粒状生物质炭基尿素肥料制备及其性能研究

蒋恩臣，张伟，秦丽元，王秋静，王明峰，罗立娜

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

粒状生物质炭基尿素肥料制备及其性能研究

蒋恩臣，张伟，秦丽元，王秋静，王明峰，罗立娜

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

利用沙柱间歇淋溶试验研究评价粒径、尿素和生物质炭质量比、高岭土添加量对肥料缓释性能及颗粒，承受最大破坏力影响规律。当高岭土添加量为10%，在尿素与炭比为1∶1～1∶5时，可获得80%以上的最大成型率，颗粒的最大破碎压缩力可达10 N以上。随着生物质炭含量增加和肥料颗粒粒径增大，颗粒缓释肥缓释性能提高，当颗粒粒径为5～6 mm，尿素与生物质炭质量比由1∶1变化至1∶5时，第1次淋溶其累积释放率由43.35%下降至15.64%，比纯尿素颗粒肥下降33%～60%，纯尿素颗粒肥养分到第2次淋溶已完全释放，而缓释肥的尿素的累积释放到第5次淋溶才基本完成。可见缓释肥的缓释性能可通过改变炭粉添加量调节以满足不同作物生长需求。通过对生物质炭基尿素肥料生产流程和经济性分析，说明生物质炭基尿素肥料生产工艺简单、运输方便、价格合理。

生物质炭；尿素；圆盘造粒；成型性；淋溶试验

随着南美亚马逊盆地黑土发现、研究和生物质能源技术和产业发展[1-2]，生物质炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂倍受关注[3-5]。生物质炭是生物质在无氧或低氧环境中热裂解产生的固态产物。生物质炭基缓释肥料作为新型肥料，能减缓肥料养分释放速度，提高农作物对肥料利用率，改善土壤生态，减少农业生产对环境污染[6]。作为缓释肥载体，生物质炭含植物所需营养元素，促进土壤养分循环和植物生长，生物质炭具有吸光增温、增加土壤孔隙度、降低土壤容重、改善土壤通气透水状况和提高土壤最大持水量等特点[7-9]。生物质炭具有较高生物学稳定性，可增强土壤固碳作用[10-11]。

本文采用高岭土为粘结剂，对粒状生物质炭基尿素肥料的成型特性及其影响因素进行研究，对其肥料缓释性能进行淋溶试验，并对粒状生物质炭基尿素肥料进行经济性分析，对缓释肥料应用具有指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料

尿素（大庆石化，总氮≥46.4%），水稻秸秆，高岭土（SiO273.07%，Al2O317.90%，Fe2O30.68%，CaO 0.17%，MgO 0.25%），无水乙醇（分析纯），对二甲氨基苯甲醛（分析纯），硫酸（分析纯）。

1.2 方法

1.2.1 生物质炭的制备

将采集的水稻秸秆烘干，粉碎后应用自制变螺旋生物质连续热解装置[12]，在热解温度为400℃、时间为10 min条件下，对水稻秸秆粉末进行热解获得生物质炭，应用元素分析仪（EURO，EA3000）对生物质炭进行元素分析和工业分析结果为：水分5.32%，挥发分14.45%，固定碳58.46%，灰分27.09%；氢1.301%，碳56.937%，氧14.047%，氮0.991%，硫0.153%。

1.2.2 生物质炭基尿素肥料制备

将生物质炭和尿素分别经粉碎机（浙江春海，DG200C）粉碎后过40目标准金属筛，称取一定量生物质炭、尿素与高岭土混合后置于圆盘造粒机（河南一诚，ZL05）中，启动造粒机，将转盘转速调至30 r·min-1，转盘倾角为45°，待物料充分混匀后，用喷雾器将蒸馏水喷入造粒，待成型后将制备的粒状生物质炭基尿素肥料从圆盘造粒机中取出，置于电热鼓风干燥箱（上海四瑞，DHG-9620A）中，在40℃下烘干至恒重。

