農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭技術(shù)規(guī)程-編制說明

1、 農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭技術(shù)規(guī)程山東省地方標(biāo)準(zhǔn)編制說明一、工作簡況（一）任務(wù)來源根據(jù)山東省市場監(jiān)督管理局山東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳關(guān)于下達(dá)2019 年度農(nóng)業(yè)領(lǐng)域地方標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃的通知（魯市監(jiān)標(biāo)字2019373 號）任務(wù)要求，農(nóng)作物秸稈生態(tài)循環(huán)利用技術(shù)規(guī)范列入2019年山東省地方標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃（第361項(xiàng)）。本標(biāo)準(zhǔn)由山東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳提出并組織實(shí)施，由山東省農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會三產(chǎn)融合標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會歸口。（二）起草單位、主要起草人及任務(wù)分工1. 起草單位山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所、山東環(huán)霸環(huán)保節(jié)能設(shè)備技術(shù)有限公司。2、主要起草人田慎重、姚利、張玉鳳、邊文范、趙自超、秦永霞、董亮、宮志遠(yuǎn)。3. 任務(wù)分

2、工山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所主要負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)需求調(diào)研、標(biāo)準(zhǔn)文本內(nèi)容編寫及進(jìn)度把控、標(biāo)準(zhǔn)編制說明的起草修改、征求意見的匯總、歸納和處理等事項(xiàng)。山東環(huán)霸環(huán)保節(jié)能設(shè)備技術(shù)有限公司協(xié)助征集相關(guān)方面的意見，協(xié)助征求意見的歸納和處理。其中，田慎重為本標(biāo)準(zhǔn)起草負(fù)責(zé)人，全面組織標(biāo)準(zhǔn)起草工作，制定標(biāo)準(zhǔn)起草大綱及主要內(nèi)容，統(tǒng)籌起草小組工作，組織標(biāo)準(zhǔn)審查、報(bào)批等工作。姚利、張玉鳳、邊文范組織實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)制定方案，參與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的撰寫，調(diào)度起草組成員推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)制定程序和進(jìn)度，組織協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)制定所需資源。趙自超、秦永霞、董亮、宮志遠(yuǎn)組織起草組人員進(jìn)行調(diào)研、收集素材，提供標(biāo)準(zhǔn)編寫所需的資料、素材，參與標(biāo)準(zhǔn)編寫，協(xié)助

3、征求意見等。（三）起草過程標(biāo)準(zhǔn)的起草工作共分為四個階段：第一階段是成立工作組和完成標(biāo)準(zhǔn)草稿編寫。標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃下達(dá)后，為確保標(biāo)準(zhǔn)編制工作的順利開展，2019年9月，由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所等單位聯(lián)合成立標(biāo)準(zhǔn)起草小組，建立了良好的溝通、協(xié)調(diào)機(jī)制，討論通過了第一階段工作流程、項(xiàng)目承擔(dān)單位分工和進(jìn)度，正式啟動標(biāo)準(zhǔn)制定工作。根據(jù)前期在實(shí)驗(yàn)室預(yù)制、田間應(yīng)用試驗(yàn)、文獻(xiàn)參考、產(chǎn)業(yè)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了匯總和集成，歸納技術(shù)要點(diǎn)，凝練了農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭技術(shù)參數(shù)、設(shè)備要求、技術(shù)工藝、副產(chǎn)物處置、檢測方法等，期間多次到我省多家生物炭生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，搜集生產(chǎn)一線的數(shù)據(jù)資料，為標(biāo)準(zhǔn)起草提供實(shí)踐

4、基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支撐，逐步形成農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物質(zhì)炭技術(shù)規(guī)程（草案）。第二階段為修改完善完成標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿。2020年1月起，通過對生物炭制備原料、技術(shù)方法與設(shè)備要求、產(chǎn)品屬性及市場調(diào)研，對不同原料的生物炭制備技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，對標(biāo)準(zhǔn)草案內(nèi)容進(jìn)行了進(jìn)一步的修改完善，形成了農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物質(zhì)炭技術(shù)規(guī)程（征求意見稿）。第三階段為征求意見階段，召開專家研討會，形成預(yù)審稿并修改完善最終形成標(biāo)準(zhǔn)送審稿。按照地方標(biāo)準(zhǔn)制定的有關(guān)要求，起草小組向國家生物炭科技創(chuàng)新聯(lián)盟、山東大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院、齊魯工業(yè)大學(xué)、山東省科學(xué)院能源研究所、山東信科環(huán)境科學(xué)研究院有限公司、臨沂大學(xué)、山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院

5、濕地農(nóng)業(yè)與生態(tài)研究所、壽光市沃野化工有限責(zé)任公司、山東省花生研究所、華測檢測認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司、山東商道生物科技有限公司等31家相關(guān)管理部門、生產(chǎn)或應(yīng)用企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)的32位專家通過信函或電子郵件的形式發(fā)去征求意見稿，有30位專家提出修改意見建議，標(biāo)準(zhǔn)起草小組認(rèn)真匯總專家意見并根據(jù)意見對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改完善，詳細(xì)內(nèi)容見征求意見匯總處理表。根據(jù)專家建議，將標(biāo)準(zhǔn)中的“生物質(zhì)炭”統(tǒng)一修改為“生物炭”。第四階段為審查階段。2021年6月以來，標(biāo)準(zhǔn)起草組根據(jù)專家研討會的建議和意見進(jìn)行認(rèn)真修改完善，并按照山東省地方標(biāo)準(zhǔn)管理有關(guān)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)起草小組將完整的農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)送審材料上報(bào)，申請召開

6、專家審定會，并根據(jù)山東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳和山東省農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會三產(chǎn)融合分技術(shù)委員會的要求，不斷對標(biāo)準(zhǔn)送審材料進(jìn)行修改完善。經(jīng)山東省市場監(jiān)督管理局和山東省農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會同意，山東省農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會三產(chǎn)融合分技術(shù)委員會于2022年3月14日組織了標(biāo)準(zhǔn)專家審查會。來自組織山東省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站、山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心、山東省林業(yè)科學(xué)研究院、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司、山東省國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)審評中心等等單位共9名專家組成了審查委員會。審查委員會聽取了標(biāo)準(zhǔn)編制情況匯報(bào)，對標(biāo)準(zhǔn)文本進(jìn)行了逐章、逐條審查，對標(biāo)準(zhǔn)編制說明等進(jìn)行了審查。審查委員會對提交審查會的標(biāo)準(zhǔn)材料進(jìn)行審查，專

