生物質炭化技術及其在農林廢棄物資源化利用中的應用

呂豪豪，劉玉學，楊生茂

（浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所浙江省生物炭工程技術研究中心，浙江杭州 310021）

生物質炭化技術及其在農林廢棄物資源化利用中的應用

呂豪豪，劉玉學，楊生茂?

（浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所浙江省生物炭工程技術研究中心，浙江杭州 310021）

隨著科學技術不斷進步和農村經濟快速發展，包括農作物秸稈在內的各種農林廢棄物總量和種類顯著增加，農林廢棄物的高效處理及資源化利用已成為制約農業可持續發展的一個難題。生物質炭化技術是近年來新興的農林廢棄物資源化利用新技術。該技術主要通過將農林廢棄物生物質炭化并以穩定的碳形式固定形成新型的生物炭產品。生物炭不僅在固碳減排、改良土壤與肥料增效方面具有良好作用，而且在土壤修復與水污染處理等一系列環境資源領域中也具有廣闊的應用前景。本文闡述了我國農林廢棄物資源化利用的現狀以及生物質炭化及生物炭物理化學性質特征，重點探討生物炭產品在農業及環境資源領域的應用現狀與發展前景，并對生物炭技術領域及其在未來農業及環境中的應用進行展望，旨在為農林固體廢棄物高效資源化提供新的思路，為農林廢棄物的高效循環處理利用提供新的模式。

農林廢棄物；生物質炭化；固碳減排；生物炭；多孔性結構

文獻著錄格式：呂豪豪，劉玉學，楊生茂.生物質炭化技術及其在農林廢棄物資源化利用中的應用［J］.浙江農業科學，2015，56（1）：19－22.

DOI 10.16178／j.issn.0528?9017.20150105

隨著科學技術不斷進步和農村經濟快速發展，農作物產量不斷提高、農產品加工產業迅速發展以及新農村建設不斷展開，包括農作物秸稈在內的各種農林廢棄物總量和種類呈上升趨勢，特別是近十年來，隨著農村城市化進程步伐的加快，農民生活水平明顯提高，對于可用作燃料和肥料的農林廢棄物利用率越來越低，農林廢棄物的高效處理處置及資源化利用已成為制約農業可持續發展的一個難題。中國擁有豐富的農作物秸稈及其他廢棄生物質資源，然而，由于技術、傳統和觀念等因素的制約，我國廢棄生物質利用率較低。據調查，我國秸稈還田量僅為15%左右，而直接燃燒或廢棄的量卻超過了50%。秸稈的大量燃燒或廢棄，不但造成生物質資源的嚴重浪費，而且增加了溫室氣體排放，造成對環境污染或潛在污染加劇。國家相繼出臺了一系列支持鼓勵秸稈生態循環利用的相關政策、法規，但由于秸稈本身存在的數量大、密度低與分散度高等固有特點，收集難、儲運難、利用效益低等特性成為制約秸稈等生物質資源利用的主要原因。因此，尋求高效、低碳、生態、環保的廢棄生物質處理技術成為必然。近10年來，農業廢棄物利用技術的研究和投入逐年增加，但集中處置的基礎設施和技術規范還遠未到位，農林業廢棄物日益增多與處理技術滯后的矛盾，已成為制約農村生態建設的瓶頸因素之一。

生物質炭化技術是近年來新興的農林廢棄物資源化利用新技術。生物質炭化主要通過將農林廢棄物生物質炭化并以穩定態生物炭的形式固定下來形成新型的生物炭產品。生物炭產品不僅在固碳減排、改良土壤與肥料增效方面具有良好作用，其在土壤修復與水污染處理等一系列環境資源領域中也均具有廣闊的應用前景。因此，本文闡述我國農林廢棄物資源化利用現狀與處理處置難題，簡要介紹生物質炭化及其生物炭產品的特殊物理化學性質，重點探討生物炭產品在農業及環境資源領域的應用現狀與前景，并對生物炭技術領域及其在未來農業及環境中的應用進行展望。旨在為農林固體廢棄物變“廢”為“寶”，減少和消除環境污染隱患提供新的思路，為區域農業廢棄物的高效循環利用提供新的模式。

1 農林廢棄物資源化利用現狀

我國農林業生產和農村生活產生大量生物質廢棄物，資源化處理壓力日益增大。我國農作物秸稈數量大、種類多、分布廣。據統計，2010年各類秸稈可收集量約為7億t，綜合利用率70.6%，其中13個糧食主產區約為5億t，約占全國總量的73%。

