一种可连续性生产的环保生物炭基肥制备方法与流程

本发明涉及肥料制备及农业环保技术领域，具体涉及一种可连续性生产的环保生物炭基肥制备方法。

背景技术：

生物炭因其具有强大的吸附能力和含有丰富的碳元素，近年来在土壤改良上的应用越来越多。因生物炭元素含量单一，作用有限，大多以其为原料与其它化学肥料掺混起来，作为简单的混合炭基肥料施用，专利201810370885.2中就公开了这样一种混合肥，其中公开了一种用农作物秸秆制作的生物炭肥，将由棉花、玉米或小麦作物的秸秆制成生物炭，再与一定质量的化肥(尿素、磷酸二铵等)混合加工后得到，这样得到生物炭肥这样的田间应用效果相较单独施用化肥效果好，还会有钝化金属改良土壤的作用，但这样的结构较为松散，在操作过程中炭与肥容易分离。

硝态氮在土壤中主要用于补充氮元素，氮元素可使作物生长加快，延长作物生长期和采收期。作物缺氮果实发育不良，畸形果实较多，因此硝态氮对农作物的生长起到至关重要的作用。但是硝态氮易溶于水，容易流失，且溶入水体后会造成水的富营养化，随着国家对于水质与环保的重视，大量施用氮肥以保持土壤中的高硝态氮含量的方法难以满足环保要求，这使得大家不得不寻求其它的解决方式。

专利201710797004.0公布了一种基于土壤中硝态氮吸附的生物炭及制备方法，通过将柠条成1-4cm左右长度，用蒸馏水冲洗烘干后，放入箱式气氛炉，通入氮气塑造缺氧环境，热解得到粗产品；破碎，过筛，制得对水体中硝态氮起到很好吸附作用的生物炭。其原料柠条为固沙植物，获取成本高，且制备方法中使用蒸馏水洗涤，过程繁琐生产成本高，不宜用于大批量的生产。根据此方法得到的生物炭绝大部分成分为碳，只具备吸附作用，不具备肥效。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可连续性生产的环保生物炭基肥制备方法，解决现有技术中生物炭肥要么肥效难以保证，要么作用单一的问题，通过选择高浓度单一化合物对生物质进行处理，使得其在炭化前渗入生物质内，且促进生物质在炭化过程中微孔的形成，得到一种对硝态氮吸附力极强且具备肥效的生物炭基肥。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种可连续性生产的环保生物炭基肥制备方法，其特征在于包括如下步骤：

s1：将生物质材料用高浓度酸碱溶液喷淋，喷淋过程中翻动混匀，喷淋后堆放1～2h；

s2：将步骤s1中处理后的生物质材料在厌氧高温环境下炭化，得到含高磷或含高钾的生物炭基肥，生物炭基肥有效吸附和调节土壤硝态氮。

更进一步的技术方案是所述生物质材料为烟梗或者甘蔗渣，含水率小于40％，粉碎均匀。

更进一步的技术方案是所述生物质材料粉碎后粒径为0.5～5mm。

更进一步的技术方案是所述高浓度酸溶液为磷酸，质量浓度为60％～85％；高浓度碱溶液为氢氧化钾溶液，质量浓度为40％～52％。

更进一步的技术方案是所述喷淋过程具体为将生物质材料放入转鼓搅拌机内，转鼓搅拌机上方设置喷头，通过喷头将高浓度酸碱溶液喷洒在生物质表面，在过程中翻动生物质，高浓度酸碱溶液与生物质材料质量比为2.5～1:1。

更进一步的技术方案是所述厌氧高温环境具体为350℃～900℃，热解炭化时间为0.5～1h。

更进一步的技术方案是所述用磷酸处理的生物质炭化温度为500℃～900℃，氢氧化钾处理的生物质炭化温度为350℃～500℃。

更进一步的技术方案是所述用磷酸处理的生物质炭化温度为700℃，氢氧化钾处理的生物质炭化温度为380℃。

更进一步的技术方案是所述含高磷的生物炭基肥p2o5含量为30％～50％，含高钾的生物炭基肥k2o含量为35％～50％。

更进一步的技术方案是所述含高磷或含高钾的生物炭基肥对土壤中硝态氮吸附量较常规生物炭增加0.5～15mg/g。

工作机理：本发明所述方法虽可将所有农林废弃物包含在内，但重点将农林业加工后的生物质废料，如复烤厂的烟梗，糖厂的甘蔗渣作为研究对象。这些原料充足，集中，不需要收集成本，材质均一，生产成本低，有利于废弃物的再利用。原料为碎渣状几乎不用粉碎即可进行活化剂处理及炭化。

