申請(qǐng)日2013.10.08
公開(kāi)(公告)日2014.01.29
IPC分類(lèi)號(hào)C10B53/02; C02F11/10; C10B53/00
摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種城市污泥與作物秸稈聯(lián)合固碳的方法，是基于污泥、秸稈的性質(zhì)互補(bǔ)，提出的一種高效低耗的碳固定簡(jiǎn)易方法，將污泥和秸稈混合物在無(wú)氧條件下中溫炭化，至反應(yīng)無(wú)氣體生成時(shí)，冷卻，取出產(chǎn)物，原料中的不穩(wěn)定碳元素基本轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物生物炭中的穩(wěn)定碳元素。將秸稈與污泥混合后聯(lián)合固碳，可以利用秸稈釋放出的能量，彌補(bǔ)污泥單獨(dú)炭化固碳時(shí)能量的不足，實(shí)現(xiàn)能量的自平衡。本發(fā)明工藝流程簡(jiǎn)單易行，成本低，可使生物炭中的碳固定率相對(duì)單獨(dú)炭化提高26.4%～39.8%，碳元素穩(wěn)定性好，碳匯效能高。
權(quán)利要求書(shū)
1.一種城市污泥與作物秸稈聯(lián)合固碳的方法，其特征在于：包含如下步驟：
1)將干的作物秸稈粉碎至長(zhǎng)度小于50 mm;
2)將污泥去水，使其含水率降至25%以下，然后粉碎;
3)將粉碎后的污泥與秸稈按干重比(1～3)︰(1～3)充分混合;
4)將步驟3)所得的秸稈與污泥混合物，送入炭化爐，無(wú)氧環(huán)境下加熱生成生物炭，反應(yīng)溫度為400～500℃;
5)持續(xù)加熱至反應(yīng)無(wú)氣體產(chǎn)生，使原料中的不穩(wěn)定的生物質(zhì)碳元素轉(zhuǎn)化完全，成為生物炭中的穩(wěn)定碳，停止加熱，冷卻，取出物料，即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種城市污泥與作物秸稈聯(lián)合固碳的方法，其特征在于：步驟3)中粉碎后的污泥與秸稈的干重比為(2～3)︰1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種城市污泥與作物秸稈聯(lián)合固碳的方法，其特征在于：步驟3)中粉碎后的污泥與秸稈的干重比為3：1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種城市污泥與作物秸稈聯(lián)合固碳的方法，其特征在于：步驟4)中所述加熱的溫度為400℃。
說(shuō)明書(shū)
一種利用城市污泥與作物秸稈聯(lián)合固碳的方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于固廢處理碳減排領(lǐng)域，具體涉及一種利用城市污泥與作物秸稈聯(lián)合固碳的方法。
背景技術(shù)
固碳( Carbon sequestration )，也叫碳封存，指的是以捕獲碳并安全封存的方式來(lái)取代直接向大氣中排放二氧化碳、增加除大氣之外的碳庫(kù)的碳含量，從而達(dá)到減少二氧化碳在大氣中的濃度，減緩全球變暖趨勢(shì)的目的。其技術(shù)方式主要包括(1)物理固碳：將二氧化碳經(jīng)捕捉后儲(chǔ)存在開(kāi)采過(guò)的油氣井、煤層和深海里;(2)生物固碳：利用光合作用捕捉二氧化碳，將其以生物質(zhì)的形式儲(chǔ)存于植物生態(tài)系統(tǒng)中。這兩種方式中，物理固碳尤其是工程化的碳捕捉技術(shù)，還處于起步階段，存在研發(fā)投入高、成本高、資源化利用渠道不暢等發(fā)展問(wèn)題，而生物固碳盡管是國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)的固定二氧化碳成本最低且副作用最少的方法，但其以生物質(zhì)形式存在的碳，由于其穩(wěn)定性差，在進(jìn)入土壤后最終將被分解二氧化碳，再次進(jìn)入大氣中，只是一個(gè)碳吸收-暫存-釋放的循環(huán)過(guò)程，屬于碳中和范疇。
