申请日2013.10.08
公开(公告)日2014.01.29
IPC分类号C10B53/02; C02F11/10; C10B53/00
摘要
本发明公开了一种城市污泥与作物秸秆联合固碳的方法，是基于污泥、秸秆的性质互补，提出的一种高效低耗的碳固定简易方法，将污泥和秸秆混合物在无氧条件下中温炭化，至反应无气体生成时，冷却，取出产物，原料中的不稳定碳元素基本转化为产物生物炭中的稳定碳元素。将秸秆与污泥混合后联合固碳，可以利用秸秆释放出的能量，弥补污泥单独炭化固碳时能量的不足，实现能量的自平衡。本发明工艺流程简单易行，成本低，可使生物炭中的碳固定率相对单独炭化提高26.4%～39.8%，碳元素稳定性好，碳汇效能高。
权利要求书
1.一种城市污泥与作物秸秆联合固碳的方法，其特征在于：包含如下步骤：
1)将干的作物秸秆粉碎至长度小于50 mm;
2)将污泥去水，使其含水率降至25%以下，然后粉碎;
3)将粉碎后的污泥与秸秆按干重比(1～3)︰(1～3)充分混合;
4)将步骤3)所得的秸秆与污泥混合物，送入炭化炉，无氧环境下加热生成生物炭，反应温度为400～500℃;
5)持续加热至反应无气体产生，使原料中的不稳定的生物质碳元素转化完全，成为生物炭中的稳定碳，停止加热，冷却，取出物料，即可。
2.根据权利要求1所述的一种城市污泥与作物秸秆联合固碳的方法，其特征在于：步骤3)中粉碎后的污泥与秸秆的干重比为(2～3)︰1。
3.根据权利要求1所述的一种城市污泥与作物秸秆联合固碳的方法，其特征在于：步骤3)中粉碎后的污泥与秸秆的干重比为3：1。
4.根据权利要求1所述的一种城市污泥与作物秸秆联合固碳的方法，其特征在于：步骤4)中所述加热的温度为400℃。
说明书
一种利用城市污泥与作物秸秆联合固碳的方法
技术领域
本发明属于固废处理碳减排领域，具体涉及一种利用城市污泥与作物秸秆联合固碳的方法。
背景技术
固碳( Carbon sequestration )，也叫碳封存，指的是以捕获碳并安全封存的方式来取代直接向大气中排放二氧化碳、增加除大气之外的碳库的碳含量，从而达到减少二氧化碳在大气中的浓度，减缓全球变暖趋势的目的。其技术方式主要包括(1)物理固碳：将二氧化碳经捕捉后储存在开采过的油气井、煤层和深海里;(2)生物固碳：利用光合作用捕捉二氧化碳，将其以生物质的形式储存于植物生态系统中。这两种方式中，物理固碳尤其是工程化的碳捕捉技术，还处于起步阶段，存在研发投入高、成本高、资源化利用渠道不畅等发展问题，而生物固碳尽管是国际科学界公认的固定二氧化碳成本最低且副作用最少的方法，但其以生物质形式存在的碳，由于其稳定性差，在进入土壤后最终将被分解二氧化碳，再次进入大气中，只是一个碳吸收-暂存-释放的循环过程，属于碳中和范畴。
近年来，生物炭固碳日益被接受为根本的二氧化碳减排增汇途径之一。生物炭是生物质在缺氧或厌氧条件下热解的固态产物，具有高度的芳香化、物理的热稳定性和生物化学的抗分解性，在土壤中的平均停留时间可达千年，施用于土壤可大幅度提升土壤碳库，并因其孔隙度高等特性，有利于土壤固持养分，提高养分利用率，改善微生物生境，减少温室气体的排放，从而达到增产增汇、改良土壤等多种效果。
城市污泥与作物秸秆作为我国两种重要的大宗固体废物，其产生量大，为待利用的生物质资源。长期以来，由于未得到妥善处理，造成了严重的二次污染及资源浪费并排放大量碳，使我国面临污染防治和碳减排的双重压力。如将其制备生物炭并储存于土壤，可实现废物污染防治、固碳增汇及资源化利用等多重功效。本发明的目的在于，利用有机废物中的生物质进行炭化处理，发展出一种简易、高效、低耗的碳固定方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种城市污泥与作物秸秆联合固碳的方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种城市污泥与作物秸秆联合制备固碳的方法，包含如下步骤：