活化剂以单一的高浓度磷酸或氢氧化钾溶液均匀喷洒于生物质材料上，然后于厌氧高温下一个一次炭化，其成品为富含磷或钾养分元素的单质生物炭基肥料。单一的活化剂在固定的温度下，更便于设备的设计和运行稳定。磷酸或氢氧化钾在炭化前渗进生物质内，炭化过程中促进生物炭微孔的形成，微孔的形成有利于提高生物炭对硝酸根离子(硝态氮)的吸附。炭化后留存在生物质间隙内的含磷或钾物质，与生物炭接触更紧密，施用过程中炭和肥不易分离；施入土壤后，与土壤直接接触量减少，降低了土壤固定的速率和比率，从而提高了肥料利用率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.选用含水率低的烟梗和甘蔗渣，原料获取容易成本低，且无需再进一步进行烘干，便于生产中的下一步工艺。

2.选择单一化合物的高浓度溶液，这样更容易进行配制和生产中质量的控制，高浓度溶液选择标准，以满足生物炭对硝酸根离子最大吸附的要求时，尽量减少水的加入量，有利于降低炭化耗能。

3.高浓度酸碱溶液添加方式上采用喷雾添加，这样有利于流水线快速作业；在生产线上根据物料进料量及含水率，很容易实现自动控制溶液浓度及喷雾量，便于连续性批量生产。

4.使用高浓度酸碱盐溶液处理生物质，其中的磷钾等养分元素渗入生物炭空隙，避免养分与生物炭分离，减少养分元素被土壤颗粒固定，同时生物炭具有更好的吸附硝态氮的能力，可降低土壤硝态氮向深层流失，持续为作为提供氮元素，达到提高作物产量的效果。

5.炭化在同一温度下一次完成，便于设备的控制，也利用连续性大批量生产。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

将从复烤厂收集的含水率低于10％的烟梗或者含水率低于40％的甘蔗渣，粉碎成5mm以下的碎粒，放入转鼓搅拌机内，开启喷头，将浓度为60％的磷酸喷洒在生物质上，喷洒量与生物质质量相当。在喷洒过程中，不断翻动生物质使其均匀吸收磷酸溶液。喷淋完成后，将生物质堆放1h，保证其充分活化。活化完成后，将生物质置于炭化炉内，在500℃厌氧高温下炭化0.5h，冷却后得到生物炭基肥。

将生物炭基肥以80kg/亩在试验田进行实验，较普通化肥，玉米增产7.6％。

实施例2

将从复烤厂收集的含水率低于10％的烟梗或者含水率低于40％的甘蔗渣，粉碎成5mm以下的碎粒，放入转鼓搅拌机内，开启喷头，将浓度为70％的磷酸喷洒在生物质上，喷洒量为生物质质量的1.5倍。在喷洒过程中，不断翻动生物质使其均匀吸收磷酸溶液。喷淋完成后，将生物质堆放1.5h，保证其充分活化。活化完成后，将生物质置于炭化炉内，在700℃厌氧高温下炭化1h，冷却后得到生物炭基肥。

将生物炭基肥以70kg/亩在试验田进行实验，较普通化肥，玉米增产8％。

实施例3

将从复烤厂收集的含水率低于10％的烟梗或者含水率低于40％的甘蔗渣，粉碎成5mm以下的碎粒，放入转鼓搅拌机内，开启喷头，将浓度为85％的磷酸喷洒在生物质上，喷洒量为生物质质量的2.5倍。在喷洒过程中，不断翻动生物质使其均匀吸收磷酸溶液。喷淋完成后，将生物质堆放2h，保证其充分活化。活化完成后，将生物质置于炭化炉内，在900℃厌氧高温下炭化1h，冷却后得到生物炭基肥。

将生物炭基肥以60kg/亩在试验田进行实验，较普通化肥，玉米增产6.5％。

实施例4

将从复烤厂收集的含水率低于10％的烟梗或者含水率低于40％的甘蔗渣，粉碎成5mm以下的碎粒，放入转鼓搅拌机内，开启喷头，将浓度为52％的氢氧化钾溶液喷洒在生物质上，喷洒量与生物质质量相当。在喷洒过程中，不断翻动生物质使其均匀吸收氢氧化钾溶液。喷淋完成后，将生物质堆放1h，保证其充分活化。活化完成后，将生物质置于炭化炉内，在350℃厌氧高温下炭化0.5h，冷却后得到生物炭基肥。

