生物炭应用研究进展_袁艳文[1]

Renewable Energy Resources

第30卷第9期2012年9月

Vol.30No.9Sep.2012

收稿日期：2012-03-16。

基金项目：2012年引进国际先进农业科学技术计划（948计划）项目（2012-Z14）。

作者简介：袁艳文（1983-），女，湖南新化人，工程师，主要从事农业生物环境与能源工程技术方面研究的工作。

E-mail ：yew520@tom.com

通讯作者：田宜水（1972-），男，辽宁阜新人，高级工程师，主要从事节能与生物质能、资源和技术研究等工作。

生物炭应用研究进展

袁艳文，田宜水，赵立欣，孟海波

（农业部规划设计研究院，北京

100125）

摘

要：生物炭在碳封存剂、土壤改良剂等方面具有重要的应用价值和现实意义，是开发利用生物质能的方向

之一，有利于减轻温室气体效应和农业生产对农药、化肥以及化石能源或原料的依赖。文章分析了生物炭的特性，介绍了国内外生物炭燃料研究现状，探讨了生物炭在农业、能源、环境保护、养殖、副产品等方面的影响，并与秸秆还田进行了对比，指出下一步的发展方向，以期为生物炭技术创新与产业化发展提供参考。关键词：生物炭；应用；进展中图分类号：TK6；S216.2

文献标志码：A

文章编号：1671-5292（2012）09-0045-05

The research process of the biochar application

YUAN Yan-wen ，TIAN Yi-shui ，ZHAO Li-xin ，MENG Hai-bo

（Chinese Academy of Agricultural Engineering ，Beijing 100125，China ）

Abstract ：It is universally acknowledged that biochar has the important application value and the practical significance in terms of carbon sequestration agent and soil conditioner.It is also one of the directions for the exploitation and utilization of the biomass energy,reducing the greenhouse effects and relieving the dependence of agricultural production towards pesticide,fertilizer and fos -sil energy or crude material.By analyzing the characteristics of biochar the dissertation introduce the research circumstance of biochar fuel at home and abroad,discussing the influence of biochar in agriculture,energy,environmental protection,breed aquatics,side products etc,and pointing out the further development tendency through making the comparison of returning straw to soil.Key words ：biochar ；application ；process

引言

全球气候日益变暖，已成为当今影响最为深远的全球性环境问题之一。根据观测到的变化，过去30年的人为变暖已在全球范围内对许多自然和生物系统产生了可辨别的影响，近年来极端气候事件频繁发生，给人类社会生产、消费和生活方式以及生存空间等社会发展各个领域都带来了巨大的影响[1]~[4]。化石燃料的燃烧、农业和土地利用的变化以及工业生产过程等造成大气中温室气体浓度急剧增高，这些矿物燃料在燃烧的过程中产生了大量的CO 2等温室气体，目前大气中集聚的CO 2含量已达到了65万年来的最高水平，且浓度仍在不断增加[5]~[8]。国际能源机构

（IEA ）发出警告，实现全球2020年温室气体排放目标的希望“更加渺茫”[9]~[11]。

目前，全球减碳形势面临严峻考验。根据间气候变化专门委员会的估计，如果人类想要避免气候变化所带来的灾难性影响，温室气体排放必须在2015~2020年达到峰值[12]。本着对人类长远发展高度负责的精神，中国于2009年宣布控制温室气体排放的行动目标，决定到

2020年单位国内生产总值CO 2排放比2005年下降40%～45%。

由于生物炭可以稳定地将碳元素固定长达数百年，其中的碳元素被矿化后很难再分解，为了应对全球气候变

化，生物炭正在成为人们关注的焦点[13]。本文拟通过对生物炭在农业、环境、能源等领域的应用研究进展进行分析，并指出存在的主要问题，以期为生物炭产业的发展提供参考。

1生物炭定义及其特性

生物炭是指在低氧环境下，通过高温裂解将木材、草、玉米秸或其它农业剩余物碳化，是以固定碳元素为目的的炭[14]~[16]。目前，生物炭生产多采用高温分解法，在400~550℃的高温下将有机物质置于缺氧状态下，对其有控制地进行高温慢速裂解。产物除生物炭外，还可获得焦油、裂解气和木醋液等副产品。

生物炭整个体系均由碳元素构成，由于碳原子彼此间具有极强的亲合力，因此使得生物炭无论在低温或高温下都有很好的稳定性。由于在炭化过程中非碳元素分解，会在炭化后的预制体中形成很多孔洞，其比表面积很大，大孔隙（>100μm）达到750～1360m2/g，小孔隙（＜100μm）达到51～138m2/g，其次是密度轻，为1.5～1.7g/cm3，容重为0.3～0.7g/cm3。这都为生物炭作为许多复合材料与肥料的原料提供了独特的优越性。

不同种类生物质制取的生物炭，其理化特性差异很大，木炭与竹炭的挥发分比秸秆类（稻秸炭与玉米秸炭）生物炭的挥发分低，燃烧后灰分较少，其固定碳比例较高，热值也远高于禾本科类的生物炭。表1所示为炭化温度为500℃时，不同种类生物炭的理化特性[17]，[18]。

