生物半焦有机全价肥料及其制备方法

技术领域

本发明属于大宗固废制造生物肥料技术领域，具体涉及一种生物半焦 有机全价肥料及其制备方法。

背景技术

大宗固体废弃物主要包括煤矸石、粉煤灰、尾矿(共伴生矿)、冶炼渣、 工业副产石膏、建筑垃圾、农林剩余物等，量大面广、环境影响突出、利 用前景广阔，是资源综合利用的核心领域。

土壤是由固体、液体和气体三类物质组成的。固体物质包括土壤矿物 质、有机质和微生物等；液体物质主要指土壤水分；气体是存在于土壤孔 隙中的空气。土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体，它们互相联系， 互相制约，为作物提供必需的生活条件，是土壤肥力的物质基础。理想的 肥料通过向土壤提供优质有机质和矿物质，从而营造适合微生物生存、能 使空气进入土壤空隙的环境，使土壤肥沃。长期以来，人们一直使用化肥 来补充土壤营养，造成严重的土壤恶化，世界各国都在限制化肥的使用， 生物肥料应运而生。

生物肥料是用生物质、矿物质、微生物制剂等制成，既含有作物所需 的营养元素，又含有微生物或通过共生固氮产生微生物的制品，是生物、 有机、无机的结合体，提供农作物生长发育所需的营养元素。目前的生物 肥料主要包括微生物肥料、沼渣、秸秆堆肥、生物有机肥料、复合微生物 肥料、缓释生物肥料、生物有机全价肥等。其中的生物有机全价肥是一种 集有机、无机、微生物和调节剂为一体的含大量元素(碳、氢、氧、氮、 磷、钾)、中量元素(钙、镁、硫、硅)、微量元素(铁、锌、锰、铜、硼、 钼、氯、硒、钠、镍等)全养分肥料。在众多的生物肥料中，处于领先地 位。由于其矿物元素还是以无机结构形式存在，作物吸收利用难。

将生物质中的半纤维素、纤维素和木质素“三素”解聚，脱水产乙酸、 官能团活化。这时，矿物质固废中的氧化物在酸性条件下，生成木质素盐， 完成矿物元素有机化。其它组分也发生化学反应，实现整体结构有机功能 化重整。肥料的营养密度、生物利用度大大提高。目前还没有该类技术。 以生物质和粉煤灰、煤矸石、尾矿等矿物固废为原料，融合制造合成生物 有机全价肥，实现矿物元素有机化，显著提高营养密度和生物利用度。该 类肥料可替代化肥、现有各类生物肥料、碳肥等，实现便捷、经济、高效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物半焦有机全价肥料及其制备方法，通 过提供优质有机质和矿物质及比表面积大的活性半焦多孔结构体，既提供 了作物生长需要的大分子有机化的大量、中量、微量元素和黑土菌剂，又 营造了适合微生物生存、能使空气进入土壤空隙的环境，营造出植物全价 营养状态。

为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：

生物半焦有机全价肥料，成分包括：85～95wt％的基础组分，5～15wt％ 的功能组分。

进一步，基础组分包括：25～65wt％的低聚纤维素呋喃醚，30～72wt％ 的低聚木质素盐，3～7wt％多肽。

进一步，功能组分包括：中药渣粉30～50wt％，木炭粉30～50wt％， 10～20wt％黑土菌剂。

进一步，低聚纤维素呋喃醚的聚合度小于100；低聚木质素盐中的矿物 质元素包含磷、钾、钙、镁、硫、硅、铁、锌、锰、铜、硼、钼、氯、硒、 钠或者镍。

生物半焦有机全价肥料的制备方法，包括：

以木质纤维素类生物质、蛋白质类生物质和矿物质类固废为基础组分 原料，经变压粉碎、沸腾水解、结构有机功能化重整生产基础组分；

以中药渣、木炭、黑土菌剂为功能组分原料，经粉碎、复配生产功能 组分；

利用基础组分和功能组分复配生产生物半焦有机全价肥料。

优选的，基础组分的成分包括：25～65wt％的低聚纤维素呋喃醚，10～ 55wt％的低聚木质素盐，3～7wt％多肽，15～40wt％的水。

优选的，变压粉碎过程包括：经机械粉碎后的木质纤维素类生物质、 蛋白质类生物质和矿物质类固废置入变压反应器，通入过热蒸汽，蒸汽温 度为240～280℃，压力为2.4～3.1MPa，时间0.5～5分钟，打开阀门，物 料爆入沸腾水解反应器。