1.2.3 成型率和最大破碎压缩力测定

将烘干后的成型缓释肥通过分径筛（1～6 mm孔径金属筛）分级，用下列公式计算成型率。

式中，W1-物料的总质量；W2-大于1 mm和小于6 mm的成型缓释肥质量。

将万能试验机（济南试验机厂，WDW-5）量程调至50 N，速度2 mm·min-1，记录成型缓释肥的最大破碎压缩力值。每个处理重复10次，计算其平均值。

1.2.4 沙柱间歇淋溶试验

参考缓释肥缓释特性检测标准GB/T23348-2009，取内径为4 cm、高为30 cm的PVC管，管底端以双层100目纱布封口，每支PVC管装入20 cm过40目标准筛的石英砂，用蒸馏水进行淋洗，待溶液清晰透明后，加入5 g炭基肥料，上面覆盖5 cm厚度石英砂，开始模拟淋溶试验。每隔24 h模拟天然降雨缓慢加入100 mL蒸馏水，下方用250 mL锥形瓶收集淋出液，用对二甲氨基苯甲醛显色分光光度法测定淋出液中尿素含量[13]。每个处理重复3次。分光光度法检测的具体操作如下：用量筒量取淋出液体积，应用紫外-可见分光光度计（上海惠普，6010型）测得淋出液浓度，用公式（2）计算淋出液中尿素的质量含量。

式中，V-淋出液体积；c-淋出液浓度。

淋出液中尿素的质量含量除以总的尿素淋溶量，即为尿素单次释放率，单次淋出率累加即为尿素累积释放率。

2 结果与分析

2.1 成型性与影响因素

2.1.1 炭粉与水添加量的影响分析

高岭土添加量为10%时，对水添加量分别为10%、15%、20%、25%、30%，尿素和生物质炭质量比分别为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的混合物料在圆盘造粒机中进行造粒，烘干至恒重测定其成型率，结果见图1a。

由图1a可知，当尿素与炭质量比一定时，肥料成型率随水添加量增加先升高后降低。随着炭含量增大，肥料成型率最大值逐渐降低，最大成型率值时所需水量逐渐增大。这是由于在团聚造粒过程中，高岭土粉与水分子混合产生粘性，尿素颗粒表面水分子具有表面张力，在圆盘造粒机滚动作用下，由于粘结剂粘性及尿素颗粒表面水分子表面张力作用，使炭粉粘附在尿素颗粒周围形成园粒状缓释肥。成型过程所需的水添加量与炭粉总孔隙度大小有关，由于生物质炭具有较大孔隙度和比表面积，当添加量高时，物料总孔隙度增大，所需水添加量也逐渐增大；当生物质炭含量低时，物料的总孔隙度变小，圆盘造粒所需水添加量也随之变少。在一定尿素炭质量比条件下，水添加量过多，易产生过度粒化，形成大粒，水添加量过少则不利颗粒形成，成型率低，返料率高[14]。在选定因素范围内，尿素和生物质炭质量比为1∶1、水添加量15%，生物质炭基尿素肥料成型率最高。图1a表明，在尿素与炭质量比分别为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4和1∶5时，选择合理水分添加量，可分别获得93.71%、90.79%、88.41%、85.37%、82.65%最大成型率。

选取粒径为5～6 mm成型颗粒肥料进行最大破碎压缩力测试，结果见图1b。图1b表明，在各生物质炭含量条件下，随着水添加量增加，肥料颗粒承载最大压缩力值先略有升高，当水添加量为15%～20%时最大破碎压缩力达到最大，随着水添加量增加，最大破碎压缩力值基本保持不变。图1b表明，随着炭粉比例增加，成型缓释肥颗粒承载的最大压缩力值不断下降，在各个水添加量水平条件下，当尿素与炭质量比为1∶1时成型颗粒肥料的最大破碎压缩力曲线均为最高值。

