一种超富集植物收获物资源化利用的系统及方法与流程

本发明属于农业资源化技术领域及污染土壤修复领域，具体地，涉及一种处理超富集植物收获物资源化利用的系统及方法。

背景技术：

植物修复是重金属污染土壤修复的一种方法，经过近几年的发展，植物修复技术以其治理效果的永久性、治理过程的原位性、治理成本的低廉性和环境美学的兼容性等特点，已逐渐成为污染土壤治理的主要途径之一，并开始进入产业化初期阶段。在我国本土也已发现蜈蚣草(富集砷)、berkheyacoddii植物(富集镍)、东南景天(富集锌)、brassicacampestris(富集铅或镉)等多种超富集植物。现有技术主要集中在超富集植物的筛选、螯合诱导修复、接种菌根强化、基因技术、农艺管理和田间措施等。而关于修复重金属污染土壤后的植物收获物的处理及资源化技术，国内外的研究报道很少，且基本上都是简单的试验探索。

实现超富集植物收获物地有效处理和资源化，是植物修复技术体系需要完善的一个难点，也是植物修复技术在产业化过程中，必须面对和迫切需要解决的关键问题之一。这是由于积累了大量重金属的植物往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属元素重返土壤，因此必须在植物落叶等途径使重金属元素重返土壤，因此必须在植物落叶前收割植株体，并将其及时无害化处理。

现有的超富集植物收获物的处理方法要么不能有效的处理重金属，要么不能实现超富集植物收获物的资源化利用，迫切的需要提供一种环境和经济效益共赢的处理方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明首先提供了一种超富集植物收获物资源化利用的系统，其包括热解单元和重金属处理单元，所述热解单元包括热解炉，所述重金属处理单元包括浸出装置、净化装置和电化学沉积装置；

所述热解炉设有热解原料入口、可燃气入口、热解炭出口和高温油气出口；

所述浸出装置设有浸出剂入口、热解炭入口、生物炭出口和浸出液出口，所述热解炭入口与所述热解炉的热解炭出口相连；

所述净化装置设有锌粉入口、浸出液入口和净化液出口，所述浸出液入口与所述浸出装置的浸出液出口相连；

所述电化学沉积装置设有净化液入口、重金属出口和电积废液出口，所述净化液入口与所述净化装置的净化液出口相连。

在本发明的一些实施例中，该系统还包括发电单元，所述发电单元包括燃烧室、余热锅炉和汽轮机；

所述燃烧室设有高温油气入口、高温烟气出口，所述高温油气入口与所述热解炉的高温油气出口相连；

所述余热锅炉设有高温烟气入口、水入口、低温烟气出口和过热蒸汽出口，所述高温烟气入口与所述燃烧室的高温烟气出口相连；

所述汽轮机设有过热蒸汽入口、冷凝水出口和发电机组，所述过热蒸汽入口与所述余热锅炉的过热蒸汽出口相连。

在本发明的一些实施例中，所述浸出装置还设有氨水入口，所述电化学沉积装置的电积废液出口与所述浸出装置的浸出剂入口相连。

在本发明的一些实施例中，所述电化学沉积装置的阳极材料为铝板或不锈钢板，阴极材料为惰性材料。

在本发明的一些实施例中，该系统还包括预处理单元，所述预处理单元包括烘干装置、粉碎装置和压块装置；

所述烘干装置设有烘干原料入口和烘干料出口；

所述粉碎装置设有粉碎原料入口和粉碎料出口，所述粉碎原料入口与所述烘干装置的烘干料出口相连；

所述压块装置设有压块原料入口和料包出口，所述压块原料入口与所述粉碎装置的粉碎料出口相连，所述料包出口与所述热解炉的热解原料入口相连。

本发明进一步提供了采用上述系统资源化利用超富集植物收获物的方法，包括如下步骤：

准备超富集植物收获物；

将所述超富集植物收获物送入所述热解炉中进行热解，获得热解炭、高温油气；

将所述热解炭送入所述浸出装置，用(nh4)2co3-nh3-h2o体系将所述热解炭中的重金属浸出，获得浸出液和生物炭；

将所述浸出液送入所述净化装置，用锌粉置换所述浸出液中的杂质元素，获得净化液；

将所述净化液送入所述电化学沉积装置进行电化学沉积，获得重金属。

在本发明的一些实施例中，上述方法还包括如下步骤：

将所述高温油气进行燃烧，获得高温烟气；

将所述高温烟气与水进行换热，获得过热蒸汽；

将所述过热蒸汽用于发电。

在本发明的一些实施例中，所述超富集植物收获物的热解温度为400-700℃，热解时间为30-60min，热解结束后保温20-45min。

在本发明的一些实施例中，所述(nh4)2co3-nh3-h2o体系中，[nh4]⁺的浓度为2-10mol/l，氨水的浓度为1-6mol/l；浸出步骤的固液比为2:1-5:1，浸出时间为30-300min，浸出温度为30-50℃。