7、家提出了標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容、格式等方面的意見，同時一致同意該標(biāo)準(zhǔn)通過審查。會議要求起草單位根據(jù)審查意見對標(biāo)準(zhǔn)文本等進(jìn)行修改完善后，盡快形成報(bào)批材料后上報(bào)省市場監(jiān)督管理局。二、標(biāo)準(zhǔn)制定目的和意義；山東省是農(nóng)業(yè)大省，每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈約8000多萬噸，菌渣、果枝、棉桿、花生殼等廢棄物約2000萬噸以上。由于廢棄物產(chǎn)生集中、量大面廣，且廢棄物資源化利用途徑單一、循環(huán)利用率不高且技術(shù)缺乏等原因，造成我省農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用模式較少、綜合效益較低，并且極易造成環(huán)境影響加劇。將廢棄的農(nóng)作物秸稈、菌渣、果枝等有機(jī)廢棄物通過高溫裂解進(jìn)行生物質(zhì)炭轉(zhuǎn)化是廢棄物生態(tài)循環(huán)利用的重要一環(huán)，也為我省大量難處理廢棄物有效利用的一條

8、新途徑。另一方面，我省糧食、食用菌、果樹種植面積大，其持續(xù)的高產(chǎn)高效生產(chǎn)對保障我國糧食安全具有重要意義。但我省目前耕地質(zhì)量參差不齊，基本農(nóng)田土壤肥力下降、設(shè)施菜地土壤板結(jié)、濱海農(nóng)田次生鹽漬化、果園土壤酸化等一系列土壤健康問題已嚴(yán)重影響我省糧食、蔬菜、果品生產(chǎn)，亟需進(jìn)行多因子障礙土壤改良修復(fù)與培肥。生物炭直接還田及利用生物炭作為載體生產(chǎn)的炭基肥料是一種有效改善土壤板結(jié)、鹽堿、酸化等問題的方法之一，也是農(nóng)業(yè)土壤減排固碳的重要技術(shù)手段。目前我省已有部分地區(qū)利用生物炭及炭基肥料來改良土壤鹽堿、設(shè)施菜地板結(jié)及果園土壤酸化等問題，且市場上已有以生物炭為載體的炭基肥料產(chǎn)品，生物炭產(chǎn)業(yè)正迅速發(fā)展。但利用農(nóng)業(yè)廢

9、棄物制備生物炭的原料要求、技術(shù)工藝、設(shè)備要求、產(chǎn)品質(zhì)量等目前并無標(biāo)準(zhǔn)可依，將會制約生物炭產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展和生物炭產(chǎn)品的安全利用。隨著生物炭及炭基肥料產(chǎn)品的逐漸普及應(yīng)用，亟需制定農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)、規(guī)范引導(dǎo)我省農(nóng)業(yè)廢棄物資源就地進(jìn)行生物炭生產(chǎn)及農(nóng)用生物炭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)的制定有利于規(guī)范我省主要農(nóng)作物秸稈、菌渣、花生殼、果枝等廢棄物產(chǎn)生區(qū)域就地就近制備生物炭技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用，保障生物炭在耕地改良、肥料生產(chǎn)等方面的安全利用，對解決我省部分地區(qū)廢棄秸稈、菌渣、果枝等資源的循環(huán)利用、改良土壤、培肥地力具有重要意義。三、標(biāo)準(zhǔn)編制原則、主要技術(shù)內(nèi)容和確定依據(jù)（一）標(biāo)準(zhǔn)編制原則本標(biāo)準(zhǔn)按照GB

10、/T 1.1-2020標(biāo)準(zhǔn)化工作到則 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則的規(guī)定起草。在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中遵循了先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、適用性、可復(fù)制性原則。本標(biāo)準(zhǔn)的編制是在國家、我省關(guān)于加快推進(jìn)廢棄物資源化利用、提高秸稈綜合利用率、拓寬秸稈綜合利用途徑、推進(jìn)鄉(xiāng)村振興實(shí)施等相關(guān)政策文件要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合我省生物炭產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的實(shí)際情況，以適用性、可復(fù)制性、可操作性、適度引領(lǐng)性等為原則，綜合考慮農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭的技術(shù)特點(diǎn)和潛在技術(shù)需求，同時充分聽取各方意見的基礎(chǔ)上形成的。在標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，起草組主要把握了以下方面。在標(biāo)準(zhǔn)制定的指導(dǎo)思想方面，本標(biāo)準(zhǔn)的制定是以推動和規(guī)范我省生物炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展為導(dǎo)向，更好地規(guī)范農(nóng)

11、業(yè)廢棄物制備生物炭和關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn)，凝練總結(jié)農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭技術(shù)參數(shù)、副產(chǎn)物利用、環(huán)境要求、生物炭檢測方法等，進(jìn)一步助力我省以農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)生物炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容方面，重點(diǎn)圍繞農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭的術(shù)語和定義、設(shè)備選擇、技術(shù)工藝、主要副產(chǎn)物處置和利用、環(huán)境要求、生物炭檢測方法等關(guān)鍵內(nèi)容，為農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)生物炭提供技術(shù)參考。（二）標(biāo)準(zhǔn)編制依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)編制依據(jù)國家、我省現(xiàn)行的與秸稈綜合利用、廢棄物資源化、農(nóng)業(yè)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)等相關(guān)的法律法規(guī)、政策文件及相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)和資料。（1）中華人民共和國鄉(xiāng)村振興促進(jìn)法（2）全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（20152030年）（3）“十四五”全國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（4）

12、秸稈綜合利用技術(shù)目錄（2021）（5）農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)導(dǎo)則（20182030年）（6）種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)示范工程建設(shè)規(guī)劃（20172020年）（7）農(nóng)業(yè)部辦公廳關(guān)于推介發(fā)布秸稈農(nóng)用十大模式的通知（8）山東省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃(2016-2020)（9）山東省推進(jìn)農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展五年行動方案（10）印發(fā)山東省打好農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)作戰(zhàn)方案（20182020年）（11）山東省加快推進(jìn)秸稈綜合利用實(shí)施方案（2016-2020年）（12）山東省現(xiàn)代生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)建設(shè)“十三五”規(guī)劃等。（13）參考的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T1.1-2020標(biāo)準(zhǔn)化工作細(xì)則、GB 3095 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 12801

13、 生產(chǎn)過程安全衛(wèi)生要求總則、GB 15577 粉塵防爆安全規(guī)程、GB/T 23349 肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞生態(tài)指標(biāo)、GB/T 30728 固體生物質(zhì)燃料氮的測定方法、NY/T 3618 生物炭基有機(jī)肥、NY/T 3672 生物炭檢測方法通則等標(biāo)準(zhǔn)。（三）主要技術(shù)內(nèi)容1. 規(guī)范性引用文件主要從兩個層面考慮，一個層面是吻合國家、行業(yè)現(xiàn)有農(nóng)作物秸稈循環(huán)利用方面的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用現(xiàn)有國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)；另一個層面是充分結(jié)合山東省現(xiàn)有地方標(biāo)準(zhǔn)的要求，與山東省地方特色保持一致。基于以上兩個層面和標(biāo)準(zhǔn)文本中涉及的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，列出了該標(biāo)準(zhǔn)引用的主要標(biāo)準(zhǔn)：GB 3095 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、GB/

