本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)資源化技術(shù)領(lǐng)域及污染土壤修復(fù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種資源化利用超富集植物收獲物的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

植物修復(fù)是重金屬污染土壤修復(fù)的一種方法，經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，植物修復(fù)技術(shù)以其治理效果的永久性、治理過(guò)程的原位性、治理成本的低廉性和環(huán)境美學(xué)的兼容性等特點(diǎn)，已逐漸成為污染土壤治理的主要途徑之一，并開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期階段。在我國(guó)本土也已發(fā)現(xiàn)蜈蚣草(富集砷)、berkheyacoddii植物(富集鎳)、東南景天(富集鋅)、brassicacampestris(富集鉛或鎘)等多種超富集植物?，F(xiàn)有技術(shù)主要集中在超富集植物的篩選、螯合誘導(dǎo)修復(fù)、接種菌根強(qiáng)化、基因技術(shù)、農(nóng)藝管理和田間措施等。而關(guān)于修復(fù)重金屬污染土壤后的植物收獲物的處理及資源化技術(shù)，國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)道很少，且基本上都是簡(jiǎn)單的試驗(yàn)探索。

實(shí)現(xiàn)超富集植物收獲物地有效處理和資源化，是植物修復(fù)技術(shù)體系需要完善的一個(gè)難點(diǎn)，也是植物修復(fù)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，必須面對(duì)和迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。這是由于積累了大量重金屬的植物往往會(huì)通過(guò)腐爛、落葉等途徑使重金屬元素重返土壤，因此必須在植物落葉等途徑使重金屬元素重返土壤，因此必須在植物落葉前收割植株體，并將其及時(shí)無(wú)害化處理。

現(xiàn)有的超富集植物收獲物的處理方法要么不能有效的處理重金屬，要么不能實(shí)現(xiàn)超富集植物收獲物的資源化利用，迫切的需要提供一種環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益共贏的處理方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明首先提供了一種資源化利用超富集植物收獲物的系統(tǒng)，包括：

烘干裝置，設(shè)有烘干原料入口、高溫?zé)煔馊肟诤秃娓闪铣隹冢?/p>

熱解裝置，設(shè)有熱解原料入口、可燃?xì)馊肟?、熱解炭出口和高溫油氣出口，所述熱解原料入口與所述烘干裝置的烘干料出口相連；

浸出裝置，設(shè)有浸出劑入口、熱解炭入口、生物炭出口和浸出液出口，所述熱解炭入口與所述熱解裝置的熱解炭出口相連；

凈化裝置，設(shè)有鋅粉入口、浸出液入口和凈化液出口，所述浸出液入口與所述浸出裝置的浸出液出口相連；

電化學(xué)沉積裝置，設(shè)有凈化液入口、重金屬出口和電積廢液出口，所述凈化液入口與所述凈化裝置的凈化液出口相連；

直燃鍋爐，設(shè)有高溫油氣入口、水入口、高溫?zé)煔獬隹诤瓦^(guò)熱蒸汽出口，所述高溫油氣入口與所述熱解裝置的高溫油氣出口相連，所述高溫?zé)煔獬隹谂c所述烘干裝置的高溫?zé)煔馊肟谙噙B。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還包括：

汽輪機(jī)，設(shè)有過(guò)熱蒸汽入口、冷凝水出口和發(fā)電機(jī)組，所述過(guò)熱蒸汽入口與所述余熱鍋爐的過(guò)熱蒸汽出口相連。

進(jìn)一步地，所述浸出裝置還設(shè)有氨水入口，所述電化學(xué)沉積裝置的電積廢液出口與所述浸出裝置的浸出劑入口相連。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還包括：