目前已基本形成了農林秸稈肥料化、飼料化、基料化、原料化、燃料化多元利用的格局。但總體來講，農林廢棄物資源化程度低，綜合利用企業規模小，缺乏骨干企業帶動，產業化發展緩慢。相當一部分農林廢棄物沒有得到有效資源化利用，既浪費資源，又造成環境污染，農作物秸稈的隨意堆放、無序焚燒成為政府控制大氣質量和農村環境治理中最為棘手的問題。農林廢棄物燃燒產生大量CO2等溫室氣體，嚴重影響空氣質量，每年在秋季種植之前的秸稈燃燒，造成多個城市發生陰霾天氣，交通堵塞、機場癱瘓屢屢發生；我國約有1／4的秸稈被燃燒，大約產生50 Tg的CO2溫室氣體排放，嚴重影響農村及城鄉人居環境質量，成為我國非能源利用中最重要的溫室氣體釋放源。因此農林廢棄物的有效處理及資源化利用成為我國農村環境保護的棘手難題和亟待解決的瓶頸問題。以往歐美發達國家利農林廢棄物資源化多通過沼氣利用、食用菌栽培、堆肥還田等進入農田循環的生態模式。但隨著全球變化形勢日益嚴峻，減緩氣候變化的需求日益強烈，農業生物質廢棄物炭化技術應運而生，已經成為國際社會和環境科技界廣泛認可的增加農田固碳，減少廢棄物堆棄和溫室氣體排放的新途徑。

2 生物質炭化及生物炭物理化學性質特征

2.1 生物質炭化

生物炭（biomass?derivedblackcarbon或biochar）是由生物質在完全或部分缺氧的情況下經高溫裂解而產生的一類高度芳香化難熔性富碳物質。自然產生的生物炭主要來源于自然界的森林和草原火災、農田的秸稈燃燒，都向大氣排放細的黑炭顆粒，較重地留在了土壤表面。按照炭化方式，生物質炭化技術一般分為熱解炭化、水熱炭化和閃蒸炭化技術等。

熱解炭化是指原料在厭氧或缺氧條件下的干餾熱裂解過程。根據原料的加熱速率、停留時間和熱解溫度不同可進一步分為緩慢熱解和快速熱解。緩慢熱解是一種比較傳統的熱解方式，一般是將生物質置于300℃以上缺氧條件下熱解。加熱速度緩慢，氣體停留時間一般在5～30 min，氣體分離速度較慢。快速熱解對原料的含水率要求較高，一般要求含水率＜10%（濕重）。快速熱解傳熱迅速，能快速地將小顆粒生物質原料迅速升溫到400～500℃，蒸汽的停留時間也較短。但有的時候“快”和“慢”具有不確定性，不易準確區分。關鍵是看蒸汽和氣溶膠等成分的分離狀況，或者是否發生二次反應產生含碳固體物質。

水熱炭化是將生物質懸浮在相對較低溫度（180～350℃）密閉容器中反應從而獲得生物炭的生物質炭化技術，通過水熱炭化可在反應結束后制備得到炭?水?漿混合物。水熱炭化相比熱解法來說方法較為溫和，固型生物炭可通過固液分離獲得，但與熱解或氣化的生物炭相比，水熱法得到的生物炭穩定性更低，前者以芳香烴結構為主，后者以烷烴結構為主。

閃蒸炭化是指在高壓條件下（1～2 MPa），在生物床底部高壓點火，火通過炭化床逆著通入的空氣流向上移動的現象。反應時間一般低于30 min，在反應器內的溫度一般在300～600℃。該過程制得的產物以氣態和固態為主。值得注意的是，通過閃蒸炭化和緩慢熱解獲得的典型的固態物質的產率比通過氣化和快速熱解的高。

2.2 生物炭的物理特性

不同的炭化原料、工藝和方法產生的生物炭性質差異較大，生物炭的環境效應與其物理特性密切相關，特別是在土壤生態系統中。土壤系統因其土壤類型、礦物組成、有機質等不同有其自身獨特的物理結構特性，生物炭這一外源物質的輸入必然直接或間接地影響土壤生態系統的結構和功能。例如生物炭的多孔、顆粒結構勢必改變土壤的物理結構特性。同時，土壤物理結構的變化也會影響土壤的化學和生物學特性，這些作用最終都會影響植物的生長。因此，了解生物炭的物理特性至關重要。

