一种生物白炭的制备工艺的制作方法

本发明属于农业资源环境技术领域，尤其涉及一种生物白炭的制备工艺。

背景技术：

世界范围内农林业加工过程中所产生的废弃物是一个庞大的数字，仅在我国2011年稻壳产量达到约4000万吨，各类农作物秸秆的产量每年超过7亿吨，这些农作物秸秆、稻壳等的处理是一个问题。热解是将生物质原料通过加热分解的方式转化为其他产品加以利用，实施较为简单，能量转化率较高，也利于生物质原料的大批量处理，是解决上述农林业废弃生物质原料的有效方法之一。

生物炭是由生物质原料在完全或者部分缺氧的情况下经过热解炭化形成的一类高度芳香化难熔的固态物质，生物炭表面具有疏松多孔特征，比表面积大，表面能高，在改良土壤肥力、碳库中“增汇减排”作用和环境污染修复手段等方面具有突出的功效，使其在农业和环境中具有广阔的应用前景。生物炭的热解是一种变废为宝的新途径，生物炭可以作为土壤改良剂，能够影响农业土壤环境中持久性有机污染物、重金属、农药、氮磷等的形态、迁移转化、生物有效性和生态效应。一方面，现有工艺制备的生物炭一般都是通过改变重金属在土壤中的存在形态，使其钝化，以降低其在环境中的迁移和生物有效性，并不能有效降低重金属含量；另一方面，现有工艺制备的生物炭均是黑色的，在运输和使用过程中，操作者容易接触到生物炭，并会导致操作者衣服和手被黑色的生物炭沾污，而不易洗净，使用不方便。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种生物白炭的制备工艺。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种生物白炭的制备工艺，包括以下几个步骤：

步骤1、原料预处理：将生物质原料切成小段，进行清洁化预处理；再将生物质原料投放到质量分数为5-15%的催化剂溶液中，搅拌、浸泡和过滤，得到含水和催化剂的生物质原料；所述催化剂溶液为二氧化锰溶液、氯化铁溶液、三氧化铝溶液、碳酸钠溶液和稀土元素按任意体积比例混合组成的混合溶液；

步骤2、初次烘干：将步骤1中得到的生物质原料置于烘干机中进行初次烘干，烘干机温度控制在100-120℃，使其含水率低于15%；

步骤3、粉碎：将经过初次烘干处理的生物质原料投入粉碎机中进行粉碎，粉碎机的转速设为1800-2500r/min，然后经研磨机研磨得到生物质原料颗粒，生物质原料颗粒的粒径不超过8mm；

步骤4、活化：将过20-60目筛网的麦饭石粉末和有机蒙脱石粉末加入到步骤3的生物质原料颗粒中，并混匀得到原料粉末混合物；再将原料粉末混合物加入相当于原料粉末混合物总重量10-15%的活化剂搅拌均匀，过滤；所述活化剂为配制的浓度为0.1-0.5mol/l的氯化锌溶液；

步骤5、二次烘干：将含有活化剂的混合物再次进行干燥处理，烘干机温度控制在120-150℃，使其含水量低于8%；

步骤6、热解炭化：将步骤5中经过二次烘干的混合物放入炭化炉中，在co2与co比例为3-4:1的混合气体内无氧炭化，混合气体的压强为0.2-0.3mpa，炭化分三个阶段，第一阶段炭化炉内温度以1-3℃/min的升温速率从室温升高至150-250℃，然后炭化炉内温度保持为150-250℃，时间持续4-6h；第二阶段炭化炉内温度以3-5℃/min的升温速率从150-250℃升高至380-550℃，然后炭化炉内温度保持为380-550℃，时间持续3-5h；第三阶段炭化炉内温度以3-5℃/min的升温速率从380-550℃升高至700-820℃，然后炭化炉内温度保持为700-820℃，时间持续2-4h，得到生物炭；