在本发明的一些实施例中，所述净化液在所述电化学沉积装置进行电化学沉积后，将产生的电积废液送入所述浸出装置中，并加入氨水，用于浸出重金属。

本发明将超富集植物收获物进行热解，并对重金属进行了进一步地处理，既解决了重金属的污染问题，又可以提供金属、燃气和生物油等有价资源，实现了环境和经济效益的统一。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种超富集植物收获物资源化利用的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种资源化利用超富集植物收获物的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明提供的超富集植物收获物资源化利用的系统，包括热解单元和重金属处理单元，热解单元包括热解炉，重金属处理单元包括浸出装置、净化装置和电化学沉积装置。

热解炉用于热解超富集植物收获物。热解炉设有热解原料入口、可燃气入口、热解炭出口和高温油气出口。

浸出装置用于将重金属从热解炭中浸出。浸出装置设有浸出剂入口、热解炭入口、生物炭出口和浸出液出口，热解炭入口与热解炉的热解炭出口相连。

净化装置用锌粉置换浸出液中的杂质元素，获得净化液。净化装置设有锌粉入口、浸出液入口和净化液出口，浸出液入口与浸出装置的浸出液出口相连。

电化学沉积装置用于进行电化学沉积反应，使重金属从净化液中脱除。电化学沉积装置设有净化液入口、重金属出口和电积废液出口，净化液入口与净化装置的净化液出口相连。

本发明将超富集植物收获物进行热解，并对重金属进行了进一步地处理，既解决了重金属的污染问题，又可以提供金属、燃气和生物油等有价资源，实现了环境和经济效益的统一。

本发明使用的热解炉为热载体蓄热式旋转床，热效率高，达到86％以上。热解炉内为高温绝氧环境，热解挥发气与高温烟气隔绝，避免了二次污染。热解过程中物料相对料床静止，不受压，不翻动，辐射管内流体与反应炉膛完全隔离，避免了产生飞灰的问题。

在本发明优选的实施例中，该系统还包括发电单元，发电单元包括燃烧室、余热锅炉和汽轮机。将热解油气进行燃烧，然后制备蒸汽，再将蒸汽用来发电。

燃烧室用于燃烧热解油气，制备高温烟气。燃烧室设有高温油气入口、高温烟气出口，高温油气入口与热解炉的高温油气出口相连。

余热锅炉用于制备过热蒸汽。余热锅炉设有高温烟气入口、水入口、低温烟气出口和过热蒸汽出口，高温烟气入口与燃烧室的高温烟气出口相连。

汽轮机用于发电。汽轮机设有过热蒸汽入口、冷凝水出口和发电机组，过热蒸汽入口与余热锅炉的过热蒸汽出口相连。

电能可供应超富集植物预处理装置的用电，实现资源的循环利用。

在本发明优选的实施例中，浸出装置还设有氨水入口，电化学沉积装置的电积废液出口与浸出装置的浸出剂入口相连。

电积废液补充氨后，再用于浸出重金属。不仅解决了电积废液处理难的问题，还节约了浸出剂，降低了生产成本。

在本发明优选的实施例中，电化学沉积装置的阳极材料为铝板或不锈钢板，阴极材料为惰性材料，得到的电积金属质量更好。可选的惰性金属有：高纯石墨、涂钌钛板、硼化钛板、碳化钛、硼化锆等。

在本发明优选的实施例中，上述系统还可包括预处理单元。预处理单元可以包括烘干装置、粉碎装置和压块装置。刚收割的超富集植物收获物水分含量高、尺寸大小不一，经过预处理单元处理后，有利于后续工序的进行。