1)将干的作物秸秆粉碎至长度小于50 mm;
2)将污泥去水，使其含水率降至25%以下，然后粉碎;
3)将粉碎后的污泥与秸秆按干重比(1～3)︰(1～3)充分混合;
4)将步骤3)所得的秸秆与污泥混合物，送入炭化炉，无氧环境下加热生成生物炭，反应温度为400～500℃;
5)持续加热至反应无气体产生，使原料中的不稳定的生物质碳元素转化完全，成为生物炭中的稳定碳，停止加热，冷却，取出物料，即可。
本发明的有益效果是：
本发明基于污泥与秸秆的性质互补，提出了一种高效低耗的联合固碳的方法，且流程简单，成本低，可使生物炭中的碳固定率相对单独固碳提高26.4%～39.8%，固定后，碳元素稳定性好，碳汇效能高。
在本发明中将秸秆与污泥混合后进行碳固定，还可以克服秸秆或污泥单独固碳时遇到的问题：由于污泥生物炭密度大，可以改善秸秆单独固碳时易飘飞、不宜储运等问题;秸秆热值较高，在碳固定过程中释放出的能量，弥补污泥单独炭化时能量的不足，实现能量的自平衡。
具体实施方式
下面结合具本实施例对本发明作进一步说明，但并不局限于此。
实施例1：
1)将作物秸秆自然风干后，粉碎至长度小于50mm;
2)将污水处理厂的脱水污泥自然风干后，使其含水率降至25%以下，进行粉碎;
3)将粉碎后的污泥与秸秆按干重比3︰1充分混合;
4)将步骤3)所得的秸秆与污泥混合物，送入炭化炉，利用氮气充气，以保证无氧环境，然后进行加热炭化，炭化温度为400℃;
5)炭化一定时间，使反应完全，待气体检测瓶中无气体产生后，停止加热，冷却，取出物料，即可将原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
实施例 2：
1)将作物秸秆自然风干后，粉碎至长度小于50mm;
2)将污水处理厂的脱水污泥自然风干后，使其含水率降至25%以下，进行粉碎;
3)将粉碎后的污泥与秸秆按干重比3︰1充分混合;
4)将步骤3)所得的秸秆与污泥混合物，送入炭化炉，利用氮气充气，以保证无氧环境，然后进行加热炭化，炭化温度为500℃;
5)炭化一定时间，使反应完全，待气体检测瓶中无气体产生后，停止加热，冷却，取出物料，即可将原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
实施例 3：
1)将作物秸秆自然风干后，粉碎至长度小于50mm;
2)将污水处理厂的脱水污泥自然风干后，使其含水率降至25%以下，进行粉碎;
3)将粉碎后的污泥与秸秆按干重比1︰1充分混合;
4)将步骤3)所得的秸秆与污泥混合物，送入炭化炉，利用氮气充气，以保证无氧环境，然后进行加热炭化，炭化温度为400℃;
5)炭化一定时间，使反应完全，待气体检测瓶中无气体产生后，停止加热，冷却，取出物料，即可将原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
实施例 4：
1)将作物秸秆自然风干后，粉碎至长度小于50mm;
2)将污水处理厂的脱水污泥自然风干后，使其含水率降至25%以下，进行粉碎;
3)将粉碎后的污泥与秸秆按干重比1︰1充分混合;
4)将步骤3)所得的秸秆与污泥混合物，送入炭化炉，利用氮气充气，以保证无氧环境，然后进行加热炭化，炭化温度为500℃;
5)炭化一定时间，使反应完全，待气体检测瓶中无气体产生后，停止加热，冷却，取出物料，即可将原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