步骤7、表面氧化：所述步骤6所得的生物炭经过输送链传输至氧化室内，在氧化室内通过多孔喷头喷淋液体氧化剂氧化生物炭表面，使生物炭表面氧化；所述液体氧化剂为双氧水、次氯酸钠和高锰酸钾的混合溶液，所述混合溶液的质量浓度为3%-8%，氧化时间控制在2-5分钟；

步骤8、隔氧冷却：经过步骤7氧化的生物炭由隔氧输送机构隔氧输送至隔氧冷却室的进料口，在隔氧冷却室内进行隔氧冷却处理，隔氧冷却时间控制在8-15小时，待生物炭的温度自然降至室温即得成品生物白炭。

进一步的，所述步骤1中的生物质原料为水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆、油菜秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、豌豆秸秆、小麦壳、稻壳、花生壳、茶籽壳、果壳或果皮、果渣、树枝、竹材、树叶、杂草中的两种或两种以上的混合物。

进一步的，所述步骤6中的炭化炉包括炭化室、燃烧器、出烟口、进气口、加料口、炉门、鼓风机、烟雾处理装置、输送链、氧化室、隔氧输送机构以及隔氧冷却室；所述燃烧器设在炭化室内，在炭化室的顶部开设有加料口，在炭化室的底部开设有出烟口，出烟口通过出烟管道和抽风机与烟雾处理装置连通；所述炭化室的下部设有进气口，进气口通过管道连接鼓风机；所述炭化室的中部设有炉门，炉门与炭化室活动连接；所述炉门外设有输送链，所述输送链的一端与炭化室连接，另一端与氧化室连接；所述氧化室通过隔氧输送机构与隔氧冷却室连接。

进一步的，所述氧化室包括进料斗、出料斗、氧化腔、拨料轮、多孔喷头以及液体氧化剂储存箱；所述进料斗设在氧化腔的顶部，并与输送链的另一端连接；所述氧化腔的内顶部设有拨料轮；所述多孔喷头通过液体管道与液体氧化剂储存箱连接，所述多孔喷头设在氧化腔内两侧壁和顶壁上；所述出料斗设在氧化腔的底部，并与隔氧输送机构连接。

进一步的，所述隔氧冷却室包括第一进料口、第一出料口、观察窗、通气口、隔氧冷却腔以及温度传感器；所述第一进料口设在隔氧冷却腔的顶部，所述第一出料口设在隔氧冷却腔的底部，所述通气口设在隔氧冷却腔的下部；所述在第一进料口和第一出料口处均设有密封盖，保证隔氧冷却腔内完全处于隔氧状态；在隔氧冷却腔上还设有观察窗和温度传感器，以便监测隔氧冷却程度。

进一步的，所述步骤3中的粉碎机包括机架、粉碎机构、动力机构以及第二进料口和第二出料口；所述粉碎机构包括外壳和双辊粉碎机构，所述外壳横向设于机架上，所述外壳的两端封闭而形成粉碎室；在所述外壳的上方设有第二进料口，在所述外壳的下方设有第二出料口；所述双辊粉碎机构包括横穿在所述粉碎室内的第一辊轴和第二辊轴，所述第一辊轴和第二辊轴上等间距且间隔设有锯齿形刀片和轴套，且锯齿形刀片和轴套分别相对应；生物质原料从第二进料口进入，双辊相向高速旋转，粉碎生物质原料；在所述双辊粉碎机构和所述第二出料口之间设有筛网，以使粉碎合格后的物料从筛网筛落；所述动力机构包括相连接的第一驱动装置和第一传动装置，以及相连接第二驱动装置和第二传动装置；所述第一传动装置与所述第一辊轴的一端连接并带动所述第一辊轴转动；所述第二传动装置与所述第二辊轴的一端连接并带动所述第二辊轴转动。