近年來(lái)，生物炭固碳日益被接受為根本的二氧化碳減排增匯途徑之一。生物炭是生物質(zhì)在缺氧或厭氧條件下熱解的固態(tài)產(chǎn)物，具有高度的芳香化、物理的熱穩(wěn)定性和生物化學(xué)的抗分解性，在土壤中的平均停留時(shí)間可達(dá)千年，施用于土壤可大幅度提升土壤碳庫(kù)，并因其孔隙度高等特性，有利于土壤固持養(yǎng)分，提高養(yǎng)分利用率，改善微生物生境，減少溫室氣體的排放，從而達(dá)到增產(chǎn)增匯、改良土壤等多種效果。
城市污泥與作物秸稈作為我國(guó)兩種重要的大宗固體廢物，其產(chǎn)生量大，為待利用的生物質(zhì)資源。長(zhǎng)期以來(lái)，由于未得到妥善處理，造成了嚴(yán)重的二次污染及資源浪費(fèi)并排放大量碳，使我國(guó)面臨污染防治和碳減排的雙重壓力。如將其制備生物炭并儲(chǔ)存于土壤，可實(shí)現(xiàn)廢物污染防治、固碳增匯及資源化利用等多重功效。本發(fā)明的目的在于，利用有機(jī)廢物中的生物質(zhì)進(jìn)行炭化處理，發(fā)展出一種簡(jiǎn)易、高效、低耗的碳固定方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種城市污泥與作物秸稈聯(lián)合固碳的方法。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：
一種城市污泥與作物秸稈聯(lián)合制備固碳的方法，包含如下步驟：
1)將干的作物秸稈粉碎至長(zhǎng)度小于50 mm;
2)將污泥去水，使其含水率降至25%以下，然后粉碎;
3)將粉碎后的污泥與秸稈按干重比(1～3)︰(1～3)充分混合;
4)將步驟3)所得的秸稈與污泥混合物，送入炭化爐，無(wú)氧環(huán)境下加熱生成生物炭，反應(yīng)溫度為400～500℃;
5)持續(xù)加熱至反應(yīng)無(wú)氣體產(chǎn)生，使原料中的不穩(wěn)定的生物質(zhì)碳元素轉(zhuǎn)化完全，成為生物炭中的穩(wěn)定碳，停止加熱，冷卻，取出物料，即可。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明基于污泥與秸稈的性質(zhì)互補(bǔ)，提出了一種高效低耗的聯(lián)合固碳的方法，且流程簡(jiǎn)單，成本低，可使生物炭中的碳固定率相對(duì)單獨(dú)固碳提高26.4%～39.8%，固定后，碳元素穩(wěn)定性好，碳匯效能高。
在本發(fā)明中將秸稈與污泥混合后進(jìn)行碳固定，還可以克服秸稈或污泥單獨(dú)固碳時(shí)遇到的問(wèn)題：由于污泥生物炭密度大，可以改善秸稈單獨(dú)固碳時(shí)易飄飛、不宜儲(chǔ)運(yùn)等問(wèn)題;秸稈熱值較高，在碳固定過(guò)程中釋放出的能量，彌補(bǔ)污泥單獨(dú)炭化時(shí)能量的不足，實(shí)現(xiàn)能量的自平衡。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具本實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但并不局限于此。
實(shí)施例1：
1)將作物秸稈自然風(fēng)干后，粉碎至長(zhǎng)度小于50mm;
2)將污水處理廠(chǎng)的脫水污泥自然風(fēng)干后，使其含水率降至25%以下，進(jìn)行粉碎;
3)將粉碎后的污泥與秸稈按干重比3︰1充分混合;
