一种稻草生物质炭基尿素及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及尿素技术领域，具体涉及一种稻草生物质炭基尿素及其制备方法。
【背景技术】
[0002]施肥已经成为农业生产不可或缺的技术措施之一，对作物生产的贡献率超过一半。中国肥料利用率一直比较低，如氮肥当季作物的利用率平均只有30%左右，比发达国家低近20个百分点，这一方面是因为非科学的施肥方法，另一方面则是由于肥料本身的特性。提高肥料利用率刻不容缓，研发施用新型多功能肥料，是提高肥料利用效率重要的途径之一O
[0003]生物质炭是生物质高温裂解的固体产物，具有很多特异的性质，如多孔、高度稳定性、高度芳香化、表面有大量的多种官能团，同时带有正负2种电荷，能够吸附分子和阴阳离子、极性和非极性物质。原材料、裂解温度、裂解时间等是影响生物质炭物理、化学特性的主要因素，一般说来，在一定范围内，随着裂解温度的升高、反应时间的延长，生物质炭的比表面积增大、芳香化结构增强，灰分含量及PH升高，速效养分和钙、镁含量也随之升高。
[0004]农作物秸杆是一种有机物，其中碳、氧、氢三种化学成分总和占95%以上，其余为钾、氮、磷、硅、钙、镁、硫、铁、镁等矿质元素；有机成分以纤维素、半纤维素为主，其次是木质素、蛋白质、脂肪、灰分等。稻草主要成分为:全氮8.1克/千克，全碳426.1克/千克，碳/氮(C/N) 52.6，水溶性氮2.7克/千克，水溶性碳45.7克/千克，水溶性碳/氮(C/N) 16.9，半纤维素177.9克/千克，纤维素288.4克/千克，木质素61.3克/千克，二氧化硅152.3克/千克。我国每年有稻草约1.8亿吨，占全国秸杆总量的25.4%，是我国第一大秸杆资源，是开发新型有机物原料的宝贵资源。目前约10?20%的稻草秸杆作草食动物饲料；20%左右直接作为燃料或生物质能源；造纸或其它工业原料不到3%，其余的大部分稻草秸杆被闲置废弃形成新的农业垃圾或就地焚烧污染环境。
[0005]尿素，又称碳酰胺，是一种白色晶体。最简单的有机化合物之一。碳酸的二酰胺，分子式Sh2nconh2。哺乳动物和某些鱼类体内蛋白质代谢分解的主要含氮终产物。尿素也是目前含氮量最高的氮肥，作为一种中性肥料，尿素适用于各种土壤和植物。它易保存，使用方便，对土壤的破坏作用小，是目前使用量较大的一种化学氮肥。
[0006]但是，目前未见利用稻草生物质炭和尿素的研宄报道。因此，研发一种稻草生物质炭基尿素以显得尤为重要。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种稻草生物质炭基尿素的制备方法，该制备方法将废弃资源稻草制得稻草生物质炭，再和尿素复配制得稻草生物质炭基尿素，大大降低了生产成本，减少了环境污染，可以带来良好的社会经济效益和推广应用的价值；且该制备方法工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产效率高，可大规模工业化生产。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种稻草生物质炭基尿素，该稻草生物质炭基尿素利用稻草生物质炭的物理性能，实现了对尿素的有效缓释，延长了尿素的作用时间，提高了尿素的利用率，为作物在生长期中长时间充足的营养供应，并且为作物营养强化提供了很好的技术支持。该稻草生物质炭基尿素在玉米、大豆、水稻等多种粮食作物及蔬菜、果树中施用，可以实现一次施肥后期不用追肥，有效提高土壤有效成分的水平，作物籽粒营养成分的含量及产量明显提升，肥效持久，增产增收。
[0009]本发明的目的通过下述技术方案实现:一种稻草生物质炭基尿素的制备方法，包括如下步骤:
(1)将稻草高温裂解，得到稻草生物质炭和可燃性气体；
(2)将尿素的原料和占尿素总原料重量12-16%的稻草生物质炭混合后熔融、造粒，收集粒料；其中，熔融所需的热量由所述可燃性气体燃烧提供；
所述尿素包括如下重量份的原料:颗粒尿素40-80份、尿素增效剂0.5-1.5份、尿素防结块剂0.08份-0.12份、尿素改性剂0.5-1.5份；
(3)将收集的粒料负压冷却，进行筛选；
(4 )将筛选后的粒料进行包膜，包装出货，制得稻草生物质炭基尿素。
