專利名稱：:通過(guò)聯(lián)合產(chǎn)生氫、鏊合碳并利用含二氧化碳的廢氣制成的土壤改良劑的生產(chǎn)和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種富氮的碳基肥料和土壤改良劑的生產(chǎn)和用途，該肥料和土壤改良劑在熱解轉(zhuǎn)化含碳材料產(chǎn)生木炭的過(guò)程中用所述木炭與氨、二氧化碳、水和其它煙道氣排放物中常見(jiàn)的成分反應(yīng)制成。本發(fā)明還涉及對(duì)這種木炭的礦物質(zhì)和植物營(yíng)養(yǎng)素進(jìn)行優(yōu)化以生產(chǎn)和使用該組合材料作為土壤改良劑和肥料。本發(fā)明還涉及使用這種材料作為一種在土壤中經(jīng)濟(jì)地儲(chǔ)存碳和捕集的溫室氣體的方法。
背景技術(shù)：
：日益增加的人類產(chǎn)生的CO2排放和可能的全球變暖已經(jīng)促使美國(guó)和其它國(guó)家去發(fā)現(xiàn)新的和更好的方法以滿足世界日益增長(zhǎng)的能源需要，并同時(shí)降低溫室氣體的排放。最近的證據(jù)表明冰川的融化、淡水流入海洋和北極冰層變薄很可能是全球變暖的結(jié)果。國(guó)家科學(xué)院(TheNationalAcademyofSciences)在2002年題為“RapidClimateChange”的報(bào)告中，對(duì)全球氣候過(guò)去短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的變化給出了詳細(xì)的證據(jù)。由于全球變暖的確鑿證據(jù)，各國(guó)通過(guò)達(dá)成的協(xié)議共同致力于合作降低溫室氣體排放可能造成的影響，最著名的是京都議定書(KyotoAgreement)。該議定書由目前全球大多數(shù)國(guó)家簽署，試圖限制溫室氣體的排放在1990年的水平。但很多人呼吁做更大的降低。在2003年2月24日，托尼布萊爾(TonyBlair)首相，美國(guó)的最親密盟友之一，在一次演講中說(shuō)道，“顯然京都議定書不解決根本問(wèn)題”，和“根據(jù)進(jìn)一步的研究和證據(jù)，我們現(xiàn)在知道，要進(jìn)一步阻止對(duì)氣候的破壞，全球需要降低60％”。這一數(shù)字代表著數(shù)萬(wàn)億美元通過(guò)商業(yè)排放產(chǎn)生的貨物、服務(wù)和電子存在這一數(shù)字的收入降低風(fēng)險(xiǎn)和損失。但證據(jù)非常確鑿，的確需要迅速采取措施，并且最快地實(shí)現(xiàn)部分全球方案是使經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)同發(fā)展，降低風(fēng)險(xiǎn)和潛在的損失。為全球商業(yè)界穩(wěn)定潛在的收入、建立可持續(xù)生長(zhǎng)食物的方法、以及有助于滿足經(jīng)濟(jì)地開(kāi)發(fā)社會(huì)能源需要的方案將會(huì)比一味查封得不到任何相應(yīng)價(jià)值的方案遇到更少的抵制。人類面臨的挑戰(zhàn)是怎樣明顯減少不可恢復(fù)的溫室氣體的排放。應(yīng)用重新造林是一種方法，但這一方法的局限是森林和生物質(zhì)利用現(xiàn)有的土壤營(yíng)養(yǎng)，首要的是氮。Duke大學(xué)環(huán)境和地球科學(xué)Nicholas學(xué)院院長(zhǎng)WilliamSchlesinger在2001年提到“但森林儲(chǔ)存碳的速率隨其成熟而下降，所以重新造林計(jì)劃可以賴以長(zhǎng)期持續(xù)鏊合(sequester)碳的唯一方法是，它們是否轉(zhuǎn)化為能產(chǎn)生工業(yè)用生物質(zhì)燃料的計(jì)劃，也就是說(shuō)，我們必須用生物質(zhì)能源代替化石燃料。這將要求地球上所有曾經(jīng)被森林覆蓋的土地，包括現(xiàn)在用于農(nóng)業(yè)或被市區(qū)覆蓋的土地重新造林，以儲(chǔ)存6PgC/yr一每年化石燃料燃燒的排放的量”(Vitousek1991)。為了滿足這些日益增長(zhǎng)的需要，已提議和正在研究的很多方法通過(guò)造肥和吸收二氧化碳(US6,200,530)和通過(guò)向海洋泵入CO2(US6,598,407)在海洋中螯合碳。其它方法例如注入煤層或地下儲(chǔ)存層也在積極的研究中。除了CO2被用于增強(qiáng)油的回收的特定領(lǐng)域，所有這些方法都代表著花費(fèi)。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多方法用于從化石燃料排放的煙道氣中除去其它溫室氣體和空氣污染物例如氮氧化物和硫氧化物。這些方法中一部分產(chǎn)生副產(chǎn)品肥料，這些肥料利用所述材料形成盈利中心。支持這一方法的一些相關(guān)專利在此討論以作為背景材料。US5,624,649提到一種生成硫酸鉀同時(shí)從煙道氣中除去二氧化硫的方法。US6,605,263描述了在同一過(guò)程中生成硫酸銨的方法。US4,540,554描述了使用鉀化合物產(chǎn)生碳酸鉀肥料同時(shí)凈化硫氧化物和氮氧化物的方法。US4,028,087描述了由集塵室酸渣氨鹽生產(chǎn)肥料。US5,695,616描述通過(guò)使用電子束和氨產(chǎn)生硫酸銨和硝酸銨。在US6,363,869中，使用氫氧化鉀由煙道氣生成硝酸鉀和硫酸鉀。捕集合硫和氮?dú)怏w并將其轉(zhuǎn)化為肥料的確非常有益。它們產(chǎn)生有效的溫室氣體，但與二氧化碳的影響相比很小。但作為肥料，它們能增加植物增長(zhǎng)并有助于增加自然鏊合。在大氣中碳的量已經(jīng)增長(zhǎng)和正在增長(zhǎng)意味著最直接的方法是通過(guò)在長(zhǎng)期應(yīng)用中捕集和利用碳和碳化合物直接減少二氧化碳的儲(chǔ)量。捕集碳并產(chǎn)生價(jià)值增加的碳基肥料/土壤改良劑將有助于與生物質(zhì)鏊合相關(guān)的問(wèn)題。它有助于恢復(fù)侵略性收獲所除去的營(yíng)養(yǎng)素，并提供給植物必需的營(yíng)養(yǎng)素使得它們利用大氣中更多的CO2。這也是幾種現(xiàn)存的分配渠道之一(即農(nóng)場(chǎng)/農(nóng)業(yè)化學(xué)工業(yè))，花錢利用該渠道向全球農(nóng)場(chǎng)移去數(shù)百萬(wàn)噸自然和合成化合物。但最快的采用是與利潤(rùn)和收入相伴的。因此，同我們現(xiàn)在能達(dá)到的相比，這一方法應(yīng)生產(chǎn)更多的食物、纖維和能量，并且應(yīng)該持續(xù)進(jìn)行數(shù)千年而不會(huì)使環(huán)境退化。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)實(shí)踐例如開(kāi)荒和耕地已經(jīng)引起土地退化、土壤有機(jī)碳(SOC)的礦化，并隨后作為排放到大氣中的二氧化碳(CO2)而損失SOC(Laletal.，1998；Haoetal.，2001)。這些活動(dòng)已經(jīng)降低了土壤大量生長(zhǎng)植物生命的自然能力。另外，土壤中痕量礦物質(zhì)的缺乏正影響我們生態(tài)圈的健康，并使人類處于依靠越來(lái)越小的元素窗來(lái)支撐增長(zhǎng)的世界人口的物種的危險(xiǎn)。元素多樣性的減少在將來(lái)對(duì)我們物種的健康和發(fā)展具有長(zhǎng)期的影響。使用基于碳的肥料以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期儲(chǔ)碳和除去大氣二氧化碳要求這種碳必須是穩(wěn)定的和或在土壤中轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定材料。地球上有一種碳能滿足這些要求。這種碳就是木炭，木炭占土壤較大的百分比。在5個(gè)代表性土壤試樣中，USDA土壤科學(xué)家DonReicosky報(bào)告達(dá)35％的土壤碳由木炭組成。令人興奮的是不僅在土壤中發(fā)現(xiàn)大量的木炭，而且這提供了重要的價(jià)值。歷史上使用木炭作為土壤改良劑的報(bào)道可追溯到2000多年前的亞馬遜雨林(Glaser，1999)。據(jù)稱通過(guò)加入木炭克服低品質(zhì)土壤的土著人創(chuàng)造了人造場(chǎng)地，被稱為“TerraPreta”(黑色污泥)。這些場(chǎng)地有他們破損的陶器和其它人類占有的標(biāo)志，并且在一千年后的今天很有價(jià)值，因?yàn)樗鼈兂^(guò)非人工土壤3倍(Mann，2002)。增加農(nóng)作物產(chǎn)量的能力并不只是適用于舊木炭。Steiner(未發(fā)表)用當(dāng)?shù)毓?yīng)者提供的新鮮木炭在巴西再造TerraPreta，并報(bào)告說(shuō)比只是施肥增加生物質(zhì)達(dá)280％。他的農(nóng)作物產(chǎn)量甚至更高。Glaser(1999)報(bào)道添加木炭水稻產(chǎn)量比對(duì)照物增加17％。Hoshi報(bào)道通過(guò)添加竹碳，植物的高度和體積比對(duì)照物增加20-40％，竹碳優(yōu)化值為每年每平方米100g(或每公頃1噸或890磅/英畝)。Nishio研究使用樹(shù)皮制造的工業(yè)木炭，發(fā)現(xiàn)紫花蓿苜的生長(zhǎng)比只是施肥增加1.7-1.9倍。土壤木炭改良劑與農(nóng)作物反應(yīng)的關(guān)系木炭是一種鏊合形式碳，不會(huì)迅速分解和將CO2返還到大氣中。它非常耐微生物分解。(Glaser1999；Glaseretal.，2001a)。研究發(fā)現(xiàn)TerraPreta土壤含有比周圍土壤高70倍的熱解C(木炭)。該假說(shuō)認(rèn)為木炭在土壤中存留數(shù)個(gè)世紀(jì)是由于其芳族結(jié)構(gòu)造成的化學(xué)穩(wěn)定性。(Glaseretal.，2002)該材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)耐微生物降解(Goldberg1985；Schmidtetal.，1999；Seiler和Crutzen1980)。G1aser用14C測(cè)定法證實(shí)土壤木炭的年代有1,000-2,000年，從而證實(shí)了該穩(wěn)定性。(Glaseretal.，2000)。其它報(bào)告證明甚至在高度風(fēng)化的環(huán)境中也能發(fā)現(xiàn)木炭，碳年代測(cè)定回溯到幾千年前。(Gavin，2002；Saldarriagaetal.1986)。木炭具有獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性，假如被優(yōu)化，作為土壤改良劑可以提供明顯的價(jià)值。其開(kāi)放的多孔結(jié)構(gòu)易吸附許多天然化合物。這一特性使得木炭起到天然海綿的作用。在農(nóng)作物耕作中，施用的營(yíng)養(yǎng)素易流失到一年生農(nóng)作物的根區(qū)之下(Cahnetal.，1993；Melgaretal.，1992)。但木炭可以吸附和保留營(yíng)養(yǎng)素處于植物生根層位并減少流失。(Lehmann，2000)。木炭也起到增加土壤持水容量以及增加陽(yáng)離子交換容量的作用。(Glaser，1999)。在TerraPreta的土壤中，證據(jù)表明這些特性不隨時(shí)間明顯減小，因此持續(xù)產(chǎn)生新的交換位點(diǎn)，只是比較緩慢而已。但木炭在環(huán)境條件下會(huì)通過(guò)元素C非生物氧化成CO2而分解，這一過(guò)程極其緩慢(Shneour1966)。已知罐頭(can)真菌和細(xì)菌能降解低級(jí)碳例如褐煤(Fakoussa和Hofrichter1999)。已經(jīng)證明(Hofrichteretal.，1999)胞外過(guò)氧化錳酶是一種能夠降解褐煤大分子片段的木腐和葉腐擔(dān)子菌的酶。分解的結(jié)果是，生成活性產(chǎn)品例如苯氧基、過(guò)氧基和C-中心基，隨后進(jìn)行非酶反應(yīng)引起共價(jià)鍵分裂，包括芳環(huán)的分裂(Glaseretal.，2002)。木炭具有形成有機(jī)-礦物質(zhì)復(fù)合物的潛力(Maetal.，1979)，在TerraPreta土壤中已發(fā)現(xiàn)該復(fù)合物(Galseretal.，2000)。