2生物炭的应用进展

根据生物炭的生产工艺以及理化特性，可将生物炭的应用途径分为农业、能源、养殖业、环境保护和副产品应用等5个方面（图1）。2.1农业

生物炭在农业上的应用主要指在土壤中加入生物炭颗粒或载有菌体、肥料或与其它材料混配的功能型生物炭复合材料，主要有改良土壤、增加地力、改善植物生长环境、提高土地生产力及产品品质的作用。应用领域主要是农田、林地和草坪[19]~[22]。Lehmann Johannes估计，生物炭每年最多可以吸收10亿t温室气体[23]。Mustafa K.Hossain按每公顷农田施加10t生物炭进行试验，结果表明，西红柿的产量增加了%，土壤的导电性以及P和N含量得到显著提高，这是生物炭施用后对整个土壤环境改变的结果[24]。自2009年开始，潘根新等先后在我国南方水稻主产区、黄淮海区域、黄土高原、干旱等地区进行了多地多用途的田间试验，探讨不同种类的生物炭用于农田固碳减排和改良土壤的可行性，探索生物炭对温室气体减排、农作物增产、盐碱土等劣质土壤改良和污染土地处置等相应农业技术[25]~[26]。吴伟祥、陈温福分别试验开发了生物炭基生物肥料或缓释肥等农业应用产品，盐碱土快速改良技术已经处于示范阶段[27]，[28]。

但是，生物炭在农业上的应用也存在一定的问题。如生物炭生产是以有机生物质为原料热裂解产生的，其本身的生产是以损失有机物为代价，而这些有机物为生产腐质土壤所必需的，如果将生产生物炭的有机质原料通过腐熟或者直接还田的方式应用到土壤中，同样具有改良土壤的效果。其次，生物炭本身不一定能使土壤更为肥沃。另外，生物质多孔结构可能会促进菌种的繁殖。

另有研究称在很多情况下，在土壤中添加生物炭会刺激微生物分解非生物炭的有机物质，这会增加土壤中的碳损失。虽然很多生物炭可以在土壤中保存很久，但同时很多微生物也能够分解生物炭。生物炭在土壤表面可能会向大气排放出“黑色的烟雾”，这也会加剧温室效应。如果将生物炭埋在深层土壤里，可能会改变或者破坏土壤的结构，导致CO2释放进大气中。因此，认为土壤中的生物炭能够成为“永久的碳汇”，以及在土壤中可以保存数百年的说法还有待进一步证实。

2.2能源

生物炭燃烧性能好，具有热值高、清洁、无污染等特点。塑型后生产出的“炭化生物质煤”具有较高的堆积密度与强度，便于储藏、运输，且清洁环保，燃烧效率高，可替代燃气、煤炭等不可再生能源，用作农村分散供热、供暖的新能源，也可用于城市集中供暖、发电等[29]~[31]。

2.3环境保护

潘根新的研究表明，由于生物炭具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎，可以将土壤中的重金属以及残留农药等有毒物质有效固持，减少对农作物的伤害；生物炭对一些气体包括NH3，CO，SO2，H2S等也具有强大的吸附能

表1不同种类生物炭理化特性

Table1Physical and chemical properties of

different types of biochar

种类挥发分/%灰分/%固定碳/%热值/MJ·kg-1稻秸炭14.1734.1651.6717.68

玉米秸炭14.5535.7248.8419.51

松木炭12.46 3.2784.2730.76

竹炭11.92 5.2282.8629.14

袁艳文，等生物炭应用研究进展

力，且用生物炭吸附重金属及有害气体具有操作简单、经济可行、效果良好等优点[32]。

2.4养殖

英国爱丁堡大学的Saran Sohi和Teri Angst的研究表明，生物炭可用于畜牧农业。在混合饲料中添加适量生物炭饲养畜禽类能获得良好的效果。如在鸡饲料中添加生物炭粉，可以增加鸡的食欲，防止鸡球虫病的发生，提高蛋壳、蛋黄膜的硬度和蛋的鲜度，并能延长保鲜期。在日本北海道，将生物炭添加在牛饲料中，经过119d的饲养试验，结果表明，试验区每头牛平均增重为213.3kg，对照区则增重176kg。

在水产养殖方面，由于生物炭是一种多孔碱性物质，孔隙中可以有大量的微生物生长，这些微生物的作用可以使水质得到净化，易生藻类，适用于各种水产养殖业。如淡水养鱼，在水面投入木粉炭，可以防止沉淀鱼饵的，起到净化水质的作用。日本在三重县尾鸳市和北海道也进行了海水渔场使用生物炭的试验，取得了良好的效果。

2.5生物炭的副产品

生物炭的副产品包括焦油、裂解气、木醋液等。焦油和裂解气作为慢速热裂解生产生物炭过程中的副产品，是一种潜在的能源物质和化工原料，焦油中主要含有醛、酮、酸、酯、醇、呋喃、酚类有机物、水等，可作为液体燃料用于窑炉、锅炉等产热设备[33]。裂解气中CH4的含量约为60%，CO2约为35%，还含有少量的H2，CO等气体。裂解气的低位热值约为21MJ/m3。裂解气通过净化后直接燃烧可用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明等。

