一种超富集植物收获物资源化利用的系统和方法与流程

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，涉及一种超富集植物收获物资源化利用的系统和方法。

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，包括：

热解装置，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，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装置的热解炭出口相连；

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；

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；

油气分离装置，设有高温油气入口、热解油出口和热解气出口，所述高温油气入口与所述热解装置的高温油气出口相连；

流化床，设有生物炭入口、热解油入口和气化煤气出口，所述生物炭入口与所述浸出装置的生物炭出口相连，所述热解油入口与所述油气分离装置的热解油出口相连。

进一步地，所述系统还包括：

内燃机，设有热解气入口、气化煤气入口和发电机组，所述热解气入口与所述油气分离装置的热解气出口相连，所述气化煤气入口与所述流化床的气化煤气出口相连。

进一步地，所述系统还包括：

烘干装置，设有烘干原料入口和烘干料出口；

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；

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装置的热解原料入口相连。

进一步地，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。

进一步地，所述热解装置为无热载体蓄热式旋转床。

本发明还提供了一种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装置中进行热解，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；

将所述高温油气送入所述油气分离装置进行分离，获得热解油和热解气；

将所述热解油和所述生物炭送入所述流化床进行气化，获得气化煤气。

进一步地，上述方法还包括如下步骤：

将所述热解气和所述气化煤气燃烧发电。

进一步地，所述电化学沉积过程中的电流效率≥90％。

进一步地，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。

进一步地，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℃。

本发明将超富集植物收获物进行热解，并将超富集植物热解产生的热解炭经浸提液浸提重金属后与热解油一并进入流化床产生气化煤气，既能确保植物修复技术的完整性，又回收重金属，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超富集植物收获物资源化利用的工艺流程图。

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。

如图1所示，本发明提供的超富集植物收获物资源化利用的系统包括烘干装置1、粉碎装置2、压块装置3、热解装置4、浸出装置5、净化装置6、电化学沉积装置7、油气分离装置8、流化床9和内燃机10。

烘干装置1用于干燥超富集植物收获物，有助于超富集植物收获物在热解装置4中更好的被热解。烘干装置1设有烘干原料入口和烘干料出口。

粉碎装置2用于破碎超富集植物收获物，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1的烘干料出口相连。

压块装置3用于将破碎后的破碎超富集植物收获物压成料包，以便更好的送入热解装置4。压块装置3设有压块原料入口和料包出口，压块原料入口与粉碎装置2的粉碎料出口相连。

热解装置4用于热解超富集植物收获物。热解装置4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，热解原料入口与压块装置3的料包出口相连。

浸出装置5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，热解炭入口与热解装置4的热解炭出口相连。

净化装置6用锌粉置换浸出液中的杂质元素，获得净化液。净化装置6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5的浸出液出口相连。

电化学沉积装置7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7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6的净化液出口相连。

油气分离装置8用于分离热解产生的高温油气。油气分离装置8设有高温油气入口、热解油出口和热解气出口，高温油气入口与热解装置4的高温油气出口相连。

流化床9用于制备气化煤气。流化床9设有生物炭入口、热解油入口和气化煤气出口，生物炭入口与浸出装置5的生物炭出口相连，热解油入口与油气分离装置8的热解油出口相连。

内燃机10用于燃烧发电。内燃机10设有热解气入口、气化煤气入口和发电机组，热解气入口与油气分离装置8的热解气出口相连，气化煤气入口与流化床9的气化煤气出口相连。

本发明将超富集植物收获物进行热解，并将超富集植物热解产生的热解炭经浸提液浸提重金属后与热解油一并进入流化床产生气化煤气，既能确保植物修复技术的完整性，又回收重金属，实现了环境和经济效益的统一。

图1所示的系统中，热解气和气化煤气用于发电，实现了资源的循环利用。在本发明其他的实施例中，解气和气化煤气也可另做他用。

图1所示的系统中，超富集植物收获物先干燥，然后经过粉碎和压块后再进行热解。显然，超富集植物收获物也可不经干燥、粉碎和压块，直接进行热解。

本发明使用的热解装置内为高温绝氧环境，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，所用的热解装置为热载体蓄热式旋转床，热效率高，达到86％以上。