[0010]本发明的制备方法将废弃资源稻草制得稻草生物质炭，再和尿素复配制得稻草生物质炭基尿素，大大降低了生产成本，减少了环境污染，可以带来良好的社会经济效益和推广应用的价值；且该制备方法工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产效率高，可大规模工业化生产。
[0011]优选的，所述步骤(I)具体为:将稻草粉碎至粒径1-2_，将粉碎后的稻草干燥至含水率小于5%，得到生物质物料；将裂解催化剂和生物质物料按重量比0.5-1.5:100放入高温热解炉裂解内进行高温裂解，得到稻草生物质炭和可燃性气体；其中，高温裂解的温度为500-700°C，高温裂解的时间为60-120min。
[0012]生物质经高温裂解会产生生物质炭、焦油和可燃性气体，裂解催化剂的加入可以催化焦油裂解，裂解催化剂能够在较低反应温度下得到较高的焦油去除率，而且还能提高气体热值和产量。
[0013]优选的，所述裂解催化剂由以下重量百分比的物质组成！CeO2 10-20%、CuO 1-5%,N1 2-4%、RuO2 1_2%，余量为催化剂载体；其中，所述催化剂载体由以下重量百分比的物质组成:HZSM-5分子筛70-85%、氧化铝粘合剂15-30% ;所述HZSM-5分子筛的BET法比表面积彡310m2/g、硅铝比为15-50、孔径为0.53-0.58nm、相对结晶度彡95%、残钠含量彡0.lwt% ；所述氧化铝粘合剂是经硝酸胶溶的、BET法比表面积为240-280m2/g、孔容为0.35-0.45ml/g的小孔氧化铝。
[0014]所述裂解催化剂的制备方法包括如下步骤:
(1)将HZSM-5分子筛加入氧化铝粘合剂中，并加入造孔剂CMC和助挤剂田菁粉，经混捏、碾压成团后，再挤条成型、干燥、焙烧得催化剂载体；所述造孔剂CMC和助挤剂田菁粉的加入量均为HZSM-5分子筛与氧化铝粘合剂质量和的0.5-2% ；
(2)用饱和浸渍法分别负载金属元素，经干燥、焙烧得催化剂。
[0015]所述步骤(I)中，干燥的条件为:60-85°C干燥2-3h，再于100_120°C干燥12_24h。
[0016]所述步骤(2)中，干燥的条件为0.06-0.08Mpa、60_85°C下干燥l_3h，再于0.06-0.08Mpa、60-85°C 下干燥 l_3h。
[0017]所述步骤(I)和步骤(2)中，焙烧条件均为400_650°C下焙烧3_15h。
[0018]所述步骤(2)中，用饱和浸渍法分别负载金属元素包括以下步骤:
Ca)采用饱和浸渍法用硝酸铈溶液浸渍步骤(I)得到的催化剂载体，浸渍时间为12-20h，在60-85°C真空干燥l_3h之后，于400-600°C温度下焙烧5_8h ；
(b)采用饱和浸渍法用硝酸镍、硝酸铜以及三氯化钌混合溶液浸渍步骤(a)得到的催化剂载体，浸渍时间为18-24h。
[0019]本发明的裂解催化剂采用高表面积以及酸性适度的HZSM-5分子筛为酸性载体，保证裂解的活性；活性金属负载的过程中采用真空干燥法，使得活性组分径向分布更加均匀，保证了活性组分有更高的分散性，进而保证催化剂具有高的焦油裂解活性和稳定性。
[0020]本发明裂解催化剂采用Ce02为助催化剂，同时添加贵金属氧化物Ru02，提高了催化剂的抗积炭性能，催化剂中形成的N1-Cu合金催化剂，发挥了金属催化剂的协同作用，同时贵金属的氢溢流保证了金属的还原性。
[0021]生物质炭在提高作物产量、增强土壤养分、增加土壤肥力、土壤结构改良修复、受污染环境修复以及温室气体减排等各方面都展现出了巨大的应用潜力，作为一类新型环境功能材料在当今社会弓I起广泛关注。
[0022]生物炭有着巨大的表面积和繁多的小孔结构，这种孔洞结构更容易聚集吸收营养养分物，促进有益微生物的生长，从而使土壤变得更肥沃，有利于植物的生长，实现可持续发展的绿色农业。所以，生物质炭不仅能减少温室气体，如甲烷、氧化亚氮和二氧化碳排放的效果，而且对改善土壤健康、减少养分流失、恢复土壤肥力、提高肥料的利用效率、提高土壤生产力具有积极作用。
[0023]生物质炭中含有丰富的空隙和有机大分子结构，在和肥料配施的情况下，在土壤中较易形成大团聚体，增进土壤的养分离子的吸附和保持，土壤中的NH4+吸附与固持作用得以明显增强，提高了作物对氮的利用率，从而使氮素损失得到降低。另外，生物质炭在土壤中存在一定时间后表面部分会被轻度氧化形成羰基、酚基等，这有助于增加土壤的阳离子交换量。生物质炭对NH4+和NO3-具有较强的吸附特性，从而能够持留土壤中的氮素，有效降低农田土壤氨的挥发和控制土壤氮养分的淋沥流失，这些特性使生物质炭能够有效