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        鄂爾多斯市年產260萬噸生物炭基復混肥項目可行性研究報告

        時間:2018-01-26   點擊數:135   來源:

        第四章 工藝技術方案

        針對上述產品方案,工藝技術采用系統解耦的方法,在下述成熟可靠高效的合成氨尿素工程設施基礎上,采用具有中國自主創新特色的低溫炭化技術獲取生物質炭化物,以及益生菌發酵工程技術獲取土壤改良劑,確保生物炭基復混肥產品工藝可靠,成本可行。

        4.1 設計思想

        本環保型生物炭基復混肥是根據土壤植物營養生理學原理和微生態學原理以及現代有機農業的基本概念而研制的,并且建立在合成氨等規?;F代化肥工業化設施基礎上,確保工藝可靠,成本可行。

        土壤由礦物質、有機質和微生物三大部分組成,是農作物生長發育的基礎。土壤礦物質是土壤物質組成的主體,既是植物生長的基質,又是植物無機營養的主要來源。有機質是土壤供肥、保肥的重要物質基礎,又是形成土壤團粒結構和防止土壤板結的必要成份。微生物是土壤中活的有機體,是轉化土壤肥力不可缺少的活性物質。土壤微生物直接參與土壤物質和能量的轉化,腐殖質的形成和分解,養分釋放,氮素固定等土壤肥力形成和發育過程。因此,向土壤中增加有益微生物數量,能夠增強土壤微生物活性,從而提高了土壤的肥力。特別是農作物根際土壤微生態區系的微生物活性對植物根部營養更為重要。在根際施用微生物肥料,即可增加根層土壤中有益菌類的數量和活性。生物有機肥含有大量有機物可供有益菌類生長繁殖,能有效促進農作物根際土壤微生態區系內有益菌類的活性。這就是施用微生物有機復合肥料提高土壤肥力的科學原理。

        環保型生物炭基復混肥中的微生物在其發酵和土壤內的生命活動過程中會產生大量的赤霉素和細胞激動素類物質,這些物質在與植物根系接觸后,會刺激作物生長,調節作物新陳代謝,從而產生增產效果。生物肥中的微生物在植物根部大量生長、繁殖,形成優勢菌,抑制和減少了病原菌的繁殖機會,有的還具有拮抗病原菌的作用,起到了減輕作物病害的功效。從而減少農藥的使用,降低生產成本。

        環保型生物炭基復混肥含有豐富的有機質、一定量的有機速效氮、磷、鉀和微量元素,養分比較全面。其中的有機質通過微生物活動后,可不斷釋放出植物生長所需的營養元素,因而肥效持久。豐富的有機質還可以改善土壤物理性狀,增加土壤團粒結構,從而使土壤疏松,減少土壤板結,有利于保水、保肥、通氣和促進根系發展,為農作物提供舒適的生長環境。

        4.2 產品緩釋技術

        肥料緩釋關鍵問題是氮素調控。普通復(混)合肥料中氮素主要是酰胺態氮、銨態氮和硝態氮三種形態。當肥料進入土壤,氮素被來自土壤中的酶分解,酶是由生物產生的,它是具有高度催化作用的蛋白質,是生物催化劑。它能在接近常溫、常壓和近中性酸堿度的條件下,快速發生生物化學反應,并且具有突出的專一性。土壤酶是存在于土壤中各酶類的總稱,土壤中的一切生物化學過程都是在土壤酶的作用下進行的?,F在已經被測定的土壤酶大約有60多種,它們來源于土壤動物、植物和微生物的細胞分泌物及其殘體的分解物。脲酶是土壤中的重要酶類,它也是一種酰胺酶類,其作用極為專性,只能水解尿素,水解產物為氨和碳酸氫銨。施入土壤中的尿素,一般作物不能直接吸收利用,必須經土壤脲酶的作用,分解成氨,作物才能吸收利用。而一般農田中脲酶活性較強,肥沃土壤和腐殖質含量較高的土壤中脲酶活性更高。這時,土壤脲酶會使施入土壤的尿素很快水解成氨,在一般農田尿素施用量下,當土壤水分適宜,溫度為10℃時,施入土壤的尿素710天全部氨化;20℃時,為45天全部氨化;30℃時,只需23天為全部氨化。這些氨可在其它酶類的作用下,通過硝化作用、反硝化作用和氮化作用繼續轉化。上述這些轉化產物為:氨、硝態氮、亞硝態氮、氧化亞氮和氮氣,它們除了被作物吸收利用和被土壤膠體吸附之外,可通過大氣揮發、地表徑流和淋溶流失等途徑損失。