烘干装置用于烘干刚收割的超富集植物收获物。烘干装置设有烘干原料入口和烘干料出口。

从烘干装置出来后的超富集植物收获物进一步被粉碎。粉碎装置设有粉碎原料入口和粉碎料出口，粉碎原料入口与烘干装置的烘干料出口相连。

压块装置用于将粉碎后的超富集植物收获物压成料包，以便进入热解炉进行热解。压块装置设有压块原料入口和料包出口，压块原料入口与粉碎装置的粉碎料出口相连，料包出口与热解炉的热解原料入口相连。

图1所示为本发明优选的一种超富集植物收获物资源化利用的系统。图1中，1为预处理单元，包括烘干装置11、粉碎装置12和压块装置13；2为热解单元，包括热解炉21；3为重金属处理单元，包括浸出装置31、净化装置32和电化学沉积装置33；4为发电单元，包括燃烧室41、余热锅炉42和汽轮机43。其相互之间的连接关系如上所述。

本发明提供的采用上述系统资源化利用超富集植物收获物的方法，包括如下步骤：

准备超富集植物收获物；

将超富集植物收获物送入热解炉中进行热解，获得热解炭、高温油气；

将热解炭送入浸出装置，用(nh4)2co3-nh3-h2o体系将热解炭中的重金属浸出，获得浸出液和生物炭；

将浸出液送入净化装置，用锌粉置换浸出液中的杂质元素，获得净化液；

将净化液送入电化学沉积装置进行电化学沉积，获得重金属。

采用本发明提供的方法处理超富集植物收获物，其重金属回收率高，且还能得到热解炭和高温油气等有价资源。

同前所述，在本发明优选的实施例中，可将高温油气进一步燃烧，然后和水换热制得蒸汽，再用蒸汽进行发电。即，上述方法还可以包括如下步骤：

将高温油气进行燃烧，获得高温烟气；

将高温烟气与水进行换热，获得过热蒸汽；

将过热蒸汽用于发电。

同前所述，在本发明优选的实施例中，可先对超富集植物收获物进行预处理，再送入热解炉中进行热解。优选地，将刚收割的超富集植物收获物烘干至含水量为20wt％(重量百分比)左右，然后粉碎至10cm左右，再压成堆密度为0.2-0.4t/m³的料包。

热解温度过低、时间过短，超富集植物收获物不能被热解完全；热解温度过高、时间过长，增加了系统的能耗。在本发明优选的实施例中，超富集植物收获物在热解炉中的热解温度为400-700℃，热解时间为30-60min。超富集植物收获物热解后最好再保温一段时间，能够使其热解更充分。优选地，热解结束后保温20-45min。

本发明采用(nh4)2co3-nh3-h2o体系浸出重金属。在本发明优选的实施例中，(nh4)2co3-nh3-h2o体系中，[nh4]⁺的浓度为2-10mol/l，氨水的浓度为1-6mol/l。在此条件下，浸出步骤的固液比优选为2:1-5:1，浸出时间优选为30-300min，浸出温度优选为30-50℃。

同前所述，在本发明优选的实施例中，净化液在电化学沉积装置进行电化学沉积后，将产生的电积废液送入浸出装置中，并加入氨水，用于浸出重金属。

下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。

实施例1

本实施例采用图1所示的系统和图2所示的工艺流程资源化利用超富集植物收获物。本实施例所用的超富集植物收获物为宝山堇菜，原料含水率为45.5wt％，镉的浓度为2310mg/kg(干物质重)。具体如下：

11)将1t(吨)宝山堇菜原料送入烘干机11，烘干温度为80℃，烘干至水分含量为25.2wt％，而后送入粉碎机12粉碎至10cm左右，并送入压块机13进行压块，料包的堆密度为0.3t/m³。

12)将压块后的宝山堇菜送入蓄热式旋转床热解装置21，其中热解温度为600℃，热解时间为50min，热解结束后保温30min，获得热解炭和高温油气。

13)将产生的热解炭输送至浸出装置31，采用(nh4)2co3-nh3-h2o体系浸出，获得浸出液和生物炭。[nh4]⁺的浓度为4mol/l，氨水的浓度为2mol/l；浸出步骤的固液比为3:1，浸出时间为60min，浸出温度为30℃。

