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作物秸秆高效炭化还田关键技术研究与应用

文献类型： 获奖成果

作者：

作者机构：

获奖名称： 科学技术进步奖

获奖等级： 二等奖

关键词： 作物秸秆;还田;关键;秸秆;作物;技术;关键技术;秆高;研究与应用;炭化;研究;技术研究;高效

第一完成单位： 农业部环境保护科研监测所

获奖时间： 2016

摘要： 　　我国作物秸秆理论年产量达到8.0亿余吨，但由于其产生量大而集中，加之农村能源结构变化等因素，目前农户收储及利用秸秆的积极性很低，秸秆随意抛弃和焚烧现象严重，带来一系列环境问题。因此，本研究紧密结合国家现代农业可持续发展战略、农业产能升级及生态环境保护等重大需求，针对重点农区作物秸秆转化利用率低、关键技术设备落后、方式粗放低值等问题，以“便捷高效、功能拓新、精化增值”为宗旨，自2009年开始，在国家自然科学基金、中央级公益性科研院所基本科研业务费、中国农业科学院基本科研业务费等项目支持下，农业部环境保护科研监测所联合天津德塔生态炭发展有限公司、商丘三利新能源有限公司等企业研发创制秸秆低耗内热连续炭化设备，研究突破生物炭定向修饰改性、环境功能强化及缓控肥料制备等关键技术“瓶颈”，该研究对推进秸秆合理、高效利用，稳定农业生态平衡，改善能源结构，缓解资源约束，减轻环境压力具有十分重要的意义。 　　首先，本研究发明的内热式炭化炉外形为圆锥体结构，上部小，下部大，火种通过内置空心轴点燃农作物秸秆，热源从内向外扩散，热解炭化物料，配有基于ATmega16所开发的控制系统。设计的连续炭化工艺，解反应器采用内热式炭化炉，炉盖设置连续进料装置，内置空心轴传送火种和推送物料下移，当物料热解完全送到炉底，出料装置启动，成品炭由出料口排出，实现连续进料、炭化和出料。作物秸秆在低氧环境中热解，即可得到生物炭及其副产品（木醋液、可燃气），可以做化工原料和清洁燃料，提高经济效益。 　　此外本研究还在高温炭化基础上，结合氨气活化及锰酸钾吸附-煅烧方法对生物炭结构进行氮杂化、锰离子复合改性，增加生物炭比表面积、孔隙率和吸附位点，提高生物炭对污染物或重金属的吸附效率。在探讨生物炭表面官能团吸持无机氮离子机理的基础上，将生物炭与氮素结合，制成炭基缓释肥料，降低土壤硝态氮淋失无机氮淋失率0.6-2.1倍，延长养分释放期20-30天，有效控制土壤养分淋失，提高土壤氮素利用效率。 　　在创新性上，本研究发明的圆锥形内置物料整理装置秸秆炭化炉，创建了秸秆连续炭化生产线，破解了传统炭化方式存在的物料粘结、品质不均一、能耗大、周期长等难题。且本研究首次合成了氮杂化多孔炭材料及生物炭-锰氧化物复合材料，改进了秸秆生物炭的表面结构和特性，增强了秸秆生物炭修复环境功能，为秸秆生物炭的利用开辟新的途径。此外，本研究还发现了生物炭表面含氧官能团通过氢键或金属键桥作用吸附土壤氮素的机制，基于此研制出炭基缓释氮肥，为提高氮素利用率和有效阻控面源污染提供了新方法。 　　本项研究获得国家发明专利4项，实用新型专利获得24项，软件著作权1项，发表研究论文30余篇。发明内热式炭化设备1套，设计连续式炭化工艺1套，研发生物炭氮杂化改性技术1套、锰化改性技术1套，集成1套炭基缓释肥制备方法。建成年产2.5万t生物炭生产线2条，年产2.0万t生物炭生产线1条，年产1.5万t生物炭生产线2条，建成年产1.5万吨炭基缓释肥生产线1条，年产5000t改性生物炭生产线1条。 　　本研究研发技术成熟，近三年累计转化作物秸秆90余万t，研制的炭基肥料及土壤改良剂在天津、山东、河南及湖南等地推广应用76.05万亩，获得直接经济效益17.65亿元，取得了较好的经济、生态和社会效益。项目实施期间培养高级技术人员2名，研究生4名。实施单位包括科研院所和企业，示范应用基地跨天津、河南、山东和湖南等地，空间上距离较远，时间上作物生育期也存在差异，工作任务多、战线长、工作面广，给研究实施和监测上带来不便。同时本研究技术性研究集成涉及作物秸秆种类多，技术工艺流程复杂，推广应用对象类型不一，后期应加强研究实施主体间联系，特别是生物炭改性技术与炭基肥制备技术，将两者研究取得的成果尽快开展集成和示范，但由于缺乏有效组织，目前尚未开展相关技术培训工作，应加强技术交流与培训，将集成的技术进一步推广应用，为农业废弃生物质资源化开辟新途径，推进区域现代农业可持续发展。

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