該假定是緩慢氧化(生物的和/或非生物的)在木炭芳族骨架的邊緣形成羧基，可能造成有機(jī)-礦物質(zhì)復(fù)合物的形成和CEC持續(xù)增加(Glaser1999；Glaseretal.，2000，2001a)。從碳鏊合的角度，這就意味著不能持久除去碳，但從土壤改良的有利點(diǎn)看，它現(xiàn)在和將來(lái)均具有持續(xù)為土壤增值的價(jià)值，就象加到TerraPreta土壤的木炭過(guò)去幾千年所做到的那樣。開(kāi)孔結(jié)構(gòu)能提供給必需共生的微生物群落遠(yuǎn)離動(dòng)物掠食者的避難所(Pietkien，Zackrissonetal.，1996)。在她的研究中，調(diào)查了在森林大火后能在地面重新增加數(shù)量的微生物群落。在實(shí)驗(yàn)中她準(zhǔn)備了四種吸附劑浮石(Pum)、活性炭(ActC)、由Empetrumnigrum細(xì)枝制成的木炭(EmpCh)和由腐殖質(zhì)制成的木炭*(*在450℃下熱解)。用25克上述吸附劑覆蓋在25克未處理的腐殖質(zhì)微縮環(huán)境上，并定期用含170mgl-1葡萄糖的垃圾提取物潤(rùn)濕，該葡萄糖包括在有機(jī)碳的總濃度(730mgl-1)中。吸附劑以不同的親和力結(jié)合有機(jī)化合物；吸附能力按如下順序增加Pum＜HuCh＜EmpCh＜ActC。經(jīng)一個(gè)月的培育，在吸附劑中微生物生物質(zhì)大小遵循以下順序EmpCh＞HuCh＞ActC＞Pum(V，圖1)。用基礎(chǔ)呼吸和細(xì)菌生長(zhǎng)速率測(cè)定的活性，在EmpCh和HuCh中比ActC或Pum中高。在她的分析中，她觀察到微生物將自身貼附到木炭顆粒上，優(yōu)先降解吸附的基質(zhì)，就象用生物活化的碳床一樣(DeLaatetal.1985，Kimetal.，1997)。她的結(jié)論是當(dāng)用富含基質(zhì)的垃圾提取物潤(rùn)濕時(shí)燃燒形成的木炭能支持微生物群落。不能低估土壤肥度的重要性和繁榮共生微生物群落的需求。盡管我們不理解其功能，但數(shù)百萬(wàn)種真菌、細(xì)菌和其它微生物代表地球上所有物種的15％以上。從其固氮到提供植物防護(hù)的作用，在地下的這些生命代表著與成千上萬(wàn)交互作用的物種共存的生態(tài)系統(tǒng)。(Hanksworthetal.，1992；Trüper1992)。碳基肥料的開(kāi)發(fā)應(yīng)有助于土壤微生物的活性。在生產(chǎn)木炭時(shí)，揮發(fā)性的有機(jī)物在溫度升高過(guò)程放出。在280-450℃這一放熱過(guò)程能在缺氧環(huán)境中持續(xù)，如木炭生產(chǎn)領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的那樣。這些氣體(Runkel和Wilke，1951)在移經(jīng)碳化材料時(shí)，與形成較短和較長(zhǎng)鏈分子的其它分子一起蒸餾出。較長(zhǎng)鏈的分子有較高的露點(diǎn)。這些新化合物然后就凝結(jié)形成顆粒內(nèi)的冷凝物。在放熱階段持續(xù)提高溫度，從而在蒸氣相分子離開(kāi)木炭顆粒前多次重復(fù)這一過(guò)程。在加壓和隨后的高露點(diǎn)下，這些化合物將作為額外木炭保留(US5,551,958)。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查(USGeologicalSurvey)(Michel，1999)證明了木炭熱解的冷凝物提供微生物活性的營(yíng)養(yǎng)素來(lái)源的證據(jù)。在低于最高露點(diǎn)的溫度下，特定的化合物將必然冷凝。要驅(qū)出這些殘留分子需要較高的溫度，如制造活性碳領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的那樣，當(dāng)木炭暫停在較低的溫度時(shí)，這些化合物就保留下來(lái)。這些證據(jù)支持Pitikein的結(jié)果，即燒焦的木材由于不完全燃燒和存在的營(yíng)養(yǎng)源更好地起到微生物群落寄住地的作用。也可能存在目前未知的其它因素。熱解領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的是，超過(guò)425℃的熱解，管道和反應(yīng)器不會(huì)沉積焦油。通過(guò)在近似這一數(shù)值下將木炭從其受熱環(huán)境中移出，就可讓一定量的揮發(fā)性有機(jī)物保留在木炭中，但仍將該材料轉(zhuǎn)化成碳的穩(wěn)定狀態(tài)。大多數(shù)將轉(zhuǎn)化成多核芳族和雜芳族環(huán)系統(tǒng)作為結(jié)構(gòu)單元。這已經(jīng)表現(xiàn)在提供給木炭化學(xué)和微生物耐受性(Haumaier和Zech1995；Glaseretal.1998)，但不是完全免疫性。在優(yōu)化木炭生產(chǎn)用于土壤改良方面發(fā)表的工作有限。Glaser、Lehmann和Zech在BiologyandFertilityofSoils，2002；35219-230的工作提供了一篇精彩的對(duì)已發(fā)表資料的綜述。這一工作回顧了在研究木炭生產(chǎn)和作為土壤改良劑的影響方面的證據(jù)和過(guò)去的工作。亞太地區(qū)食物和肥料技術(shù)中心以宣傳冊(cè)形式指導(dǎo)農(nóng)民使用木炭，農(nóng)民體驗(yàn)了的10-40％的增加，并證明木炭和肥料一起比單用肥料增加138％的研究結(jié)果。宣傳冊(cè)介紹了在地面土堆碳化系統(tǒng)制造稻谷外殼木炭的方法。介紹只限于燒焦材料直到它“冒黑煙”，但并不讓它變成灰。使用木炭和活性炭作為肥料和土壤改良劑已經(jīng)公知，并被US2684295、US4529434、US4670039、US5127187、US522561、US5921024、YS6273927和US6302396引用參考。它們每個(gè)都提到木炭或活性炭是肥料成分，但并沒(méi)有為此目的介紹其生產(chǎn)或優(yōu)化方法。其它專利給出更多細(xì)節(jié)。US3259501提到使用氨處理和碳化的稻殼作肥料，US2171408提到使用硫酸活化具有高離子交換容量的碳作為肥料。沒(méi)有介紹生產(chǎn)該木炭的方法。US3146087描述了一種利用高壓長(zhǎng)時(shí)間由木材制備含水不溶性氮的肥料的方法，但沒(méi)有提到碳的捕集或優(yōu)化。BR409658介紹利用含有磷酸、硝酸鉀和氨的木炭，但仍未就碳捕集進(jìn)行說(shuō)明。BR422061提到在用氯處理木炭時(shí)產(chǎn)生的酸基使得氮化合物吸附達(dá)可得氮的20％。但發(fā)明人并沒(méi)有傳達(dá)這也可以通過(guò)碳化溫度過(guò)程的狀態(tài)產(chǎn)生。他的確提供了在潤(rùn)濕的碳化材料上用氯進(jìn)行氣體處理，以及同樣用氨氣或氨水處理，隨后吹入空氣，將產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的碳酸氫銨肥料，但對(duì)獲得這一產(chǎn)品的CO2或捕集機(jī)理沒(méi)有給出參考。這對(duì)應(yīng)的研究工作(Assadaetal.，2002)證明在500℃產(chǎn)生的低溫木炭吸附95％的氨，而在700℃和1000℃產(chǎn)生的具有較高表面積的木炭?jī)H吸附40％。該研究注意到在400-500℃由木質(zhì)素和纖維素生成酸性官能團(tuán)如羧基。(Matsuietal.，2000；Nishimyaetal.，1998)。結(jié)論是不管其來(lái)源如何，在這些溫度下生成酸性官能團(tuán)的木炭將優(yōu)先吸附堿化合物例如氨，并且與表面積相比，化學(xué)吸附起主要作用。該研究指出優(yōu)化木炭作為營(yíng)養(yǎng)素載體的一個(gè)關(guān)鍵因素是碳化條件。US5676727提到一種由生物質(zhì)生產(chǎn)緩釋含氮有機(jī)肥料的方法。在該方法中，從熱解生物質(zhì)獲得的熱解產(chǎn)品利用化學(xué)反應(yīng)將熱解產(chǎn)品與含有-NH2基團(tuán)的氮化合物組合生成混合物。該方法在此引用作為參考，但該方法并沒(méi)有提及CO2鏊合，也沒(méi)有提及利用該方法清理煙道氣的能力。US5587136指出在除去硫和氮煙道氣的過(guò)程中使用含氨的碳吸附劑。該文獻(xiàn)提到它是一種活性焦碳，但對(duì)其制造沒(méi)有說(shuō)明，也沒(méi)有提及除去二氧化碳。US5630367介紹了將輪胎轉(zhuǎn)化為活性炭用作肥料。它指出利用在400-900℃下(優(yōu)選700-800℃)借助空氣、CO2和水蒸汽的燃燒工藝。盡管沒(méi)有明確產(chǎn)率，該工藝的確提到除去灰燼，因此木炭的溫度很可能高于700℃，并且大多數(shù)輪胎將被轉(zhuǎn)化成二氧化碳。表面上由于其高的陽(yáng)離子交換容量而將該材料指定為營(yíng)養(yǎng)素的優(yōu)良載體是合理的假設(shè)，但是如Tryon1948證明的那樣，應(yīng)該將陽(yáng)離子交換轉(zhuǎn)換為陽(yáng)離子可利用性，因?yàn)樵谀咎恐袦y(cè)定的陽(yáng)離子總和超過(guò)CEC約3倍。Glaser解釋，木炭灰燼中的陽(yáng)離子并不以靜電力結(jié)合，而是以可溶鹽存在，因此，容易被植物攝取?！翱山粨Q”陽(yáng)離子的增加導(dǎo)致木炭CEC測(cè)定值的確定只是一個(gè)分量。在木炭中含有并富集的礦物質(zhì)灰份讓木炭自身起到肥料的作用。實(shí)際上，我們對(duì)木炭中植物生長(zhǎng)的顯微研究揭示根毛包裹并伸到木炭顆粒中，可能與共生微生物群落協(xié)調(diào)作用來(lái)提取這些養(yǎng)分。對(duì)燃燒過(guò)程中釋放的輪胎木炭顆粒有多少痕量礦物質(zhì)沒(méi)有解釋，但是將收割時(shí)從土壤中帶走的痕量礦物質(zhì)返還到土壤的優(yōu)點(diǎn)是木炭基肥料的一個(gè)重要特性。上述專利提出可以用該材料作為除去硫和氮煙道氣的吸附劑，但對(duì)此目的的用途或該材料的特點(diǎn)沒(méi)有提供方法論。US5,061,467提到凈化二氧化硫的干燥方法。提及活性碳但沒(méi)有提及優(yōu)化木炭用于氨吸附或開(kāi)發(fā)其作為肥料副產(chǎn)品的價(jià)值。唯一提到的副產(chǎn)品是石膏。US6,405,664指出可使用有機(jī)材料降解釋放的氨。飛灰與作為土壤改良劑的干燥的有機(jī)殘余物或額外的燃料混合，但沒(méi)有提及將干燥廢物與氨組合。US5,587,136提到氨和碳吸附劑一起使用，但沒(méi)有指明用于除去CO2。且所選的溫度范圍并不支持任何真正碳基肥料的生成，所加的氨濃度不會(huì)產(chǎn)生該應(yīng)用所需要的轉(zhuǎn)化率。該介紹是針對(duì)選擇與木炭具有不同物理特性的碳黑，沒(méi)有提到有關(guān)其開(kāi)發(fā)或用作肥料的任何信息。US6,439,138提到已證明木炭能捕集汞和重有機(jī)物。沒(méi)有提及使用木炭捕集CO2，該發(fā)明提到木炭?jī)?yōu)選在120_(648℃)到150_(815℃)下生成。假設(shè)最小粒徑為10,000-1,000微米，在這一尺寸下所述溫度將不會(huì)最佳產(chǎn)生用于吸附氨的材料，也不會(huì)增加材料作為肥料的效力，從而只是代表一種處理方案。US6,224,839充分討論了在堿和堿土金屬存在下碳在吸附NOx時(shí)所起的作用。該工作在此引用作為參考。該發(fā)明公開(kāi)了木炭作為吸附劑的價(jià)值，但提到當(dāng)位點(diǎn)被填充時(shí)吸附下降。并沒(méi)有嘗試證明在位點(diǎn)填充時(shí)補(bǔ)充碳，或產(chǎn)生增值化合物。替代地，其目的是回收碳，而不是將它們加工為肥料。在US6,599,118中將熱解氣體加入到燃燒氣體中以除去NOx，但木炭被燒掉，且沒(méi)有肥料產(chǎn)生。US4,915,921提到使用基于煤的活性碳能夠在100-180℃與注入氨一起用來(lái)除去硫氧化物和氮氧化物而非二氧化碳。并沒(méi)有設(shè)想該碳用作肥料，也沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化。US5,584,905提到使用家庭垃圾將煙道氣排放物轉(zhuǎn)化為肥料。其嘗試令人欽佩，因?yàn)樗岬綄⒃摬牧献鳛榉柿显黾觾r(jià)值的方法。他講授從分解家庭垃圾中的肉、蛋白質(zhì)和脂肪酸得到的氨與二氧化碳和二氧化硫組合生成銨肥?？梢韵胂筮@一系統(tǒng)的工業(yè)實(shí)用性和潛在的獲得環(huán)境批準(zhǔn)的困難都將證明是困難的。他沒(méi)有提到在這一系統(tǒng)中使用木炭和直接使用添加的氨。在幾乎所有現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明中，產(chǎn)生的肥料量都非常小，以致于焦點(diǎn)集中在其凈化性能上。而沒(méi)有證明尋求一種增加鏊合副產(chǎn)品的價(jià)值同時(shí)依然對(duì)包括二氧化碳的排放進(jìn)行必要的排放物除去的概念框架。