优选的，沸腾水解过程在沸腾水解反应器中进行，温度为160～220℃， 压力为1.4～1.6MPa，时间5～30分钟，反应将木质纤维类生物质中的半纤 维素转化为糠醛，纤维素转化为低聚纤维素，木质素转化为低聚木质素， 将蛋白质类生物质中的蛋白质转化为组织蛋白；沸腾水解后物料的成分包 括：5～36wt％糠醛，15～65wt％的低聚纤维素，10～55wt％的低聚木质 素，3～7wt％组织蛋白，15～60wt％水。

优选的，将沸腾水解后的物料送入结构有机功能化重整反应器进行结 构有机功能化重整，温度为140～180℃，压力为1.1～1.5MPa，时间2～10 分钟，反应将糠醛和低聚纤维素醚化转化为低聚纤维素呋喃醚，低聚木质 素与矿物质固废转化为低聚木质素盐，组织蛋白转化为多肽，制成基础组 分。

优选的，原料组成的成分包括：3～25wt％矿物质类固废，60～92wt％ 木质纤维素类，5～15wt％蛋白质类生物质，原料含水率为25～40wt％。

本发明技术效果包括：

本发明以农林剩余物等木质纤维素类生物质、蛋白质类生物质和矿物 质类固废为原料，采用变压粉碎、沸腾水解、结构有机功能化重整工艺制 备超微粉状基础组分，以中药渣、木炭、黑土菌剂为原料制备粉状功能组 分；将基础组分和功能组分经复配工艺制备生物有机全价肥。这种肥料具 有生物活性半焦结构，既可提供作物生长需要的大分子有机化的大量、中 量、微量元素和黑土菌剂，又营造了适合微生物生存、能使空气进入土壤 空隙的环境，营造出植物全价营养状态。

本发明利用农林剩余物等木质纤维素类生物质、蛋白质类生物质和粉 煤灰等矿物质类固废为原料作为生物半焦有机全价肥料的起始原料，农林 剩余物和矿物质类固废，具有原料廉价易得，过程简捷、绿色环保、转化 效率高、资源节约和高效利用，产品性能优异、成本低、负碳等特点，适 合大规模工业化生产。

(1)生物半焦有机全价肥料可直接替代现有农家肥、化肥、微生物有 机肥、生物有机肥、有机碳肥、复合肥、缓释肥等产品，产品性能优异， 可显著地改良或增加土壤肥力，整治土壤板结、土壤劣化，促进植物生长。

(2)原料为木质纤维素类与蛋白质类生物质(城市园林绿化剩余物、 农林剩余物、资源作物等)和矿物质类固废(粉煤灰、煤矸石、碱矿渣等)， 原料廉价易得，多为废弃资源，属废物利用。

(3)采用变压粉碎-沸腾水解工艺将半纤维素、纤维素、木质素、蛋白 质分别转化为糠醛、低聚纤维素、低聚木质素和组织蛋白，实现木质纤维 素类与蛋白质类生物质资源全组分利用，转化效率高。

(4)利用结构有机功能化重整工艺生产基础组分，投资少，效率高， 具有过程简捷、工艺简单高效等特点，实现矿物质有机化、粉煤灰和煤矸 石等固废资源化再利用，节能减碳，适合快速布置工业化生产。

具体实施方式

以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员 能够实践和再现。

生物半焦有机全价肥料的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：以木质纤维素类生物质、蛋白质类生物质和矿物质类固废为原 料，原料经变压粉碎、沸腾水解、结构有机功能化重整生产基础组分；

木质纤维素类生物质选用城市园林绿化剩余物、农林剩余物、资源作 物等，蛋白质类生物质选用含蛋白质的树叶、草叶、植物种子等，矿物质 类固废选用煤矸石、粉煤灰、碱矿渣等。

基础组分的成分包括：3～25wt％矿物质类固废，60～92wt％木质纤维 素类，5～15wt％蛋白质类生物质。原料含水率为25～40wt％。

变压粉碎在变压反应器中进行，过程包括：经机械粉碎后的木质纤维 素类与蛋白质类生物质和矿物质类固废，置入变压反应器，通入过热蒸汽， 温度为240～280℃、压力为2.4～3.1MPa，时间0.5～5分钟，打开阀门， 物料爆入沸腾水解反应器。