粉碎裝置，設(shè)有粉碎原料入口和粉碎料出口，所述粉碎原料入口與所述烘干裝置的烘干料出口相連；

壓塊裝置，設(shè)有壓塊原料入口和料包出口，所述壓塊原料入口與所述粉碎裝置的粉碎料出口相連，所述料包出口與所述熱解裝置的熱解原料入口相連。

進(jìn)一步地，所述電化學(xué)沉積裝置的陽(yáng)極材料為鋁板或不銹鋼板，陰極材料為高純石墨、涂釕鈦板、硼化鈦板、碳化鈦或硼化鋯。

本發(fā)明還提供了一種采用上述系統(tǒng)資源化利用超富集植物收獲物的方法，包括如下步驟：

準(zhǔn)備超富集植物收獲物；

將所述超富集植物收獲物送入所述烘干裝置中進(jìn)行干燥、成型；

將烘干后的所述超富集植物收獲物送入所述熱解裝置中進(jìn)行熱解，獲得熱解炭、高溫油氣；

將所述熱解炭送入所述浸出裝置，用(nh4)2co3-nh3-h2o體系將所述熱解炭中的重金屬浸出，獲得浸出液和生物炭；

將所述浸出液送入所述凈化裝置，用鋅粉置換所述浸出液中的雜質(zhì)元素，獲得凈化液；

將所述凈化液送入所述電化學(xué)沉積裝置進(jìn)行電化學(xué)沉積，獲得重金屬；

將所述高溫油氣送入所述直燃鍋爐進(jìn)行燃燒，所述直燃鍋爐內(nèi)的水變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽，并獲得高溫?zé)煔猓?/p>

將所述高溫?zé)煔馑腿胨龊娓裳b置中用于干燥所述超富集植物收獲物。

進(jìn)一步地，上述方法還包括如下步驟：將所述過(guò)熱蒸汽用于發(fā)電。

進(jìn)一步地，所述凈化液在所述電化學(xué)沉積裝置進(jìn)行電化學(xué)沉積后，還會(huì)產(chǎn)生電積廢液，將所述電積廢液送入所述浸出裝置中，并加入氨水，用于浸出重金屬。

進(jìn)一步地，所述超富集植物收獲物的熱解溫度為400-700℃，熱解時(shí)間為30-60min，熱解結(jié)束后保溫20-45min。

進(jìn)一步地，所述(nh4)2co3-nh3-h2o體系中，[nh4]⁺的濃度為2-10mol/l，氨水的濃度為1-6mol/l；浸出步驟的固液比為2:1-5:1，浸出時(shí)間為30-300min，浸出溫度為30-50℃。

本發(fā)明將超富集植物收獲物進(jìn)行熱解，并對(duì)重金屬和熱解油氣進(jìn)行了進(jìn)一步地處理，既解決了重金屬的污染問(wèn)題，又可以提供金屬和過(guò)熱蒸汽等有價(jià)資源，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的一種資源化利用超富集植物收獲物的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的一種資源化利用超富集植物收獲物的工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更加詳細(xì)的說(shuō)明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案以及其各個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。然而，以下描述的具體實(shí)施方式和實(shí)施例僅是說(shuō)明的目的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1所示，本發(fā)明提供的資源化利用超富集植物收獲物的系統(tǒng)包括烘干裝置1、粉碎裝置2、壓塊裝置3、熱解裝置4、浸出裝置5、凈化裝置6、電化學(xué)沉積裝置7、直燃鍋爐8和汽輪機(jī)9。

烘干裝置1用于干燥超富集植物收獲物，有助于超富集植物收獲物在熱解裝置4中更好的被熱解。烘干裝置1設(shè)有烘干原料入口、高溫?zé)煔馊肟诤秃娓闪铣隹凇?/p>

粉碎裝置2用于破碎超富集植物收獲物，設(shè)有粉碎原料入口和粉碎料出口，粉碎原料入口與烘干裝置1的烘干料出口相連。

壓塊裝置3用于將破碎后的破碎超富集植物收獲物壓成料包，以便更好的送入熱解裝置4。壓塊裝置3設(shè)有壓塊原料入口和料包出口，壓塊原料入口與粉碎裝置2的粉碎料出口相連。

熱解裝置4用于熱解超富集植物收獲物。熱解裝置4設(shè)有熱解原料入口、可燃?xì)馊肟凇峤馓砍隹诤透邷赜蜌獬隹?，熱解原料入口與壓塊裝置3的料包出口相連。

浸出裝置5用于將重金屬?gòu)臒峤馓恐薪?。浸出裝置設(shè)有浸出劑入口、熱解炭入口、氨水入口、生物炭出口和浸出液出口，熱解炭入口與熱解裝置4的熱解炭出口相連。

凈化裝置6用鋅粉置換浸出液中的雜質(zhì)元素，獲得凈化液。凈化裝置6設(shè)有鋅粉入口、浸出液入口和凈化液出口，浸出液入口與浸出裝置5的浸出液出口相連。

電化學(xué)沉積裝置7用于進(jìn)行電化學(xué)沉積反應(yīng)，使重金屬?gòu)膬艋褐忻摮?。電化學(xué)沉積裝置7設(shè)有凈化液入口、重金屬出口和電積廢液出口，凈化液入口與凈化裝置6的凈化液出口相連，電積廢液出口與浸出裝置5的浸出劑入口相連。