發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種有效的含有氮源或者也可以包括一種或更多種土壤營(yíng)養(yǎng)素的土壤改良劑。另外，該材料具有通過(guò)增加陽(yáng)離子交換、為土層(coursesoil)增加持水容量、降低營(yíng)養(yǎng)素流失速率、增加土壤的碳含量并使其干重主要是螯合碳的讓使用者長(zhǎng)期受益的特性。另一個(gè)目的是在捕集CO2流的過(guò)程中或在捕集CO2及一種或更多種天然元素和化合物、硫氧化物、一氧化二氮、汞、鉛和/或重金屬的過(guò)程中制造該材料。另一個(gè)目的是在本專利條件下由熱解、氣化和/或部分氧化生物質(zhì)和其它含碳材料制成木炭，并增強(qiáng)吸附氨和降低營(yíng)養(yǎng)素流失速率的能力。本發(fā)明還有一個(gè)目的是減少生產(chǎn)肥料的CO2排放成本，并包括選擇利用熱解氣體來(lái)或用于產(chǎn)生動(dòng)力、或轉(zhuǎn)化成氫然后轉(zhuǎn)化成氨，從而提高系統(tǒng)鏊合的總碳。US6,447,437B1提供了用氨凈化電廠尾氣和其它二氧化碳源生產(chǎn)碳酸氫銨或尿素的鏊合碳的方法。本發(fā)明的改進(jìn)之處在于它生產(chǎn)這些碳-氮化合物，并在木炭結(jié)構(gòu)內(nèi)生成它們，并提高鏊合的總碳量3-8倍。附圖1表示的是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一種可再生氫的生產(chǎn)方法及其在生產(chǎn)氨、凈化和肥料生產(chǎn)過(guò)程中的用途。附圖2描述按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一種簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)化旋風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖，其中利用氨凈化模擬煙道氣成分產(chǎn)生鏊合肥料。附圖3描述按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的通過(guò)靈活組合協(xié)同步驟、熱解生物質(zhì)和或含碳材料和氨凈化來(lái)除去工業(yè)燃燒裝置如燒煤電廠的CO2排放的一個(gè)設(shè)計(jì)。附圖4描述的是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，通過(guò)捕集碳將排放的CO2生成肥料并產(chǎn)生可再生能源而帶來(lái)的環(huán)境、社會(huì)和技術(shù)效益。具體實(shí)施方式生物質(zhì)材料的熱解和尾氣的蒸氣重整和/或液體熱解產(chǎn)生大量的氫氣和固體木炭產(chǎn)品。氫氣在分離后，可以使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Haber-Bosch工藝轉(zhuǎn)化成氨，而這兩個(gè)反應(yīng)在同樣的溫度下進(jìn)行。當(dāng)與二氧化碳(CO2)結(jié)合生成碳酸氫銨(NH4HCO3)時(shí)，在有鉑和鎳催化劑下氨與二氧化硫或氮氧化物生成HNO3和H2SO4。這些將與氨組合生成如NH4HCO3和(NH2)2CO生產(chǎn)工藝的中間體，以形成另外的肥料種類(NH4)NO3和(NH4)2SO4。在此描述的本發(fā)明同時(shí)產(chǎn)生氫氣、其轉(zhuǎn)化為氨、多孔木炭、氨的化合、和燃燒的煙道氣或其它高百分率的二氧化碳源和多孔木炭，以將富氮化合物沉積在含碳材料的多孔結(jié)構(gòu)中。本發(fā)明提供這種組合的多孔吸附木炭的用途，該木炭富含氮化合物，作為一種緩釋肥料/土壤改良劑，也是一種從大氣中大量鏊合碳的新方法。木炭成為儲(chǔ)存大量化合物的優(yōu)異介質(zhì)。在碳內(nèi)和碳上組合的氮化合物能產(chǎn)生緩釋氮肥，與傳統(tǒng)的硝酸銨、尿素或氨相比，其有很多優(yōu)點(diǎn)。其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不易反應(yīng)，從而降低被用于制作炸藥的化合物的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)镹H4HCO3的碳酸氫根HCO3-和木炭材料的元素碳(C)對(duì)土壤細(xì)菌來(lái)說(shuō)是不可消化的，所以它們可以作為鏊合碳多年儲(chǔ)存在土壤和下層土壤中。因此，組合的NH4HCO3-木炭產(chǎn)品不僅能為植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)素(例如NH4+)，也具有潛力充分利用土壤和下層土壤的容量?jī)?chǔ)存無(wú)機(jī)碳(例如HCO3-)和有機(jī)元素碳(C)。尿素(NH2)2CO也可以與木炭材料組合形成類似產(chǎn)品。但尿素的生產(chǎn)工藝通常要消耗更多的能量，并且固化CO2的能力比固化CO2的NH4HCO3生產(chǎn)工藝差(US6,447,437B1)。木炭也可以與其它種類的氮肥例如NH4NO3和(NH4)2SO4混合，但這些混合物不具備給土壤提供碳酸氫根(HCO3-)的益處。因此，組合的NH4HCO3-木炭產(chǎn)品在土壤和下層土壤中實(shí)現(xiàn)最大的碳-鏊合潛力是優(yōu)選的。進(jìn)而，組合的NH4HCO3-木炭產(chǎn)品具有協(xié)同效益。首先，在CO2固化NH4HCO3生產(chǎn)工藝中，木炭顆粒可被用作催化劑(提供更多有效的核點(diǎn))以加速固體NH4HCO3顆粒的生成，從而增強(qiáng)CO2-固化技術(shù)的效率。其二，因?yàn)樵诨覡a產(chǎn)品中存在某些礦物質(zhì)氧化物，木炭材料的pH通常是堿性的。典型木炭材料的pH值約為9.8。這種堿性材料可能不適合用在例如美國(guó)西部的堿性土壤中，而非常適合用于例如美國(guó)東部的酸性土壤中。但使用NH4HCO3能中和木炭材料的堿。當(dāng)木炭材料與等量的NH4HCO3混合時(shí)，產(chǎn)品的pH變得更好(接近中性pH7)。如表1所示，NH4HCO3-木炭混合物的pH值是7.89，比木炭材料(pH9.85)明顯更低(更好)。因此，除pH中性和酸性土壤外，這種NH4HCO3-木炭組合肥料還能用于堿性土壤。這種NH4HCO3-木炭肥料可以通過(guò)木炭顆粒-增強(qiáng)的NH3-CO2-固化NH4HCO3生產(chǎn)工藝生成，也可以通過(guò)將NH4HCO3和木炭材料物理混合來(lái)生成。圖1是通過(guò)木炭顆粒-增強(qiáng)的NH3-CO2-固化NH4HCO3生產(chǎn)工藝生成的NH4HCO3-木炭肥料試樣的照片[標(biāo)記為“處理的木炭”]和通過(guò)將NH4HCO3和木炭物理混合生成的NH4HCO3-木炭肥料試樣的照片[標(biāo)記為“NH4HCO3-木炭混合物(50％/50％W)”]。根據(jù)通過(guò)木炭顆粒-增強(qiáng)的NH3-CO2一固化NH4HCO3生產(chǎn)工藝沉積到木炭顆粒上的NH4HCO3的量，在該特定試樣中處理的木碳的pH值是8.76。通過(guò)該工藝向木炭顆粒上沉積更多的NH4HCO3可以進(jìn)一步改善該產(chǎn)品的pH。當(dāng)NH4HCO3-木炭產(chǎn)品被施加到土壤中，可以產(chǎn)生另一協(xié)同益處。例如，在中國(guó)和美國(guó)西部，土壤明顯含有較高量的堿土礦物，土壤的pH通常大于8，當(dāng)單獨(dú)使用NH4HCO3時(shí)，其HCO3-能中和某些堿土金屬礦物例如[Ca(OH)]+和/或Ca++而形成穩(wěn)定的能作為永久鏊合碳的碳酸礦物產(chǎn)品如CaCO3。當(dāng)將NH4HCO3作為肥料反復(fù)使用幾十年時(shí)，就形成越來(lái)越多的碳酸土礦物產(chǎn)品，某些土壤就逐漸硬化。這種“土壤硬化”已經(jīng)在中國(guó)西部的某些土壤中發(fā)現(xiàn)，在那里NH4HCO3作為肥料已經(jīng)使用30多年。另外已知這種土壤“硬化”問(wèn)題可以通過(guò)施用包括腐殖質(zhì)的有機(jī)肥料來(lái)克服。因?yàn)槠淙彳洝⒍嗫缀臀教匦?，木炭是另一種理想的能夠克服“土壤硬化”問(wèn)題的有機(jī)材料。因此，同時(shí)使用NH4HCO3和木炭材料可以連續(xù)生成碳酸礦物產(chǎn)品例如CaCO3和/或MgCO3以鏊合最大量的碳到土壤和下層土壤中，而始終為植物生長(zhǎng)保持良好的土壤特性。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案也能將其它營(yíng)養(yǎng)素加到碳中。該材料本身含有痕量植物生長(zhǎng)需要的礦物質(zhì)。加磷、鈣和鎂能增強(qiáng)性能并用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的包涂技術(shù)產(chǎn)生緩釋微營(yíng)養(yǎng)素傳送系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括處理碳以產(chǎn)生很大的孔結(jié)構(gòu)。該材料可用作捕集水域流出的殺蟲劑和除草劑。通過(guò)沉積各種材料(例如氣態(tài)氧化鐵)，該材料能用來(lái)從動(dòng)物飼養(yǎng)場(chǎng)捕集例如磷等化合物。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)工藝來(lái)使用產(chǎn)生的氫，并與在生產(chǎn)工藝中存在的空氣和其它游離氮組合而生成用作氮源材料的氨。根據(jù)市場(chǎng)需求，這些產(chǎn)品可進(jìn)一步與例如鉀、鎂、硫酸銨、硝酸銨的其它種類的肥料和例如鐵和鉬的微礦物營(yíng)養(yǎng)素組合制成營(yíng)養(yǎng)更全面的化合物肥料。實(shí)施例1在低氧環(huán)境中我們用花生殼在不同溫度(900℃、600℃、500℃、450℃和400℃)下制備5種不同的木炭。在每種情況下，將試樣加熱到目標(biāo)溫度保持1分鐘。將試樣加熱到一定溫度，然后使之冷卻。接著研磨該材料過(guò)篩到小于US30目大于US45目，并制備20.0克試樣。配制48％NH4NO3(硝酸銨)水溶液。將每種試樣浸泡5分鐘倒入錐型濾紙，使之風(fēng)干24小時(shí)。然后向錐型濾紙倒入100ml自來(lái)水(pH8)進(jìn)行漂洗。測(cè)定每次漂洗液的pH，顯示pH隨每一種材料的濾出率相應(yīng)降低。除了在400℃制備的試樣，其它試樣的差異很小。在三或四次漂洗后，在更高溫度下碳化的材料將穩(wěn)定在漂洗材料(當(dāng)?shù)氐淖詠?lái)水)的pH8下。而400℃木炭表現(xiàn)出很小的改變，只有在第9次漂洗后，pH下降開(kāi)始有點(diǎn)加快，但即使經(jīng)12次漂洗后其仍未穩(wěn)定。表2Asada對(duì)竹炭做的工作證實(shí)對(duì)氨的吸附有類似效果。實(shí)施例2盡管該方法能用于多種結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例使用相對(duì)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)技術(shù)。在本實(shí)施例中，我們使用易適應(yīng)于任何氣流和注入的CO2以及水合氨的機(jī)械流化床。以15-30分鐘的間隔有規(guī)律地加入250g30-45目(0.4-0.6mm)400℃的木炭進(jìn)料。較高的轉(zhuǎn)速增加流化作用并懸浮顆粒，直到顆粒由于沉積了NH4HCO3變得太重以至于不能被流化氣流支持。