进一步的，所述锯齿形刀片的刀盘直径为200mm-400mm；所述锯齿形刀片和轴套的厚度为10-30mm；所述锯齿形刀片的刀尖与轴套的间隙为0.5-1mm；所述锯齿形刀片的齿数为6-24个。

与现有技术相比，本发明所提供的生物白炭的制备工艺具有以下有益效果：

1、经过催化剂溶液浸泡生物质原料以及分三个阶段的热解炭化，第一阶段以较低的升温速率升至较低温度，先进行预炭化，第二阶段和第三阶段再升至高温进行炭化，不仅提高了生物白炭的得炭率，并且提高了生物白炭的比表面积，增加了生物白炭的孔隙结构，极大的提高了生物白炭的实用价值；

2、本发明中增加了活化工艺，将麦饭石粉末和有机蒙脱石粉末与生物质原料粉末混合后，再加入活化剂活化，麦饭石粉末是多孔海绵状结构，比表面积大，且具有强烈的静电吸力，使生物白炭作为土壤改良剂，能够对土壤中的重金属具有强烈的吸附作用，降低了土壤中重金属含量；有机蒙脱石粉末对土壤中的有机污染物具有吸附性能；本发明制备的生物白炭不仅能够影响土壤中有机污染物、重金属等的形态、迁移转化和生态效应，而且能够通过麦饭石粉末的静电吸力和有机蒙脱石粉末的吸附性有效降低土壤中重金属和有机污染物的含量；

3、本发明在经过热解炭化后，再进行表面氧化和隔氧冷却，使生物炭表面氧化，并隔氧降至室温，得到生物白炭，生物白炭表面为灰白色，运输和使用更加清洁方便，避免了沾污衣物和手；

4、本发明制备的生物白炭原料易得，制备成本低廉，经济实用性强，在改良土壤肥力的同时减少了碳排放，对全球变暖问题的减缓具有积极的促进作用；

5、本发明在步骤6中使用的炭化炉，不仅包括热解炭化部分的结构，还包括了后续工艺的氧化和隔氧冷却部分的结构，每个工序结构之间设有输送机构，使得整个工序过程连贯且输送方便，节省了制备时间和人力成本，适合大批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明步骤6中炭化炉的结构示意图；

图2是本发明步骤3中粉碎机的双辊粉碎机构结构示意图；

图3是本发明步骤3中粉碎机的双辊粉碎机构锯齿形刀片工作示意图；

其中：1-炭化室，2-燃烧器，3-加料口，4-炉门，5-出烟口，6-进气口，7-鼓风机，8-输送链，9-氧化腔，10-隔氧输送机构，11-隔氧冷却室，12-进料斗，13-液体氧化剂储存箱，14-拨料轮，15-多孔喷头，16-斜板，17-出料斗，18-第一出料口，19-观察窗，20-通气口，21-第一进料口，22-隔氧冷却腔，23-锯齿形刀片，24-轴套，25-第一辊轴，26-第二辊轴。

具体实施方式

下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的一种生物白炭的制备工艺，包括以下几个步骤：

步骤1、原料预处理：将生物质原料切成小段，进行清洁化预处理；再将生物质原料投放到质量分数为5-15%的催化剂溶液中，搅拌、浸泡和过滤，得到含水和催化剂的生物质原料；催化剂溶液为二氧化锰溶液、氯化铁溶液、三氧化铝溶液、碳酸钠溶液和稀土元素按任意体积比例混合组成的混合溶液；

步骤2、初次烘干：将步骤1中得到的生物质原料置于烘干机中进行初次烘干，烘干机温度控制在100-120℃，使其含水率低于15%；

步骤3、粉碎：将经过初次烘干处理的生物质原料投入粉碎机中进行粉碎，粉碎机的转速设为1800-2500r/min，然后经研磨机研磨得到生物质原料颗粒，生物质原料颗粒的粒径不超过8mm；

