一種生物白炭的制備工藝的制作方法

本發明屬于農業資源環境技術領域，尤其涉及一種生物白炭的制備工藝。

背景技術：

世界范圍內農林業加工過程中所產生的廢棄物是一個龐大的數字，僅在我國2011年稻殼產量達到約4000萬噸，各類農作物秸稈的產量每年超過7億噸，這些農作物秸稈、稻殼等的處理是一個問題。熱解是將生物質原料通過加熱分解的方式轉化為其他產品加以利用，實施較為簡單，能量轉化率較高，也利于生物質原料的大批量處理，是解決上述農林業廢棄生物質原料的有效方法之一。

生物炭是由生物質原料在完全或者部分缺氧的情況下經過熱解炭化形成的一類高度芳香化難熔的固態物質，生物炭表面具有疏松多孔特征，比表面積大，表面能高，在改良土壤肥力、碳庫中“增匯減排”作用和環境污染修復手段等方面具有突出的功效，使其在農業和環境中具有廣闊的應用前景。生物炭的熱解是一種變廢為寶的新途徑，生物炭可以作為土壤改良劑，能夠影響農業土壤環境中持久性有機污染物、重金屬、農藥、氮磷等的形態、遷移轉化、生物有效性和生態效應。一方面，現有工藝制備的生物炭一般都是通過改變重金屬在土壤中的存在形態，使其鈍化，以降低其在環境中的遷移和生物有效性，并不能有效降低重金屬含量；另一方面，現有工藝制備的生物炭均是黑色的，在運輸和使用過程中，操作者容易接觸到生物炭，并會導致操作者衣服和手被黑色的生物炭沾污，而不易洗凈，使用不方便。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提供一種生物白炭的制備工藝。

本發明是通過如下的技術方案來解決上述技術問題的：一種生物白炭的制備工藝，包括以下幾個步驟：

步驟1、原料預處理：將生物質原料切成小段，進行清潔化預處理；再將生物質原料投放到質量分數為5-15%的催化劑溶液中，攪拌、浸泡和過濾，得到含水和催化劑的生物質原料；所述催化劑溶液為二氧化錳溶液、氯化鐵溶液、三氧化鋁溶液、碳酸鈉溶液和稀土元素按任意體積比例混合組成的混合溶液；

步驟2、初次烘干：將步驟1中得到的生物質原料置于烘干機中進行初次烘干，烘干機溫度控制在100-120℃，使其含水率低于15%；

步驟3、粉碎：將經過初次烘干處理的生物質原料投入粉碎機中進行粉碎，粉碎機的轉速設為1800-2500r/min，然后經研磨機研磨得到生物質原料顆粒，生物質原料顆粒的粒徑不超過8mm；

步驟4、活化：將過20-60目篩網的麥飯石粉末和有機蒙脫石粉末加入到步驟3的生物質原料顆粒中，并混勻得到原料粉末混合物；再將原料粉末混合物加入相當于原料粉末混合物總重量10-15%的活化劑攪拌均勻，過濾；所述活化劑為配制的濃度為0.1-0.5mol/l的氯化鋅溶液；

步驟5、二次烘干：將含有活化劑的混合物再次進行干燥處理，烘干機溫度控制在120-150℃，使其含水量低于8%；

步驟6、熱解炭化：將步驟5中經過二次烘干的混合物放入炭化爐中，在co2與co比例為3-4:1的混合氣體內無氧炭化，混合氣體的壓強為0.2-0.3mpa，炭化分三個階段，第一階段炭化爐內溫度以1-3℃/min的升溫速率從室溫升高至150-250℃，然后炭化爐內溫度保持為150-250℃，時間持續4-6h；第二階段炭化爐內溫度以3-5℃/min的升溫速率從150-250℃升高至380-550℃，然后炭化爐內溫度保持為380-550℃，時間持續3-5h；第三階段炭化爐內溫度以3-5℃/min的升溫速率從380-550℃升高至700-820℃，然后炭化爐內溫度保持為700-820℃，時間持續2-4h，得到生物炭；