14、T 7702.16 煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法 pH值的測定、GB/T 12801 生產(chǎn)過程安全衛(wèi)生要求總則、GB 13271 鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、GB 15577 粉塵防爆安全規(guī)程、GB/T 23349 肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞生態(tài)指標(biāo)、GB/T 30728 固體生物質(zhì)燃料氮的測定方法、NY/T 1881.2生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法 第2部分：全水分、NY/T 3672 生物炭檢測方法通則。2. 術(shù)語和定義明確的術(shù)語和定義，是標(biāo)準(zhǔn)使用者準(zhǔn)確理解和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)的前提條件。標(biāo)準(zhǔn)首先對涉及的相關(guān)術(shù)語進(jìn)行定義，明確了農(nóng)業(yè)廢棄物的定義及在本標(biāo)準(zhǔn)中的范圍，參照文獻(xiàn)、同行表述等明確了生物炭、熱裂解的定義。1

15、）農(nóng)業(yè)廢棄物的定義為：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物料，主要包括農(nóng)作物秸稈、菌渣、果枝、棉桿、花生殼等。2）生物炭的定義為：在無氧或缺氧條件下將廢棄農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、果枝、木材廢料等在相對較低的溫度下(一般低于700)，通過熱解的方式得到的一種含碳率高、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、理化性質(zhì)穩(wěn)定、可溶性低、熔沸點(diǎn)高、吸附和抗氧化能力強(qiáng)的炭質(zhì)材料。3）熱裂解：在無氧或微氧條件下，生物質(zhì)等原料經(jīng)過高溫處理產(chǎn)生熱分解，形成固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)的過程。3. 設(shè)備要求本部分明確了大量農(nóng)業(yè)廢棄物原料制備生物炭的熱解炭化設(shè)備要求及設(shè)備運(yùn)行管理要求。4. 技術(shù)工藝在項(xiàng)目組前期大量田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過文獻(xiàn)參考、產(chǎn)業(yè)調(diào)

16、研等形式，進(jìn)一步明確了農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭技術(shù)工藝，包括工藝流程、原料選擇、原料預(yù)處理、熱解炭化、生物炭卸出等方面。5. 主要副產(chǎn)物處置和利用本章明確了農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭過程中液態(tài)副產(chǎn)物和氣態(tài)副產(chǎn)物的收集、處置要求及環(huán)境要求，同時明確了利用液態(tài)副產(chǎn)物和氣態(tài)副產(chǎn)物的循環(huán)利用途徑，提高副產(chǎn)物的回收利用率。6. 環(huán)境要求本章規(guī)定了在農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭的生產(chǎn)場所、過程、副產(chǎn)物處置等環(huán)節(jié)無違反我國環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域相關(guān)法律法規(guī)，并明確了熱解炭化過程中除塵裝置、生產(chǎn)場所環(huán)境空氣要求等。7. 生物炭檢測方法本部分根據(jù)不同農(nóng)業(yè)廢棄物原料特性及炭化過程，明確了以肥料化為目的的生物炭產(chǎn)品產(chǎn)炭率及檢測方法等。四、主要

17、試驗(yàn)(或驗(yàn)證)的分析、綜述報(bào)告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果本標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容是在項(xiàng)目組前期研究結(jié)果、文獻(xiàn)參考、產(chǎn)業(yè)調(diào)研等基礎(chǔ)上，總結(jié)凝練出農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭技術(shù)參數(shù)、副產(chǎn)物處理、生物炭檢測等技術(shù)內(nèi)容，與本標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)內(nèi)容相關(guān)的試驗(yàn)、技術(shù)成果、預(yù)期效果等如下：1、不同農(nóng)業(yè)廢棄物原料特性分析及生物炭應(yīng)用潛力隨著糧食需求快速增長，化肥和農(nóng)藥高投入的集約化農(nóng)業(yè)在促進(jìn)糧食生產(chǎn)的同時，往往導(dǎo)致土壤退化，影響作物生長和品質(zhì)健康。與此同時，農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生量與日俱增，其資源化處理及農(nóng)田循環(huán)應(yīng)用是解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)環(huán)境問題和提高土壤肥力的矛盾問題。以農(nóng)作物秸稈為例， 2018年我國秸稈資源量為9.40億噸，可收集

18、資源量約為8.46億噸，其中大部分為小麥、玉米、水稻秸稈。秸稈因富含碳、氮等多種元素，是一種重要的農(nóng)業(yè)資源，但目前秸稈綜合利用方式單一，管理粗放、附加值低，亟需改變傳統(tǒng)的秸稈利用方式，拓寬秸稈多元化利用渠道，延長產(chǎn)業(yè)鏈，增加附加值，使秸稈利用方式多元化。2020年，我國承諾將力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這樣的時代大背景賦予了以秸稈為代表的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物資源新的歷史使命。提高廢棄物資源的綜合利用率是推進(jìn)農(nóng)業(yè)減排固碳和高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措，也是實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略的重要手段。將廢棄的農(nóng)作物秸稈、菌渣、果枝等有機(jī)廢棄物通過高溫裂解進(jìn)行生物質(zhì)炭轉(zhuǎn)化是廢棄物生態(tài)循環(huán)利用的一

19、條新途徑。同時，將生物炭應(yīng)用于農(nóng)田或?qū)⑸锾孔鳛檩d體生產(chǎn)的炭基肥料，不僅可以發(fā)揮生物炭原本的固碳減排、緩解土壤板結(jié)、改善微生物環(huán)境、增強(qiáng)土壤透氣保水性等作用，還可以將植物生長必需的大量和中微量元素返回土壤，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)作物提質(zhì)增產(chǎn)，對我國耕地質(zhì)量提升、保障我國糧食安全將發(fā)揮重要作用。而原料顯著影響生物炭化產(chǎn)物的產(chǎn)率、灰分、碳、氮、磷、鉀、鈣含量，酸性堿性官能團(tuán)數(shù)量、芳香化結(jié)構(gòu)、孔隙度及比表面積等理化性質(zhì)。因此，熟悉原料與生物炭性質(zhì)的關(guān)系是生物炭合理農(nóng)用的基礎(chǔ)。（1）不同農(nóng)業(yè)廢棄物原料特性分析生物炭多以植物纖維為主的農(nóng)業(yè)廢棄物（如玉米秸稈、花生殼、棉桿、稻稈、等）為原料制備，其主要組