沸腾水解过程在沸腾水解反应器中进行，包括：温度为160～220℃、 压力为1.4～1.6MPa，时间5～30分钟，反应将木质纤维类生物质原料中的 半纤维素转化为糠醛，纤维素转化为低聚纤维素，木质素转化为低聚木质 素；将蛋白质类生物质原料中的蛋白质转化为组织蛋白。

沸腾水解后物料的成分包括：5～36wt％糠醛，15～65wt％的低聚纤维 素，10～55wt％的低聚木质素，3～7wt％组织蛋白，15～60wt％的水。

将沸腾水解后的物料送入结构有机功能化重整反应器，结构有机功能 化重整过程包括：温度为140～180℃、压力为1.1～1.5MPa，时间2～10 分钟，反应将糠醛和低聚纤维素醚化转化为低聚纤维素呋喃醚，低聚木质 素和矿物质固废转化为低聚木质素盐，组织蛋白转化为多肽，制成基础组 分。

基础组分的成分包括：低聚纤维素呋喃醚、低聚木质素盐、多肽，其 中，25～65wt％的低聚纤维素呋喃醚，10～55wt％的低聚木质素盐，3～7 wt％多肽，15～40wt％的水。

步骤2：以中药渣、木炭、黑土菌剂为原料，经粉碎、复配生产功能组 分；

功能组分选用中药渣、木炭、黑土菌剂(粉剂)。

粉碎在机械式粉碎机中进行，过程包括：将中药渣和木炭分别放入粉 碎机中，时间3～5分钟，得到中药渣粉和木炭粉。

复配：时间5～10分钟，功能组分的成分包括：中药渣粉30～50wt％、 木炭粉30～50wt％、10～20wt％黑土菌剂。

步骤3：利用基础组分和功能组分复配生产生物半焦有机全价肥料。

复配：时间30～60分钟，生物半焦有机全价肥料的成分包括：85～95 wt％的基础组分，5～15wt％的功能组分。

生物半焦有机全价肥料中，有机质通过基础组分、功能组分来提供， 矿物质通过基础组分中的低聚木质素盐提供，土壤微生物通过功能组分中 的黑土菌剂提供，微生物生存环境通过基础组分的生物活性半焦结构提供。

实施例1：

(1)200kg玉米秸秆(含水率25wt％)粉碎至1cm以下，20kg银杏 叶粉碎成粉末，和10kg粉煤灰一起进行变压粉碎-沸腾水解-结构有机功能 化重整制取基础组分；

通入过热蒸汽进行变压粉碎，温度为245～250℃、压力为2.4～2.5 MPa，时间0.5分钟；物料爆破粉碎成纳米-微米级颗粒后，送入沸腾水解 装置进行沸腾水解，温度为180～190℃，压力为1.4～1.5MPa，时间10～ 15分钟，物料中的半纤维素转化为糠醛，纤维素转化为低聚纤维素，木质 素转化为低聚木质素，蛋白质转化为组织蛋白；物料送入结构有机功能化 重整装置进行结构有机功能化重整，温度为140～150℃、压力为1.1～

1.2MPa，时间2～3分钟，物料有机化成生成含水35～40wt％的基础组分。

(2)10kg中药渣、12kg木炭各自粉碎后，与3kg黑土菌剂复配制取 功能组分，粉碎时间3分钟、复配时间6分钟，其中含中药渣粉40wt％， 木炭粉48wt％，12wt％黑土菌剂。

(3)含水率25％的190kg基础组分和25kg功能组分送入共混搅拌装 置进行复配，时间30～45分钟，得到生物半焦有机全价肥料，其中含35.5 wt％的低聚纤维素呋喃醚，48.0wt％的低聚木质素盐，5.0wt％多肽，中药渣 粉4.6wt％，木炭粉5.5wt％，1.4wt％黑土菌剂。

实施例2：

(1)200kg毛竹(含水率20wt％)粉碎至1cm以下，20kg柿子叶粉 碎成粉末，和10kg煤矸石粉末进行变压粉碎-沸腾水解-结构有机功能化重 整制取基础组分；

通入过热蒸汽对物料进行变压粉碎，温度为260～270℃、压力为3.0～ 3.1MPa，时间2.5分钟；物料爆破粉碎成纳米-微米级颗粒后，送入沸腾水 解装置进行沸腾水解，温度为200～210℃，压力为1.5～1.6MPa，时间20～ 25分钟，物料中的半纤维素转化为糠醛，纤维素转化为低聚纤维素，木质 素转化为低聚木质素，蛋白质转化为组织蛋白；物料送入结构有机功能化 重整装置进行结构有机功能化重整，温度为140～150℃，压力为1.3～