步驟7、表面氧化：所述步驟6所得的生物炭經過輸送鏈傳輸至氧化室內，在氧化室內通過多孔噴頭噴淋液體氧化劑氧化生物炭表面，使生物炭表面氧化；所述液體氧化劑為雙氧水、次氯酸鈉和高錳酸鉀的混合溶液，所述混合溶液的質量濃度為3%-8%，氧化時間控制在2-5分鐘；

步驟8、隔氧冷卻：經過步驟7氧化的生物炭由隔氧輸送機構隔氧輸送至隔氧冷卻室的進料口，在隔氧冷卻室內進行隔氧冷卻處理，隔氧冷卻時間控制在8-15小時，待生物炭的溫度自然降至室溫即得成品生物白炭。

進一步的，所述步驟1中的生物質原料為水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、棉花秸稈、油菜秸稈、高粱秸稈、大豆秸稈、豌豆秸稈、小麥殼、稻殼、花生殼、茶籽殼、果殼或果皮、果渣、樹枝、竹材、樹葉、雜草中的兩種或兩種以上的混合物。

進一步的，所述步驟6中的炭化爐包括炭化室、燃燒器、出煙口、進氣口、加料口、爐門、鼓風機、煙霧處理裝置、輸送鏈、氧化室、隔氧輸送機構以及隔氧冷卻室；所述燃燒器設在炭化室內，在炭化室的頂部開設有加料口，在炭化室的底部開設有出煙口，出煙口通過出煙管道和抽風機與煙霧處理裝置連通；所述炭化室的下部設有進氣口，進氣口通過管道連接鼓風機；所述炭化室的中部設有爐門，爐門與炭化室活動連接；所述爐門外設有輸送鏈，所述輸送鏈的一端與炭化室連接，另一端與氧化室連接；所述氧化室通過隔氧輸送機構與隔氧冷卻室連接。

進一步的，所述氧化室包括進料斗、出料斗、氧化腔、撥料輪、多孔噴頭以及液體氧化劑儲存箱；所述進料斗設在氧化腔的頂部，并與輸送鏈的另一端連接；所述氧化腔的內頂部設有撥料輪；所述多孔噴頭通過液體管道與液體氧化劑儲存箱連接，所述多孔噴頭設在氧化腔內兩側壁和頂壁上；所述出料斗設在氧化腔的底部，并與隔氧輸送機構連接。

進一步的，所述隔氧冷卻室包括第一進料口、第一出料口、觀察窗、通氣口、隔氧冷卻腔以及溫度傳感器；所述第一進料口設在隔氧冷卻腔的頂部，所述第一出料口設在隔氧冷卻腔的底部，所述通氣口設在隔氧冷卻腔的下部；所述在第一進料口和第一出料口處均設有密封蓋，保證隔氧冷卻腔內完全處于隔氧狀態；在隔氧冷卻腔上還設有觀察窗和溫度傳感器，以便監測隔氧冷卻程度。

進一步的，所述步驟3中的粉碎機包括機架、粉碎機構、動力機構以及第二進料口和第二出料口；所述粉碎機構包括外殼和雙輥粉碎機構，所述外殼橫向設于機架上，所述外殼的兩端封閉而形成粉碎室；在所述外殼的上方設有第二進料口，在所述外殼的下方設有第二出料口；所述雙輥粉碎機構包括橫穿在所述粉碎室內的第一輥軸和第二輥軸，所述第一輥軸和第二輥軸上等間距且間隔設有鋸齒形刀片和軸套，且鋸齒形刀片和軸套分別相對應；生物質原料從第二進料口進入，雙輥相向高速旋轉，粉碎生物質原料；在所述雙輥粉碎機構和所述第二出料口之間設有篩網，以使粉碎合格后的物料從篩網篩落；所述動力機構包括相連接的第一驅動裝置和第一傳動裝置，以及相連接第二驅動裝置和第二傳動裝置；所述第一傳動裝置與所述第一輥軸的一端連接并帶動所述第一輥軸轉動；所述第二傳動裝置與所述第二輥軸的一端連接并帶動所述第二輥軸轉動。