4)將步驟3)所得的秸稈與污泥混合物，送入炭化爐，利用氮?dú)獬錃猓员ＷC無(wú)氧環(huán)境，然后進(jìn)行加熱炭化，炭化溫度為400℃;
5)炭化一定時(shí)間，使反應(yīng)完全，待氣體檢測(cè)瓶中無(wú)氣體產(chǎn)生后，停止加熱，冷卻，取出物料，即可將原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
實(shí)施例 2：
1)將作物秸稈自然風(fēng)干后，粉碎至長(zhǎng)度小于50mm;
2)將污水處理廠(chǎng)的脫水污泥自然風(fēng)干后，使其含水率降至25%以下，進(jìn)行粉碎;
3)將粉碎后的污泥與秸稈按干重比3︰1充分混合;
4)將步驟3)所得的秸稈與污泥混合物，送入炭化爐，利用氮?dú)獬錃�，以保證無(wú)氧環(huán)境，然后進(jìn)行加熱炭化，炭化溫度為500℃;
5)炭化一定時(shí)間，使反應(yīng)完全，待氣體檢測(cè)瓶中無(wú)氣體產(chǎn)生后，停止加熱，冷卻，取出物料，即可將原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
實(shí)施例 3：
1)將作物秸稈自然風(fēng)干后，粉碎至長(zhǎng)度小于50mm;
2)將污水處理廠(chǎng)的脫水污泥自然風(fēng)干后，使其含水率降至25%以下，進(jìn)行粉碎;
3)將粉碎后的污泥與秸稈按干重比1︰1充分混合;
4)將步驟3)所得的秸稈與污泥混合物，送入炭化爐，利用氮?dú)獬錃�，以保證無(wú)氧環(huán)境，然后進(jìn)行加熱炭化，炭化溫度為400℃;
5)炭化一定時(shí)間，使反應(yīng)完全，待氣體檢測(cè)瓶中無(wú)氣體產(chǎn)生后，停止加熱，冷卻，取出物料，即可將原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
實(shí)施例 4：
1)將作物秸稈自然風(fēng)干后，粉碎至長(zhǎng)度小于50mm;
2)將污水處理廠(chǎng)的脫水污泥自然風(fēng)干后，使其含水率降至25%以下，進(jìn)行粉碎;
3)將粉碎后的污泥與秸稈按干重比1︰1充分混合;
4)將步驟3)所得的秸稈與污泥混合物，送入炭化爐，利用氮?dú)獬錃�，以保證無(wú)氧環(huán)境，然后進(jìn)行加熱炭化，炭化溫度為500℃;
5)炭化一定時(shí)間，使反應(yīng)完全，待氣體檢測(cè)瓶中無(wú)氣體產(chǎn)生后，停止加熱，冷卻，取出物料，即可將原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
實(shí)施例 5：
1)將作物秸稈自然風(fēng)干后，粉碎至長(zhǎng)度小于50mm;
2)將污水處理廠(chǎng)的脫水污泥自然風(fēng)干后，使其含水率降至25%以下，進(jìn)行粉碎;
3)將粉碎后的污泥與秸稈按干重比1︰3充分混合;
4)將步驟3)所得的秸稈與污泥混合物，送入炭化爐，利用氮?dú)獬錃�，以保證無(wú)氧環(huán)境，然后進(jìn)行加熱炭化，炭化溫度為400℃;
5)炭化一定時(shí)間，使反應(yīng)完全，待氣體檢測(cè)瓶中無(wú)氣體產(chǎn)生后，停止加熱，冷卻，取出物料，即可將原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
實(shí)施例 6：
1)將作物秸稈自然風(fēng)干后，粉碎至長(zhǎng)度小于50mm;
2)將污水處理廠(chǎng)的脫水污泥自然風(fēng)干后，使其含水率降至25%以下，進(jìn)行粉碎;
3)將粉碎后的污泥與秸稈按干重比1︰3混合，同時(shí)加入二者總干重20%的秸稈炭化物，三者充分混合;
4)將步驟3)所得的秸稈與污泥混合物，送入炭化爐，利用氮?dú)獬錃猓员ＷC無(wú)氧環(huán)境，然后進(jìn)行加熱炭化，炭化溫度為500℃;
