基于秸秆热解技术的高品质生物炭肥的结构与营养协同调控机理

The studies of pyrolysis carbonation technology of crop residues and fertilizer potential of biochar have important practical significances on crop residues utilization, biochar returning and agricultural sustainable development. In this work, wheat straw, rice straw, corn stover, rape stalk and cotton stalk are as the research objects. The mechanism of degradation and transformation of pyrolysis of crop residues was investigated, and the synergistic regulation mechanism of structure and nutrition of high quality biochar fertilizer was explored. The effects of different material properties and different reaction conditions on the distributions of pyrolysis products are studied deeply, and the coupling mechanism was explored among the solid products, liquid products and gas products, which will reveal the mechanism of synergistic reaction and the comprehensive mechanism of synthesis of biochars. The evolution of the physical characteristics of different biochars will be investigated, and the pyrolysis conditions of crop residues will be preliminary optimized. The differences, specificities and correlations of the nutritional characteristics of biochars will be mastered, and the fertilizer utilization potentials of different biochars will be investigated. The yield and quality characteristics of the biochar will be further reasonably regulated, and the solution of the synergistic regulation of structure and nutrition of high quality biochar fertilizer will be realized. This research work has practical application value in efficiently using crop residues, improving soil fertility and reducing environmental pollution.

开展秸秆热解炭化技术和生物炭肥料化利用潜力的研究，对秸秆资源化利用、生物炭还田使用和农业可持续发展具有重要的现实意义。本课题主要以小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆为研究对象，研究秸秆在热解炭化过程中的降解和转化机制，探索秸秆热解制备高品质生物炭肥的结构与营养协同调控机理。通过深入研究不同原料属性和不同反应条件对秸秆热解炭化产物分布的影响，探索固体产物、液体产物和气体产物之间的关联耦合，揭示反应物的协同反应机理及其对合成生物炭肥的综合作用机制。通过分析不同类型秸秆生物炭肥物理特性演变规律，初步优化秸秆热解炭化反应条件。再分析不同类型生物炭肥的营养特性的差异性、特异性与相关性，探讨不同类型生物炭的肥料化利用潜力，进一步优化调控生物炭肥的产率和高品质特性，解答实现高品质生物炭肥的结构与营养协同调变的途径。研究工作对于高效利用秸秆资源、提高土壤肥力和减少环境污染具有实际应用价值。

本项目以发展优质、高效的秸秆热解技术和高品质生物炭的肥料化利用为目标，研究了秸秆热解炭化过程中固、液、气产物的分布规律与关联耦合机制，探讨了不同反应条件和不同粒度下秸秆生物炭的理化特性和营养特性，分步优化调控了秸秆热解炭化工艺，探讨了不同秸秆生物炭的吸附特性和生物炭基肥颗粒的缓释特性。结果表明：（1）半纤维素、纤维素和木质素的热解区间分别为180–300℃、280–380℃和200–500℃。半纤维素2个失重峰值分别在190℃和250℃处，纤维素最大失重速率对应的温度约为310℃。随着热解温度升高和保温时间延长，秸秆的最大失重率增加。随着升温速率增加，秸秆挥发分初始析出温度和最大失重速率增大。秸秆热解反应的活化能范围为35–62 kJ/mol。（2）随着热解温度升高和保温时间延长，秸秆生物炭产率降低，热解气产率升高，CO2和CO含量降低，生物炭的灰分、固定碳、C含量增加，生物炭的碳转化率和能量转换率降低。粗粉秸秆生物炭的产率、挥发分、H、O、N及碳转化率最高，细粉秸秆热解气中CO、CH4、高位热值和能量转化率最高，而超微秸秆生物炭的C含量最高。秸秆中能量有1.5%–5.4％保留在热解气中，有50%–57％保留在生物炭中。秸秆热解制备生物炭的最佳工艺条件为热解温度为450℃，保温90 min，升温速率为10℃/min。（3）随着热解温度升高和保温时间延长，秸秆生物炭孔隙结构增加，表面极性官能团数量减少，表面O–C–O强度降低，芳香性增强。随着热解温度升高，生物炭的比表面积（1–12 m2/g）和总孔体积（0.004–0.028 cm3/g）增大，其微孔、中孔和大孔的体积占总孔隙体积的5%、81%和14%。超微秸秆生物炭的比表面积最高，孔体积也最大，其次是细粉秸秆生物炭。（4）随着热解温度升高，秸秆生物炭的pH（6.3–10.6）、电导率（2.34–9.12 ms/cm）增加，其N、P、K含量在450–500℃最高。生物炭对氨氮的吸附过程为分子层的非均匀吸附，吸热过程，且为物理吸附，可以用准一级动力学分析。随氨氮平衡浓度和温度增加，秸秆生物炭对氨氮的吸附量增加。（5）粘结剂含量20%和炭肥比1:3时，生物炭基肥颗粒的结构紧密，抗压强度高，成型成本较低，力学和缓释性能最好，前3天营养元素淋出率在40%左右，总养分量达到生物炭基缓释肥的中浓度标准。