20、分為灰分、固定碳和揮發(fā)分，主要組成元素包括碳、氫、氧、氮等，碳含量為23.6%88.0%，灰分中含磷、鉀、鈣、硫、鎂等營養(yǎng)元素。通過將農(nóng)業(yè)廢棄物管理、生物炭的農(nóng)業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，構(gòu)建一個生物炭生態(tài)鏈，形成通過農(nóng)業(yè)廢棄物熱裂解炭化將生物炭應(yīng)用于土壤固碳、耕地改良、化肥替代、環(huán)境治理等新型循環(huán)農(nóng)業(yè)方式，服務(wù)于農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。目前，制備生物炭的原料多以植物纖維較高的生物質(zhì)資源為主，由于生物質(zhì)原料的來源復(fù)雜、炭化工藝多樣，不同廢棄物的生物炭性質(zhì)和功能差異較大。例如，以植物源為主的生物質(zhì)原料，其多為植物殘?bào)w，具有高熱值、富含結(jié)構(gòu)有機(jī)質(zhì)的特性；而動物源廢棄物，其熱值較低、含水量及養(yǎng)分含量較高；而加工生物質(zhì)是經(jīng)過

21、農(nóng)產(chǎn)品工業(yè)加工的剩余物，其特性與原料來源及生產(chǎn)加工工藝有關(guān)。因此，不同農(nóng)業(yè)廢棄物原料特性、制備生物炭潛力及生物炭特性存在較大差異。生物炭的材料特性與原材料的類型密切相關(guān)，生物炭產(chǎn)量與原料中固定碳含量呈正相關(guān)，但與揮發(fā)性物質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)。其中，秸稈、稻殼、花生殼、棉桿、果枝等農(nóng)業(yè)廢棄物是制備生物炭的最常用原料。大多農(nóng)業(yè)廢棄物均是木質(zhì)纖維素材料，其中包含不同量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和無機(jī)灰分，纖維素，半纖維素和木質(zhì)素的熱分解溫度分別為340、240 和370。因此，生物炭的產(chǎn)量和特性與生物質(zhì)材料中各組分的相對含量有關(guān)。通過研究表明，作物源生物炭的鉀含量會高于養(yǎng)殖廢棄物。作物源廢棄物-生物炭含碳

22、量一般較高且/或含有其他養(yǎng)分元素。例如，禾本科作物源生物炭含有硅素而有機(jī)碳含量可能較低。在同樣炭化條件下，生物炭的pH、含鉀量及陽離子交換量在水稻、玉米和小麥等作物秸稈來源間存在顯著差異。木本作物或者來源于樹木的生物炭有機(jī)碳含量較高但養(yǎng)分含量較低，同時他們的吸附性能顯著高于秸稈類生物炭。表1一些典型種、養(yǎng)、加工業(yè)廢棄物原料基本特性作物源中生物炭的主要元素組成是碳（C，4176%），同時含有氫（H），氧（O），灰分和微量的氮（N）和硫（S）。生物炭孔隙發(fā)達(dá)，孔隙形態(tài)以微孔為主，比表面積大，在土壤中能夠作為微生物生長的載體，同時可以提高土壤陽離子交換量（CEC）。生物炭的pH 值為412，大多數(shù)呈

23、堿性，可以應(yīng)用于酸性土壤改良、污染土壤修復(fù)、炭基肥料載體等領(lǐng)域。結(jié)果表明，秸稈生物炭的灰分含量為1035%，高于木炭、竹炭等灰分的含量（10%）。另外，木質(zhì)類原料生產(chǎn)的生物炭其C 含量要高于作物秸稈類原料生產(chǎn)的生物炭，糞便生物炭的N 含量要高于植物類生物炭。同時，不同的秸稈生產(chǎn)的生物炭之間也存在一定差異。小麥、水稻和玉米秸稈生產(chǎn)的生物炭相比較，水稻秸稈生物炭中硅（Si）含量最高，小麥生物炭富含較多的鉀（K），紅外光譜（FTI）顯示玉米秸稈生物炭較小麥和水稻秸稈炭官能團(tuán)種類相似，但是具有較強(qiáng)的紅外吸收峰。（2）生物炭應(yīng)用分析近年來，圍繞生物炭制備工藝、改性工藝、聯(lián)合施用及生物炭作用理等的研究日益

24、成熟，生物炭在廢物處理、材料制備、環(huán)境和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。因此，秸稈炭還田不僅可以發(fā)揮生物炭原本的固碳減排、緩解土壤板結(jié)、改善微生物環(huán)境、增強(qiáng)土壤透氣保水性等作用，還可以將植物生長必需的大量和中微量元素返回土壤，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，以及肥效緩釋、減少氮磷元素流失，使作物增產(chǎn)提質(zhì)?；谏锾渴杷啥嗫捉Y(jié)構(gòu)，生物炭主要通過改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)、水分特征和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響土壤物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤的水、氣、熱條件和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。生物炭的疏松多孔結(jié)構(gòu)可有效降低土壤容重，提高土壤孔隙度，從而增加土壤對小分子物質(zhì)的吸附和保持。另外，生物炭的多孔結(jié)構(gòu)通過存儲氧氣和水分提高土壤通氣性和持水性，使其與外部環(huán)境構(gòu)成良

25、好的物質(zhì)交換與流通。增加生物炭的施用量對增加土壤含水量、田間持水量和毛管孔隙度具顯著促進(jìn)作用。此外，生物炭施加與土壤各級團(tuán)聚體分布有顯著相關(guān)關(guān)系，且在一定范圍內(nèi)，團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨生物炭添加量的增加而增強(qiáng)。良好土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)能為土壤提供穩(wěn)定的水土交換條件，為微生物提供有利生存環(huán)境，減少有機(jī)碳損失，提高水土保持能力，增強(qiáng)土壤生產(chǎn)能力。生物炭添加對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響方式主要包括：1）通過養(yǎng)分直接輸入或固持保肥方式改變土壤養(yǎng)分狀況；2）通過土壤和生物炭的酸堿差及生物炭的高陽離子交換量，改善土壤酸堿狀態(tài)及緩沖和保肥能力。生物炭多呈堿性，添加后會顯著升高酸性土壤的pH，但其對堿性土壤pH 的升高效應(yīng)并不明顯