5)炭化一定時(shí)間，使反應(yīng)完全，待氣體檢測(cè)瓶中無(wú)氣體產(chǎn)生后，停止加熱，冷卻，取出物料，即可將原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
下面對(duì)實(shí)施例中制備的產(chǎn)物生物炭作進(jìn)一步的碳固定率檢測(cè)和碳匯效能評(píng)價(jià)。
碳固定率檢測(cè)
將實(shí)施例1～6中制備的產(chǎn)物生物炭進(jìn)行碳固定率檢測(cè)(如表1所示)，通過(guò)檢測(cè)物料炭化前后的碳元素含量，按照公式：碳固定率(%)=(炭化后物料總干重×炭化后物料碳含量)/(炭化前物料總干重×炭化前物料碳含量)×100%計(jì)算出產(chǎn)物生物炭中的碳固定率，其中對(duì)照組用于測(cè)定污泥和秸稈分別在400℃和500℃單獨(dú)炭化條件下碳固定率的理論值。
表1 污泥與秸稈聯(lián)合固碳的碳固定率分析
注：污泥和秸稈的碳固定率理論值分別為：污泥或稻稈單獨(dú)炭化的實(shí)測(cè)值;實(shí)施例1～6產(chǎn)物生物炭中碳固定率理論值為：以污泥和秸稈的碳固定率理論值為依據(jù)，按兩者混合比計(jì)算的加權(quán)平均值。聯(lián)合碳固定提高率計(jì)算公式為：碳固定的提高率=(實(shí)測(cè)值-理論值)/理論值×100%。
從表1可以看出，實(shí)施例1～6中污泥和秸稈聯(lián)合固碳方法的碳固定率明顯高于其單獨(dú)炭化的碳固定率，協(xié)同提高率在26.4%～39.8%之間，說(shuō)明本發(fā)明方法具有協(xié)同固碳作用，更有利于碳的固定，減少碳的排放。
碳匯效能分析
根據(jù)文獻(xiàn)Enders et al., 2012 Enders, A.,Hanley, K.,Whitman, T.,Joseph, S.,and Lehmann, J. Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance. Bioresour. Technol., 2012, 114, 644-53.提出的碳匯效能評(píng)價(jià)指標(biāo)，碳匯效能可分為三個(gè)等級(jí)：
無(wú)碳匯效能：揮發(fā)分(daf)>80%;
中等碳匯效能：揮發(fā)分(daf)≤80%，且O︰C摩爾比>0.2;
高等碳匯效能：揮發(fā)分(daf)≤80%，且O︰C摩爾比≤0.2。
其中，揮發(fā)分(daf)又稱(chēng)干燥無(wú)灰基(dry-ash-free, daf)，也叫可燃基，是除去水分和灰分后余下的成分。
用CHNS元素分析儀(Vario EL)測(cè)定原材料及固碳劑中的C、H、N、S元素的百分含量，O元素通過(guò)差減法得到，計(jì)算公式為：Oad(%) = 100 - Cad - Had -Nad - Sad -Aad - Mad。
O：C摩爾比M(O/C)、H：C摩爾比M(H/C)計(jì)算公分別為：、。
原材料及固碳劑中空氣干燥基的灰分(Aad)、揮發(fā)分(Vad)、水分(Mad)含量測(cè)定參照《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212-2001)，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分(Vdaf)含量計(jì)算公式為：。
根據(jù)上述的檢測(cè)方法與計(jì)算公式，分析實(shí)施例1～6和對(duì)照組中生物炭的碳匯效能，結(jié)果如表2所示，從中可以看出實(shí)施例1～6中的產(chǎn)物生物炭的揮發(fā)分都在80%以下，且O：C摩爾比在0.2以下，故污泥與秸稈協(xié)同炭化所得的生物炭，具有高等碳匯效能。
