[发明专利]利用厌氧发酵副产物制备生物炭及氢气的方法

说明书

一种利用厌氧发酵副产物制备生物炭及氢气的方法以及沼渣制得的生物炭，该方法包括将秸秆一、接种泥、蒸馏水混合后厌氧发酵，得到发酵后的混合产物；从混合产物中分离发酵后的秸秆得到秸秆二；从混合产物中分离回收沼液；将得到的秸秆二炭化，得到所述的生物炭；将得到的沼液加压催化反应后收集气体，即为所述氢气。本发明操作简单、成本低廉且环境友好，为厌氧发酵副产物的资源化循环利用及处置提供了新路径，为生物质制备高比表面积生物炭及沼液制氢提供技术参考。所制得的生物炭可用于土壤肥力改良、碳库增汇减排及环境污染修复等领域，潜力巨大，制取的氢气可就地用于供热或发电。

技术领域

本发明涉及能源转化过程中副产物资源化、能源化利用领域及环境领 域，更具体地，涉及一种利用厌氧发酵副产物制备生物炭及氢气的方法。

背景技术

厌氧发酵副产物富含营养元素氮，目前常用作生物有机肥替代部分化 肥使用，但肥用存在土壤氮超标的风险。另外，厌氧发酵副产物肥用还存 在病原菌及重金属污染、恶臭污染、二噁英及多氯联苯污染等风险。以秸 秆为底物的厌氧发酵工程，只转化了部分纤维素和绝大部分半纤维素，沼 渣残余量大。沼液是厌氧发酵后的残留液体，目前多应用于肥料和饲料添 加剂。但沼液中的抗生素及病原微生物可能会对环境及人体健康造成潜在危害。沼液富含营养元素氮，常用作有机肥。但其接受度并不高，农民利 用率仅为30％左右。此外，沼液肥用的环境及生态风险尚不明晰，露天排 放时有发生，且易导致恶臭污染并污染土壤及地下水等。因此，肥用并不 是有效的厌氧发酵副产物处置方式，新的处置途径亟待开发。

生物炭是生物质在缺氧或绝氧条件下，经高温热裂解生成的富碳固态 产物，在科学界被称为“黑色黄金”。生物炭的制备过程实质上主要为木 质素、纤维素及半纤维素的热裂解过程。在热解过程中，木质素因结构中 存在芳香环，反应平缓，是生物炭的主要贡献者，半纤维素因其无定型结 构及不稳定支链的存在，几乎完全生成小分子气体，纤维素则主要转变为 有机挥发物(焦油)及少量的生物炭。因此秸秆自身富含纤维素的特点， 不可避免的在制炭过程中产生焦油等副产物，阻塞生物炭孔道，导致秸秆 直接热解制备的生物炭比表面积较小，在一定程度上影响了秸秆生物炭的 使用性能。厌氧发酵可将热解制炭过程中易转化为有机挥发物(焦油)的 纤维素/半纤维素进行选择性降解，从源头减少焦油的生成，从而降低制炭 过程中焦油对生物炭孔隙的阻塞风险。发酵后生物质木质纤维素结构无序 性增加，可强化制炭过程中传质传热过程，利于挥发分快速逸出，留下丰 富的孔洞，从而制备高比表面积生物炭。厌氧发酵技术发展成熟，广泛用 于生物可燃气生产。将厌氧发酵处理后固态副产物用于成型燃料及生物油 的制备尚处于实验室研究阶段，且发酵温度要求苛刻、周期较长。目前未 见厌氧发酵处理后固态副产物炭化制备高比表面积生物炭的报道。

沼液中存在大量多环芳烃、酚类化合物、邻苯二甲酸酯等有机物，若 可将其转化为燃气进行利用，是一条提高沼液综合利用率、缓解能源危机 的理想途径。现有研究沼液制氢的技术主要有水蒸气重整制氢技术。但是 此方法中水蒸气重整制氢技术在高温常压(500-700℃)下将沼液先汽化 后再重整制取氢气，并且伴随高温下易发生的副反应。此方法工艺条件要 求较高，操作较为复杂，反应生成产物含有少量有害气体，且生产成本较高、难以工业化生产应用。因此，研究在相对温和的反应条件下，直接一 步反应制取氢气，减少高温条件下容易发生的副反应很有必要。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种利用厌氧发酵副产物 制备生物炭及氢气的方法以及沼渣制得的生物炭，以期至少部分地解决上 述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种利用厌氧发 酵副产物制备生物炭及氢气的方法，包括：

将秸秆一、接种泥、蒸馏水混合后厌氧发酵，得到发酵后的混合产物；

从混合产物中分离发酵后的秸秆得到秸秆二；从混合产物中分离回收 沼液；

将得到的秸秆二炭化，得到所述的生物炭；将得到的沼液加压催化反 应后收集气体，即为所述氢气。