        氮素在土壤脲酶作用下分解成氨,即所謂氮素的氨化作用,是氮素肥料在土壤中分解轉化的第一步,也是提高尿素肥料利用率抑制調控的關鍵。緊接著硝化過程的控制是對提高氮素利用率第二步,硝化過程產生硝態氮、亞硝態氮,是提高作物產品中硝酸鹽含量的主要來源,而氧化亞氮和氮氣又是排放到大氣中造成溫室氣體效應的主要因素。分析氮素在土壤中轉化過程,可看出提高氮素控釋作用是保證食品安全和保護生態環境的重要內容。

        脲酶抑制劑是對脲酶活性具有抑制作用的一類物質的總稱。脲酶抑制劑的種類很多,目前被發現的已有近百種,其中無機物主要為汞鹽和其它重金屬鹽類化合物,有機物主要為多元酚和醌類化合物。無機物由于含有重金屬不被采用,有機物多元酚和醌類化合物,它們化學結構中具有苯環不易降解成份,會帶來環境污染。

        環保型生物炭基復混肥研制發明過程中,設計方案首先考慮產品對所生產的氮肥、復(混)合肥、農業生產中的產品及生態環境沒有任何危害,同時具有脲酶、硝化抑制和銨穩定三大功效,最終實現氮肥、復(混)合肥長效作用。同時,充分考慮產業化成本控制的必要性,采用了中國科學院上海高等研究院的低溫炭化技術來獲取必要的生物質炭化物,來實現緩釋技術。

        4.3 營養交互協同作用技術

        在土壤環境條件下,復(混)合肥中氮、磷、鉀三要素各自的分解轉化運動規律大不相同,如氮素移動性比磷、鉀移動大,而后效卻不如磷、鉀素長。在土壤中養分的平均利用率分別為:氮30%35%、磷40%45%、鉀50%60%;肥料有效期為:氮5060天、磷累計達幾年以上、鉀6070天。因此,復(混)合肥中氮素的釋放速度很難與磷、鉀素保持一定科學比例,來滿足不同作物生育期對養分的特殊需要。盡管配方設計和生產專用復(混)合肥過程中,氮、磷、鉀比例與農作物吸肥特性相一致,可是,當肥料進入土壤中,因各種因素影響使肥料效果產生很大的差距。

        試驗證明,在作物生育期間,長效肥氮、磷、鉀素的釋放,基本上保證了養分相對穩定供應比例,有效地發揮養分之間的交互、協同作用,提高肥料綜合利用率17%25%。通過肥料養分效應函數試驗,養分中a(N)b(P)c(K) 比率越是符合作物吸收養分特性(式中的a、b、c為作物需肥比率系數),肥料的使用效果越是明顯高于a、b、c比率不協調的情況。長效肥在賽肥特調控作用下,使肥料供應養分過程與作物需肥特性基本趨向同步,保證了作物高產和農產品優質的營養條件。

        4.4 產品技術

        本技改項目以生物質炭制備為核心技術,以高效環保炭基復混肥為終端產品,形成廢物利用、低本高效、環保節能的經濟產業鏈條。即在通過特殊工藝將玉米芯、花生殼、稻殼、作物秸桿等制成顆粒型炭素的基礎上,利用其孔隙豐富、吸附能力強、吸光增溫效果顯著等特點,制作成能顯著提高地溫,延長肥效、改良土壤、促進作物早生快發的系列復混肥,包括水稻育苗調制劑,溫室專用苗床基肥,花生專用肥、玉米專用肥、大豆專用肥及花卉培養基質等。

        目前,該項目已被國家列入星火計劃,同時花生、大豆、玉米專用肥被國家專利局批準為專利產品。本項目生物質炭制備技術突破了傳統工藝,具有無能耗、低成本、產量高、質量優、無污染等特點,以其為基質生產的多元復合復混肥具有提高地溫、增加地力,改善土壤結構、克服連作障礙,肥效長、無污染等特點,是一種極具開發前景的環保型長效專用肥。