直燃鍋爐8用于燃燒高溫油氣，產(chǎn)生的熱量與水換熱制備過(guò)熱蒸汽，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诤娓裳b置1干燥超富集植物收獲物。直燃鍋爐8設(shè)有高溫油氣入口、水入口、高溫?zé)煔獬隹诤瓦^(guò)熱蒸汽出口，所述高溫油氣入口與熱解裝置4的高溫油氣出口相連，高溫?zé)煔獬隹谂c烘干裝置1的高溫?zé)煔馊肟谙噙B。

汽輪機(jī)9用于蒸汽發(fā)電。汽輪機(jī)9設(shè)有過(guò)熱蒸汽入口、冷凝水出口和發(fā)電機(jī)組，過(guò)熱蒸汽入口與余熱鍋爐8的過(guò)熱蒸汽出口相連。

本發(fā)明將超富集植物收獲物進(jìn)行熱解，并對(duì)重金屬和熱解油氣進(jìn)行了進(jìn)一步地處理，既解決了重金屬的污染問(wèn)題，又可以提供金屬和過(guò)熱蒸汽等有價(jià)資源，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

本發(fā)明使用的熱解裝置為熱載體蓄熱式旋轉(zhuǎn)床，熱效率高，達(dá)到86％以上。熱解裝置內(nèi)為高溫絕氧環(huán)境，熱解揮發(fā)氣與高溫?zé)煔飧艚^，避免了二次污染。熱解過(guò)程中物料相對(duì)料床靜止，不受壓，不翻動(dòng)，輻射管內(nèi)流體與反應(yīng)爐膛完全隔離，避免了產(chǎn)生飛灰的問(wèn)題。

圖1所示的系統(tǒng)中，過(guò)熱蒸汽用于發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。在本發(fā)明其他的實(shí)施例中，過(guò)熱蒸汽也可另做他用。

圖1所示的系統(tǒng)中，電積廢液補(bǔ)充氨后，再用于浸出重金屬，不僅解決了電積廢液處理難的問(wèn)題，還節(jié)約了浸出劑，降低了生產(chǎn)成本。在本發(fā)明其他的實(shí)施例中，電積廢液也可處理后排出系統(tǒng)。

圖1所示的系統(tǒng)中，超富集植物收獲物干燥后，經(jīng)過(guò)粉碎和壓塊后再進(jìn)行熱解。顯然，超富集植物收獲物也可不經(jīng)粉碎和壓塊，干燥后直接進(jìn)行熱解。

在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，電化學(xué)沉積裝置的陽(yáng)極材料為鋁板或不銹鋼板，陰極材料為高純石墨、涂釕鈦板、硼化鈦板、碳化鈦或硼化鋯。高純石墨、涂釕鈦板、硼化鈦板、碳化鈦和硼化鋯是惰性金屬，得到的電積金屬質(zhì)量好，而且也不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

如圖2所示，本發(fā)明提供的采用上述系統(tǒng)資源化利用超富集植物收獲物的方法，包括如下步驟：

準(zhǔn)備超富集植物收獲物；

將超富集植物收獲物依次送入烘干裝置1、粉碎裝置2和壓塊裝置3中進(jìn)行干燥、破碎和壓塊；

將壓塊后的超富集植物收獲物送入熱解裝置4中進(jìn)行熱解，獲得熱解炭、高溫油氣；

將熱解炭送入浸出裝置5，用(nh4)2co3-nh3-h2o體系將熱解炭中的重金屬浸出，獲得浸出液和生物炭；

將浸出液送入凈化裝置6，用鋅粉置換浸出液中的雜質(zhì)元素，獲得凈化液；

將凈化液送入電化學(xué)沉積裝置7進(jìn)行電化學(xué)沉積，獲得重金屬和電積廢液；

將電積廢液送入浸出裝置5中，并加入氨水，再次用于浸出重金屬；

將高溫油氣送入直燃鍋爐8進(jìn)行燃燒，直燃鍋爐內(nèi)的水變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽，并獲得高溫?zé)煔猓?/p>