26、，甚至造成pH 下降。研究表明，生物炭對土壤pH 的影響與土壤和生物炭自身酸堿性及生物炭添加量有關(guān)，當(dāng)生物炭與受體土壤的酸堿度相差越大，施加量越大時，pH 的改變越明顯。生物炭常具較高陽離子交換量（CEC），可提高土壤CEC，增強(qiáng)土壤緩沖和保肥能力，增幅受生物炭和土壤的本底CEC 影響。生物炭施加顯著提高酸性土壤的CEC，但對堿性土壤CEC 的提高作用不明顯。生物炭中的高碳組分會為土壤輸入大量有機(jī)碳，及一定量的鉀、鈣、鈉、鎂、硅等營養(yǎng)元素，對營養(yǎng)缺乏的貧瘠土壤的改良效果十分顯著。高度芳香化及疏水性的脂肪族、氧化態(tài)碳等有機(jī)碳成分使生物炭具較強(qiáng)穩(wěn)定性，能在土壤中存留較長時間，在外部結(jié)構(gòu)氧化后，內(nèi)部

27、結(jié)構(gòu)仍可在土壤中穩(wěn)定長達(dá)幾百年。相較于有機(jī)質(zhì)中的碳，生物炭中的碳不易被氧化，可增加土壤中的穩(wěn)定性碳含量，減少了碳向大氣的釋放，因此生物炭具促進(jìn)土壤碳截獲、增加碳匯和緩解溫室效應(yīng)的作用。生物炭具高度穩(wěn)定性并對土壤中的營養(yǎng)元素有較強(qiáng)吸附性能，能固持養(yǎng)分，減少淋溶和揮發(fā)，提高利用效率，發(fā)揮“緩釋肥”的功效。生物炭能有效增加土壤對氮的吸收和保持能力，調(diào)節(jié)硝化和反硝化過程，減少土壤中氮流失，增加有效氮含量。堿性生物炭通過吸附磷素改善磷素流失嚴(yán)重的土壤，生物炭混施能有效抑制土壤中磷的淋失，且可通過不同類型生物炭混施提高抑制率。（3）不同農(nóng)業(yè)廢棄物原料可炭化潛力分析通過大量廢棄物原料的熱解炭化試驗(yàn)、文獻(xiàn)參考

28、及產(chǎn)業(yè)調(diào)研等匯總分析，綜合生物炭產(chǎn)出率、碳氮循環(huán)回收、土壤改良、作物產(chǎn)量及品質(zhì)計(jì)算出不同廢棄物熱解炭化農(nóng)業(yè)循環(huán)綜合潛力，其中蠶砂、稻殼牛糞、骨粉、雙孢菇渣、兔糞、羊糞和玉米渣得分大于80，屬于炭化優(yōu)勢利用廢棄物，其產(chǎn)物炭化循環(huán)率及土壤植物綜合效益較好；而花生殼、金針菇渣、咖啡渣、牛糞、杏鮑菇渣、煙梗粉及中藥渣得分在6080，其產(chǎn)物有一定炭化潛力，炭化處理可作為這些廢棄物農(nóng)業(yè)循環(huán)的途徑；草菇渣、醋渣、稻殼粉、稻殼灰、甘蔗渣、高粱酒糟、核桃皮、紅茶渣、木薯渣、木糖渣、椰渣及蚓糞得分小于60，這些廢棄物存在炭化循環(huán)率較低或其炭化產(chǎn)物對作物及土壤效益較差的問題，炭化可行性較差。2、典型農(nóng)業(yè)廢棄物原料在

29、不同制備條件下的生物炭理化性質(zhì)分析目前，常見的生物炭制備方法包括快速熱解、中速熱解、慢速熱解、閃速熱解、熱解氣化和微波熱解等。生物炭的物理化學(xué)特性取決于所用原料的類型以及熱解條件，條件參數(shù)包括熱解溫度、熱解時間、反應(yīng)氣氛、升溫速率、熱解裝置和催化劑等。慢速熱解升溫速率為57 /min，在400650 下反應(yīng)12 d，生物炭得率約為35%；中速熱解升溫速率為50 300 /min，在400550 下停留1020 s，生物炭得率約20%：快速熱解升溫速率為1000/s 的快速加熱速率，在400550條件下反應(yīng)12 s，生物炭得率約15%；閃速熱解采用1000 /s 的快速加熱速率，在1000130

30、0 溫度下反應(yīng)小于1s 的時間，最終生物炭得率為1025%、生物油比例為5075%、氣體比例為1030%。熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是指秸稈類的生物質(zhì)原料在600800與汽化劑（空氣、氧氣、水蒸氣等）反應(yīng)氧化形成生物炭、可燃?xì)夂吞崛∫?。微波熱解是在無氧條件下利用微波將生物質(zhì)加熱到400500，快速生成低分子揮發(fā)性氣體和固體產(chǎn)物。目前微波熱解技術(shù)由于受到生產(chǎn)和處理工藝成本等因素的影響，使用較少。氣化多聯(lián)產(chǎn)方法不僅產(chǎn)生生物炭，而且同時有生物質(zhì)可燃?xì)猓哂泻芨叩木C合經(jīng)濟(jì)價值，是產(chǎn)業(yè)化上最成熟的生物炭生產(chǎn)方法之一。按照設(shè)備技術(shù)特征，生物炭化設(shè)備可分為固定床式和移動床式等。其中，固定床生物炭化設(shè)備包括傳統(tǒng)窯式和

31、熱解炭化釜式兩類，移動床生物炭化設(shè)備包括橫流移動床和豎流移動床兩類。對于固定床生物炭化設(shè)備，物料在爐內(nèi)的空間位置基本保持不變，原料進(jìn)入爐內(nèi)后依次經(jīng)歷升溫、保溫炭化、降溫和出炭等階段，屬間歇、分批式生產(chǎn)，其中窯式炭化設(shè)備采用自燃加熱方式。固定床生物炭化技術(shù)發(fā)展歷史較長，裝備條件相對成熟，所需投資較少，但由于生產(chǎn)時需反復(fù)進(jìn)行裝料、加溫、冷卻和出炭等，生產(chǎn)速度受到限制。生物炭的理化性質(zhì)因原料類型和熱解條件的不同而存在差異，且具有一定的變化規(guī)律。與動物源生物炭相比，植物源生物炭具有較低的灰分含量、較高的碳含量、較大的比表面積和孔隙度以及較強(qiáng)的堿性。熱解條件，尤其是熱解溫度，對生物炭的性質(zhì)具有顯著的影響