總體而言，生物炭是一類孔隙發達的多孔材料，隨原料和制備條件的不同存在明顯的差異。生物炭的總孔容隨溫度的升高呈先增加后降低的趨勢，且以微孔為主。大比表面積也是生物炭的一大特色。生物炭的大比表面積主要是由其微孔結構所致。600℃熱解櫟樹和竹質材料制備的生物炭比表面積分別為154.6 m2·g－1和137.7 m2·g－1。羅煜等對芒草生物炭的分析結果表明，350℃和700℃的芒草炭都具有多孔結構，比孔容分別為5.35 cm2· g－1和3.95 cm2·g－1。經過650℃的熱解處理，棉稈炭的比表面積由棉稈的1.72 m2·g－1增大到224.12 m2·g－1。在土壤中保持上百年的生物炭仍然可以觀測到明顯的孔隙結構。孔隙和比表面積大，可以作為微生物生長的載體，從而改變土壤的生物群落結構。生物炭還可以提高土壤含水率，改變土壤的厭氧環境，從而在一定程度上實現CH4等溫室氣體減排。

2.3 生物炭的化學特性

生物炭的環境效應與生物炭的化學組成及特性密切相關。不同的生物質材料和炭化條件可影響所制得生物炭的化學特性。

生物炭通常呈堿性，高溫生物炭的堿性主要由無機碳酸鹽貢獻，無機陰離子的存在也是低溫生物炭呈堿性的原因之一。

從工業分析的角度，生物炭包括灰分、揮發分和固定碳三種成分。干燥的生物炭在一定溫度下隔絕空氣加熱后產生的氣體或蒸汽稱為揮發分（VM），而將生物炭完全燃燒至恒重后的殘渣定義為灰分（Ash），固定碳則是除了灰分和揮發分之外剩余的部分（100?VM?Ash，%）。因原料以及制備工藝和方法的多樣化，生物炭灰分、揮發分和固定碳組成變化范圍非常大。生物炭的灰分含量主要取決于制備原料，其含量大小基本符合以下規律：畜禽糞便＞草本生物質＞木本原料。

通過工業分析可以初步判斷生物炭中的有機質含量，但是要詳細了解生物炭的環境行為和效益，特別是生物炭中碳素的歸趨，對生物炭中各種元素組成進行詳盡的測定分析非常必要。碳、氫、氧作為生物質的主要成分，在熱解的過程中，氫和氧主要以水、碳氫化合物、焦油蒸汽、H2、CO、CO2形式損失掉，而碳的損失率相對較小。因此，經過熱解后生物炭的碳含量可從生物質初始的40%～50%提高到70%～80%的水平，對于灰分含量低的生物炭碳含量甚至高達90%，而氫、氧所占質量比逐漸降低。一般而言，隨著炭化溫度的上升，生物炭的碳含量越高，芳香化程度也越高。

生物質中除了碳、氫、氧、氮等大量元素外，還含有鉀、鈉、鈣、鎂、磷、鐵、硅、鋁等組成生物質灰分的無機元素，以及銅、鎳、鋅等微量元素。炭化過程對養分的濃縮和富集使得生物炭中磷、鉀等養分含量普遍高于其制備原料。生物炭因原料、制備條件的不同，各種養分元素的含量也存在很大差異。

3 生物炭材料在環境資源領域的應用

生物炭具有良好的多孔性物理結構和特殊的化學組成。生物炭特殊的物理和化學性質賦予的全新功能被較好地應用于固碳減排、改良土壤與肥料增效、環境保護等領域。

為應對全球氣候變化，減緩溫室效應，碳捕捉和儲存技術（carbon capture and storage，CCS）的研發迫在眉睫。CCS技術已經作為前沿技術被列入國家中長期科技發展規劃和中國應對氣候變化科技專項行動。由于生物炭具有多芳香環結構，使其表現出高度的生物化學和熱穩定性，很難被微生物所降解利用，因而能夠在土壤存留很長的時間。放射性碳年代測定的研究表明，生物炭在歐洲黑鈣土中已經保存了1 160～5 040年，在海洋沉積物中甚至可以保存2 400～13 900年。因此，生物炭對土壤穩定的惰性有機碳庫具有重要貢獻，已被認為是大氣CO2的重要儲庫。生物炭運用于農業土壤所具有的巨大的固碳效應對于緩解全球氣候變化具有重要作用，已經受到國內外學者的強烈關注和熱切期盼，并吸引一系列研究開始對其固碳潛力進行估算。這些估算主要采用了生命周期評價（life cycle assessment，LCA）的方法：從生物炭的制備、運輸到施用的整個過程來計算評估其物質轉化、能量消耗及固碳減排效果。利用生命周期評價方法估算玉米秸稈和庭院垃圾制備生物炭過程的減排潛力的研究，結果表明，每噸生物質原料可固定約850 kg當量CO2，而且其中62%～66%是與生物炭的碳持留效應有關的。我國每年各類秸稈可收集量約為7億t，綜合利用率70.6%。因此，如若將生物炭固碳技術進行推廣，將產生顯著的溫室氣體減排效應。