將過(guò)熱蒸汽送入汽輪機(jī)9中發(fā)電；

將高溫?zé)煔馑腿牒娓裳b置1中用于干燥超富集植物收獲物。

采用本發(fā)明提供的方法處理超富集植物收獲物，重金屬回收率高。

同前所述，過(guò)熱蒸汽也可另做他用。

同前所述，電積廢液也可處理后排出系統(tǒng)。

同前所述，超富集植物收獲物也可不經(jīng)粉碎和壓塊，干燥后直接進(jìn)行熱解。優(yōu)選地，超富集植物收獲物烘干至含水量為20wt％(重量百分比)左右，然后粉碎至10cm左右，再壓成堆密度為0.2-0.4t/m³的料包。

熱解溫度過(guò)低、時(shí)間過(guò)短，超富集植物收獲物不能被熱解完全；熱解溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，增加了系統(tǒng)的能耗。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，超富集植物收獲物在熱解爐中的熱解溫度為400-700℃，熱解時(shí)間為30-60min。超富集植物收獲物熱解后最好再保溫一段時(shí)間，能夠使其熱解更充分。優(yōu)選地，熱解結(jié)束后保溫20-45min。

本發(fā)明采用(nh4)2co3-nh3-h2o體系浸出重金屬。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，(nh4)2co3-nh3-h2o體系中，[nh4]⁺的濃度為2-10mol/l，氨水的濃度為1-6mol/l。在此條件下，浸出步驟的固液比優(yōu)選為2:1-5:1，浸出時(shí)間優(yōu)選為30-300min，浸出溫度優(yōu)選為30-50℃。

下面參考具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。下述實(shí)施例中所取工藝條件數(shù)值均為示例性的，其可取數(shù)值范圍如前述發(fā)明內(nèi)容中所示。下述實(shí)施例所用的檢測(cè)方法均為本行業(yè)常規(guī)的檢測(cè)方法。

實(shí)施例1

本實(shí)施例采用圖1所示的系統(tǒng)和圖2所示的工藝流程資源化利用超富集植物收獲物。本實(shí)施例所用的超富集植物收獲物為紫苜蓿，原料含水率為42.7wt％，鉛的濃度為694mg/kg(干物質(zhì)重)。具體如下：

11)將1t(噸)紫苜蓿原料送入烘干機(jī)1，烘干溫度為80℃，烘干至水分含量為25.2wt％，而后送入粉碎機(jī)2粉碎至10cm左右，并送入壓塊機(jī)3進(jìn)行壓塊，料包的堆密度為0.3t/m³。

12)將壓塊后的紫苜蓿送入蓄熱式旋轉(zhuǎn)床熱解裝置4，其中熱解溫度為600℃，熱解時(shí)間為50min，熱解結(jié)束后保溫30min，獲得熱解炭和高溫油氣。

13)將產(chǎn)生的熱解炭輸送至浸出裝置5，采用(nh4)2co3-nh3-h2o體系浸出，獲得浸出液和生物炭。[nh4]⁺的濃度為2mol/l，氨水的濃度為1mol/l；浸出步驟的固液比為2:1，浸出時(shí)間為300min，浸出溫度為50℃。

14)將浸出液送入凈化裝置6，用鋅粉置換浸出液中的雜質(zhì)元素，獲得凈化液。

15)將凈化液送入電化學(xué)沉積裝置7進(jìn)行電化學(xué)沉積，獲得重金屬。電化學(xué)沉積裝置的陽(yáng)極材料為不銹鋼板，陰極材料為高純石墨。電化學(xué)沉積過(guò)程中的電流效率為92％。

16)將高溫油氣送入直燃鍋爐8進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的熱量與水換熱制備過(guò)熱蒸汽。過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)9發(fā)電，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馑腿牒娓蓹C(jī)1中干燥紫苜蓿。

本實(shí)施例回收的鉛為0.29kg，回收率約為73％，發(fā)電307kwh。

實(shí)施例2

本實(shí)施例采用圖1所示的系統(tǒng)和圖2所示的工藝流程資源化利用超富集植物收獲物。本實(shí)施例所用的超富集植物收獲物為蜈蚣草，原料含水率為50.6wt％，砷的濃度為2645mg/kg(干物質(zhì)重)。具體如下：

21)將1t蜈蚣草原料送入烘干機(jī)1，烘干溫度為110℃，烘干至水分含量為22.5wt％，而后送入粉碎機(jī)2粉碎至10cm左右，并送入壓塊機(jī)3進(jìn)行壓塊，料包的堆密度為0.4t/m³。

22)將壓塊后的蜈蚣草送入蓄熱式旋轉(zhuǎn)床熱解裝置4，其中熱解溫度為400℃，熱解時(shí)間為60min，熱解結(jié)束后保溫45min，獲得熱解炭和高溫油氣。