較長(zhǎng)的時(shí)間間隔會(huì)產(chǎn)生較大的顆粒。10-15分鐘時(shí)顆粒范圍為1.0-2.0mm，而20-30分鐘時(shí)顆粒范圍是3.0-6.00mm。然后在掃描電子顯微鏡下檢查顆粒的內(nèi)部。內(nèi)孔結(jié)構(gòu)表明在10-15分鐘時(shí)明顯形成了NH4HCO3結(jié)構(gòu)。在20-30分鐘時(shí)產(chǎn)生的材料內(nèi)孔和空腔已經(jīng)被完全充滿。全球潛力下圖說(shuō)明每種燃料每百萬(wàn)BTU的CO2千克數(shù)?；剂暇哂忻黠@的碳消耗。將氫氣作為燃料與碳一起利用，使用每GJ能量能除去112kgCO2。目前的能量應(yīng)用以6.1Gt/yr(IPCC)的速度增加CO2。與碳利用和CO2捕集一起使用可再生的氫能提供具有負(fù)碳成分的能量。計(jì)算在1GJ捕集和利用的112kgCO2時(shí)需要使用多少負(fù)能量才能與全世界每年61億噸過(guò)剩CO2相當(dāng)，我們計(jì)算6.1Gt/112kg得到54Ej。這幾乎是所報(bào)道的目前全球每年消耗的生物能量(55EJ-Ha11)。因?yàn)槠浼彼僭鲩L(zhǎng)的企業(yè)群體工業(yè)化，CO2的大部分增加來(lái)自經(jīng)濟(jì)發(fā)展國(guó)家。需要規(guī)定一種可持續(xù)的技術(shù)來(lái)滿足這一大部分群體日益增長(zhǎng)的需要。開(kāi)發(fā)一種提供獲利平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)規(guī)?？赡苄枰硞€(gè)最小值，其可以是比標(biāo)準(zhǔn)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)大的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的下限。1-2MW的設(shè)備可能是這一下限，但要注意兩個(gè)重要因素。首先是氫分離和氨生產(chǎn)所需的相對(duì)低的功效可以允許使用新技術(shù)開(kāi)發(fā)較小的足跡(footprint)系統(tǒng)。在分離技術(shù)和氨催化劑方面未來(lái)的研究能為甚至非常小的農(nóng)場(chǎng)群落提供開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。第二點(diǎn)是總氫大約是在一個(gè)設(shè)備中能利用的最大量的三倍，所以可以設(shè)計(jì)第三個(gè)設(shè)備來(lái)接受兩個(gè)獨(dú)立的能量系統(tǒng)產(chǎn)生的木炭。這一特定設(shè)備可以處理其所有的氫和來(lái)自另外兩個(gè)地方的碳，并使用現(xiàn)存工業(yè)氨生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)生碳肥。如果所有的氫都轉(zhuǎn)化為肥料，就有機(jī)會(huì)獲取外界的CO2(每100kg處理的生物質(zhì)需要34kg)，并且由除去SOx、NOx而賺取收入的機(jī)會(huì)提供了另一收入流并有助于其經(jīng)濟(jì)性。這將非常貼近希望吸引和支持GHG排放生產(chǎn)的發(fā)展中地區(qū)的戰(zhàn)略。從整個(gè)系統(tǒng)的能量角度出發(fā)，能產(chǎn)生一種可行的獲得碳負(fù)能量的方法，如IIASA針對(duì)BioenergyUtilizationwithCO2CaptureandSequestration(BECS)詳述的那樣?，F(xiàn)有圖(圖16)所示的效果(即假設(shè)使用每GJ能量能除去112kgCO2)能使得大多數(shù)制造商抵消他們的碳成本。圖17表明在汽車生產(chǎn)中使用的各種材料以及每千克碳排放的生命周期分析。第二個(gè)直條代表使用這一工藝的生物質(zhì)的重量，為抵消碳成本所需的。第三個(gè)直條以格子圖紋向下延伸，表示的是假如使用該工藝產(chǎn)生生產(chǎn)所需的所有能量，則可能生成的鏊合碳的量，最后的直條代表滿足生產(chǎn)汽車材料的量所需的生物質(zhì)的量。在某些材料中，產(chǎn)生能量需要的量比抵消碳需要的量低。這表明能量只是與材料制造有關(guān)的GHG生產(chǎn)的一個(gè)方面，抵消CO2釋放的方法是必需的。利用生物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的機(jī)會(huì)是利用其資源來(lái)幫助制造商達(dá)到碳-負(fù)狀態(tài)。假如該材料使工廠處于凈碳負(fù)預(yù)算，則消費(fèi)主義的行為就變成氣候緩解的動(dòng)因，并支持經(jīng)濟(jì)走向化石燃料途徑一側(cè)。該方法能應(yīng)用多大規(guī)模，全球哪些地區(qū)能集中力量開(kāi)墾被侵蝕的土地并增加現(xiàn)有農(nóng)田的生產(chǎn)，這些是將來(lái)研究的領(lǐng)域。增加的土壤碳含量的積極效果是最終導(dǎo)致食物和植物產(chǎn)量增加，進(jìn)而有助于減少CO2累積。很少有關(guān)于最大利用率的信息，盡管已經(jīng)使用的10,000kg/ha木炭具有非?？隙ǖ慕Y(jié)果，但研究者提出即使是2000kg/ha那樣少的木炭也證明對(duì)植物生長(zhǎng)有益(Glaser，etal.，2002；ICFAC，2002)。為了快速驗(yàn)證合理性，我們可以從上文看到產(chǎn)生和使用1GJ氫代表112kg利用和儲(chǔ)存的二氧化碳。因此，假如大氣增長(zhǎng)6.1GT，則112kg/Gj＝54.5EJ。這一數(shù)值與世界目前用于能量的生物質(zhì)的估計(jì)值55EJ驚人地一致。(Halletal.1983)盡管將來(lái)利用生物質(zhì)的潛力是這一數(shù)值的許多倍，這表明我們有可能用這一方法提前行動(dòng)。技術(shù)/經(jīng)濟(jì)綜述和全球影響Tennessee大學(xué)在2001年對(duì)由化石燃料凈化生產(chǎn)NH4HCO3的ORNL方法的經(jīng)濟(jì)學(xué)進(jìn)行了研究(“UT”研究)。美國(guó)國(guó)家可再生能量實(shí)驗(yàn)室(USNationalRenewableEnergyLaboratory)對(duì)再生氫生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)也在進(jìn)行中。這些研究都為這一初步的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)提供了外部框架。UT檢驗(yàn)了利用化石燃料燃燒廢氣流生產(chǎn)碳酸氫銨的經(jīng)濟(jì)學(xué)。其假設(shè)使用天然氣生產(chǎn)氨并隨后轉(zhuǎn)化為碳酸氫銨。因?yàn)檫@是在包括使用木炭之前，就不包括任何使用木炭可帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益?；剂鲜褂谜吣塬@得某些收益。包括用于除去CO2、SOx和NOx的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，其不需要干燥終產(chǎn)品和抵消肥料銷售的收入。優(yōu)化地，化石燃料使用者與肥料制造商合伙利用現(xiàn)存市場(chǎng)滲透力。制造肥料的公司已經(jīng)被委托銷售日用品，可以重新啟動(dòng)其產(chǎn)品供應(yīng)，包括基于服務(wù)的土壤肥力配送和土壤碳含量控制。利用遠(yuǎn)程和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及更多的特定地點(diǎn)的深度地區(qū)配送管理技術(shù)，這些服務(wù)將提供全球日用化學(xué)產(chǎn)品所不能提供的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。對(duì)農(nóng)民的更多的好處是這些肥料能恢復(fù)土壤碳含量，將痕量礦物返回給退化土地，增加陽(yáng)離子交換、持水容量、微生物活性和降低營(yíng)養(yǎng)素流失，這些都會(huì)增加農(nóng)作物產(chǎn)量。在對(duì)利用的ECOSS量、典型土壤的特定農(nóng)作物的產(chǎn)量、灌溉方式和其它決定農(nóng)場(chǎng)收入的必要因素有更詳細(xì)的產(chǎn)量和成本分析之后，才可以假設(shè)上述性能的增加和所引起的收入?？梢宰屴r(nóng)民參與長(zhǎng)期合同提供能量農(nóng)作物(可以在邊緣用地上種植)、林業(yè)變薄和其它生物質(zhì)源而開(kāi)始閉合循環(huán)，該循環(huán)是這一土壤-食物-能量-碳管理價(jià)值鏈所需要的。這些合同將有助于建立收入來(lái)源而支持有效的土地、森林和農(nóng)作物管理戰(zhàn)略。從全球遠(yuǎn)景來(lái)看，這一技術(shù)模擬了我們?cè)谧匀唤绲挠袡C(jī)物種之間發(fā)現(xiàn)的相互依存關(guān)系。每一角色都是必要的，并通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制得到回報(bào)。這一經(jīng)濟(jì)利益的差異有助于恢復(fù)農(nóng)業(yè)、林業(yè)和小型農(nóng)村商業(yè)的發(fā)展機(jī)會(huì)。與財(cái)富的轉(zhuǎn)移不同，這是一種基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)收入，最近兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)這一開(kāi)發(fā)基本不存在了。在企業(yè)活動(dòng)、農(nóng)場(chǎng)運(yùn)作和支持它們的商業(yè)方面的發(fā)展機(jī)會(huì)和廣闊發(fā)展，將對(duì)多國(guó)、媒介和小型商業(yè)產(chǎn)生更穩(wěn)定和可預(yù)計(jì)的收入，并導(dǎo)致農(nóng)業(yè)稅收基數(shù)的增加。雖然不是包治百病，但它能使世界走向更可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。根據(jù)1999年氮肥的價(jià)格，UT研究的經(jīng)濟(jì)計(jì)劃是基于終產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值為$2.63/1b氮原子。由于天然氣價(jià)格增加，現(xiàn)在的價(jià)格明顯更高。但對(duì)于除去20％CO2的目的，該研究斷定700MW的設(shè)備將是經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)肥料的優(yōu)化尺寸，產(chǎn)生的稅后ROI是$0.33。經(jīng)計(jì)算捕集CO2滿足這一水平需要的投資是$2.29億。用ECOSS捕集等量的碳，其中木炭中的碳能達(dá)到88％的目標(biāo)，則只需要五分之一大小并有可能更小的生產(chǎn)裝置。另外，比起將產(chǎn)生的氫氣100％轉(zhuǎn)化為氨的系統(tǒng)，該系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多。使用這一方法，能明顯降低工程和建設(shè)費(fèi)用。盡管氨生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)學(xué)和規(guī)模通常偏好更大的裝置，但通過(guò)有效碳利用的較小設(shè)備就能達(dá)到京都議定書的降低目標(biāo)。UT研究假設(shè)全球?qū)Φ南暮托枨髮⒊蔀槟懿都嗌偬嫉南拗埔蛩?。?999年氮的市場(chǎng)總額是8095萬(wàn)噸，然后在電廠被轉(zhuǎn)化目的是降低CO220％，測(cè)定出337家237MW的化石燃料工廠每家都能滿足世界的肥料需求。他們的計(jì)算表明這將降低全球由煤燃燒產(chǎn)生的C產(chǎn)量的3.15％。該研究還假定使用天然氣制造氨。對(duì)由天然氣制造的氨進(jìn)行總的化學(xué)計(jì)量計(jì)算，表明81b-摩爾NH3轉(zhuǎn)化為NH4HCO3將捕集51b摩爾CO2。