進一步的，所述鋸齒形刀片的刀盤直徑為200mm-400mm；所述鋸齒形刀片和軸套的厚度為10-30mm；所述鋸齒形刀片的刀尖與軸套的間隙為0.5-1mm；所述鋸齒形刀片的齒數為6-24個。

與現有技術相比，本發明所提供的生物白炭的制備工藝具有以下有益效果：

1、經過催化劑溶液浸泡生物質原料以及分三個階段的熱解炭化，第一階段以較低的升溫速率升至較低溫度，先進行預炭化，第二階段和第三階段再升至高溫進行炭化，不僅提高了生物白炭的得炭率，并且提高了生物白炭的比表面積，增加了生物白炭的孔隙結構，極大的提高了生物白炭的實用價值；

2、本發明中增加了活化工藝，將麥飯石粉末和有機蒙脫石粉末與生物質原料粉末混合后，再加入活化劑活化，麥飯石粉末是多孔海綿狀結構，比表面積大，且具有強烈的靜電吸力，使生物白炭作為土壤改良劑，能夠對土壤中的重金屬具有強烈的吸附作用，降低了土壤中重金屬含量；有機蒙脫石粉末對土壤中的有機污染物具有吸附性能；本發明制備的生物白炭不僅能夠影響土壤中有機污染物、重金屬等的形態、遷移轉化和生態效應，而且能夠通過麥飯石粉末的靜電吸力和有機蒙脫石粉末的吸附性有效降低土壤中重金屬和有機污染物的含量；

3、本發明在經過熱解炭化后，再進行表面氧化和隔氧冷卻，使生物炭表面氧化，并隔氧降至室溫，得到生物白炭，生物白炭表面為灰白色，運輸和使用更加清潔方便，避免了沾污衣物和手；

4、本發明制備的生物白炭原料易得，制備成本低廉，經濟實用性強，在改良土壤肥力的同時減少了碳排放，對全球變暖問題的減緩具有積極的促進作用；

5、本發明在步驟6中使用的炭化爐，不僅包括熱解炭化部分的結構，還包括了后續工藝的氧化和隔氧冷卻部分的結構，每個工序結構之間設有輸送機構，使得整個工序過程連貫且輸送方便，節省了制備時間和人力成本，適合大批量生產。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一個實施例，對于本領域普通技術人員來說，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明步驟6中炭化爐的結構示意圖；

圖2是本發明步驟3中粉碎機的雙輥粉碎機構結構示意圖；

圖3是本發明步驟3中粉碎機的雙輥粉碎機構鋸齒形刀片工作示意圖；

其中：1-炭化室，2-燃燒器，3-加料口，4-爐門，5-出煙口，6-進氣口，7-鼓風機，8-輸送鏈，9-氧化腔，10-隔氧輸送機構，11-隔氧冷卻室，12-進料斗，13-液體氧化劑儲存箱，14-撥料輪，15-多孔噴頭，16-斜板，17-出料斗，18-第一出料口，19-觀察窗，20-通氣口，21-第一進料口，22-隔氧冷卻腔，23-鋸齒形刀片，24-軸套，25-第一輥軸，26-第二輥軸。

具體實施方式

下面對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明提出的一種生物白炭的制備工藝，包括以下幾個步驟：

步驟1、原料預處理：將生物質原料切成小段，進行清潔化預處理；再將生物質原料投放到質量分數為5-15%的催化劑溶液中，攪拌、浸泡和過濾，得到含水和催化劑的生物質原料；催化劑溶液為二氧化錳溶液、氯化鐵溶液、三氧化鋁溶液、碳酸鈉溶液和稀土元素按任意體積比例混合組成的混合溶液；

步驟2、初次烘干：將步驟1中得到的生物質原料置于烘干機中進行初次烘干，烘干機溫度控制在100-120℃，使其含水率低于15%；

步驟3、粉碎：將經過初次烘干處理的生物質原料投入粉碎機中進行粉碎，粉碎機的轉速設為1800-2500r/min，然后經研磨機研磨得到生物質原料顆粒，生物質原料顆粒的粒徑不超過8mm；