32、。一般而言，隨熱解溫度升高，生物炭的灰分和固定碳含量增加，揮發(fā)分含量降低，比表面積和孔隙度增加，堿性增強(qiáng)，總基團(tuán)和酸性基團(tuán)含量降低。表2 幾種典型農(nóng)業(yè)廢棄物生物炭的元素含量（%）（1）秸稈生物炭制備參數(shù)確定及主要性質(zhì)分析以玉米秸稈、水稻秸稈熱解炭化為例，根據(jù)熱解終溫、升溫速度及反應(yīng)停留時間的不同，其產(chǎn)炭率、灰分、固定碳等含量存在顯著差異。主要研究結(jié)果如下：1）生物炭產(chǎn)率從圖1可以看出，在三個停留時間下，兩類秸稈生物炭的產(chǎn)率都隨著熱解溫度的升高而降低。以停留時間 30min 為例，當(dāng)熱解溫度從 400升到 700，水稻秸稈炭產(chǎn)率從 39.6%下降到 30.26%，玉米秸稈炭產(chǎn)率從 37.01%下

33、降到 27.81%。從 400500，水稻秸稈炭和玉米秸稈炭質(zhì)量損失較大，產(chǎn)率下降幅度較大，水稻秸稈炭產(chǎn)率下降 15%，玉米秸稈炭產(chǎn)率下降 17%，500700這一范圍內(nèi)，兩類秸稈炭的產(chǎn)率下降較平緩，水稻秸稈炭下降 9.6%，玉米秸稈炭下降 9.2%?？梢钥闯?500是生物炭產(chǎn)率變化的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因?yàn)樵?400500之間生物質(zhì)的半纖維素與纖維素幾乎分解完全，少量木質(zhì)素分解。使得這一溫度范圍產(chǎn)率降低幅度大。在熱解溫度高于500時，木質(zhì)素和難揮發(fā)性物質(zhì)緩慢分解，秸稈生物炭的產(chǎn)率變化逐漸平緩。當(dāng)熱解溫度一定時，隨著停留時間的延長炭化過程更加完全，水稻秸稈炭和玉米秸稈炭的產(chǎn)率也逐漸下降，其中 400時

34、，兩類原材料的生物炭產(chǎn)率隨著時間延長變化較顯著，500、600和 700這三個溫度梯度下，水稻秸稈炭和玉米秸稈炭的產(chǎn)率隨著停留時間的延長下降幅度較緩慢，尤其在700時兩類秸稈炭炭化程度接近完全，此時停留時間對生物炭產(chǎn)率的影響最小。在相同制備條件下，水稻秸稈炭的產(chǎn)率總是大于玉米秸稈炭的產(chǎn)率。例如在 10min停留時間下，400時水稻秸稈炭產(chǎn)率比玉米秸稈炭產(chǎn)率高3.41%，500時水稻秸稈炭產(chǎn)率比玉米秸稈炭產(chǎn)率高 3.31%，600時水稻秸稈炭產(chǎn)率比玉米秸稈炭產(chǎn)率高 2.5%，700時水稻秸稈炭產(chǎn)率比玉米秸稈炭產(chǎn)率高 2.75%。這是由于水稻秸稈中含有大量灰分所致。圖1 不同熱解溫度與停留時間下兩

35、類秸稈生物炭的產(chǎn)率（%） （A）水稻秸稈炭、（B）玉米秸稈炭2）灰分含量灰分含量可以反應(yīng)出生物炭無機(jī)組分多少，生物炭的灰分是指所有有機(jī)元素 C、H、N 均揮發(fā)后，剩余的無機(jī)組分，一般是鈣、鎂、硅酸鹽等無機(jī)鹽類。生物炭的灰分含量是衡量生物炭改良土壤肥力的一個重要指標(biāo)。從表3可以看出，當(dāng)停留時間一定，兩類秸稈生物炭的灰分含量隨著溫度的升高逐漸增大。在三個停留時間下，400的秸稈生物炭灰分含量最低，700的秸稈生物炭灰分含量最高。當(dāng)熱解溫度一定，兩類秸稈炭的灰分含量隨著停留時間的延長灰分含量也逐漸提高，但增大幅度小于升高溫度對生物炭灰分含量的影響，以水稻秸稈炭為例，在停留時間 10min 下，當(dāng)熱解

36、溫度由 400升高到 500，灰分含量提高 12.34%，而在400，當(dāng)停留時間由 10min 延長到 30min 時，灰分含量提高 2.52%。隨著熱解溫度與停留時間的延長，有機(jī)物不斷損失，生物炭的產(chǎn)率逐漸下降，而生物炭中的礦質(zhì)元素?fù)p失較緩慢，使得鉀、鈣、鎂等礦質(zhì)元素逐漸富集在生物炭中，灰分含量不斷增加。在相同制備條件下，水稻秸稈炭的灰分含量總是大于玉米秸稈炭。表 3 不同熱解溫度與停留時間下兩類秸稈生物炭的灰分含量（%）3）揮發(fā)份揮發(fā)份是生物炭在高溫（900）煅燒下，釋放的氣態(tài)產(chǎn)物如 CO、CO2、H2、CH4等，可以代表生物炭中活性易降解的組分。兩類秸稈生物炭的揮發(fā)份含量如表4所示，可以

37、看出兩類秸稈炭的揮發(fā)份在低熱解溫度和短停留時間條件下，揮發(fā)份含量高，而在高熱解溫度、長停留時間下?lián)]發(fā)份含量低。在停留時間一定時，揮發(fā)份的含量隨著溫度的升高而降低，這一變化趨勢與產(chǎn)率相似。以停留時間 10min 為例，在 400時水稻秸稈炭與玉米秸稈炭揮發(fā)份含量分別高達(dá) 29.33%、35.95%，而 700時，揮發(fā)份含量分別降到 9.26%、8.51%。在 400600之間，兩類秸稈炭的揮發(fā)份含量下降幅度較大，而600 之后揮發(fā)份含量下降幅度較小，這是由于在 600之前，揮發(fā)性物質(zhì)基本分解完全，繼續(xù)升高熱解溫度，揮發(fā)份含量的變化幅度較小。炭化停留時間延長，兩類秸稈生物炭的揮發(fā)份含量也會增大，但

38、影響效果遠(yuǎn)小于熱解溫度對揮發(fā)份含量的影響。表 4 不同熱解溫度與停留時間下兩類秸稈生物炭的揮發(fā)份含量（%）4）固定碳固定碳是指生物炭在高溫下有效的碳素含量，在不通入空氣條件下進(jìn)行煅燒無灰分的部分，它是一個假定的概念，可以代表生物炭中相對較為惰性穩(wěn)定的組分。需要說明的是，固定碳的含量并不等于碳元素含量，因?yàn)槠渲兄羞€可能存在氫、氧等元素。從表 5可以看出，在三個停留時間下，兩類秸稈生物炭的固定碳含量都有隨著溫度的升高而增大的趨勢。當(dāng)溫度一定時，停留時間對生物炭固定碳含量的影響并不一致，隨著停留時間的延長，固定碳含量有升高，也有降低，但升降幅度小于溫度對固定碳含量的影響。表5 不同熱解溫度和停留時間