        在生產工藝方面,本項目的關鍵技術包括兩方面:一方面是緩釋肥基質——農作物廢棄物生物質炭的生產工藝技術,此技術已完全成熟。另一方面是炭基復混肥成分配比技術和劑型研究。本項目擬開發的環保型高效炭基緩釋系列專用肥主要包括五類:水稻育苗增溫型調制劑、保護地苗床增溫肥、增溫型玉米口肥、長效肥、大豆重迎茬專用肥。由于玉米芯生物質炭為深黑色有機產品,富含微孔,具有極好的吸光增溫和隔熱保溫特性,施入土壤以后,在炭素顆粒周圍形成增溫區和保溫區,這對于解決早春低溫造成的水稻、玉米、大豆出苗及生長緩慢,以及反季節保護地育苗障礙等問題,具有重要作用。

        同時,炭素基質的強烈吸附作用,使肥料的釋放淋溶速度明顯放緩,減少了肥料的淋失,延長了肥料的供給時間,滿足了作物全生育期對肥料的需求,從而提高了肥料的利用率和利用效果。此外,炭素基質的強烈吸水作用,對緩解春季干旱帶來的不利影響,提高田間出苗率,大有裨益。試驗證明(附件),施用炭基復混肥后,水稻出苗早,根系發達,玉米、大豆均較對照苗齊、苗壯,田間表現高一頭、清一色、粗一圈,中后期玉米株高變矮、莖稈粗壯,抗倒性明顯增強,而大豆則莢數明顯增多。在溫室大棚反季節蔬菜生產和保護地種植上,炭基復混肥效果也很明顯,特別是對葉菜類作物,具有很好的生長促進作用,品質也顯著改善;在對保護地花生生產上,可明顯增加地下果粒的數量。因此,炭基復混肥應用范圍廣泛,效果明顯,開發潛力巨大。

        4.4.1 產品技術特點,創新性和自有知識產權情況

        本項目研制生產的環保型高效炭基緩釋系列專用肥,尤其是在沙柳等沙生植物平茬、農業廢棄物等長年穩定供應的生物質炭生產工藝取得重大突破并已進入產業化生產的基礎上進行的,從核心技術到終端產品,都擁有自主知識產權。研制的復混肥具有其他相關產品所不具備的堪稱創新性的特點。

        一、 基質材料生物質炭生產工藝的先進性

        由于本項目生產的環保型高效炭基緩釋系列專用肥是建立在基質的吸附性及增溫保溫性上的,因而基質的良好孔隙性就成為關鍵。目前,國內外生產炭素多采用破碎擠壓制棒全封閉高溫炭化爐干餾工藝,在擠壓制棒過程中,對原料本身具有的多微孔性產生實質性的破壞,生產出的炭素已不具備吸附能力。本項目采用的是中國科學院上海高等研究院自主研發的半封閉低溫炭化爐缺氧干餾分解工藝,對不同粒度的原料進行直接低溫炭化,炭化顆粒完全保留原有的微孔,孔隙度高,因而生產的生物質炭具備良好的吸附性和增溫保溫性。

        二、 緩釋增溫效果好

        由于生物質炭為深黑色有機產品,富含微孔,具有極強的吸肥、吸水、吸光增溫特性,施入土壤以后,不但可以持肥緩釋,減少肥料淋失浪費,而且在每個炭素顆粒周圍形成增溫隔熱區,對于解決早春地溫偏低出苗和生長緩慢等問題具有重要作用。

        三、 經濟環保

        本項目生產基質的原料主要是農業廢棄物,原料本身就是廢物利用,且成本低廉,取之不盡;用半封閉低溫炭化爐缺氧干餾分解新工藝生產生物質炭,不消耗外界能源,不產生任何三廢,生產過程節能而且環保;生物質炭源自植物有機體,本身屬有機復合物,主要成分是碳元素,在土壤中可以自然分解,完全無殘留,因而在使用過程中對環境無任何污染,同時兼有改良土壤的長效特性。

        四、 產品應用廣泛

        開發潛力巨大。玉米、水稻、大豆和保護地果蔬生產是北方種植業的四大主導產業,而北方早春地溫偏低和普遍存在的肥料流失嚴重、利用率低下,成為困擾這四大產業發展的重要因素。雖然地膜和化學緩釋劑的應用可以在一定程度上解決上述問題,但前者帶來的白色污染、用工繁瑣,后者帶來的價格昂貴和土壤板結等負面影響,卻限制了其推廣應用范圍。本項目研制的系列專用肥通過應用生物質炭作基質達到增溫、緩釋、經濟、環保等效果,是一種革命性的變革,開發潛力和應用前景十分廣闊。