步驟4、活化：將過20-60目篩網的麥飯石粉末和有機蒙脫石粉末加入到步驟3的生物質原料顆粒中，并混勻得到原料粉末混合物；再將原料粉末混合物加入相當于原料粉末混合物總重量10-15%的活化劑攪拌均勻，過濾；活化劑為配制的濃度為0.1-0.5mol/l的氯化鋅溶液；

步驟5、二次烘干：將含有活化劑的混合物再次進行干燥處理，烘干機溫度控制在120-150℃，使其含水量低于8%；

步驟6、熱解炭化：將步驟5中經過二次烘干的混合物放入炭化爐中，在co2與co比例為3-4:1的混合氣體內無氧炭化，混合氣體的壓強為0.2-0.3mpa，炭化分三個階段，第一階段炭化爐內溫度以1-3℃/min的升溫速率從室溫升高至150-250℃，然后炭化爐內溫度保持為150-250℃，時間持續4-6h；第二階段炭化爐內溫度以3-5℃/min的升溫速率從150-250℃升高至380-550℃，然后炭化爐內溫度保持為380-550℃，時間持續3-5h；第三階段炭化爐內溫度以3-5℃/min的升溫速率從380-550℃升高至700-820℃，然后炭化爐內溫度保持為700-820℃，時間持續2-4h，得到生物炭；

步驟7、表面氧化：步驟6所得的生物炭經過輸送鏈傳輸至氧化室內，在氧化室內通過多孔噴頭噴淋液體氧化劑氧化生物炭表面，使生物炭表面氧化；液體氧化劑為雙氧水、次氯酸鈉和高錳酸鉀的混合溶液，所述混合溶液的質量濃度為3%-8%，氧化時間控制在2-5分鐘；

步驟8、隔氧冷卻：經過步驟7氧化的生物炭由隔氧輸送機構隔氧輸送至隔氧冷卻室的進料口，在隔氧冷卻室內進行隔氧冷卻處理，隔氧冷卻時間控制在8-15小時，待生物炭的溫度自然降至室溫即得成品生物白炭。

如圖1所示，步驟6中的炭化爐包括炭化室1、燃燒器2、出煙口5、進氣口6、加料口3、爐門4、鼓風機7、煙霧處理裝置、輸送鏈8、氧化室、隔氧輸送機構10以及隔氧冷卻室11；燃燒器2設在炭化室1內，在炭化室1的頂部開設有加料口3，在炭化室1的底部開設有出煙口5，出煙口5通過出煙管道和抽風機與煙霧處理裝置連通；炭化室1的下部設有進氣口6，進氣口6通過管道連接鼓風機7；炭化室1的中部設有爐門4，爐門4與炭化室1活動連接；爐門4外設有輸送鏈8，輸送鏈8的一端與炭化室1連接，另一端與氧化室連接；氧化室通過隔氧輸送機構10與隔氧冷卻室11連接。

氧化室包括進料斗12、出料斗17、氧化腔9、撥料輪14、多孔噴頭15以及液體氧化劑儲存箱13；進料斗12設在氧化腔9的頂部，并與輸送鏈8的另一端連接；氧化腔9的內頂部設有撥料輪14；多孔噴頭15通過液體管道與液體氧化劑儲存箱13連接，多孔噴頭15設在氧化腔9內兩側壁和頂壁上；出料斗17設在氧化腔9的底部，并與隔氧輸送機構10連接；撥料輪14和多孔噴頭15的配合使用，使待氧化的生物炭與液體氧化劑充分均勻接觸，使生物炭的表面氧化均勻；氧化腔9內還設有斜板16，以便氧化后的生物炭能自動從氧化腔9中完全流出，通過出料斗17進入隔氧輸送機構10，進入下一步工序。

隔氧冷卻室11包括第一進料口21、第一出料口18、觀察窗19、通氣口20、隔氧冷卻腔22和溫度傳感器；第一進料口21設在隔氧冷卻腔22的頂部，第一出料口18設在隔氧冷卻腔22的底部，通氣口20設在隔氧冷卻腔22的下部；在第一進料口21和第一出料口18處均設有密封蓋，保證隔氧冷卻腔22內完全處于隔氧狀態；在隔氧冷卻腔22上還設有觀察窗19和溫度傳感器；通過觀察窗19可以監測到生物白炭隔氧冷卻處理程度，溫度傳感器用于監測隔氧冷卻腔22內的溫度，當其溫度降至室溫時，即可出料。