39、下兩類秸稈生物炭的固定碳含量（%）5）pH 值表6分別顯示水稻秸稈與玉米秸稈在不同熱解溫度和停留時間下制備的生物炭的pH 值。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，生物炭的 pH 值在 412 之間。本試驗(yàn)中所得 pH 值數(shù)據(jù)均在這一范圍內(nèi)，且全部 pH 值都大于7，呈堿性。由表可知，隨著熱解溫度升高，水稻秸桿炭的 pH 值也逐漸增大，堿性增強(qiáng)。在停留時間 10min 下，400的水稻秸稈生物炭pH 值為9.53，此后熱解溫度繼續(xù)升高 pH 值也繼續(xù)增大，700時達(dá)到最大，pH 值為11.28；在停留時間 30min 下，熱解溫度從 400升至 700，水稻秸稈生物炭的 pH 值從 9.52增大到 11.45；當(dāng)

40、停留時間 60min 時，水稻秸稈生物炭的 pH 值從 400的 9.54 升到 700的 11.69。熱解溫度升高，玉米秸稈炭 pH 值也顯著增大。當(dāng)熱解溫度一定時，隨著停留時間的延長，水稻秸稈炭和玉米秸稈炭的 pH 值也有增加趨勢，但停留時間對生物炭 pH值影響遠(yuǎn)小于熱解溫度對生物炭 pH 值的影響。表6 不同熱解溫度和停留時間下兩類秸稈生物炭的 pH6）元素組成分析秸稈生物質(zhì)主要由有機(jī)部分半纖維素、纖維素、木質(zhì)素和無機(jī)礦質(zhì)元素組成，其中有機(jī)部分主要是由 C、H、O、N 和 S 等元素組成的環(huán)狀有機(jī)物質(zhì)，如酚基、亞甲基、環(huán)氧醚基、苯環(huán)等。故使用元素分析儀測定生物炭的 C、O、N 和 S 四

41、種元素，并用差減法計(jì)算 H 含量。O/C、H/C 和(O+N)/C 的比值可以分別代表生物炭的親水性、芳香性和極性的大小。其中 O/C 和(O+N)/C 的比值與生物炭的親水性和極性成正比，即比值越大，生物炭的親水性越大、極性越大。H/C 的比值與生物炭的芳香性呈反比，比值越大生物炭芳香性越小。有研究表明，生物炭的陽離子交換量(CEC)與 O/C 有關(guān)，通常 O/C比值越大，CEC 值越大。表7是水稻秸稈在不同制備條件下產(chǎn)生的生物炭元素組成分析，其中五種元素含量的大小順序?yàn)?COHNS。從總體上來看水稻秸稈炭的 C 含量隨著溫度的升高而提高。在停留時間 10min 下，當(dāng)熱解溫度從 400升高

42、到 700，C 含量也從 49.54%增大到 53.54%。在停留時間 30min 和 60min 下，雖然 400600這一溫度范圍 C 含量是逐漸增高的，但 700的生物炭 C 含量都略低于 600時的生物炭。這種變化現(xiàn)象可能與生物炭中含碳元素的官能團(tuán)不穩(wěn)定有關(guān)。當(dāng)熱解溫度一定，延長停留時間，水稻秸稈炭的 C 含量也逐漸提高，但提高幅度小于升高熱解溫度對 C 含量的影響。H、O 含量隨著熱解溫度升高呈降低趨勢，這是由于在熱解炭化過程中，原材料的有機(jī)部分發(fā)生了一系列脫水，脫羥基反應(yīng)，且溫度越高，脫水脫羥基反應(yīng)越完全。升高熱解溫度和延長停留時間對 N 含量影響并不明顯，說明水稻秸稈炭中的 N

43、元素相對較穩(wěn)定。S 含量隨著溫度的升高和停留時間的延長略有提高的趨勢，以停留時間 10min 為例，當(dāng)熱解溫度從 400升到 700，S 含量也從 0.34%增大到 0.52%。通常研究認(rèn)為生物炭中的 N、S 元素含量的生物有效性很低，植物很難利用。表7 不同熱解溫度和停留時間水稻秸稈炭的元素含量（%）從表7中的原子比可以看出，熱解溫度越高，H/C 的比值越小，說明熱解溫度越高水稻秸稈炭的芳香性越強(qiáng)，生物炭的碳結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定。O/C 和(O+N)/C 的比值也越來越小，說明生物炭的親水性和極性也隨著熱解溫度的升高而減弱，生物炭的 CEC 含量也隨熱解溫度的升高而減小。停留時間的延長對生物炭元素

44、組成的影響與升高溫度效果一致，熱解溫度一定，停留時間越長 C 含量越高，H、O 含量越低，但影響幅度沒有熱解溫度大。表8 不同熱解溫度和停留時間玉米秸稈炭的元素含量（%）玉米秸稈炭的元素組成含量如表8所示，可以看出，停留時間一定時，隨著熱解溫度的升高玉米秸稈炭的 C 含量顯著提高，H、O 含量顯著降低，N、S 含量幾乎穩(wěn)定不變。玉米秸稈炭的 H/C、O/C、(O+N)/C 的比值都隨著溫度的升高而減小，說明熱解溫度越高生物炭的芳香性越強(qiáng)、親水性和極性越低。熱解溫度一定，停留時間越長使得生物炭化程度越好。停留時間對生物炭各元素組成的影響與熱解溫度一致?？傮w來看，熱解溫度對兩類秸稈生物炭的元素組成

45、影響效果要大于停留時間。（2）農(nóng)業(yè)廢棄物原料與生物炭產(chǎn)物性質(zhì)之間的相關(guān)性分析為了優(yōu)化熱解生產(chǎn)，需找到影響生物炭化循環(huán)產(chǎn)率及生物炭產(chǎn)物主要性質(zhì)的因子，通過相關(guān)性分析比較生物質(zhì)原料和產(chǎn)物性質(zhì)之間的關(guān)系（圖2），結(jié)果表明，熱解炭化的生物炭產(chǎn)率與原料和生物炭的有機(jī)碳含量（r=-0.62，P0.01）及氮含量（r=-0.54，P0.01）呈顯著負(fù)相關(guān)，而與生物炭中灰分含量呈顯著正相關(guān)（r=0.72，P0.01）。這說明在熱解炭化中，炭得率與生物炭的有機(jī)碳和養(yǎng)分回收間可能存在抵消作用。生物炭熱解過程主要是其中的有機(jī)物質(zhì)的分解，在厭氧環(huán)境中有機(jī)碳物質(zhì)分解產(chǎn)生二氧化碳或者甲烷等氣體，有機(jī)氮物質(zhì)分解產(chǎn)生N2O

