Карбонизация биомассы — путь к повышению плодородия земель

Все большее количество людей, предпринимателей уже задумались и далее будут решать вопрос восстановления экологической ситуации не только в каком-то отдельном регионе, но полностью во всем мире. На протяжении последних десятилетий где-то из-за нежелания вникать в суть взаимосвязи всех природных процессов, а где-то недальновидная деятельность и желание получить быструю прибыль, не задумываясь о последствиях в будущем, привели к ухудшению экологической ситуации во всем мире.
На данный момент огромные массивы сельскохозяйственных угодий из-за неправильного севооборота, перенасыщения химическими удобрениями, загрязнения экосистем отходами, отсутствие безопасного подхода в утилизации мусора, не всегда благоприятными погодными условиями полностью истощены и способны давать мизерный урожай по сравнению с предыдущими годами. К тому же большинство почв в мире не являются черноземными. Вопрос здорового питания экологически чистыми продуктами всегда остается первоочередным для выживаемости человечества и его здоровья, полноценной жизни и высокой трудоспособности.
Поэтому в последнее время биочар вызвал интерес ученых во всем мире благодаря своему потенциалу улучшать плодородие почвы и связывать углерод, а также его получение является прекрасной возможностью переработки отходов биомассы. Читайте нашу предыдущую статью на эту тему – «Почему Microsoft и Shopify делают ставку на biochar».
Использование биочар не является новой концепцией, его применение восходит к столетиям, когда его использовали для улучшения почв Амазонии, которые сохранили свою плодородность и по нынешний день. В наши дни сохранилась практика в лесоводстве с тех времен искусственного подпала определенных участков лесных земель для получения природным способом удобрения.
По своей сути биочар – это тот же древесный уголь, полученный в процессе пиролиза биомассы и богатый углеродом. Пиролиз — это процесс термохимического преобразования, при котором биомасса нагревается при высокой температуре (обычно 450-750 ° C) в отсутствие кислорода для производства энергетических продуктов, одним из которых является биочар (другие – биомасло и синтез-газ). Biochar сохраняет исходную структуру сырья, но имеет увеличенную пористость. Другими словами, биочар – этот тот же активированный уголь, который находит свое применение не только для улучшения плодородия почв, но и для очистки воды, хранения энергии, уменьшения выбросов тяжелых металлов, подстилки для животных и т. д. В последние годы представители науки занимались изучением широкого спектра возможностей применения биоугля.
Для изготовления биочар, либо другими словами – древесного угля необходимы специальные устройства карбонизации, углевыжигательные печи. Процесс начинается с подготовки сырья, очистки его от механических примесей (песок, камни и пр.) и химических, токсических веществ (согласно стандартов мировых сообществ биочар принято считать продукт, который произведен из сырья без токсических примесей). При необходимости сырье измельчают и далее по транспортеру направляют в бункер, из которого оно поступает в камеру карбонизации, в котором при высоких температурах происходит экзотермическая реакция, т.е. с высвобождением тепловой энергии. Эту энергию можно направить на предварительную сушку сырья либо на производственные нужды, обогрев помещений.

Весь процесс карбонизации состоит из следующих процессов: горение, карбонизации и охлаждения. В свою очередь процесс карбонизации имеет следующие стадии:
Этап сушки: температура достигает 160°С, влажность биомассы уменьшается путем испарения влаги, химических изменений на этом этапе не происходит.
Начальная карбонизация: температура увеличивается до 160-280°С. Биомасса разлагается, химическая структура ее начинает меняться.
Карбонизация: температура достигает 300-650°С, биомасса разлагается, высвобождается большое количество жидкости, в частности уксусная кислота, метанол, древесные смолы, которые перерабатываются в печи, не поступая в окружающую среду благодаря специальной конструкции оборудования. Кроме того, горючий газ (метан, этан) также генерируются в топке. Биомасса становится древесным углем. 90-99% углерода переходит в жидкую суспензию в виде пористых зерен угля (C6H2O) с размером пор от 8 до 20 нм. Таким образом, благодаря процессу карбонизации в итоге получается уникальный пористый продукт с площадью внутренних пор около нескольких футбольных стадионов. Такая структура полученного биочар объясняет его возможности, как фильтрующего, удерживающего внутри микроорганизмы и химические вещества, связывающего продукта.
Практически весь углерод из органической биомассы трансформируется в биоуголь. Процесс карбонизации в углевыжигательных печах GreenPower дает возможность управления содержания нелетучего углерода в биочар от 70 до 94%.
Сырье, прошедшее этап карбонизации по каналам для сырья поступает далее в бункер стабилизации и через шнековый транспортер подается на выгрузку.
После охлаждения и отсева на выходе образуется также мелкофракционный уголь, который можно прессовать в пеллеты или брикеты для барбекю с помощью Линии брикетирования.