图1 不同水添加量与尿素炭质量比对成型率和最大破碎压缩力的影响Fig.1 Effect of different amount of water and mass ratio of biochar to urea on the moldability rate and maximum compression force

2.1.2 高岭土添加量影响分析

确定尿素与生物质炭质量比为1∶1、水添加量为15%不变，高岭土添加量分别为5%、10%、15%，在圆盘造粒机进行造粒成型，烘干至恒重后测定其成型率和最大破碎压缩力，结果见表1。

由表1可知，高岭土添加量为5%的肥料成型率最低，为85.56%，最大破碎压缩力值为9.31 N，高岭土添加量为10%和15%时，成型率达到92%以上，最大破碎压缩力分别达到15.24 N和17.73 N。可见从成型率和抗破坏能力上看，10%和15%高岭土添加量对肥料成型性能无影响，考虑到过多的高岭土添加量会使肥料有效成分相对减少和粘结剂的浪费，确定高岭土添加量为10%。

表1 高岭土添加量对成型率和最大破碎压缩力的影响Table 1 Effect of different amount of kaolin on the moldability rate and maximum compression force

2.2 缓释性能及其影响因素

2.2.1 炭粉添加量影响

确定颗粒粒径为5～6 mm、高岭土添加量为10%，对尿素与生物质炭质量比分别为1∶0、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的成型颗粒肥料样品进行淋溶试验，结果见图2。由图2可知，加入生物质炭的缓释成型肥其养分累计缓释率显著降低，肥料缓释性能显著提高，随炭含量提高，累积缓释率相应降低。第1次淋溶结束时，纯尿素肥料累积释放率为76.49%，而尿素与炭质量比为1∶1缓释肥累积释放率降为43.35%，降低33%，尿素与炭比1∶5缓释肥的累积释放率仅为15.64%，降低60%；第2次淋溶结束时，纯尿素颗粒肥累积释放率达到99.84%，养分基本完全释放，而尿素与炭比为1∶5缓释肥第2次淋溶试验结束时肥料累积释放率仅为37.06%，降低63%，至第5次试验结束时肥料累积释放率为95.31%，第6次时为99.94%，养分接近完全释放。可见随着炭含量增加，缓释肥缓释性能也相应提高。造成这种现象的原因是通过水分溶解、机械搅拌及生物质炭的吸附作用，部分尿素分子进入到生物质炭中孔和微孔中，中孔和微孔因其孔径较小，产生毛细作用，对尿素分子具有强烈吸附性，因此对尿素起缓释作用。

图2 不同尿素与生物质炭质量比对尿素累积释放率的影响Fig.2 Effect of different mass ratio of biochar to urea on accumulated releasing rate of eluviation

2.2.2 颗粒粒径影响分析

确定尿素与生物质炭质量比为1∶5、高岭土添加量为10%，对粒径分别为1～2、2～3、3～4、4～5、5～6 mm的成型颗粒肥料样品进行淋溶试验，结果见图3。

图3 不同颗粒粒径对尿素累积释放率的影响Fig.3 Effect of different particle size on accumulated releasing rate of eluviation

由图3可知，随着粒径增加，缓释肥养分累积缓释率降低，肥料缓释性能提高。第1次淋溶结束时，粒径为1～2 mm肥料尿素累积释放率为68.86%，而粒径为5～6 mm肥料尿素累积释放率仅为15.65%，至第3次淋溶试验结束时，粒径为1～2 mm的肥料尿素累积释放率达到99.46%，养分基本完全释放，而5～6 mm的粒径肥料的尿素累计释放率仅为34.62%，至第6次试验结束时尿素累积释放率达到99.64%，接近完全释放。可见粒径对缓释肥的缓释性能有明显影响，随着颗粒粒径增大，肥料缓释性能提高，尿素完全溶出所需淋溶次数增多。造成这种现象原因是颗粒内部养分在向颗粒表面迁移过程中受到阻力，由于肥料颗粒本身致密性，肥料颗粒粒径越大，养分由内部向外迁移所经过路径越长，遇到的阻力越大，所需时间越长。