46、等，從而使得生物炭產(chǎn)率下降；灰分主要為難揮發(fā)態(tài)無機(jī)鹽，這類物質(zhì)在熱解炭化過程中難以揮發(fā)而保留在生物炭中。生物炭pH 與其陽離子交換量呈正比，與鉀含量呈顯著正相關(guān)（r=0.50，P草本植物木本植物，而生物炭的碳含量為木本植物草本植物畜禽糞便。圖4 生物炭灰分、揮發(fā)分和固定碳含量隨熱解溫度的變化廢棄物中的植物纖維類原料本身具有一定的孔隙結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)隨纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)成分在熱解中擴(kuò)大，并伴隨更多微孔形成，使生物炭形成了低密度多孔結(jié)構(gòu)（圖5）。生物炭比表面積大小差異主要?dú)w因于其孔隙度，一般按孔徑大小將孔隙分為小（微）孔（5 nm。生物炭施于土壤中時，大孔結(jié)構(gòu)主要影響土壤的通氣性和保水能

47、力，也是微生物良好生境，而小孔結(jié)構(gòu)主要影響土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分及污染物的吸附和轉(zhuǎn)移，且比表面積常與小孔含量正相關(guān)。不同原料、不同熱解條件下制備的生物炭比表面積差異較大，變化范圍為0.1520 m2/g，且殼類糞污秸稈木質(zhì)污泥生物質(zhì)。圖5 生物炭比表面積和孔隙度隨熱解溫度的變化采用熱解炭化法制備不同種類秸稈生物炭，并利用掃描電鏡考察秸稈炭的孔隙結(jié)構(gòu)（圖6），結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在500 下熱解后，花生秸稈的炭產(chǎn)率最高為46.96%，玉米秸稈的炭產(chǎn)率最低為37.01%，水稻、小麥、蘆葦秸稈的炭產(chǎn)率相近，在3840%?；ㄉ斩挼幕曳趾亢湍举|(zhì)素含量最高，是其炭產(chǎn)率高的重要原因; 秸稈生物炭表面孔隙結(jié)構(gòu)豐富，水稻、

48、小麥和蘆葦秸稈炭的孔形呈現(xiàn)出圓孔型，表面光滑，玉米和花生秸稈炭的孔形呈現(xiàn)出似平行壁型，表面粗糙。圖6 秸稈類廢棄物原料制備的生物炭掃描電鏡圖像此外，項(xiàng)目組還利用不同食用菌菌渣在不同熱解溫度下制備了菌渣生物炭，確定了熱解溫度、升溫時間、停留時間等制備關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，為菌渣生物炭的制備技術(shù)提供了數(shù)據(jù)支撐。圖7 項(xiàng)目組利用廢棄菌渣通過不同熱解溫度制備的菌渣生物炭3、技術(shù)的先進(jìn)性和科學(xué)性論證（1）技術(shù)的先進(jìn)性標(biāo)準(zhǔn)承擔(dān)單位根據(jù)我省主要農(nóng)業(yè)廢棄物特性及炭化潛力，通過大量技術(shù)驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)分析、文獻(xiàn)參考、產(chǎn)業(yè)調(diào)研、專家咨詢等方式，研究明確了我省主要作物秸稈、果枝、菌渣、棉桿等生物質(zhì)類廢棄物制備生物炭的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

49、，包括原料選擇及預(yù)處理要求、熱解溫度、駐留時間、升溫幅度和時間等，形成了技術(shù)工藝流程，明確了基礎(chǔ)炭化熱解設(shè)備要求、副產(chǎn)物處置要求及環(huán)境控制要求等，同時明確了生物炭產(chǎn)品產(chǎn)炭率及檢測方法。本標(biāo)準(zhǔn)中農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)生物炭技術(shù)先進(jìn)、可靠，適用性強(qiáng)，易推廣可復(fù)制，可為我省主要農(nóng)業(yè)廢棄物集中區(qū)域生物炭生產(chǎn)提供技術(shù)參考，對規(guī)范我省生物炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。（2）技術(shù)的科學(xué)性標(biāo)準(zhǔn)起草單位山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所作為國家生物炭科技創(chuàng)新聯(lián)盟的副理事長單位，通過試驗(yàn)示范與技術(shù)推廣，在山東臨沂蘭山區(qū)、費(fèi)縣，安徽宿州，煙臺招遠(yuǎn)，德州臨邑、東營農(nóng)高區(qū)等地開展了小麥玉米秸稈、花生殼、棉桿、蔬菜秸稈、菌渣、田菁桿

50、、高粱桿等廢棄物生產(chǎn)生物炭技術(shù)示范與應(yīng)用，廢棄物原料經(jīng)炭化技術(shù)生產(chǎn)出生物炭，實(shí)現(xiàn)了廢棄物無害化處理和資源化利用，均取得了良好效果。利用年產(chǎn)1501500噸生物炭的小型固定床式炭化設(shè)備，原料來源豐富、產(chǎn)炭量可控，液態(tài)副產(chǎn)物含量低，生成的可燃?xì)饪勺鳛楦苫吞炕锪系臒嵩囱h(huán)利用，無污染廢物，年可利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源4005000噸。生物炭產(chǎn)炭率達(dá)到3040%，灰分含量1520%，固定碳含量5070%。生產(chǎn)的生物炭可直接用于土壤改良培肥或作為炭基肥料載體等。五、與現(xiàn)行相關(guān)法律、行政法規(guī)和其他標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系；近年來，國家、省市等部門高度重視農(nóng)業(yè)廢棄物資源化、生物質(zhì)能源、秸稈炭化還田等工作。與本標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)的法律及政策文件有：全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（20152030年）、農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)導(dǎo)則（20182030年）、農(nóng)業(yè)部辦公廳關(guān)于推介發(fā)布秸稈農(nóng)用十大模式的通知、“十四五”全國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃、秸稈綜合利用技術(shù)目錄（2021）、山東省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃(2016-2020)、山東省加快推進(jìn)秸稈綜合利用實(shí)施方案（2016-2020年）等政策文件，為加快農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)利用、推動包括秸稈炭化還田改土、炭基肥在內(nèi)的成熟適用技術(shù)推廣應(yīng)用等方面給與了大量政策和資金支持。由此可見，將農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、果枝和廢棄木料等廢棄物進(jìn)行生物炭轉(zhuǎn)化是廢棄物生態(tài)循環(huán)利用的重