如圖2和圖3所示，步驟3中的粉碎機包括機架、粉碎機構、動力機構以及第二進料口和第二出料口；粉碎機構包括外殼和雙輥粉碎機構，外殼橫向設于機架上，外殼的兩端封閉而形成粉碎室；在外殼的上方設有第二進料口，在外殼的下方設有第二出料口；雙輥粉碎機構包括橫穿在粉碎室內的第一輥軸25和第二輥軸26，第一輥軸25和第二輥軸26上等間距且間隔設有鋸齒形刀片23和軸套24，且鋸齒形刀片23和軸套24分別相對應；生物質原料從第二進料口進入，雙輥相向高速旋轉，粉碎生物質原料；在雙輥粉碎機構和第二出料口之間設有篩網，以使粉碎合格后的物料從篩網篩落；動力機構包括相連接的第一驅動裝置和第一傳動裝置，以及相連接第二驅動裝置和第二傳動裝置；第一傳動裝置與第一輥軸25的一端連接并帶動所述第一輥軸25轉動；第二傳動裝置與所述第二輥軸26的一端連接并帶動第二輥軸26轉動；該粉碎機將生物質原料粉碎成很小的碎段，避免了粉碎機在粉碎過程中容易堵塞的問題，降低了停機清理粉碎室和篩網的次數。

鋸齒形刀片23的刀盤直徑為200mm；鋸齒形刀片23和軸24套的厚度為20mm；鋸齒形刀片23的刀尖與軸套24的間隙為0.8mm；鋸齒形刀片23的齒數為12個。

實施例1

本發明所提供的生物白炭的制備工藝，包括以下幾個步驟：

步驟1、原料預處理：將生物質原料切成小段，進行清潔化預處理；再將生物質原料投放到質量分數為10%的催化劑溶液中，攪拌、浸泡和過濾，得到含水和催化劑的生物質原料；催化劑溶液為二氧化錳溶液、氯化鐵溶液、三氧化鋁溶液、碳酸鈉溶液和稀土元素按2：2：2：2：1的體積比例混合組成的混合溶液；

步驟2、初次烘干：將步驟1中得到的生物質原料置于烘干機中進行初次烘干，烘干機溫度控制在100℃，使其含水率低于15%；

步驟3、粉碎：將經過初次烘干處理的生物質原料投入粉碎機中進行粉碎，粉碎機的轉速設為2000r/min，然后經研磨機研磨得到生物質原料顆粒，生物質原料顆粒的粒徑不超過8mm；

步驟4、活化：將過40目篩網的麥飯石粉末和有機蒙脫石粉末加入到步驟3的生物質原料顆粒中，并混勻得到原料粉末混合物；再將原料粉末混合物加入相當于原料粉末混合物總重量12%的活化劑攪拌均勻，過濾；活化劑為配制的濃度為0.2mol/l的氯化鋅溶液；

步驟5、二次烘干：將含有活化劑的混合物再次進行干燥處理，烘干機溫度控制在120℃，使其含水量低于8%；

步驟6、熱解炭化：將步驟5中經過二次烘干的混合物放入炭化爐中，在co2與co比例為3:1的混合氣體內無氧炭化，混合氣體的壓強為0.2mpa，炭化分三個階段，第一階段炭化爐內溫度以1℃/min的升溫速率從室溫升高至200℃，然后炭化爐內溫度保持為200℃，時間持續6h；第二階段炭化爐內溫度以5℃/min的升溫速率從200℃升高至500℃，然后炭化爐內溫度保持為500℃，時間持續4h；第三階段炭化爐內溫度以3℃/min的升溫速率從500℃升高至820℃，然后炭化爐內溫度保持為820℃，時間持續3h，得到生物炭；

