纤维密度均匀；通过将炭化装置进料端与料筒出料端相连，螺杆挤压后的纤维直接进入炭化装置内炭化，实现了可持续生产；通过观察炭化装置出口端成品的炭化程度，可及时了解炉内的炭化情况，需要时可调节炭化装置温度，保证生物炭成品的质量稳定性。同时本发明无需设置燃烧室，加热均匀快速，提高了炭化装置生产能力，对环境无不良影响。

附图说明

图1为螺杆挤出炭化装置结构示意图。

其中，1为驱动装置，2为料斗，3为料筒，4为植物纤维，5为螺杆，6为炭化炉，7为圆形芯棒，8为加热器，9为生物炭制品。

具体实施方式

以下结合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杆挤出炭化装置，螺杆挤出炭化装置可用于制备生物炭。螺杆挤出炭化装置包括有驱动装置1、料筒3和炭化炉6。

驱动装置1位于料筒3一端，料筒3上设有一料斗2，用作进料口。料筒3内部设有螺杆5，螺杆5与料筒3间隙配合。螺杆5与料筒3之间的间隙保持0.1-1mm，螺杆5上设有螺槽，螺槽深度为0.1～0.3倍螺杆直径，螺槽升角大于等于20度，小于等于45度。

螺杆5与驱动装置1直接连接，驱动装置1具有高启动扭矩，高功率，低转速的特点，能驱动螺杆5转动。炭化炉6安装在料筒出料口，炭化装置进料口与料筒出料口相连。炭化炉6进料口内径与料筒内径一致，然后渐渐缩小，形成一个锥形口模，锥形顶点角度小于等90度。炭化炉内锥形口模顶点处装有圆形芯棒7，圆形芯棒7的一端与螺杆5连接，圆形芯棒7与炭化炉6长度相同并通过锥形口模贯穿炭化炉6，圆形芯棒直径大小由实际需要决定。炭化炉6从锥形口模结束处起，一直到出口处，内径逐渐扩大，设计成喇叭型出口，喇叭型斜角小于等于3度，主要用于减少纤维炭化后挤出过程中与炭化炉内壁之间的摩擦阻力。本实施例优选螺杆直径为50mm，螺槽深度为5.5mm，螺槽升角为25°，炭化装置锥形口模顶角为30°，芯棒直径为2mm，喇叭口斜角为1°。

在炭化炉6表面设有加热装置8，加热装置加热方式可以为电阻丝加热，电磁加热和红外加热的任意一种，本实施例优选为效率更高的电阻丝加热。

本实施例提供的螺杆挤出炭化装置用于将植物纤维原料加工成生物炭材料，其工作过程如下：将混合好的植物纤维从料斗2输送至螺杆5与料筒3的间隙，启动驱动装置1带动螺杆5旋转，将植物纤维边压缩边向前输送。当植物纤维4输送到料筒3末端时，在炭化炉6锥形口模和圆形芯棒7的共同作用下，植物纤维4被慢慢压缩成中间空心的棒材。同时开启加热装置8，炭化炉6内的的植物纤维在高温下一边炭化一边向前挤出，最终从炭化炉6出料口挤出，得高吸附性能生物炭制品9。在炭化过程中，炭化装置内温度保持350～600℃，炭化时间不少于10分钟。