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。可用的惰性材料包括：高纯石墨、涂钌钛板、硼化钛板、碳化钛或硼化锆。高纯石墨、涂钌钛板、硼化钛板、碳化钛和硼化锆等，得到的电积金属质量好，而且也不会产生二次污染。

如图2所示，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依次送入烘干装置1、粉碎装置2和压块装置3中进行干燥、破碎和压块；

将压块后的超富集植物收获物送入热解装置4中进行热解，获得热解炭、高温油气；

将热解炭送入浸出装置5，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6，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7进行电化学沉积，获得重金属；

将高温油气送入油气分离装置8进行分离，获得热解油和热解气；

将热解油和生物炭送入流化床9进行气化，获得气化煤气；

将热解气和气化煤气送入内燃机10燃烧发电。

同前所述，热解气和气化煤气也可另做他用。

同前所述，超富集植物收获物也可不经干燥、粉碎和压块，直接进行热解。优选地，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装置中的热解温度为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℃。

电化学沉积过程中的电流效率越高，得到的重金属越多。在本发明优选的实施例中，电化学沉积过程中的电流效率≥90％。

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紫苜蓿，原料含水率为48.5wt％，铅的浓度为725mg/kg(干物质重)。具体如下：

11)将1t(吨)紫苜蓿原料送入烘干机1，烘干温度为80℃，烘干至水分含量为21.6wt％，而后送入粉碎机2粉碎至10cm左右，并送入压块机3进行压块，料包的堆密度为0.4t/m³。

12)将压块后的紫苜蓿送入蓄热式旋转床热解装置4，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。

13)将产生的热解炭输送至浸出装置5，采用(nh4)2co3-nh3-h2o体系浸出，获得浸出液和生物炭。[nh4]⁺的浓度为6mol/l，氨水的浓度为4mol/l；浸出步骤的固液比为3:1，浸出时间为60min，浸出温度为40℃。

14)将浸出液送入净化装置6，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7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95％。

16)将高温油气送入油气分离装置8进行分离，获得热解油和热解气。

17)将热解油和生物炭送入流化床9进行气化，获得气化煤气。

18)将热解气和气化煤气送入内燃机10燃烧发电。

本实施例回收的铅为0.28kg，回收率约为76％，发电315kwh。

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47.5wt％，砷的浓度为1746mg/kg(干物质重)。具体如下：

21)将1t蜈蚣草原料送入烘干机1，烘干温度为100℃，烘干至水分含量为21.6wt％，而后送入粉碎机2粉碎至10cm左右，并送入压块机3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4，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。

23)将产生的热解炭输送至浸出装置5，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℃。

24)将浸出液送入净化装置6，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7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)将高温油气送入油气分离装置8进行分离，获得热解油和热解气。

27)将热解油和生物炭送入流化床9进行气化，获得气化煤气。

28)将热解气和气化煤气送入内燃机10燃烧发电。

本实施例回收的砷为0.75kg，回收率约为82％，发电354kwh。

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40.3wt％，砷的浓度为1850mg/kg(干物质重)。具体如下：

31)将1t蜈蚣草原料送入烘干机1，烘干温度为110℃，烘干至水分含量为24.5wt％，而后送入粉碎机2粉碎至10cm左右，并送入压块机3进行压块，料包的堆密度为0.3t/m³。

32)将压块后的蜈蚣草送入蓄热式旋转床热解装置4，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。

33)将产生的热解炭输送至浸出装置5，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30℃。

34)将浸出液送入净化装置6，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7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，阴极材料为硼化锆。电化学沉积过程中的电流效率为91％。

36)将高温油气送入油气分离装置8进行分离，获得热解油和热解气。

37)将热解油和生物炭送入流化床9进行气化，获得气化煤气。

38)将热解气和气化煤气送入内燃机10燃烧发电。

本实施例回收的砷为0.94kg，回收率约为85％，发电328kwh。

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，重金属回收率高且无二次污染。

综上，本发明将超富集植物收获物进行热解，并将超富集植物热解产生的热解炭经浸提液浸提重金属后与热解油一并进入流化床产生气化煤气，既能确保植物修复技术的完整性，又回收重金属，实现了环境和经济效益的统一。

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。