木醋液是指生物质热裂解冷凝后产生的碱性馏出液，木醋液主要成分为酚类和酮类[34]。可用做家畜饲养场所的消毒剂、除臭剂，也可以用于农药助剂或农药，或促进作物生长的叶面肥，特别是在有机农作物中有显著效果。木醋液作为叶面肥主要作用为增进作物根部与叶片的活力，减缓老化，降低果实酸度，延长果实贮藏时间，提高风味；防治土壤与叶片上一些病虫害，促进土壤有益微生物的繁殖；增加农药效果等。

但目前而言，在全球生物质热裂解研究与开发企业中，大部分以生物能源为中心，生物炭只是其副产物，甚至将生物炭作为能源使用。近几年，随着生物炭在农用与碳减排上受到的重视，各生产企业改变生产工艺以取得更多的生物炭，目前生物炭的主要生产工艺为慢速热裂解法，产炭率仅在35%左右，其余65%为焦油、裂解气和木醋液。如果是小型农场或农户自用传统的低技术含量方法制造生物炭，产炭率甚至低于35%。因此，如果不能同时有效地将产生的焦油、裂解气和木醋液等副产品充分利用，则在农作物秸秆等剩余物热裂解制取生物炭时，可能比将秸秆还田或废弃产生更多的温室气体和有害物质。

3与秸秆直接还田对比

农作物秸秆本身含有N，P，K，Ca，Mg等大量营养元素以及Fe，Cu，Zn，Mn等微量元素，秸秆分解产生的有机酸等中间产物，使土壤中一些养分的有效性增加。秸秆直接还田还可避免氮素的挥发损失，增加作物对氮素的吸收，而且还能增加土壤中微生物有效性C的数量，极大地刺激了土壤微生物的活动[35]~[36]。秸秆还田后在土壤里分解形成有机质和腐殖质，土壤有机质能提高土壤的保水、保肥能力，秸秆分解后所形成的腐殖质使粘土变得疏松，减少耕作阻力，提了耕作质量，同时改善了土壤的通透性。秸秆直接还田还有利于改善土壤温度状况，土壤有机质增多，土壤颜色变暗，增加对热量的吸收[37]~[38]。而生物炭本身没有有机质和腐殖质，不能使土壤更为肥沃，仅能提高施用肥料的利用率与减少肥料的损失和改良土壤等。

国外十分重视采用秸秆直接还田技术培肥地力。美国在大平原土壤上每年每公顷还田秸秆和残茬为1.6~1.7t，8a后土壤有机质从1.79%提高到2.0%，秸秆还田的比不施秸秆的对照区土壤中的C，N，S，P分别增加47%，37%，45%，14%。日本把秸秆直接还田当作农业生产中的法律去执行。英国的洛桑试验站每年每公顷翻压玉米秸秆7~8t，18a后土壤有机质含量提高了2.2%~2.4%。德国波恩大学试验站研究表明，每公顷施入6.5t秸秆并补施氮肥，19a 后土壤有机质含量从1.02%增加到1.48%[39]。目前，中国约有1.2亿hm2耕地，以3t/hm2秸秆还田计算，平均每年可固定1.19亿tCO2到土壤中（按平均秸秆还田1kg，土壤碳增加约90g，相当于减少大气CO20.33kg计算）[40]，[41]。但秸秆还田固碳的同时会排放CH4气体，将部分抵消固碳减排的作用。而生物炭按每10a轮回施用生物炭1次（由于生物炭的稳定性，不需要每年或经常性施用），平均每年可固定0.52亿tCO2到土壤中[42]。

在经济性方面，按目前市场秸秆平均价150元/t计算，秸秆还田成本为225~450元/hm2。每公顷农田施加20 t生物炭大约可以减少10%的肥料施用量，按目前生物炭市场平均价1000元/t计算，秸秆还田成本为20000元/hm2。其成本远远高于秸秆还田，这也是需要我们思考的问题[43]。

4结语

在全球气候变暖、粮食短缺、化石能源枯竭、环境污染问题日益突显下，适应低碳经济发展的需要，将生物炭应用于碳减排、土壤肥力、能源资源等。生物炭的农田施用、中试与产业化生产以及增汇减排等研究已获得了一些初步成果。但是，对废弃生物质热裂解生产生物炭工艺、参数以及生物炭物理化学特性等还缺乏深入研究；对生物炭生命周期以及生物炭对全国不同区域不同作物种类的土壤改良效果还缺乏系统的、长期的研究；对生物炭与肥料复合及肥料效益改善也缺乏系统研究；同时对生物炭的碳固定及碳减排缺乏足够的实验数据支撑。因此，我们在以可再生能源2012，30（9）

前瞻性的眼光看待和加深生物炭理化特性、应用基础研究、技术开发等大规模研究利用的同时，也要反思和慎行其可能造成危害的一面，并对其进行反复试验研究和论证，充分利用生产生物炭过程中的副产品，降低生物炭的生产和应用成本，以寻求最佳的生产工艺与应用领域。

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