步骤4、活化：将过20-60目筛网的麦饭石粉末和有机蒙脱石粉末加入到步骤3的生物质原料颗粒中，并混匀得到原料粉末混合物；再将原料粉末混合物加入相当于原料粉末混合物总重量10-15%的活化剂搅拌均匀，过滤；活化剂为配制的浓度为0.1-0.5mol/l的氯化锌溶液；

步骤5、二次烘干：将含有活化剂的混合物再次进行干燥处理，烘干机温度控制在120-150℃，使其含水量低于8%；

步骤6、热解炭化：将步骤5中经过二次烘干的混合物放入炭化炉中，在co2与co比例为3-4:1的混合气体内无氧炭化，混合气体的压强为0.2-0.3mpa，炭化分三个阶段，第一阶段炭化炉内温度以1-3℃/min的升温速率从室温升高至150-250℃，然后炭化炉内温度保持为150-250℃，时间持续4-6h；第二阶段炭化炉内温度以3-5℃/min的升温速率从150-250℃升高至380-550℃，然后炭化炉内温度保持为380-550℃，时间持续3-5h；第三阶段炭化炉内温度以3-5℃/min的升温速率从380-550℃升高至700-820℃，然后炭化炉内温度保持为700-820℃，时间持续2-4h，得到生物炭；

步骤7、表面氧化：步骤6所得的生物炭经过输送链传输至氧化室内，在氧化室内通过多孔喷头喷淋液体氧化剂氧化生物炭表面，使生物炭表面氧化；液体氧化剂为双氧水、次氯酸钠和高锰酸钾的混合溶液，所述混合溶液的质量浓度为3%-8%，氧化时间控制在2-5分钟；

步骤8、隔氧冷却：经过步骤7氧化的生物炭由隔氧输送机构隔氧输送至隔氧冷却室的进料口，在隔氧冷却室内进行隔氧冷却处理，隔氧冷却时间控制在8-15小时，待生物炭的温度自然降至室温即得成品生物白炭。

如图1所示，步骤6中的炭化炉包括炭化室1、燃烧器2、出烟口5、进气口6、加料口3、炉门4、鼓风机7、烟雾处理装置、输送链8、氧化室、隔氧输送机构10以及隔氧冷却室11；燃烧器2设在炭化室1内，在炭化室1的顶部开设有加料口3，在炭化室1的底部开设有出烟口5，出烟口5通过出烟管道和抽风机与烟雾处理装置连通；炭化室1的下部设有进气口6，进气口6通过管道连接鼓风机7；炭化室1的中部设有炉门4，炉门4与炭化室1活动连接；炉门4外设有输送链8，输送链8的一端与炭化室1连接，另一端与氧化室连接；氧化室通过隔氧输送机构10与隔氧冷却室11连接。

氧化室包括进料斗12、出料斗17、氧化腔9、拨料轮14、多孔喷头15以及液体氧化剂储存箱13；进料斗12设在氧化腔9的顶部，并与输送链8的另一端连接；氧化腔9的内顶部设有拨料轮14；多孔喷头15通过液体管道与液体氧化剂储存箱13连接，多孔喷头15设在氧化腔9内两侧壁和顶壁上；出料斗17设在氧化腔9的底部，并与隔氧输送机构10连接；拨料轮14和多孔喷头15的配合使用，使待氧化的生物炭与液体氧化剂充分均匀接触，使生物炭的表面氧化均匀；氧化腔9内还设有斜板16，以便氧化后的生物炭能自动从氧化腔9中完全流出，通过出料斗17进入隔氧输送机构10，进入下一步工序。

隔氧冷却室11包括第一进料口21、第一出料口18、观察窗19、通气口20、隔氧冷却腔22和温度传感器；第一进料口21设在隔氧冷却腔22的顶部，第一出料口18设在隔氧冷却腔22的底部，通气口20设在隔氧冷却腔22的下部；在第一进料口21和第一出料口18处均设有密封盖，保证隔氧冷却腔22内完全处于隔氧状态；在隔氧冷却腔22上还设有观察窗19和温度传感器；通过观察窗19可以监测到生物白炭隔氧冷却处理程度，温度传感器用于监测隔氧冷却腔22内的温度，当其温度降至室温时，即可出料。