2.2.3 高岭土添加量影响分析

选取成型肥料颗粒粒径为5～6 mm，尿素与生物质炭质量比为1∶5时，对高岭土添加量分别为5%、10%、15%样品进行淋溶试验，结果见图4。

图4 不同高岭土添加量对尿素累积释放率的影响Fig.4 Effect of different amount of kaolin on accumulated releasing rate of eluviation

由图4可知，高岭土添加量对缓释肥缓释性能有一定影响，随着高岭土比例增加，缓释性能提高，肥料在第1次淋溶试验结束时，5%高岭土添加量缓释肥尿素累积释放率为29.59%，而10%高岭土添加量的尿素累积释放率降为15.64%，降低14%。在随后两次淋溶试验结束后，上述两个组分肥料的养分累计释放率几乎保持同步增长趋势，后者养分释放加快，到第5次试验结束时，两个组分的养分基本同时完全释放。15%高岭土颗粒肥的尿素累积释放率略高于10%高岭土，但差距不显著。

图5 生物质炭基尿素肥料生产流程Fig.5 Production process of biochar-based urea fertilizer

造成上述现象的原因可能是高岭土添加量越高，肥料颗粒本身的致密性越高，颗粒内部养分在向颗粒表面迁移过程中受到阻力也越大，所需时间越长；还有另一种原因可能是由于高岭土本身也具有一定吸附性所致。但过多的高岭土添加量会使尿素和生物质炭含量相对减少，使肥料中养分和有效成分降低。由于10%与15%高岭土添加量肥料的缓释性能相差不大，所以高岭土添加量应选择10%。

2.3 经济性分析

生物质炭基肥料生产线可以依托秸秆气化站、秸秆发电厂、生活垃圾气化站、垃圾发电站等。能将生物质热解的副产物生物质炭继续有效利用，完善生物质处理技术，又能通过制备肥料施回农田，使整个生物质利用过程形成循环。制备生物质炭基肥料可为生物质能产业提供新附加值，加工销售流程如图5所示。

将生物质炭与尿素粉碎，通过圆盘造粒成型，将制备的肥料分装销售，其生产流程简单，成本低，适合推广。应用圆盘造粒机生产的肥料颗粒均匀，圆盘造粒机还具有良好的自动分级能力，能控制溶液使其喷洒在细颗粒上，成粒效率高，生成大颗粒较小，返料比小；全部操作直观，容易控制，对配方灵活改变的适应性强；生产各种产品有较大灵活性，粒度控制范围较宽；结构简单，设备投资和操作费用较低。将粉末状的生物质炭通过圆盘造粒变为粒状的生物质炭基肥料，使生物质炭基肥料运输、储藏和施用方便。

3 结论

a.研究表明，随着水添加量增加，成型率先升高后降低，最大破碎压缩力值则先升高后基本保持不变；成型率及破碎压缩力值均随着高岭土添加量增加而增加；成型率及破碎压缩力值均随着炭粉增加而降低。当高岭土添加量为10%，选择合理水分添加量，尿素与炭比为1∶1～1∶5变化范围内，可获得80%以上的最大成型率，颗粒的最大破碎压缩力可达10 N以上，满足运输和贮存需求。

b.本试验研究结果表明，与纯颗粒尿素相比，生物质炭基尿素缓释肥的缓释性能有显著提高，随着生物质炭含量增加和肥料颗粒粒径增大，缓释性能显著提高。在水添加量为15%、高岭土添加量为10%、颗粒粒径为5～6 mm条件下，当尿素与生物质炭质量比由1∶1变化至1∶5时，第1次淋溶其累积释放率由43.35%下降至15.64%，相对于纯尿素颗粒肥的下降33%～60%。

c.通过对生物质炭基尿素肥料生产流程和经济性分析，说明生物质炭基尿素肥料生产工艺简单，生物质炭基肥料便于运输、储藏和施用。

[1]崔胜先,董仁杰.农作物秸秆能源产品结构优化[J].东北农业大学学报,2011,42(11):63-69.