使用可再生的氫制造氨，不會(huì)釋放基于化石燃料的CO2到大氣中，并發(fā)現(xiàn)如下8NH3+8CO2+8H2O＞8NH4HCO3因此，可再生的氫能使產(chǎn)生的每1b-摩爾NH4HCO3捕集的CO2增加1.6倍。利用如上研究，轉(zhuǎn)換到可再生氫將增加碳的捕集，3.15×1.6＝5.04％。但生物質(zhì)能量的碳循環(huán)不是零，且經(jīng)計(jì)算(Spath&Mann-1997)是95％。假如可再生氫氣用作生產(chǎn)氨的來(lái)源，則由全球煤炭燃燒產(chǎn)生的更精確的碳降低值將是5.04×95％＝4.79％，電廠廢氣凈化產(chǎn)生的NH4HCO3就會(huì)滿足全球的N需求。如上所述，組合ECOSS材料從肥料捕集的總碳是12％，從木炭捕集捕集的是88％。采用理論值4.79％并等于ECOSS的12％份，意味著1999N水平的總碳捕集將增加或達(dá)到100/12＝8.3倍或降低煤炭燃燒產(chǎn)生的總碳～39.9％。該提高的總量應(yīng)被視為理論潛力。如Mann(2002)、Hoshi(2002)、Glaser(2002)、Nishio(1999)和Ogawa(1983)發(fā)現(xiàn)的添加木炭引起的生物質(zhì)生長(zhǎng)增加的系數(shù)表明，使用非優(yōu)化木炭，生物質(zhì)生長(zhǎng)從17％增加到280％。直接利用優(yōu)化的木炭外加緩釋氮/營(yíng)養(yǎng)素能實(shí)現(xiàn)全球生物質(zhì)生長(zhǎng)增加目標(biāo)。一部分增加的生物質(zhì)生長(zhǎng)將轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)物質(zhì)，進(jìn)而增加C捕集(尤其是當(dāng)采用免耕管理實(shí)踐時(shí))。因此，我們?cè)u(píng)價(jià)本方法的另一方面是除了增加總值外，還增加了從生物質(zhì)生長(zhǎng)捕集的非-化石燃料的CO2。在土壤中延緩氨釋放的能力使植物增加了對(duì)氮的利用。這將導(dǎo)致向大氣釋放的NO2降低。這一強(qiáng)大的溫室氣體等于CO2影響的310倍。在用甲烷制造氨的過(guò)程中肥料工業(yè)會(huì)釋放CO2。4N2+3CH4+6H2O→3CO2+8NH3該式說(shuō)明，每生產(chǎn)一噸氮，釋放0.32噸C，使用8095萬(wàn)噸氮將代表2600萬(wàn)噸C。相對(duì)于煤炭燃燒釋放的量(2427百萬(wàn)噸-EIA，2001)這是一個(gè)較小的數(shù)值。Spathetal.(2001)在2001年的報(bào)告中提出了由生物質(zhì)制成的氫的經(jīng)濟(jì)學(xué)。他們的結(jié)論是熱解轉(zhuǎn)化生物質(zhì)提供了最好的經(jīng)濟(jì)學(xué)，部分原因是有機(jī)會(huì)生產(chǎn)副產(chǎn)品和降低資本成本。但這一評(píng)估是基于使用用于重整的生物-油和已知的副產(chǎn)品定價(jià)的不確定性進(jìn)行的。假定工廠接受氫的定價(jià)是$9.79-$11.41/Gj，他們的分析結(jié)果是20％IRR。在UT研究中，生產(chǎn)氫的裝置是總投資設(shè)備成本的23％，并且利用的甲烷的費(fèi)用是$4/GJ。這一成本是總花費(fèi)的～50％和稅前利潤(rùn)的～45％。假如我們假設(shè)其它操作費(fèi)用保持不變，隨著天然氣成本增加，可再生氫的設(shè)備內(nèi)成本將不再是由甲烷生產(chǎn)成本的2.4-2.8倍，而是接近1.6-1.9倍。因?yàn)閮衾麧?rùn)是基于氮的市場(chǎng)價(jià)格，則天然氣價(jià)格的增長(zhǎng)也將相應(yīng)地使總收入改變。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假如我們使用$7/GJ，則總收入將增加1.75倍，與可再生氫有關(guān)的費(fèi)用將大體等于稅前利潤(rùn)的～50％。以目前的天然氣價(jià)格在設(shè)備內(nèi)使用可再生氫(即沒(méi)有儲(chǔ)存和運(yùn)輸費(fèi)用)明顯更具有競(jìng)爭(zhēng)力。另一優(yōu)點(diǎn)來(lái)自一篇傳統(tǒng)的氨處理方法和它們與ECOSS方法比較的綜述。UT研究指出由于在NH3轉(zhuǎn)化過(guò)程中固有的不利平衡條件，單程只能轉(zhuǎn)化20-30％的氫。根據(jù)這篇論文關(guān)于化學(xué)生產(chǎn)計(jì)算的部分，因?yàn)槭墚a(chǎn)生的木炭總量和目標(biāo)為10％氮負(fù)荷的限制，因此我們確定ECOSS工藝只能利用31.6％的氫。這意味著有可能使用單程N(yùn)H3轉(zhuǎn)化器并消除分離和回收未轉(zhuǎn)化的氫的費(fèi)用。68.4％的氫就能賣給能源公司/肥料合作伙伴或供它們利用。這表明ECOSS工藝偏愛(ài)氨生產(chǎn)的低效率，并降低了試圖取得高的氫轉(zhuǎn)化率帶來(lái)的成本。隨著用于能源的生物質(zhì)利用的增加和食物生產(chǎn)需求的增長(zhǎng)，對(duì)施肥的要求將增加?；謴?fù)和返回微營(yíng)養(yǎng)素能使總土壤改良應(yīng)用真正增加，如UT研究所認(rèn)為的那樣，對(duì)氮的潛在需要可能不是一個(gè)限制因素。從全球系統(tǒng)的角度來(lái)看，組合恢復(fù)表層土、開(kāi)墾沙漠和相關(guān)的生物質(zhì)生長(zhǎng)增加，能使經(jīng)濟(jì)不是被C捕集驅(qū)動(dòng)而是通過(guò)增加土壤/農(nóng)作物生產(chǎn)率產(chǎn)生價(jià)值來(lái)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)碳利用生產(chǎn)生物質(zhì)能量的概念開(kāi)辟了從工業(yè)排放中除去上百萬(wàn)噸CO2的途徑，同時(shí)能利用捕集的C來(lái)恢復(fù)有價(jià)值的土壤碳含量。這一方法產(chǎn)生零排放燃料來(lái)用于操作農(nóng)場(chǎng)機(jī)械，并同時(shí)為農(nóng)戶、農(nóng)業(yè)灌溉泵和農(nóng)村工業(yè)園提供電力。全球研究協(xié)會(huì)認(rèn)為未來(lái)的發(fā)展將從生物質(zhì)產(chǎn)生一定范圍的增值含碳副產(chǎn)品。隨著本發(fā)明的開(kāi)發(fā)和未來(lái)應(yīng)用，二氧化碳生產(chǎn)者和農(nóng)業(yè)團(tuán)體都能成為解決全球溫室氣體排放增加的方案的重要部分，同時(shí)為工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的社會(huì)的農(nóng)業(yè)地區(qū)建立持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展計(jì)劃。如附圖1所示，將一股尺寸依熱解器類型確定的干燥的切碎的、制成顆粒的或切割的生物質(zhì)和利用的生物質(zhì)100或含碳材料(為保證產(chǎn)生碳最好是可再生的)加入到熱解、部分氣化或熱解反應(yīng)器102中。這些反應(yīng)器可以快速熱解(因此需要較小的顆粒)、或緩慢熱解允許較大粒度但具有較大尺寸的物料實(shí)現(xiàn)同樣的處理量。這些反應(yīng)器可以是下流式、上流式、流化床或回轉(zhuǎn)爐。這些系統(tǒng)有許多工業(yè)設(shè)計(jì)并為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知。保持良好的溫度控制和控制木炭除去溫度的能力是很重要的。惰性熱源103為反應(yīng)器提供熱源，并有助于在材料的放熱范圍內(nèi)良好地保持操作溫度。因?yàn)槊糠N生物質(zhì)都不同，沒(méi)有固定的規(guī)律，但大多良好設(shè)計(jì)的熱解裝置都能在啟動(dòng)后幾乎沒(méi)有外熱和在有限氧存在下操作。用自動(dòng)門或星型閥能使木炭的除去最好地起作用，因?yàn)樗鼈兡茉谒璨牧系淖罴褱囟确秶鷥?nèi)出料。根據(jù)肥料的用途和應(yīng)用，較高溫度的木炭將比較低溫度的木炭釋放營(yíng)養(yǎng)素更快。但確保最大氨吸收的溫度范圍將低于500℃和高于350℃。處理任何新的生物質(zhì)時(shí)，應(yīng)該測(cè)定吸附率來(lái)建立性能標(biāo)準(zhǔn)。這可以用一個(gè)小加熱爐在熱解溫度范圍熱解新材料來(lái)進(jìn)行。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以使用取樣包(tedlar包)，用標(biāo)準(zhǔn)濃度的氨、木炭和使用氨分析檢測(cè)儀測(cè)定氨在木炭上的吸附量。由于原材料會(huì)變化，這些檢測(cè)將確保凈化及肥料的基本性能。惰性熱源可是許多氣體、煙道氣、氮和二氧化碳中的一種，但是所選的氣體應(yīng)與氫產(chǎn)生系統(tǒng)兼容。在氫氣蒸汽重整的情況下，可以使用由重整爐106回收的熱量，然后重整爐使用與熱解氣體105一起傳送的生產(chǎn)氫的蒸汽。當(dāng)木炭達(dá)到最優(yōu)溫度，它就被卸到一個(gè)非氧化性的室或傳送單元108中?？梢宰屇咎柯鋮s，或在它卸出時(shí)用水輕微噴撒。然后研磨木炭111到0.5～3mm。這也將根據(jù)木炭材料而變化。由草和輕質(zhì)生物質(zhì)制成的木炭容易碾碎并產(chǎn)生大量較小的材料。隨后這些材料會(huì)凝聚成較大的顆粒，所以還是能夠用合適的集塵室處理。有證據(jù)證明較大的顆粒和小顆粒一樣有效。盡管其原因尚屬未知。氫產(chǎn)生系統(tǒng)106同時(shí)為CO變換之前的蒸氣重整，這一系統(tǒng)可以是適于產(chǎn)生連續(xù)處理成氨的氫的任何裝置。用于最大地降低大氣碳的優(yōu)選系統(tǒng)是能使用生物質(zhì)或可再生地獲得燃料和由碳中性或負(fù)性源產(chǎn)生能量。使用變壓吸附110或其它工業(yè)上可接受的方法將主要含有氫氣和CO2的氣體109分離。從這一點(diǎn)看二氧化碳114是溫室中性的，如果沒(méi)有基于化石燃料的二氧化碳123存在時(shí)，可以被釋放或用來(lái)替換煙道氣115。當(dāng)用這種方法操作時(shí)，算起來(lái)獲得的能量甚至有更高效的二氧化碳負(fù)數(shù)。氨的產(chǎn)生117被示為使用Haber方法或其它經(jīng)濟(jì)地或工業(yè)接受的生產(chǎn)氨的方法。在需要鏊合每公頃0.75到1.5噸碳并提供充分的木炭來(lái)提供基本的植物響應(yīng)的情況下，推薦10％的氮含量。由此產(chǎn)生的平衡將是有60-67％產(chǎn)生的氫能用來(lái)銷售。這形成一種結(jié)構(gòu)即其中3個(gè)場(chǎng)所為捕集和肥料生產(chǎn)中心供料。其它的產(chǎn)生氫和或能量和木炭，木炭然后被運(yùn)送到所有氫都被利用的場(chǎng)所。然后將氨鼓泡通過(guò)水119而用水飽和產(chǎn)生的氨118。這一反應(yīng)產(chǎn)生熱量，需要監(jiān)視和自動(dòng)維持水位。然后讓氣相水合氨120進(jìn)入裝有木炭的室121。根據(jù)顆粒大小，這一飽和將在3-10秒內(nèi)充分完成。加入到木炭中的濃度針對(duì)每摩爾在煙道氣中設(shè)法捕集為NH4HCO3的CO2將等于1.1-1.5摩爾氨。為了達(dá)到想要的氮比率，按下式添加木炭112木炭重量＝(1-(目標(biāo)氮％*79/14))*捕集的CO2摩爾數(shù)*79SOx和NOx的百分含量將明顯低于所尋求的CO2摩爾數(shù)，并且在該溫度下，硫酸銨和硝酸銨的生產(chǎn)將降低到強(qiáng)制性排放標(biāo)準(zhǔn)以下，并將成為增加其價(jià)值的部分ECOSS基質(zhì)。然后將飽和木炭122加到在此標(biāo)記為轉(zhuǎn)化旋風(fēng)器的系統(tǒng)124中，其中將煙道氣(有或沒(méi)有飛灰)123(在環(huán)境溫度和壓力下)充分均勻地混合，一旦顆粒已經(jīng)吸附的NH3已完全轉(zhuǎn)化成NH4HCO3，就將它們與還沒(méi)有完成其所有NH3轉(zhuǎn)化的顆粒分離。現(xiàn)已凈化掉排放物和大多數(shù)飛灰的氣體125被送去做最后的顆粒凈化。當(dāng)木炭達(dá)到氮百分?jǐn)?shù)設(shè)定的所需密度時(shí)，卸出木炭肥料顆粒126。