1.4MPa，时间5～7分钟，物料有机化成生成含水36～38wt％的基础组分。

(2)15kg中药渣、8kg木炭各自粉碎后，与3kg黑土菌剂复配制取功 能组分，粉碎时间3.5分钟、复配时间7分钟，其中含中药渣粉57.7wt％， 木炭粉30.8wt％，11.5wt％黑土菌剂。

(3)含水率30％的195kg基础组分和26kg功能组分送入共混搅拌装 置进行复配，时间40～50分钟，得到生物半焦有机全价肥料，其中含28.5 wt％的低聚纤维素呋喃醚，55.0wt％的低聚木质素盐，4.9wt％多肽，中药渣 粉6.7wt％，木炭粉3.6wt％，1.3wt％黑土菌剂。

实施例3：

(1)200kg树木剪枝(含水率20wt％)粉碎至1cm以下，20kg黑麦 草粉碎成粉末，和12kg碱矿渣进行变压粉碎-沸腾水解-结构有机功能化重 整制取基础组分；

通入过热蒸汽进行变压粉碎，温度为240～245℃、压力为2.5～2.6 MPa，时间1分钟；物料爆破粉碎成纳米-微米级颗粒后，送入沸腾水解装 置进行沸腾水解，温度为190～200℃，压力为1.5～1.6MPa，时间20～25 分钟，物料中的半纤维素转化为糠醛，纤维素转化为低聚纤维素，木质素 转化为低聚木质素，蛋白质转化为组织蛋白；物料送入结构有机功能化重 整装置进行结构有机功能化重整，温度为140～150℃，压力为1.1～1.2MPa， 时间2～3分钟，物料有机化生成含水37～40％的基础组分。

(2)8kg中药渣、8kg木炭各自粉碎后，与4kg黑土菌剂复配制取功 能组分，粉碎时间4分钟、复配时间7分钟，其中含中药渣粉40wt％，木 炭粉40wt％，20wt％黑土菌剂。

(3)含水率28％的180kg基础组分和20kg功能组分送入共混搅拌装 置进行复配，时间40～50分钟，得到生物半焦有机全价肥料，其中含 25.0wt％的低聚纤维素呋喃醚，60.0wt％的低聚木质素盐，5.0wt％多肽，中 药渣粉4.0wt％，木炭粉4.0wt％，2.0wt％黑土菌剂。

实施例4：

(1)200kg园林绿化废弃枝条(含水率20wt％)粉碎至1cm以下，20kg 巨菌草粉碎成粉末，和10kg煤矸石粉末进行变压粉碎-沸腾水解-结构有机 功能化重整制取基础组分；

通入过热蒸汽，进行变压粉碎，温度为260～270℃、压力为2.7～2.8 MPa，时间2分钟；物料爆破粉碎成纳米-微米级颗粒后，送入沸腾水解装 置进行沸腾水解，温度为160～170℃，压力为1.4～1.5MPa，时间15～20 分钟，物料中的半纤维素转化为糠醛，纤维素转化为低聚纤维素，木质素 转化为低聚木质素，蛋白质转化为组织蛋白；物料送入结构有机功能化重 整装置进行结构有机功能化重整，温度为145～155℃，压力为1.2～1.3MPa， 时间3～5分钟，物料有机化生成含水35～37wt％的基础组分。

(2)10kg中药渣、10kg木炭各自粉碎后，与5kg黑土菌剂复配制取 功能组分，粉碎时间5分钟、复配时间8分钟，其中含中药渣粉40wt％， 木炭粉40wt％，20wt％黑土菌剂。

(3)含水率25％的185kg基础组分和25kg功能组分送入共混搅拌装 置进行复配，时间50～60分钟，得到生物半焦有机全价肥料，其中含33.2 wt％的低聚纤维素呋喃醚，50.0wt％的低聚木质素盐，5.1wt％多肽，中药渣 粉4.7wt％，木炭粉4.7wt％，2.3wt％黑土菌剂。

本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明 能够以多种形式具体实施而不脱离技术方案的精神或实质，所以应当理解， 上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和 范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型 都应为随附权利要求所涵盖。