将生物炭基肥以60kg/亩在试验田进行实验，较普通化肥，烟草一级烟增产10％。

实施例5

将从复烤厂收集的含水率低于10％的烟梗或者含水率低于40％的甘蔗渣，粉碎成5mm以下的碎粒，放入转鼓搅拌机内，开启喷头，将浓度为45％的氢氧化钾喷洒在生物质上，喷洒量为生物质质量的1.5倍。在喷洒过程中，不断翻动生物质使其均匀吸收磷酸溶液。喷淋完成后，将生物质堆放1.5h，保证其充分活化。活化完成后，将生物质置于炭化炉内，在380℃厌氧高温下炭化1h，冷却后得到生物炭基肥。

将生物炭基肥以80kg/亩在试验田进行实验，较普通化肥，马铃薯增产10％。

实施例6

将从复烤厂收集的含水率低于10％的烟梗或者含水率低于40％的甘蔗渣，粉碎成5mm以下的碎粒，放入转鼓搅拌机内，开启喷头，将浓度为40％的氢氧化钾喷洒在生物质上，喷洒量为生物质质量的2.5倍。在喷洒过程中，不断翻动生物质使其均匀吸收氢氧化钾溶液。喷淋完成后，将生物质堆放2h，保证其充分活化。活化完成后，将生物质置于炭化炉内，在500℃厌氧高温下炭化1h，冷却后得到生物炭基肥。

将生物炭基肥以80kg/亩在试验田进行实验，较普通化肥，玉米增产8％。

实施例7

本实施例中使用具体数据来说明本发明中得到生物炭基肥吸附硝态氮的能力。

样本1

取含水率低于10％烟梗8.75g，粉碎成小于3mm碎粒，用60％磷酸溶液均匀喷洒于烟梗上，边喷边翻动，得到21.95g吸磷烟梗，放入700℃马弗炉中隔氧加热2小时，得到含五氧化二磷40％的生物炭8.76g。

样本2

取含水率低于40％的甘蔗渣30g，用85％磷酸溶液均匀喷洒于甘蔗渣上，边喷边翻动，喷磷酸溶液76g，取喷磷酸后甘蔗渣17.92g，放入马弗炉中700℃隔氧加热2小时，得到含五氧化二磷35％的生物炭8.76g。

样本3

取含水率低于30％的甘蔗渣45.24g，用52％的氢氧化钾溶液喷雾，边喷边翻动甘蔗渣，得到含氢氧化钾溶液的甘蔗渣101.67g；取含氢氧化钾溶液甘蔗渣11.63g，放入马弗炉中300℃隔氧加热2小时，得到含氧化钾50％的生物炭5.52g。

样本4

取含水率低于10％的烟梗69.05g，粉碎成小于3mm碎粒，用52％的氢氧化钾溶液喷雾，边喷边翻动，得到含氢氧化钾溶液的烟梗130.06g；取含氢氧化钾溶液烟梗7.97g，放入马弗炉中300℃隔氧加热2小时，得到含氧化钾40％的生物炭4.01g。

实验一、含磷生物炭吸附硝酸根离子试验

将上述含磷生物炭成品，用蒸馏水反复清洗多次，然后110℃烘干。将未用磷酸处理的烟梗在同样条件下炭化得到的生物炭，进行对比试验。放入含硝态氮、铵态氮、磷酸根和钾离子的混合溶液(1g硝酸钾和1g磷酸一铵溶于一升水)中浸泡并检测浸泡液，结果如表1。

表1

从测试结果看，甘蔗渣经过磷酸处理后，吸附硝态氮增加了2.08/1.46＝142％。烟梗经过磷酸处理后，吸附硝态氮增加了0.57/3.79＝15％。

实验二、用氢氧化钾处理的生物炭吸附硝酸根离子测试

将上述含氢氧化钾生物炭成品，与未用氢氧化钾处理的烟梗和甘蔗渣在700℃条件下炭化得到的生物炭，进行对比试验。放入去离子水和含硝态氮铵态氮和磷钾混合溶液(1g硝酸钾和1g磷酸一铵溶于一升水)中浸泡，检测浸泡液，结果如表2。

表2氢氧化钾处理的生物炭对硝态氮的吸附试验对照表

从检测结果看，经过氢氧化钾处理的烟梗和蔗渣生物炭，在低温炭化处理后，提高了生物炭吸附营养液中硝酸根离子的能力，按常规亩施一吨生物炭计，可吸附12至17kg硝态氮。低温炭化处理还有利于生物炭保留磷酸根、硝酸根和铵离子。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对组成部件或布局进行多种变形和改进。除了对组成部件或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。