任選地，木炭肥料126可以與其它營(yíng)養(yǎng)素131、痕量礦物質(zhì)混合，并任選用上述營(yíng)養(yǎng)素或灰泥或聚合物或硫磺按本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式進(jìn)行包涂132，以賦予這些顆粒更長(zhǎng)和更精確的排出速率133或不昂貴但有效的土壤改良性能134。圖2描述的是用來(lái)證明上述特性的一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)化旋風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖。優(yōu)化的木炭136靠重力加入到兩個(gè)閥138之間的管中，使室137封閉，且有一個(gè)閥允許水合氨135的氣流進(jìn)入并飽和該材料。然后打開(kāi)密封所述室的兩個(gè)閥中的底閥，使飽和木炭進(jìn)入1.5米高和直徑50厘米的機(jī)械驅(qū)動(dòng)的旋風(fēng)器中。不銹鋼圓筒有一個(gè)驅(qū)動(dòng)塑料風(fēng)扇/轉(zhuǎn)子的變速馬達(dá)145，保持氣體和顆粒處于懸浮狀態(tài)。三分之二以下是一個(gè)帶有控制通過(guò)旋風(fēng)器的氣體流量的旋轉(zhuǎn)閘門141的卸料旋風(fēng)器142。計(jì)量的富含CO2的氣流140進(jìn)入旋風(fēng)器，實(shí)踐中將經(jīng)底部排放，在底部設(shè)有玻璃采樣容器146。在卸料旋風(fēng)器下方是第二玻璃采樣容器143。氣體采樣和排出孔139位于系統(tǒng)頂部。樹(shù)脂玻璃視孔147允許在懸浮顆粒向下移動(dòng)到卸料旋風(fēng)器時(shí)對(duì)其進(jìn)行觀察。圖3描述的是通過(guò)靈活組合本發(fā)明所描述的協(xié)同方法除去工業(yè)燃燒設(shè)備如燃煤電廠的CO2排放的概念設(shè)計(jì)熱解生物質(zhì)和或含碳材料以及氨凈化。這一CO2除去技術(shù)產(chǎn)生有價(jià)值的土壤改良肥料產(chǎn)品如NH4HCO3-木炭，這些產(chǎn)品能夠出售和通過(guò)智能農(nóng)業(yè)實(shí)踐置于土壤和下層土壤中。因此，本發(fā)明能為化石能量工業(yè)提供一種潛在的有利的碳-經(jīng)營(yíng)技術(shù)，并明顯有助于全球碳鏊合。圖4描述的是根據(jù)本發(fā)明應(yīng)用將生物質(zhì)熱解和NH3-CO2-固化NH4HCO3-生產(chǎn)工藝組合成更強(qiáng)大的碳經(jīng)營(yíng)技術(shù)的預(yù)期效益。本發(fā)明通過(guò)將生物質(zhì)和工業(yè)煙道氣CO2和其它排放物轉(zhuǎn)化成為主要是NH4HCO3-木炭產(chǎn)品，提供了碳鏊合和清潔空氣保護(hù)的益處。NH4HCO3-木炭產(chǎn)品可作為肥料出售和作為鏊合碳被置于土壤和下層土壤中，從而將改善土壤性能和增強(qiáng)綠色植物光和作用固定大氣中的CO2，從而提高生物質(zhì)產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。生物質(zhì)材料的熱解和尾氣的蒸氣重整和/或熱解液體產(chǎn)生大量的氫和固體木炭產(chǎn)品。在分離后，氫氣可以使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Haber-Bosch工藝轉(zhuǎn)化成氨，其中兩個(gè)反應(yīng)在同樣的溫度下進(jìn)行。當(dāng)與二氧化碳(CO2)組合生成碳酸氫銨(NH4HCO3)時(shí)，氨在有鉑和鎳催化劑下與二氧化硫或一氧化二氮將生成HNO3和H2SO4。這些將與氨組合生成如NH4HCO3和(NH2)2CO生產(chǎn)工藝的中間體，以形成另外的肥料種類(NH4)NO3和(NH4)2SO4。本發(fā)明在此描述同時(shí)產(chǎn)生氫氣、其轉(zhuǎn)化為氨、多孔木炭、氨的化合、和燃燒的煙道氣或其它高百分含量的二氧化碳源和多孔木炭，以將富氮化合物沉積在含碳材料的多孔結(jié)構(gòu)中。本發(fā)明提供這種組合的多孔吸附劑木炭的用途，該木炭富含氮化合物，由灰泥、聚合物和或硫緩釋設(shè)計(jì)包涂，用作緩釋肥料/土壤改良劑，也是一種從大氣中鏊合大量碳的新方法。木炭成為儲(chǔ)存大量化合物的優(yōu)異介質(zhì)。在碳內(nèi)和碳上形成的氮化合物的組合能產(chǎn)生一種緩釋氮肥料，與傳統(tǒng)的硝酸銨、尿素或液氨相比有很多優(yōu)點(diǎn)。其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不易反應(yīng)，從而降低了被用作制造炸藥的化合物的危險(xiǎn)。因?yàn)镹H4HCO3的碳酸氫根HCO3-和木炭材料的元素C對(duì)土壤細(xì)菌來(lái)說(shuō)都是不可消化的，所以它們可以作為鏊合碳多年儲(chǔ)存于土壤和下層土壤中。因此，組合的NH4HCO3-木炭不僅能為植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)素(例如NH4+)，也具有潛力充分利用土壤和下層土壤的容量來(lái)儲(chǔ)存無(wú)機(jī)碳(例如HCO3-)和有機(jī)元素碳(C)。尿素(NH2)2CO也可以與木炭材料組合形成類似產(chǎn)品。但尿素的生產(chǎn)工藝通常要消耗更多的能量，并且固化CO2的容量比固化CO2的NH4HCO3生產(chǎn)工藝差(US6,447,437B1)。木炭也可以與其它種類的氮肥如NH4NO3和(NH4)2SO4混合，但這些混合物不具備為土壤提供碳酸氫根(HCO3-)的益處。因此，組合的NH4HCO3-木炭產(chǎn)品在土壤和下層土壤中實(shí)現(xiàn)最大的碳-鏊合潛力方面是優(yōu)選的(圖1和2)。進(jìn)而，組合的NH4HCO3-木炭產(chǎn)品具有協(xié)同效益。首先，在CO2固化NH4HCO3生產(chǎn)工藝中，木炭顆?？梢杂米鞔呋瘎?提供更多有效的成核位點(diǎn))以加速固體NH4HCO3顆粒的生成，從而提高CO2-固化技術(shù)的效率。其二，因?yàn)樵诋a(chǎn)生的灰燼中存在-些礦物質(zhì)氧化物，木炭材料的pH通常是堿性的。典型木炭材料的pH值約為9.8。這種堿性材料可能不適合用在例如美國(guó)西部的堿性土壤中，而非常適合用于例如美國(guó)東部的酸性土壤中。但使用NH4HCO3能中和木炭材料的堿性。當(dāng)木炭材料與等量的NH4HCO3混合時(shí)，產(chǎn)品的pH變得更好(接近中性pH7)。如表1所示，NH4HCO3-木炭混合物的pH值是7.89，比木炭材料(pH9.85)的明顯更低(更好)。因此除pH中性和酸性土壤外，這種NH4HCO3-木炭組合肥料還能用于堿性土壤。這種NH4HCO3-木炭肥料可通過(guò)木炭顆粒-增強(qiáng)的NH3-CO2-固化NH4HCO3生產(chǎn)工藝(圖3)生成，或者通過(guò)將NH4HCO3和木炭材料物理混合來(lái)生成。圖4給出了通過(guò)木炭顆粒-增強(qiáng)的NH3-CO2-固化NH4HCO3生產(chǎn)工藝生成的NH4HCO3-木炭肥料試樣的照片[標(biāo)記為“處理木炭”]和通過(guò)NH4HCO3和木炭物理混合來(lái)生成的NH4HCO3-木炭肥料試樣的照片[標(biāo)記為“NH4HCO3-木炭混合物(50％/50％W)”]。根據(jù)通過(guò)木炭顆粒-增強(qiáng)的NH3-CO2-固化NH4HCO3生產(chǎn)工藝沉積到木炭顆粒上的NH4HCO3的量，處理木碳在該特定試樣中的pH值是8.76。通過(guò)該工藝向木炭顆粒上沉積更多NH4HCO3可進(jìn)一步改善該產(chǎn)品的pH。當(dāng)NH4HCO3-木炭產(chǎn)品施用于土壤中時(shí)，可以產(chǎn)生另一協(xié)同益處。例如，在中國(guó)和美國(guó)西部，土壤中明顯含有較高量的堿土礦物質(zhì)，并且土壤的pH通常大于8，當(dāng)單獨(dú)使用NH4HCO3時(shí)，其HCO3-能中和某些堿土金屬礦物質(zhì)例如[Ca(OH)]+和/或Ca++，從而形成穩(wěn)定的能作為永久鏊合碳的碳酸礦物產(chǎn)品如CaCO3。當(dāng)將NH4HCO3作為肥料反復(fù)使用幾十年時(shí)，就形成越來(lái)越多的碳酸土礦物產(chǎn)品，某些土壤就逐漸硬化。這種“土壤硬化”已經(jīng)在中國(guó)西部的某些土壤中發(fā)現(xiàn)，在那里NH4HCO3作為肥料已經(jīng)使用30多年。另外已知這種土壤“硬化”問(wèn)題可以通過(guò)施用包括腐殖質(zhì)的有機(jī)肥料來(lái)克服。因?yàn)槠淙彳洝⒍嗫缀臀教匦?，木炭是另一種理想的能夠克服“土壤硬化”問(wèn)題的有機(jī)材料。因此，同時(shí)使用NH4HCO3和木炭材料可以連續(xù)生成碳酸礦物產(chǎn)品例如CaCO3和/或MgCO3以鏊合最大量的碳到土壤和下層土壤中，而始終為植物生長(zhǎng)保持良好的土壤特性。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案也可以將其它營(yíng)養(yǎng)素加到碳中。該材料本身含有痕量植物生長(zhǎng)需要的礦物質(zhì)。加磷、鈣和鎂能增強(qiáng)性能并產(chǎn)生緩釋微營(yíng)養(yǎng)素傳送系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括處理碳以產(chǎn)生很大的孔結(jié)構(gòu)。該材料可用作捕集水域流出的殺蟲劑和除草劑。通過(guò)沉積各種材料(例如氣態(tài)氧化鐵)，該材料能用來(lái)從動(dòng)物飼養(yǎng)場(chǎng)捕集例如磷等化合物。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)工藝來(lái)使用產(chǎn)生的氫，并與在生產(chǎn)工藝中存在的空氣和其它游離氮組合而生成用作氮源材料的氨。根據(jù)市場(chǎng)需求，這些產(chǎn)品可進(jìn)一步與例如鉀、鎂、硫酸銨、硝酸銨的其它種類的肥料和例如鐵和鉬的微礦物營(yíng)養(yǎng)素組合制成營(yíng)養(yǎng)更全面的化合物肥料。為利于本領(lǐng)域技術(shù)人員確認(rèn)本發(fā)明實(shí)施方案的范圍，申請(qǐng)人在本技術(shù)說(shuō)明書中給出了一些與本發(fā)明的
技術(shù)領(lǐng)域：
：相關(guān)的出版物。申請(qǐng)人使用“作者/出版年份”格式的標(biāo)識(shí)方式為這些參考文獻(xiàn)提供了易辨認(rèn)的標(biāo)識(shí)符。所標(biāo)識(shí)的參考文獻(xiàn)的完整清單提供在下表3中。表3參考文獻(xiàn)FakoussaRM，HofrichterM(1999)Biotechnologyandmicrobiologyofcoaldegradation.ApplMicrobiolBiotechnol5225-40ShneourEA(1966)Oxidationofgraphiticcarbonincertainsoils.Science151991-992Lad，R，Kimble，J.M.，F(xiàn)ollett，R.F.andStewart，B.A.1998a.SoilProcessesandtheCarbonCycle.CRCPressLLC，MAUSA，pp609.Hao，Y.L.，Lal，R，Izaurralde，R.C.，Ritchie，J.C.，Owens，L.B.andHothem，D.L.2001.HistoricassessmentofagriculturalimpactsonsoilandsoilorganiccarbonerosioninanOhiowatershedSoilScience166116-126.Vitousek，P.M.1991.Canplantedforestscounteractincreasingatmosphericcarbondioxide？