        4.4.2 產品技術性能水平與國內外同類先進產品的比較

        目前,國內外生產專用肥的基質主要是粉煤灰、珍珠巖、蛭石、草炭或其他

        生物代用品。這此材料有的不具備吸附能力,有的屬于不可再生的稀缺資源(如草炭),而且都不具有吸光增溫性。本項目開發的系列專用肥,用的是多微孔的生物質炭,既有極強的吸附能力,又有很好的吸光增溫效果。用半封閉低溫炭化爐缺氧干餾分解工藝對玉米芯等原料進行直接低溫炭化,在國內外尚屬首創。而用生物質炭作基質生產緩釋系列專用肥,在國內外也尚無先例。

        國際生物炭技術協會專家反映,中國科學院上海高等研究院所的內循環低溫缺氧炭化技術與裝置,是唯一的真正達到了產業化規模的生物質炭化技術裝置,希望能夠成為國際生物炭技術的示范與技術輸出平臺。尤其是,在為荒漠化治理與綠色農業發展等方面。

        因而,本項目處于國內外同類研究的先進水平,并且起到技術示范與技術支撐作用。

        4.4.3 項目技術的成熟度

        本項目緩釋肥基質生產技術--農作物廢棄物生物質炭生產技術已完全成熟。產品實現批量生產,已打入國際市場。項目中環保型高效炭基系列專用復混肥20102011年已完成了初步配比實驗并小批量生產,在小面積上進行了玉米專用肥應用試驗,取得了很好的實驗效果。2011年在江蘇、安徽、遼寧、山東、河南等地區對玉米、水稻、大豆、花生、蔬菜等作物進行中試,效果均較明顯,已通過驗收。截至目前,與對照田塊相比,施用炭基復混肥田塊出苗速度快,苗齊、苗壯、產量高,能提高畝產量20% 左右。

        4.5 生產工藝流程

        4.5.1 生物炭基尿素的生產技術

        按照如下工藝,本項目已經獲得的合成氨與尿素產量,生物炭基尿素的生產能力可以達到年產2,080,200噸。

        當然,本項目所采用的生產組織方式,主要在產品的銷售地域組織最終產品的加工,需要采購生物質進行炭化或直接采購生物黑炭加工生產,生物炭基尿素的生產能力達到年產2,080,200噸。

        4.5.2 益生菌劑的生產技術

        生產過程首先是將已篩選好的菌種接入液體培養基活化后,再經過三角瓶液體搖床培養以及種子罐逐級擴大培養而獲得一定數量和質量的純種,也就是生產下一步大規模發酵要用的種子。菌種擴大培養的目的是為每次發酵罐的投料提供相當數量的、代謝旺盛的種子。菌種擴大培養的任務的是獲得發酵活力高、接種量足夠的微生物純培養物。

        本項目設計中根據菌種的特點采用的是液體深層培養。生產從種子罐底部送入無菌空氣,再由攪拌槳葉將無菌空氣分散成微小氣泡溶解在液體培養基中,從而促進菌體生長繁殖。主要設施與設備包括培養室和種子罐。

        按照如下工藝,本項目所配置生產設施的農業益生菌劑生產能力達到年產7500

        噸。

         4.5.3 生物炭基益生菌劑的生產技術

        按照如下工藝,將已經制備好的分裝益生菌劑與生物炭基以1:10的比例混合,包裝生物炭基益生菌劑成品。

        本項目所配置生產設施,生物炭基益生菌劑生產能力達到年產75000噸,與

        已經獲得的合成氨與尿素產量相對應,確保生物炭基復混肥的生產能力可以達到年產2600,000噸。

        4.5.4 生物炭基土壤改良劑的生產技術

        在本項目所采用的生產組織方式下,是在工時,根據當地土壤的具體要求給配與稀釋成為相應的生物炭基土壤改良劑。


        本項目所配置生產設施,生物炭基土壤改良劑的生產能力可以達到年產525,000噸,所用的生物炭基益生菌劑都在中央工廠集中生產。

        ng=EN-US>4.5.3 生物炭基益生菌劑的生產技術

        按照如下工藝,將已經制備好的分裝益生菌劑與生物炭基以1:10的比例混合,包裝生物炭基益生菌劑成品。

        4.5.5 生物炭基復混肥的生產技術

        本項目所采用的生產組織方式,主要的、需要規?;?、確保產品質量控制的中間產品,包括尿素和益生菌制劑在中央工廠集中生產,而在產品的銷售地域組織最終產品的加工,從而優化配置資源與生產工藝,減少了不必要的運輸工作量。本項目所配置生產設施,生物炭基復混肥的生產能力達到年產2,605,20噸。





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