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核心设备所涉领域及原材料概述

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1. 生物质种类及常见类别

生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。一般可分为三大类:农业资源、林业资源、城市固体/半固体废物。

1.1 农业资源

农业生物质资源是指农业生产过程中的废弃物。常见类别包括农作物秸秆(玉米穗轴、玉米秸、稻壳、稻草、高粱秸、麦秸、豆秸和棉秆等);淘汰果树、疫木和废弃枝条(苹果木、梨木等);食用菌废弃菌袋(木耳菌袋、香菇菌袋等);畜禽粪便及其垫草混合物(牛粪、羊粪等);农业加工业的废弃物(中药渣、甘蔗渣、甜菜渣和泡过酒的人参等)等。

1.2 林业资源

林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程中产生的有机废弃物,常见类别包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的废弃物(零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等);木材采运和加工过程中的废弃物(锯末、木屑、梢头、板皮和截头等);林业副产品的废弃物(如果壳和果核等)。

1.3 城市固体/半固体废物

城市固体/半固体废物主要是由城镇居民生活垃圾,商业、服务业和建筑垃圾等富含有机质的废弃物构成。如城市污泥、施工清表产生的废弃物等。其组成成分比较复杂,受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。

2. 生物质炭化类型及优缺点

生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,生物质的炭化过程即是这3种成分的热分解过程。目前,国内外比较成熟的炭化方法主要包括热解法、微波炭化法和水热炭化法。

2.1 热解法

热解法是常用的炭化方法,也是本炭化设备使用的方法。热解法指生物质原料在300-900°C下发生的无氧或限氧热解反应。此方法生产的生物炭比表面积大,更符合农业领域需要。

2.2 微波炭化法

与传统的热解法相比,微波炭化法利用微波辐射使生物质原料内部原子和分子相互摩擦,迅速产生热能,快速升温达到理想的高温条件,缩短了反应时间。

2.3 水热炭化法

大多数生物质原料水分含量高,因此热解法和微波炭化法都需要使用干燥步骤来降低反应过程中的能量损失,水热炭化法恰好弥补了这个不足。水热炭化法是将生物质原料与水混合置于封闭的反应器中,通过热化学反应对生物质原料进行炭化。水热过程主要分为水热碳化、水热液化和水热气化等3个过程。

2.4 总结

热解法、微波炭化法和水热炭化法制备生物质炭都有各自的优势。热解制备法操作较为简便且制得的生物质炭比表面积较大,更有利于农业应用;微波炭化法反应时间较快;水热炭化法可降低原料干燥过程中的能量损失。

3. 生物炭类型及优缺点

生物炭类型主要包括原木炭、机制木炭和型炭三大类。具体如下:

原木炭:炭化原料为硬木(木马黄、小叶桉等)或果木(苹果木、梨木等)。

机制木炭:木质碎料(木屑等)挤压加工成的炭质棒状物。

型炭:用生物质废料炭化后制成炭粉,由炭粉挤压形成。

三类炭孔隙度、热值、灰分比较分析:

三类炭孔隙度比较中,原木炭最高,大于机制炭,大于型炭。

三类炭热值比较中,机制炭最高,大于原木炭,大于型炭。

三类炭灰分比较中,原木炭最低,小于机制炭,小于型炭。

综合分析,原木炭更疏松多孔,在农业领域应用效果好于其他两种炭。

4. 炭化后的主要产品及农业领域应用

本公司研发的生物质炭化设备主要应用热解法,将农业生产过程中的有机废弃物(生物质)高温慢速热解成固体(生物炭)、液体(木醋液木焦油)和气体(木煤气)三类产品。这些产品经深加工后可得到多种环境友好、兼具社会效益和经济效益的深加工产品。通过将这些产品再次投入到农业生产过程中,可改良土壤结构、提高土壤肥力、调节土壤酸碱度、杀菌、驱虫,从而提高作物品质和产量,形成良性循环。推进各种农业资源在农业系统中往复多层与高效流动,最终形成一套完整的循环农业系统,实现较少废弃物的生产和提高资源利用效率的农业生产方式。生物炭在土壤中高度的稳定性还可以起到良好的“碳封存”效应,其在全球尺度上碳封存潜力可达0.8×109t·a-1;能够抑制土壤中温室气体的排放,起到“减碳”效应;能够替代或减少化肥的使用达到“零碳”效应,助力低碳农业发展。