JournalofEnvironmentalQuality20348-354.HaumaierL，ZechW(1995)Blackcarbon-possiblesourceofhighlyaromaticcomponentsofsoilhumicacids.OrgGeo-chem23191-196GlaserB，HaumaierL，GuggenbergerG，ZechW(1998)Blackcarboninsoilstheuseofbenzenecarboxylicacidsasspecificmarkers.OrgGeochem29811-819NishioM，okanoS1991Stimulationofthegrowthofalfalfaandinfectionofrootswithindigenousvesicular-arbuscularmycorrhizalfungibytheapplicationofcharcoalBull.Natl.Grassl.Res.Inst.45，61-71.Asada，T.etal，ScienceofBambooCharcoalStudyonCarbonizingTemperatureofBambooCharcoalandRemovalCapabilityofHarmfulGases，JournalofHealthScience2002，48(6)473-479Matsui，T.etal，PreparationandAnalysisofCarbonizationProductsfromSgi，CryptomrajaponicaD.Don)Wood.NipponKagakukaishi2000；153-61(Japanese)Nishimaya，K.etal.，AnalysisofChemicalStructureofWoodCjrcoalbyX-rayphotoelectronspectroscopy1998，JournalofWoodScience，44，56-61Day，D.，Activitieswebreportofa100hourproductionrunofhydrogenfrombiomassinBlakely，GA，USA；2002http://www.eprida.com/hydro/Gavin，D.G.，Brubaker，L.B.，andLertzman，K.P.Holocenefirehistoryofacoastaltemperaterainforestbasedonsoilcharcoalradiocarbondates.InpressforEcology2003IPCC，″Climatechange2001thescientifcbasis″，IntergovernmentalPanelonClimateChange，2001(seealsoathttp://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wgl/index.htm.)Walsh，Marieetal.，BiomassFeedstockAvailabilityintheUnitedStates1999StateLevelAnalysis，1999http://bioenergy.ornl.gov/resourcedata/index.htmlY.Yeboah，etal.，HydrogenfromBiomassforUrbanTransportation，Proceedingsofthe2002USDOEHydrogenProgramReview；2002Day，Danny；RobertEvans，JamesLeeU.S.PatentApplication，2002Yelverton，F(xiàn).Theuseofactivatedcarbontoinactivateagriculturalchemicalspills，NorthCarolinaCooperativeExtensionService，March，1996，http://www.bae.ncsu.edu/bae/prograns/extension/publicat/wqwm/ag442.htmlLee，J.W.；Li，R.，ANovelStrategyforCO2SequestrationandCleanAirProtection，ProceedingsofFirstNationalConferenceonCarbonSequestration，Washington，DC，May1417，2001.http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/01/carbon_seq/p12.pdfLeeJ.W.；Li，R，MethodforReducingCO2，CO，NOx，andSOxEmissions，1998OakRidgeNationalLaboratoryInventionDisclosure，ERID0631；2002U.S.PatentNo.US6,447,437Bl.Lee，J.W.，andR.Li，IntegrationofCoal-FiredEnergySystenswithCO2SequestrationthroughNH4HCO3Production，EnergyConversionManagement2003；441535-1546.SchleppiP.，Bucher-WallinI.，SiegwolfR，SaurerM.，MullerN.&BucherJ.B.，SimulationofincreasednitrogendepositiontoamontaneforestecosystempartitioningoftheaddedN；WaterAirSoilPollution1999；l16129-134GlaserB.，LehmannJ.，ZechW.Anelioratingphysicalandchemicalpropertiesofhighlyweatheredsoilsinthetropicswithcharcoal-areview.BiologyandFertilityofSoils2002；35219-230.Wardle，D.A.etal.，ThecharcoaleffectinBorealforestsmechanismsandecologicalconsequences，Oecologia1998；Volume115Issue3419-426InternationalCooperationinAgricultureandForestry，ApplicationofRiceHullChar，Taiwan，2002；Leaflet03-01http://www.agnet.org/ibrary/article/pt2001004.htmlDay，D.，Activitieswebreportofa100hourproductionrunofhydrogenfrombionassinBlakely，GA，USA；2002http://www.eprida.con/hydro/Pietik_inen，Janna，Soilmicrobesinborealforesthumusafierfire(thesis1999)http://ethesis.helsinki.fi/julkaisut/maa/mekol/vk/pietikainen/soilmicr.htmlRunkel，R.O.HandWilke，K，Chemicalcompositionandpropertiesofwoodheatedat140Cto200Cinaclosedsystemwithoutfreespace.PartIIHolzalsRohundWerkstoff1951；9260-270(Ger.)Godsy，E.Michael，ImpactofHumanActivityonGroundwaterDynamics(ProceedingsofasymposiumheldduringtheSixthIAHSScientificAssemblyatMaastricht，TheNetherlands，July2001).IAHSPublicationno.269，2001，pp.303-309.Li，E.Hagaman，C.Tsouris，andJ.W.Lee，“Removalofcarbondioxidefromfluegasbyammoniacarbonationinthegasphase，″Energy&Fuels2003；1769-74.Asada，T.etal，ScienceofBambooCharcoal.StudyofCarbonizingTemperatureofBambooCharcoalandRemovalCapabilityofHarmfulGases，JournalofHealthScience2002；48(6)473-479Gaur，SReed，T.B.，ThermalDataforNaturalandsyntheticFuels.NewYork；MarcelDekker，1998200-244Czernik；Stefan，(2003)Personalcorrespondenceandemails，NationalRenewableEnergyLaboratory，MarchOberstiener，etal.，BiomassEnuergy，CarbonRenovalandPermanentSequestration-A′RealOption’forManagingClimateRisk，Reportno.IR-02-042，Laxenburg，AustriaInternationalInstituteforAppliedSystesAnalysis，2002.GlaserB.，LehmannJ.，ZechW.，Amelioratingphysicalandchemicalpropertiesofhighlyweatheredsoilsinthetropicswithc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CO2，CO，NOx，andSOxEmissions，1998OakRidgeNationalLaboratoryInventionDisclosurè，ERID0631；2002U.S.PatentNo.US6,447,437B1.Lee，J.W.，andR.Li，IntegrationofCoal-FiredEnergySystemswithCO2SequestrationthroughNH4HCO3Production，EnergyConversionManagement2003；441535-1546.SchleppiP.，Bucher-WallinI.，SiegwolfR.，SaurerM.，MullerN.&Bu1cherJ.B.，SimulationofincreasednitrogendepositiontoamontaneforestecosystempartitioningoftheaddedN；WaterAirSoilPollution1999；116129-134GlaserB.，LehmannJ.，ZechW.Amelioratingphysicalandchemicalpropertiesofhighlyweatheredsoilsinthetropicswithcharcoal-areview.BiologyandFertilityofSoils2002；35219-230.Wardle，D.A.etal.，ThecharcoaleffectinBorealforestsmechanismsandecologicalconsequences，Oecologia1998；Volume115Issue3419-426InternationalCooperationinAgricultureandForestry，ApplicationofRiceHullChar，Taiwan，2002；Leaflet03-01http://www.agnet.org/library/article/pt2001004.htmlDay，D.，Activitieswebreportofa100hourproductionrunofhydrogenfrombiomassinBlakely，GA，USA；2002http://www.eprida.com/hydro/Pietikainen，Janna，Soilmicrobesinborealforesthumusafterfire(thesis1999)httP://ethesis.helsinki.fi/jujulkaisut/maa/mekol/vk/pietikainen/soilmicr.htmlRunkel，R.O.HandWilke，K，Chemicalcompositionandpropertiesofwoodheatedat140Cto200Cinaclosedsystemwithoutfreespace.PartIIHolzalsRohundWerkstoff1951；9260-270(Ger.)Godsy，E.Michael，ImpactofHumanActivityonGroundwaterDynamics(ProceedingsorasymposiumheldduringtheSixthIAHSScientificAssemblyatMaasticht，TheNetherlauds，July2001).IAHSPublicationno.269，2001，pp.303-309.Li，E.Hagaman，C.Tsouris，andJ.W.Lee，″Removalofcarbondioxidefromfluegasbyammoniacarbonationinthegasphase，″Energy&Fuels2003；1769-74.Asada，T.etal，ScienceofBambooCharcoal.StudyofCarbonizingTemperatureofBambooCharcoalandRemovalCapabilityofHarmfulGases，JournalofHealthScience2002；48(6)473-479Gaur，SReed，T.B.