[2]王明峰,蒋恩臣,张强,等.稻壳热解模型建立与应用[J].农业工程学报,2011,27(增2):114-118.

[3]Shrestha G,Traina S J,Swanston C W.Black carbon′s properties and role in the environment:A comprehensive review[J].Sustain⁃ability,2010(2):294-320.

[4]杨敏,刘玉学,孙雪,等.生物质炭提高稻田甲烷氧化活性[J].农业工程学报,2013,29(17):145-151.

[5]蒋晨,麻培侠,胡保国,等.生物质炭还田对稻田甲烷的减排效果[J].农业工程学报,2013,29(15):184-191.

[6]刘玉学,刘微,吴伟祥,等.土壤生物质炭环境行为与环境效应[J].应用生态学报,2009,20(4):977-982.

[7]Laird D A.The charcoal vision:A win-win-win scenario for si⁃multaneously producing bioenergy,permanently sequestering car⁃bon,while improving soil and water quality[J].Agronomy Journal, 2008,100(1):178-181.

[8]Marris E.Black is the new green[J].Nature,2006,442:624-626.

[9]何绪生,耿增超,佘雕,等.生物炭生产与农用的意义及国内外动态[J].农业工程学报,2011,27(2):1-7.

[10]王典,张祥,姜存仓,等.生物质炭改良土壤及对作物效应的研究进展[J].中国生态农业学报,2012,20(8):963-967.

[11]何绪生,张树清,佘雕,等.生物炭对土壤肥料的作用及未来研究[J].中国农学通报,2011,27(15):16-23.

[12]蒋恩臣,苏旭林,王明峰.生物质连续热解反应装置的变螺距螺旋输送器设计[J].农业机械学报,2013,44(2):121-124.

[13]苗晓杰,蒋恩臣,王佳,等.对二甲氨基苯甲醛显色分光光度法检测水溶液中常微量尿素[J].东北农业大学学报,2011,42(8):87-91.

[14]王正银.肥料研制与加工[M].北京:中国农业大学出版社,2011: 161-164.

Study on preparation of granular biochar-based urea and property

JIANG Enchen,ZHANG Wei,QIN Liyuan,WANG Qiujing,WANG Mingfeng,LUO Lina
(School of Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

The method of intermittent leaching through the sand column was taken to evaluate the slow-release ability of the fertilizer.The study investigated the influence of the mass ratio of urea to biochar, particle size,and the kaolin addition on evaluate the slow-release ability.The forming rate was more than 80%and maximum compression force was more than 10 N under the condition of the 10%kaolin addition, appropriate water addition,and mass ratio of urea to biochar from 1:1 to 1:5.The slow-release ability was enhanced with the increase of particle size.The accumulated releasing rate of the pure urea was 43.35% and 15.64%at the mass ratio of urea to biochar 1:1 and 1:5,respectively.The accumulated releasing rate reduced 33%-60%.Pure urea released completely at the second time and the biochar-based urea fertilizer release completely at the fifth time.The ability of slow-release properties was catered to different needs of the crop growth by the different amounts of biochar.Through biochar-base urea fertilizer production process and economic analysis,biochar-base urea fertilizer production had simple process,convenient transportation and reasonable price.

biochar;urea;pan granulation;moldability;leaching test

S216

A

1005-9369（2014）11-0089-06

2014-02-23

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12531002）

蒋恩臣（1961-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为生物质能源化利用研究。E-mail:ecjiang@sina.com

时间2014-11-21 16:34:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141121.1634.005.html

蒋恩臣,张伟,秦丽元,等.粒状生物质炭基尿素肥料制备及其性能研究[J].东北农业大学学报,2014,45(11):89-94.

Jiang Enchen,Zhang Wei,Qin Liyuan,et al.Study on preparation of granular biochar-based urea and property[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(11):89-94.(in Chinese with English abstract)