4.1 生物炭

生物炭理化性质稳定,抗生物分解能力强。这是生物炭具有“碳封存”功能、可还田改土并具有可持续和累积发挥作用的基础。

生物炭具有丰富的微孔结构,比表面积大,吸附能力强,表面官能团丰富。生物炭施入土壤后,一方面可降低土壤容重,促进土壤微团聚体的形成,改善土壤结构和水、肥、气、热状况。另一方面可为土壤微生物提供庇护场所,促进微生物群落的繁衍生息。同时具有增加土壤阳离子交换量、提高化肥利用率、消减养分淋溶损失和水体污染的作用。

生物炭含有植物生长所必需的大量元素和中微量元素,可为作物生长发育提供一定必要的补充,进而减少化学肥料的投入。

生物炭径级万目以上可制作纳米碳肥,纳米碳肥料的特点:

(1)纳米碳肥料能在光合作用下使土壤中养分增加,促进植物根系活性化,提高植物生命力;

(2)纳米碳的高吸附性和缓释放性,使纳米碳肥料进入土壤后能溶于水,增加植物根系吸收水分和养分的潜能;

(3)植物还可以通过根系吸收纳米碳粒附着的养分,进入植物根茎、叶,缩短植物生长周期并达到增产效果;

(4)纳米碳肥料可以使土壤中有益噬碳微生物、小生物大量繁殖,促进土地生态循环,逐渐改善土壤状况,长远带动减少肥料施用;

(5)在水产养殖方面,使用纳米碳液水产养殖剂可使水中富氧分子大幅增加,能够有效增强对水产养殖生物的免疫力,从而杜绝抗生素的施用。

 相关深加工产品:纳米碳肥、纳米碳液体肥、炭基有机肥、炭基土壤改良剂。

4.2 木醋液

木醋液对种子萌芽具有促进作用,有数据表明,木醋液浸种可促进根系生长、鲜重和干物质积累增加,提高活力指数,幼苗长势更强。

木醋液可促进作物生长,提高作物品质,有数据表明,通过用木醋液不同浓度喷施叶菜,发现其可提高蔬菜产量、维生素C含量,降低叶菜硝酸盐含量,从而提高蔬菜品质。另外,木醋液不同浓度喷施叶菜,会降低土壤硝酸盐含量,但显著提高土壤铁、锰、铜、锌含量,从而提高土壤微量元素的有效性。

木醋液具有抑菌作用,有数据表明,木醋液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌3种供试细菌均有较强的抑制作用。

木醋液与农药混合使用可提高药效,减少药物用量,但木醋液提高农药药效的机理尚无定论。有研究认为,木醋液主要通过提高农药的溶解度来发挥作用。

木醋液对土壤具有改良作用,添加不同稀释倍数的木醋液会影响沙地土壤微生物的生物量和酶活性。向沙土添加木醋液可以显著降低土壤pH值,显著提高土壤氧化碳、水溶性碳氮、可溶性酚以及无机氮的含量,适合北方石灰性土壤使用。

木醋液对某些昆虫害虫的成虫具有明显驱避作用,对部分害虫幼虫还有显著杀伤作用。比如在锈壁虱、菜青虫、家蝇、水稻钻心虫、黄粉虫幼虫防控试验中,它的防效明显。木醋液的驱避作用与木醋液中的酚类物质关系密切。

    相关深加工产品:土壤改良剂、生物农药、pH调节剂。

4.3 木焦油

木焦油生物质热解所得到的一种焦黑色油状液体,其主要成分大部分是一元酚与二元酚。木焦油早期已应用于木材的防腐剂。有研究表明,木焦油对包括苹果腐烂病、猕猴桃溃疡病、核桃溃疡病、花椒干腐病在内的多种植物病原菌具有良好的的抑制效果。

相关深加工产品:生物农药。

4.4 木煤气

木煤气是木材气化时的主要产物,或木材干馏时在冷凝分离出木焦 油和木醋液等液体产物后剩下的不凝性气体。含有一氧化碳、氢气、甲烷等可燃性气体。燃烧木煤气可为碳化设备提供能源,提高资源利用效率。代替燃烧有机质,减少碳排放,促进低碳农业发展。

木煤气含有的二氧化碳,可用氢氧化铵吸收,制成碳酸氢铵肥料。

相关深加工产品:能源、化肥。


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