，ThermalDataforNaturalandSyntheticFuels.NewYork；MarcelDekker，1998200-244Czernik，Stefan，(2003)Personalcorrespondenceandemails，NationalRenewableEnergyLaboratory，MarchOberstiener，etal，BiomassEnergy，CarbonRemovalandPermanentSequestration-A’RealOption'forManagingClimateRisk，Reportno.IR-02-042，Laxenburg，AustriaInternationalInstituteforAppliedSystemsAnalysis，2002.GlaserB.，LehmannJ.，ZechW.，Amelioratingphysicalandchemicalpropertiesofhighlyweatheredsoilsinthetropicswithcharcoal-areview.BiologyandFertiltyofSoils2002；35；219-230.InternationalCooperationinAgricultureandForestry，ApplicationofRiceHullChar，Taiwan，2002；Leaflet03-01http://www.agnet.org/library/article/pt200l004.htmlHall，D.O.，F(xiàn).Rossillo-Calle，R.H.WilliamsandJ.Woods，BiomassforenergySupplyprospects.InRenewableEnergySourcesforFuelandElectricity[Johansson，T.B.，H.Kelly，A.K.N.Reddy，andR.H.Williams(eds.)].IslandPress，Washington，D.C.，1993593-652Athon，etal.，CO2SequestrationfromCoalFiredPowerPlantFlueGas，(apre-patentconfidentialdesignprojectstudyforco-authorJamesLee)，UniversityofTennessee，2000(seealsohttp://www.eprida.com/hydro/ecoss/background/CO2seqeconomics.pdf)TheFertilizerInstitute，WorldFertilizerUse，2003，http://www.tfi.org/Statistics/vorldfertuse.aspMann，M.，LifeCycleAssessmentofaBiomassGasificationCombined-CycleSystem，NationalRenewableEnergyLaboratoryReport1997，UnitedStatesMann，C.，TheRealDirtonRainforestFertility，Science2002；297920-923Hoshi，T.(webreportofgrowthstudieswithcharcoalamnendmentsongreenteayields)2002http://www.fb.u-tokai.ac.jp/WWW/hoshi/chaGlaser，et.al，PotentialofPyrolyzedOrganicMatterinSoilAmelioration，12thISCOConference，China2002；3421Nishio，M.，MicrobialFertilizersinJapan，BulletinbyNationalInstituteofAgro-EnvironmentalSciences，Japan，1999Ogawa，M.，EffectofcharcoalontherootnoduleandVAmycorrhizalformationofsoybean，ProceedingsoftheThirdInter-nationalMycologyCongress，Tokyo，Ja-pan，1983578WorldCarbonDioxideEmissionsfromtheConsumptionofCoal，1992-2001http://www.eia.doe.gov/emeu/iea/tableh4.htmlMosier，et.al，ClosingtheGlobalN2ObudgetNitrousOxideEmissionsthroughtheAgriculturalNitrogenCycle，NutrientCyclingandinAgroEcosystems1998，52223-245Kaiseretal，NitrousOxideReleasefromArableSoilImportanceofNFertilization，CropsandTemporalVariation；SoilBiologicalBiochemistry1998，Germany；30，no121553-1563Spath，etal，UpdateofHydrogenfromBiomass-DeterminationoftheDeliveredCostofHydrogen，NationalRenewableEnergyLaboratory，MilestoneReportfortheU.S.DepartmentofEnergy’sHydrogenProgram2001，UnitedStatesZackrisson，O.1977.InfluenceofforestfiresontheNorthSwedishborealforest.Oikos2922-32.DeLaat，J.，Bouoanga，F(xiàn).&Dore，M.1985.Influenceofmicrobiologicalactivityingranularactivatedcarbonfiltersontheremovaloforganiccompounds.TheScienceoftheTotalEnvironment47115-120.Kim，D.-J.，Miyahara，T.&Noike，T.1997.EffectofC/Nratioonthebioregenerationofbiologicalactivatedcarbon.WaterScienceandTechnology36239-249.權(quán)利要求1.一種熱解生物質(zhì)和其它含碳材料釋放出富含揮發(fā)性有機(jī)化合物的熱解氣體并產(chǎn)生固體碳木炭殘余物的方法。2.權(quán)利要求1的方法，其中控制所述木炭的溫度不超出350-500℃的溫度范圍2分鐘以上，從而使表面酸基的生成及對(duì)包括氨在內(nèi)的堿的優(yōu)先吸附達(dá)到最大。3.權(quán)利要求1的方法，其中所產(chǎn)生的木炭顆粒的溫度超過(guò)500℃，并被進(jìn)一步加熱或被氧化，其中的溫度在高于600℃下保持10分鐘以上，從而使表面酸基的產(chǎn)生最少。4.權(quán)利要求1、2和3的方法，其中在不同條件下進(jìn)一步處理所述殘余物，所述條件包括但不限于壓力、機(jī)械作用、熱、蒸氣、氧、酸、二氧化碳、添加肥料成分如鉀、鎂、硫酸銨、硝酸銨、微礦物營(yíng)養(yǎng)素如鐵鉬礦物質(zhì)，從而針對(duì)作為吸附劑和其它材料載體的特定應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。5.權(quán)利要求1的方法，其中使用陶瓷膜進(jìn)一步處理所述氣體以轉(zhuǎn)化和提取純化氫氣流，或通過(guò)使用蒸氣重整或催化重整所述熱解或合成氣以產(chǎn)生包括氫氣、一氧化碳、甲烷和二氧化碳在內(nèi)的混合氣體，其中產(chǎn)生的一氧化碳通過(guò)高溫或低溫催化CO水變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣，其中氫氣和二氧化碳是所得氣體的主要成分。6.權(quán)利要求5的方法，用于利用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)技術(shù)如變壓吸附或膜分離，將所有未純化的氫與二氧化碳、氮?dú)饣蚱渌郊託怏w分離。7.權(quán)利要求1、5和6的方法，其中將氫氣與空氣組合用于標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)上接受的技術(shù)中，從而產(chǎn)生氨或硝酸銨或這些工業(yè)實(shí)踐中典型的其它氮化合物。8.權(quán)利要求2和4的方法，其中將全部或部分固體炭和氨和水注入燃燒或其它過(guò)程的廢氣流中或與之充分接觸，其中所述氣流具有一定濃度的二氧化碳、二氧化硫和一氧化二氮，并且希望減少這些物質(zhì)向大氣的排放。9.權(quán)利要求3和4的方法，其中將全部或部分固體木炭和氨和水注入燃燒或其它過(guò)程的廢氣流中或與之充分接觸，其中所述氣流具有一定濃度的二氧化碳、二氧化硫和一氧化二氮，并且希望減少這些物質(zhì)向大氣的排放。10.權(quán)利要求8和9的方法，其中所述炭殘余物與氨、水及廢氣保持充分接觸至少5秒鐘。11.權(quán)利要求10的方法，其中所述化學(xué)反應(yīng)使得在木炭的孔中和表面上形成碳酸氫銨(NH4HCO3)，從而產(chǎn)生NH4HCO3-木炭肥料。12.權(quán)利要求10的方法，其中所述化學(xué)反應(yīng)還使得所要生成的氮氧化物和二氧化硫的銨鹽與NH4HCO3-木炭肥料接觸生成。13.一種形成緩釋鏊合土壤改良肥料的方法，其中所述肥料與植物生長(zhǎng)所用材料組合并沉積在碳?xì)堄辔锏膬?nèi)孔結(jié)構(gòu)中制成適合大規(guī)模農(nóng)業(yè)應(yīng)用的固體粉末和或顆粒材料。14.權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或13的方法，其中生成對(duì)植物生長(zhǎng)有利的化合物或?qū)⑦@些化合物吸附到碳?xì)堄辔锏膬?nèi)孔結(jié)構(gòu)上生成緩釋這些化合物的材料。15.權(quán)利要求13的方法，其中應(yīng)用涂層來(lái)利于處理、流動(dòng)且增加對(duì)這些化合物的釋放速率的控制，其中一些材料常用于產(chǎn)生涂層，如石膏、灰泥、硫磺、聚合物，但不限于此，其中這些材料當(dāng)置于土壤中時(shí)溶解或產(chǎn)生可滲透層。16.權(quán)利要求1-11所述方法制成的材料作為土壤改良劑和肥料以及制成權(quán)利要求11、12或13所述材料的用途。專利摘要本發(fā)明涉及通過(guò)一系列步驟經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)在捕集化石燃料和非化石燃料燃燒釋放的溫室氣體的過(guò)程中制造的碳基肥料和土壤改良劑。本發(fā)明使用生物燃料和其它碳源通過(guò)熱解轉(zhuǎn)化成氣體和木炭，供進(jìn)一步生產(chǎn)副產(chǎn)品如氫和氨。本發(fā)明還涉及組合水合氨、燃燒煙道氣廢氣和木炭，用于將木炭轉(zhuǎn)化成增值的土壤改良劑，使必需的微量礦物質(zhì)和植物營(yíng)養(yǎng)素回歸土壤。生產(chǎn)大量碳副產(chǎn)品同時(shí)消除禁令排放并產(chǎn)生可再生氫的能力，為大量大大小小的行業(yè)提供了經(jīng)濟(jì)收益，并增加了明顯降低溫室氣體排放的可能性。文檔編號(hào)C01B3/02GK1997590SQ20038010552公開(kāi)日2007年7月11日申請(qǐng)日期2003年10月22日發(fā)明者丹尼·馬歇爾·戴,詹姆斯·W·李申請(qǐng)人:丹尼·馬歇爾·戴,Ut-巴特勒有限責(zé)任公司導(dǎo)出引文BiBTeX,EndNote,RefMan