实施例2：

本实施例提供一种螺旋挤出加工生物炭的方法，包括以下步骤：

s1.将稻草破碎成长度为5mm的稻草纤维，将稻草纤维干燥至含水率为8％；

s2.取100kg步骤s1中处理好的稻草纤维，加入1kg甘油，1kg石蜡，1kg重柴油，混合均匀；

s3.将步骤s2中混合好的物料加入实施例1所述的螺杆挤出炭化装置进行炭化，物料挤出速度为0.05m/min，炭化处理温度为350℃，炭化时间为60分钟。

实施例3：

本实施例提供一种螺旋挤出加工生物炭的方法，包括以下步骤：

s1.将玉米杆破碎成长度为5mm的玉米杆纤维，将玉米杆纤维干燥至含水率为8％；

s2.取100kg步骤s1中处理好的玉米杆纤维，加入2kg甘油，2kg石蜡，2kg重柴油，混合均匀；

s3.将步骤s2中混合好的物料加入实施例1所述的螺杆挤出炭化装置进行炭化，物料挤出速度为0.1m/min，炭化处理温度为400℃，炭化时间为40分钟。

实施例4：

本实施例提供一种螺旋挤出加工生物炭的方法，包括以下步骤：

s1.将高粱杆破碎成长度为8mm的高粱杆纤维，将高粱杆纤维干燥至含水率为5％；

s2.取100kg步骤s1中处理好的高粱杆纤维，加入5kg甘油，5kg石蜡，5kg重柴油，混合均匀；

s3.将步骤s2中混合好的物料加入实施例1所述的螺杆挤出炭化装置进行炭化，物料挤出速度为0.25m/min，炭化处理温度为500℃，炭化时间为20分钟。

实施例5：

本实施例提供一种螺旋挤出加工生物炭的方法，包括以下步骤：

s1.将高粱杆破碎成长度为8mm的高粱杆纤维，将高粱杆纤维干燥至含水率为5％；

s2.取100kg步骤s1中处理好的高粱杆纤维，加入10kg甘油，10kg石蜡，10kg重柴油，混合均匀；

s3.将步骤s2中混合好的物料加入实施例1所述的螺杆挤出炭化装置进行炭化，物料挤出速度为0.2m/min，炭化处理温度为600℃，炭化时间为15分钟。

实施例6：

本实施例提供一种螺旋挤出加工生物炭的方法，包括以下步骤：

s1.将高粱杆破碎成长度为8mm的高粱杆纤维，将高粱杆纤维干燥至含水率为0％；

s2.取100kg步骤s1中处理好的高粱杆纤维，加入3kg甘油，3kg石蜡，3kg重柴油，混合均匀；

s3.将步骤s2中混合好的物料加入实施例1所述的螺杆挤出炭化装置进行炭化，物料挤出速度为0.2m/min，炭化处理温度为400℃，炭化时间为10分钟。

对比例1

本对比例参照实施例6的操作步骤，提供一种螺杆挤出加工生物炭的方法，与实施例6的不同之处在于：步骤s1中，纤维含水率为10％。

对比例2

本对比例参照实施例6的操作步骤，提供一种螺杆挤出加工生物炭的方法，与实施例6的不同之处在于：步骤s2中，将重柴油替换为轻柴油。

对比例3

本对比例参照实施例6的操作步骤，提供一种螺杆挤出加工生物炭的方法，与实施例6的不同之处在于：步骤s2中，未加入重柴油。

对比例4

本对比例参照实施例6的操作步骤，提供一种螺杆挤出加工生物炭的方法，与实施例6的不同之处在于：步骤s3中，炭化温度为700℃。

对比例5

本对比例参照实施例6的操作步骤，提供一种螺杆挤出加工生物炭的方法，与实施例6的不同之处在于：步骤s3中，炭化温度为200℃。

对比例6

本对比例参照实施例6的操作步骤，提供一种螺杆挤出加工生物炭的方法，与实施例6的不同之处在于：步骤s3中，炭化时间为5分钟。

实施例2～6及对比例1～5生物炭制品的各项性能如表1所示。

表1

通过对比例1分析可知，对比例1制备的生物炭吸附性能有所下降。其原因在于，对比例1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。在本发明制备生物炭过程中，植物纤维的含水率严格控制在不超过8％。

通过对比例2分析可知，对比例2制备的生物炭吸附性能有所下降。其原因在于，在对比例1中用轻柴油代替了重柴油，轻柴油的燃点较低，不能起到在高温下保护植物纤维的作用，反而有助于植物纤维在碳化过程中燃烧，破坏了生物炭的的吸附性能。

通过对比例3分析可知，对比例3制备的生物炭吸附性能有所下降。其原因在于，对比例3中未加入重柴油，缺少重柴油的保护作用，植物纤维在炭化过程中会被直接氧化，无法形成具有吸附性能的生物炭；且缺少了重柴油的润滑作用，会影响螺杆挤出速度，降低了生产效率。

通过对比例4～6分析可知，对比例4～6制备的生物炭吸附性能有所下降。其原因在于，本发明中，在进行炭化处理时，炭化过程受多方面因素的影响。炭化处理的温度，时间都会影响到生物炭的性能。对比例4中炭化温度过高，则可能造成纤维内部温度不均匀，导致炭化不均匀等现象，对比例5中炭化温度太低，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；对比例6中炭化时间过短，植物纤维炭化不充分，也会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。