23)將產(chǎn)生的熱解炭輸送至浸出裝置5，采用(nh4)2co3-nh3-h2o體系浸出，獲得浸出液和生物炭。[nh4]⁺的濃度為6mol/l，氨水的濃度為4mol/l；浸出步驟的固液比為3:1，浸出時(shí)間為60min，浸出溫度為30℃。

24)將浸出液送入凈化裝置6，用鋅粉置換浸出液中的雜質(zhì)元素，獲得凈化液。

25)將凈化液送入電化學(xué)沉積裝置7進(jìn)行電化學(xué)沉積，獲得重金屬。電化學(xué)沉積裝置的陽(yáng)極材料為不銹鋼板，陰極材料為涂釕鈦板。電化學(xué)沉積過(guò)程中的電流效率為93％。

26)將高溫油氣送入直燃鍋爐8進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的熱量與水換熱制備過(guò)熱蒸汽。過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)9發(fā)電，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馑腿牒娓蓹C(jī)1中干燥蜈蚣草。

本實(shí)施例回收的砷為1.06kg，回收率約為81％，發(fā)電389kwh。

實(shí)施例3

本實(shí)施例采用圖1所示的系統(tǒng)和圖2所示的工藝流程資源化利用超富集植物收獲物。本實(shí)施例所用的超富集植物收獲物為紫苜蓿，原料含水率為45.7wt％，鉛的濃度為726mg/kg(干物質(zhì)重)。具體如下：

31)將1t(噸)紫苜蓿原料送入烘干機(jī)1，烘干溫度為95℃，烘干至水分含量為22.5wt％，而后送入粉碎機(jī)2粉碎至10cm左右，并送入壓塊機(jī)3進(jìn)行壓塊，料包的堆密度為0.2t/m³。

32)將壓塊后的紫苜蓿送入蓄熱式旋轉(zhuǎn)床熱解裝置4，其中熱解溫度為700℃，熱解時(shí)間為30min，熱解結(jié)束后保溫20min，獲得熱解炭和高溫油氣。

33)將產(chǎn)生的熱解炭輸送至浸出裝置5，采用(nh4)2co3-nh3-h2o體系浸出，獲得浸出液和生物炭。[nh4]⁺的濃度為10mol/l，氨水的濃度為6mol/l；浸出步驟的固液比為5:1，浸出時(shí)間為30min，浸出溫度為40℃。

34)將浸出液送入凈化裝置6，用鋅粉置換浸出液中的雜質(zhì)元素，獲得凈化液。

35)將凈化液送入電化學(xué)沉積裝置7進(jìn)行電化學(xué)沉積，獲得重金屬。電化學(xué)沉積裝置的陽(yáng)極材料為鋁板，陰極材料為碳化鈦。電化學(xué)沉積過(guò)程中的電流效率為94％。

36)將高溫油氣送入直燃鍋爐8進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的熱量與水換熱制備過(guò)熱蒸汽。過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)9發(fā)電，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馑腿牒娓蓹C(jī)1中干燥紫苜蓿。

本實(shí)施例回收的鉛為0.307kg，回收率約為78％，發(fā)電321kwh。

從上述實(shí)施例可知，采用本發(fā)明提供的工藝處理超富集植物收獲物，重金屬回收率高且無(wú)二次污染。

綜上，本發(fā)明將超富集植物收獲物進(jìn)行熱解，并對(duì)重金屬和熱解油氣進(jìn)行了進(jìn)一步地處理，既解決了重金屬的污染問(wèn)題，又可以提供金屬和過(guò)熱蒸汽等有價(jià)資源，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

進(jìn)一步地，本發(fā)明將熱解油氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诟稍锍患参锸斋@物，實(shí)現(xiàn)了熱量的大部分回收利用，降低了工藝成本。

此外，本發(fā)明使用的熱解裝置為熱載體蓄熱式旋轉(zhuǎn)床，熱效率高，達(dá)到86％以上。熱解裝置內(nèi)為高溫絕氧環(huán)境，熱解揮發(fā)氣與高溫?zé)煔飧艚^，避免了二次污染。熱解過(guò)程中物料相對(duì)料床靜止，不受壓，不翻動(dòng)，輻射管內(nèi)流體與反應(yīng)爐膛完全隔離，避免了產(chǎn)生飛灰的問(wèn)題。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。