如图2和图3所示，步骤3中的粉碎机包括机架、粉碎机构、动力机构以及第二进料口和第二出料口；粉碎机构包括外壳和双辊粉碎机构，外壳横向设于机架上，外壳的两端封闭而形成粉碎室；在外壳的上方设有第二进料口，在外壳的下方设有第二出料口；双辊粉碎机构包括横穿在粉碎室内的第一辊轴25和第二辊轴26，第一辊轴25和第二辊轴26上等间距且间隔设有锯齿形刀片23和轴套24，且锯齿形刀片23和轴套24分别相对应；生物质原料从第二进料口进入，双辊相向高速旋转，粉碎生物质原料；在双辊粉碎机构和第二出料口之间设有筛网，以使粉碎合格后的物料从筛网筛落；动力机构包括相连接的第一驱动装置和第一传动装置，以及相连接第二驱动装置和第二传动装置；第一传动装置与第一辊轴25的一端连接并带动所述第一辊轴25转动；第二传动装置与所述第二辊轴26的一端连接并带动第二辊轴26转动；该粉碎机将生物质原料粉碎成很小的碎段，避免了粉碎机在粉碎过程中容易堵塞的问题，降低了停机清理粉碎室和筛网的次数。

锯齿形刀片23的刀盘直径为200mm；锯齿形刀片23和轴24套的厚度为20mm；锯齿形刀片23的刀尖与轴套24的间隙为0.8mm；锯齿形刀片23的齿数为12个。

实施例1

本发明所提供的生物白炭的制备工艺，包括以下几个步骤：

步骤1、原料预处理：将生物质原料切成小段，进行清洁化预处理；再将生物质原料投放到质量分数为10%的催化剂溶液中，搅拌、浸泡和过滤，得到含水和催化剂的生物质原料；催化剂溶液为二氧化锰溶液、氯化铁溶液、三氧化铝溶液、碳酸钠溶液和稀土元素按2：2：2：2：1的体积比例混合组成的混合溶液；

步骤2、初次烘干：将步骤1中得到的生物质原料置于烘干机中进行初次烘干，烘干机温度控制在100℃，使其含水率低于15%；

步骤3、粉碎：将经过初次烘干处理的生物质原料投入粉碎机中进行粉碎，粉碎机的转速设为2000r/min，然后经研磨机研磨得到生物质原料颗粒，生物质原料颗粒的粒径不超过8mm；

步骤4、活化：将过40目筛网的麦饭石粉末和有机蒙脱石粉末加入到步骤3的生物质原料颗粒中，并混匀得到原料粉末混合物；再将原料粉末混合物加入相当于原料粉末混合物总重量12%的活化剂搅拌均匀，过滤；活化剂为配制的浓度为0.2mol/l的氯化锌溶液；

步骤5、二次烘干：将含有活化剂的混合物再次进行干燥处理，烘干机温度控制在120℃，使其含水量低于8%；

步骤6、热解炭化：将步骤5中经过二次烘干的混合物放入炭化炉中，在co2与co比例为3:1的混合气体内无氧炭化，混合气体的压强为0.2mpa，炭化分三个阶段，第一阶段炭化炉内温度以1℃/min的升温速率从室温升高至200℃，然后炭化炉内温度保持为200℃，时间持续6h；第二阶段炭化炉内温度以5℃/min的升温速率从200℃升高至500℃，然后炭化炉内温度保持为500℃，时间持续4h；第三阶段炭化炉内温度以3℃/min的升温速率从500℃升高至820℃，然后炭化炉内温度保持为820℃，时间持续3h，得到生物炭；