14)将浸出液送入净化装置32，用锌粉置换浸出液中的杂质元素，获得净化液。

15)将净化液送入电化学沉积装置33进行电化学沉积，获得重金属。电化学沉积装置的阳极材料为不锈钢板，阴极材料为高纯石墨。电化学沉积过程中的电流效率为92％。

16)将高温油气送入燃烧室内41进行燃烧，产生高温烟气；高温烟气在余热锅炉42里与水进行换热，产生过热蒸汽；过热蒸汽进入汽轮机43发电。

本实施例回收的镉为1.06kg，回收率约为84％，发电298kwh。

实施例2

本实施例采用图1所示的系统和图2所示的工艺流程资源化利用超富集植物收获物。本实施例所用的超富集植物收获物为蜈蚣草，原料含水率为50.6wt％，砷的浓度为2645mg/kg(干物质重)。具体如下：

21)将1t蜈蚣草原料送入烘干机11，烘干温度为110℃，烘干至水分含量为22.5wt％，而后送入粉碎机12粉碎至10cm左右，并送入压块机13进行压块，料包的堆密度为0.2t/m³。

22)将压块后的蜈蚣草送入蓄热式旋转床热解装置21，其中热解温度为400℃，热解时间为60min，热解结束后保温45min，获得热解炭和高温油气。

23)将产生的热解炭输送至浸出装置31，采用(nh4)2co3-nh3-h2o体系浸出，获得浸出液和生物炭。[nh4]⁺的浓度为10mol/l，氨水的浓度为6mol/l；浸出步骤的固液比为5:1，浸出时间为30min，浸出温度为40℃。

24)将浸出液送入净化装置32，用锌粉置换浸出液中的杂质元素，获得净化液。

25)将净化液送入电化学沉积装置33进行电化学沉积，获得重金属。电化学沉积装置的阳极材料为铝板，阴极材料为涂钌钛板。电化学沉积过程中的电流效率为93％。

26)将高温油气送入燃烧室内41进行燃烧，产生高温烟气；高温烟气在余热锅炉42里与水进行换热，产生过热蒸汽；过热蒸汽进入汽轮机43发电。

本实施例回收的砷为1.12kg，回收率约为86％，发电326kwh。

实施例3

本实施例采用图1所示的系统和图2所示的工艺流程资源化利用超富集植物收获物。本实施例所用的超富集植物收获物为蜈蚣草，原料含水率为40.8wt％，砷的浓度为2421mg/kg(干物质重)。具体如下：

31)将1t蜈蚣草原料送入烘干机11，烘干温度为95℃，烘干至水分含量为21.4wt％，而后送入粉碎机12粉碎至10cm左右，并送入压块机13进行压块，料包的堆密度为0.4t/m³。

32)将压块后的蜈蚣草送入蓄热式旋转床热解装置21，其中热解温度为700℃，热解时间为30min，热解结束后保温20min，获得热解炭和高温油气。

33)将产生的热解炭输送至浸出装置31，采用(nh4)2co3-nh3-h2o体系浸出，获得浸出液和生物炭。[nh4]⁺的浓度为2mol/l，氨水的浓度为1mol/l；浸出步骤的固液比为2:1，浸出时间为300min，浸出温度为50℃。

34)将浸出液送入净化装置32，用锌粉置换浸出液中的杂质元素，获得净化液。

35)将净化液送入电化学沉积装置33进行电化学沉积，获得重金属。电化学沉积装置的阳极材料为不锈钢板，阴极材料为碳化钛。电化学沉积过程中的电流效率为91％。

36)将高温油气送入燃烧室内41进行燃烧，产生高温烟气；高温烟气在余热锅炉42里与水进行换热，产生过热蒸汽；过热蒸汽进入汽轮机43发电。

本实施例回收的砷为1.16kg，回收率约为81％，发电276kwh。

从上述实施例可知，采用本发明提供的工艺处理超富集植物收获物，其重金属回收率高，且还能得到热解炭和高温油气等有价资源。

综上，本发明将超富集植物收获物进行热解，并对重金属进行了进一步地处理，既解决了重金属的污染问题，又可以提供金属、燃气和生物油等有价资源，还能将热解油气用于发电，实现了环境和经济效益的统一。

此外，本发明使用的热解炉为热载体蓄热式旋转床，热效率高，达到86％以上。热解炉内为高温绝氧环境，热解挥发气与高温烟气隔绝，避免了二次污染。热解过程中物料相对料床静止，不受压，不翻动，辐射管内流体与反应炉膛完全隔离，避免了产生飞灰的问题。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。