实施例 5：
1)将作物秸秆自然风干后，粉碎至长度小于50mm;
2)将污水处理厂的脱水污泥自然风干后，使其含水率降至25%以下，进行粉碎;
3)将粉碎后的污泥与秸秆按干重比1︰3充分混合;
4)将步骤3)所得的秸秆与污泥混合物，送入炭化炉，利用氮气充气，以保证无氧环境，然后进行加热炭化，炭化温度为400℃;
5)炭化一定时间，使反应完全，待气体检测瓶中无气体产生后，停止加热，冷却，取出物料，即可将原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
实施例 6：
1)将作物秸秆自然风干后，粉碎至长度小于50mm;
2)将污水处理厂的脱水污泥自然风干后，使其含水率降至25%以下，进行粉碎;
3)将粉碎后的污泥与秸秆按干重比1︰3混合，同时加入二者总干重20%的秸秆炭化物，三者充分混合;
4)将步骤3)所得的秸秆与污泥混合物，送入炭化炉，利用氮气充气，以保证无氧环境，然后进行加热炭化，炭化温度为500℃;
5)炭化一定时间，使反应完全，待气体检测瓶中无气体产生后，停止加热，冷却，取出物料，即可将原料中的碳元素固定在所生成的生物炭中。
下面对实施例中制备的产物生物炭作进一步的碳固定率检测和碳汇效能评价。
碳固定率检测
将实施例1～6中制备的产物生物炭进行碳固定率检测(如表1所示)，通过检测物料炭化前后的碳元素含量，按照公式：碳固定率(%)=(炭化后物料总干重×炭化后物料碳含量)/(炭化前物料总干重×炭化前物料碳含量)×100%计算出产物生物炭中的碳固定率，其中对照组用于测定污泥和秸秆分别在400℃和500℃单独炭化条件下碳固定率的理论值。
表1 污泥与秸秆联合固碳的碳固定率分析
注：污泥和秸秆的碳固定率理论值分别为：污泥或稻秆单独炭化的实测值;实施例1～6产物生物炭中碳固定率理论值为：以污泥和秸秆的碳固定率理论值为依据，按两者混合比计算的加权平均值。联合碳固定提高率计算公式为：碳固定的提高率=(实测值-理论值)/理论值×100%。
从表1可以看出，实施例1～6中污泥和秸秆联合固碳方法的碳固定率明显高于其单独炭化的碳固定率，协同提高率在26.4%～39.8%之间，说明本发明方法具有协同固碳作用，更有利于碳的固定，减少碳的排放。
碳汇效能分析
根据文献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.提出的碳汇效能评价指标，碳汇效能可分为三个等级：
无碳汇效能：挥发分(daf)>80%;
中等碳汇效能：挥发分(daf)≤80%，且O︰C摩尔比>0.2;
高等碳汇效能：挥发分(daf)≤80%，且O︰C摩尔比≤0.2。
其中，挥发分(daf)又称干燥无灰基(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元素分析仪(Vario EL)测定原材料及固碳剂中的C、H、N、S元素的百分含量，O元素通过差减法得到，计算公式为：Oad(%) = 100 - Cad - Had -Nad - Sad -Aad - Mad。
O：C摩尔比M(O/C)、H：C摩尔比M(H/C)计算公分别为：、。
原材料及固碳剂中空气干燥基的灰分(Aad)、挥发分(Vad)、水分(Mad)含量测定参照《煤的工业分析方法》(GB/T 212-2001)，干燥无灰基挥发分(Vdaf)含量计算公式为：。
根据上述的检测方法与计算公式，分析实施例1～6和对照组中生物炭的碳汇效能，结果如表2所示，从中可以看出实施例1～6中的产物生物炭的挥发分都在80%以下，且O：C摩尔比在0.2以下，故污泥与秸秆协同炭化所得的生物炭，具有高等碳汇效能。