步骤7、表面氧化：所述步骤6所得的生物炭经过输送链传输至氧化室内，在氧化室内通过多孔喷头喷淋液体氧化剂氧化生物炭表面，使生物炭表面氧化；液体氧化剂为双氧水、次氯酸钠和高锰酸钾的混合溶液，混合溶液的质量浓度为5%，氧化时间控制在4分钟；

步骤8、隔氧冷却：经过步骤7氧化的生物炭由隔氧输送机构隔氧输送至隔氧冷却室的进料口，在隔氧冷却室内进行隔氧冷却处理，隔氧冷却时间控制在8-15小时，待生物炭的温度自然降至室温即得成品生物白炭。

步骤1中的生物质原料为水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆、油菜秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、豌豆秸秆、小麦壳、稻壳、花生壳、茶籽壳、果壳或果皮、果渣、树枝、竹材、树叶和杂草的混合物。

实施例2

一种生物白炭的制备工艺，包括以下几个步骤：

步骤1、原料预处理：将生物质原料切成小段，进行清洁化预处理；再将生物质原料投放到质量分数为15%的催化剂溶液中，搅拌、浸泡和过滤，得到含水和催化剂的生物质原料；催化剂溶液为二氧化锰溶液、氯化铁溶液、三氧化铝溶液、碳酸钠溶液和稀土元素按2:1:1:1:1的体积比例混合组成的混合溶液；

步骤2、初次烘干：将步骤1中得到的生物质原料置于烘干机中进行初次烘干，烘干机温度控制在110℃，使其含水率低于15%；

步骤3、粉碎：将经过初次烘干处理的生物质原料投入粉碎机中进行粉碎，粉碎机的转速设为2500r/min，然后经研磨机研磨得到生物质原料颗粒，生物质原料颗粒的粒径不超过8mm；

步骤4、活化：将过40目筛网的麦饭石粉末和有机蒙脱石粉末加入到步骤3的生物质原料颗粒中，并混匀得到原料粉末混合物；再将原料粉末混合物加入相当于原料粉末混合物总重量10%的活化剂搅拌均匀，过滤；活化剂为配制的浓度为0.3mol/l的氯化锌溶液；

步骤5、二次烘干：将含有活化剂的混合物再次进行干燥处理，烘干机温度控制在130℃，使其含水量低于8%；

步骤6、热解炭化：将步骤5中经过二次烘干的混合物放入炭化炉中，在co2与co比例为4:1的混合气体内无氧炭化，混合气体的压强为0.3mpa，炭化分三个阶段，第一阶段炭化炉内温度以2℃/min的升温速率从室温升高至150℃，然后炭化炉内温度保持为150℃，时间持续5h；第二阶段炭化炉内温度以4℃/min的升温速率从150℃升高至550℃，然后炭化炉内温度保持为550℃，时间持续4h；第三阶段炭化炉内温度以4℃/min的升温速率从550℃升高至800℃，然后炭化炉内温度保持为800℃，时间持续3h，得到生物炭；

步骤7、表面氧化：所述步骤6所得的生物炭经过输送链传输至氧化室内，在氧化室内通过多孔喷头喷淋液体氧化剂氧化生物炭表面，使生物炭表面氧化；液体氧化剂为双氧水、次氯酸钠和高锰酸钾的混合溶液，所述混合溶液的质量浓度为8%，氧化时间控制在3分钟；

步骤8、隔氧冷却：经过步骤7氧化的生物炭由隔氧输送机构隔氧输送至隔氧冷却室的进料口，在隔氧冷却室内进行隔氧冷却处理，隔氧冷却时间控制在8-15小时，待生物炭的温度自然降至室温即得成品生物白炭。

步骤1中的生物质原料为水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆、油菜秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、豌豆秸秆、小麦壳、稻壳、花生壳、茶籽壳、果壳或果皮、树枝、竹材和树叶的混合物。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。