步驟7、表面氧化：所述步驟6所得的生物炭經過輸送鏈傳輸至氧化室內，在氧化室內通過多孔噴頭噴淋液體氧化劑氧化生物炭表面，使生物炭表面氧化；液體氧化劑為雙氧水、次氯酸鈉和高錳酸鉀的混合溶液，混合溶液的質量濃度為5%，氧化時間控制在4分鐘；

步驟8、隔氧冷卻：經過步驟7氧化的生物炭由隔氧輸送機構隔氧輸送至隔氧冷卻室的進料口，在隔氧冷卻室內進行隔氧冷卻處理，隔氧冷卻時間控制在8-15小時，待生物炭的溫度自然降至室溫即得成品生物白炭。

步驟1中的生物質原料為水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、棉花秸稈、油菜秸稈、高粱秸稈、大豆秸稈、豌豆秸稈、小麥殼、稻殼、花生殼、茶籽殼、果殼或果皮、果渣、樹枝、竹材、樹葉和雜草的混合物。

實施例2

一種生物白炭的制備工藝，包括以下幾個步驟：

步驟1、原料預處理：將生物質原料切成小段，進行清潔化預處理；再將生物質原料投放到質量分數為15%的催化劑溶液中，攪拌、浸泡和過濾，得到含水和催化劑的生物質原料；催化劑溶液為二氧化錳溶液、氯化鐵溶液、三氧化鋁溶液、碳酸鈉溶液和稀土元素按2:1:1:1:1的體積比例混合組成的混合溶液；

步驟2、初次烘干：將步驟1中得到的生物質原料置于烘干機中進行初次烘干，烘干機溫度控制在110℃，使其含水率低于15%；

步驟3、粉碎：將經過初次烘干處理的生物質原料投入粉碎機中進行粉碎，粉碎機的轉速設為2500r/min，然后經研磨機研磨得到生物質原料顆粒，生物質原料顆粒的粒徑不超過8mm；

步驟4、活化：將過40目篩網的麥飯石粉末和有機蒙脫石粉末加入到步驟3的生物質原料顆粒中，并混勻得到原料粉末混合物；再將原料粉末混合物加入相當于原料粉末混合物總重量10%的活化劑攪拌均勻，過濾；活化劑為配制的濃度為0.3mol/l的氯化鋅溶液；

步驟5、二次烘干：將含有活化劑的混合物再次進行干燥處理，烘干機溫度控制在130℃，使其含水量低于8%；

步驟6、熱解炭化：將步驟5中經過二次烘干的混合物放入炭化爐中，在co2與co比例為4:1的混合氣體內無氧炭化，混合氣體的壓強為0.3mpa，炭化分三個階段，第一階段炭化爐內溫度以2℃/min的升溫速率從室溫升高至150℃，然后炭化爐內溫度保持為150℃，時間持續5h；第二階段炭化爐內溫度以4℃/min的升溫速率從150℃升高至550℃，然后炭化爐內溫度保持為550℃，時間持續4h；第三階段炭化爐內溫度以4℃/min的升溫速率從550℃升高至800℃，然后炭化爐內溫度保持為800℃，時間持續3h，得到生物炭；

步驟7、表面氧化：所述步驟6所得的生物炭經過輸送鏈傳輸至氧化室內，在氧化室內通過多孔噴頭噴淋液體氧化劑氧化生物炭表面，使生物炭表面氧化；液體氧化劑為雙氧水、次氯酸鈉和高錳酸鉀的混合溶液，所述混合溶液的質量濃度為8%，氧化時間控制在3分鐘；

步驟8、隔氧冷卻：經過步驟7氧化的生物炭由隔氧輸送機構隔氧輸送至隔氧冷卻室的進料口，在隔氧冷卻室內進行隔氧冷卻處理，隔氧冷卻時間控制在8-15小時，待生物炭的溫度自然降至室溫即得成品生物白炭。

步驟1中的生物質原料為水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、棉花秸稈、油菜秸稈、高粱秸稈、大豆秸稈、豌豆秸稈、小麥殼、稻殼、花生殼、茶籽殼、果殼或果皮、樹枝、竹材和樹葉的混合物。

以上所揭露的僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或變型，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。