В процессе карбонизации биомассы получают различные продукты. Температура является важнейшим показателем в этом процессе. Нагрев приводит к распаду сложных биомолекул, в результате которого образовываются новые вещества: различные газы и твердое топливо. Если температура превышает 400°C, то твердая фракция представляет собой древесный уголь, который почти на 100% состоит из углерода. А если температура находится в диапазоне 200-300°C, то твердая фракция является термообработанной массой, а сам процесс называется «торрефикацией», читайте нашу следующую статью на эту тему.

Газообразные продукты, образуемые во время карбонизации, частично могут быть сконденсированы в жидкое пиролизное масло, которое используется в дальнейшем производстве либо может стать транспортным топливом. Неконденсируемые же газы содержат в основном двуокись углерода, окись углерода, метан, водород. Эти газы и пиролизное масло можно использовать как топливо.

Высокая температура также повышает теплотворную способность топлива. Теплотворная способность древесного угля может даже превышать теплотворную способность каменного угля, поскольку древесный уголь содержит меньше золы. Теплотворная способность термообработанной древесины (торрификата), как правило, несколько выше, чем у необработанной древесины, поскольку содержание влаги значительно меньше в сравнении с исходным сырьем, что повышает плотность энергии.
В качестве сырья для производства биочар может быть использована различная органическая биомасса: отходы с/х, в том числе кукуруза, рисовая шелуха и пр., скорлупа различных орехов и косточки плодовых деревьев, дрова, дрова, отходы лесозаготовки, деревопереработки и бумажного производства,
Т.о. пиролиз может быть наиболее экономичным способом производства электроэнергии из биоматериала.

Преимущества биочар.

Биочар используют в сельском хозяйстве для повышения плодородия сухих, истощенных почв, содержащих небольшое количество перегноя. Пористость биочар способствует значительно лучшему задержанию в почве питательных веществ и воды. Многочисленные полевые опыты и испытания подтвердили его эффективность в стимулировании роста агропромышленных культур даже при незначительном поливе, что особенно актуально в засушливых регионах и при изменяющемся климате. Также именно пористая структура биочар улучшает биологию почвы и ее плодородие, задерживая на продолжительное время питательные вещества и предотвращая их вымывание, что позволяет уменьшить количество внесенных в почву удобрений. Кроме всего, биочар связывает CO2 в почве на длительный срок и тем самым обеспечивает снижение выбросов парниковых газов в атмосферу. В составе биоугля отсутствуют токсичные вещества и тяжелые металлы.

Главные свойства биочар:

В последние годы все больше внимание обращается в сторону биочар, поскольку он является перспективным удобрением, способным прекратить процесс деградации почвы и предотвратить целый ряд глобальных экономических и экологических проблем.
Благодаря активным ионам, содержащимся в биочар-удобрениях, углерод не испаряется в окружающую среду, а остается в почве на длительный срок, легко всасываясь корнями растений. Таким образом, количество парниковых газов в атмосфере сокращается, а вместе с тем снижается и угроза парникового эффекта и глобального потепления.
Повышение плодородия почв с высокими показателями урожая в ближайшей перспективе обеспечат решение проблемы голода в развивающихся странах, с последующим становлением их экономики.
Использование экологически безопасного средства для восстановления почвы способствует выведению из почвы агрессивных химических препаратов, которые вносили ранее (гербицидов, пестицидов, других ядохимикатов), которые поражают не только землю, но и угрожают здоровью человека.
Пористость биочар обеспечивает задержание питательных веществ и влаги в почве, которые являются транспортными путями для микоризы, т.е. грибницы, которая повышает урожайность обеспечивает доступ кислорода к корням растений и циркуляцию воздуха.
Улучшает состав неплодородных почв (глинозема, супесей и песчаных почв).
Сохраняет и поддерживает питательные вещества и нужные микроэлементы в почве, устраняет проблему их вымывания.

Эти специфические характеристики обуславливают многообразие способов применения биочар. Его использование в аграрной отрасли набирает новые обороты с каждым годом. Все больше предпринимателей в сельском хозяйстве обращают внимание на восстановление почвы, занимаясь поиском безопасных решений для повышения показателей урожайности.

Рынок биоугля получил значительный рост благодаря таким факторам, как более широкое применение биоугля в производстве электроэнергии, сельском хозяйстве, лесном хозяйстве и других. Растущий спрос на различные продукты в органическом сельском хозяйстве является одним из основных факторов, влияющих на рост рынка биоугля. Кроме того, ожидается, что растущее использование биоугля в процессе очистки воды станет еще одним важным фактором роста, который стимулируется спросом на водоочистные сооружения по всему миру.