生物炭在土壤肥力方面的作用，最初由一位荷蘭土壤學家在巴西亞馬孫河流域發現。那里最肥沃的土壤中含有一種當地稱之為Terra Prota的土壤，據推測生活在巴西亞馬孫河流域的土著居民，早在2 000多年前就知道了利用生物炭改良土壤。目前的研究表明生物炭對等不同形態存在的營養元素有很強的吸附作用，并可促進N素的形態轉化，提高土壤含量，且生物炭的多孔性也可進一步降低營養元素的淋失。生物炭可進一步通過與無機或有機肥料復合形成炭基肥料及其系列產品，這是目前生物炭功效實踐應用的結果和生物炭技術的體現。炭基肥料是控緩釋肥的一種，是把原來的無機肥料及其營養元素和生物炭按一定比例與工藝組合、加工生成，從而達到緩慢釋放養分，增加肥效的目的。雖然生物炭基復合肥有良好的土壤改良和肥料增效效果，但目前炭基復合肥的產業化仍處于起步階段。目前在北方，沈陽農業大學的陳溫福院士團隊已經研發以“半封閉亞高溫缺氧干餾炭化新工藝”和“移動式組合炭化爐”為核心的生物炭制備技術，以及以生物炭基質緩釋肥和土壤改良劑的技術，并率先在法庫縣達成意向，擬進行進一步的縣域推廣。浙江省生物炭工程技術研究中心作為國內較早成立的省級生物炭工程中心，主要依托浙江省農業科學院和國家林業局竹子研究開發中心，目前已對各種生物質炭化技術、工藝和炭基復合肥的生產、設備開發等方面進行了一系列富有成效的研究。通過與美國布萊蒙基金會、國家林業局竹子研究開發中心、浙江大學、浙江工業大學等國內外著名基金、高校、科研院所和企業的緊密合作，圍繞我國豐富的農林廢棄物資源，開發生物質能源的高效利用設備、生物質炭化設備及生物炭基復合肥系列。目前與企業合作已在國內開展了生物炭產業化，并與浙江布萊蒙農業科技股份有限公司合作開發出年生產能力達1萬t的肥料生產設備，出口韓國；另外與浙江禾綠豐肥料科技有限公司合作生產的楊梅炭基肥料已成功進入市場。

生物炭不僅在固碳減排、土壤改良和肥料增效上具有顯著的效果，隨著對生物炭產品的深入開發，發現其在環境保護領域也具有良好的應用前景。生物炭對減少土壤養分流失、提高肥料利用率、削減農藥等有機污染物殘留等方面具有良好的作用，為解決上述問題提供新的思路與治理途徑。生物炭通過表面官能團及其多孔結構對營養元素的固持作用，一方面起到肥料增效的作用，另一方面即為減少化肥的流失和潛在流失風險，降低農業面源污染。此外生物炭可通過對農藥類有機污染物以及Cd、Pb、Cu等重金屬離子的吸附和遲滯作用，進而影響其遷移轉化與生物有效性，最終起到污染土壤修復的作用。但目前該方向研究仍處于實驗室研究階段，要形成大規模、可操作的工程應用，還需要做更多更細致的研究，但土壤污染修復是一個新興的產業，隨著該方向研究的發展，其未來的潛力巨大。

4 小結

農林廢棄生物質炭化技術在農業上的推廣應用能夠極大提高陸地生態系統固碳減排的潛力，改良土壤和肥料增效，凈化水體，修復污染土壤，解決糧食安全和能源危機等。關于生物炭基礎理論研究和生產應用方面在全國不同省份已經啟動，特別是對廢棄生物質熱裂解生產生物炭工藝及參數，生物炭性質、特征研究正在穩步進行。但在全國層面目前仍未形成產業化推廣的規模，且在生物炭大面積、長期還田環境安全性評估方面仍較為缺乏；我國生物炭與肥料復合及肥料效益改善，生物炭固碳潛力，減排效應估算與評價等等，仍缺乏系統全面和詳實的基礎資料；生物炭在環境保護領域的應用仍需進一步細化和挖掘潛在的機理，進一步切合未來土壤污染修復等新型環保產業的發展。

（責任編輯：袁醉敏）

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浙江省科技廳國際科技合作專項（2013C24023）；杭州市科技計劃項目（20130533B45）；寧波市科技計劃項目（2013C910005）；浙江省“三農六方”科技協作項目

呂豪豪（1981－），男，浙江平陽人，助理研究員，博士，從事生物質炭化與生物炭新產品開發、生物炭環境行為等研究工作。E?mail：lvhao_1026＠126.com。

楊生茂。E?mail：yangshengmao＠263.net。