批次式炭化爐生產之炭化稻殼及其應用於稻米生長之影響 - 農業知識入口網

一、前言

根據農糧署100年底統計，兩期稻作耕地面積共約25.4萬餘公頃，糙米總產量達134.78萬公噸，則產生稻殼廢棄物約33.7萬公噸。稻殼的材質疏鬆，體積龐大又占空間，無論儲存或運輸都不方便。早期堆至於碾米工廠，少數則應用逾養殖畜牧業或有機堆肥，但大多則以焚毀方式處理，無法再次利用，僅97年價格飆漲時，稻殼再次作為燃料使用，價格材一路飆至3元 公斤。

稻殼為一天然資材，內含有大量的矽和鉀，可應用於農地增加土壤有機質，但於自然環境中分解速度慢，且易造成污染，如能將其碳化利用，除可作為土壤改良材，也可解決稻殼廢棄物堆置問題。根據文獻指出，碳化資材具有表面積大、孔隙結構及吸附性官能基等特性，例如陳松甫（2003） 選擇稻殼、花生殼、蔗渣等農業廢棄物，進行高溫碳化及二氧化碳活化，並進行吸附土壤重金屬能力檢測，結果顯示以碳化蔗渣的吸附效果較佳，碳化花生殼、碳化稻殼之吸附效果次之，且但吸附能力皆較市售活性碳及未碳化稻殼佳。而土壤中添加碳化資材也可改善土壤的理化性，如Novak 等（2009）研究報告指出添加2％的生物碳（biochar）及簡全基等人（2011）利用炭化稻殼可提升壤質砂土的酸鹼值及鈣、鉀營養元素含量。Asai 等人（2009）也發現施用生物碳可增加水稻的產量。

本文介紹利用批次式炭化爐以批次式入料進行炭化，其可使單一批次內之材料炭化後產出之炭化物品質穩定。其炭化程序為啟動加熱系統，保持為恆溫狀態，藉由熱源間接加熱稻殼，在無氧高溫下把稻殼乾餾解熱，分離出水分子、及其內部可分離的有機物質。此外，進一步利用自行生產的炭化稻殼做為土壤改良資材，進行水稻田土壤改良試驗，在一般的肥培管理下觀察碳化稻殼對水稻種植的影響。

二、試驗

（一）材料
進行炭化的材料為臺東陳協和碾米廠提供之2010年第二期稻作碾米後產生的稻殼廢棄物。
（二）炭化作業
本稻殼炭化作業是利用工業技術研究院南分院的批次式炭化爐（圖1）進行，其炭化模式為外熱式加熱。批次式炭化爐體材質有內外之分，外爐體是一般金屬中碳鋼材，取其價格便宜的優勢，再塗布600℃等級的耐熱漆，來做防鏽保溫功能，而阻隔熱量散失的保溫性材質為陶瓷纖維棉，厚度20cm，其耐溫等級可達1,260℃；內爐體是採用金屬304不銹鋼，主要考量是不銹鋼不易受醋液酸性腐蝕，800℃左右是在其金屬強度在不扭曲變形的情況下，可保有密閉缺氧空間，可以正常運作來執行高溫的炭化作業。
爐內可置放材料之空間約240cm×120cm×150cm（L×W×H）；爐外體積約435cm×180cm×240cm（L×W×H）。炭化過程之升溫及時間之控制是由微電腦溫度控制器設定控制。圖2為溫度及時間控制的關係圖。本稻殼炭化作業測試共進行5次以確認此批次式炭化爐可製作生產的稻殼品質較為一致。爐內起始溫度受環境影響為30℃，而炭化最終溫度為400℃。

（三）炭化稻殼應用於稻米生長試驗
土壤中添加碳化資材可改善土壤的理化性，如土壤的總體密度、土壤中的營養元素有效性等，此外，也可提升壤質砂土的酸鹼值及鈣、鉀營養元素含量。本次試驗先利用炭化稻殼添加入水稻田進行土壤改良，其施肥部分則按照當地常規施肥方法與施肥量。炭化稻殼應用於稻米生長試驗期間為2010年8月1日至2010年11月30日，以有機方式種植。水稻供試品種為桃改3號，種植總面積共1分地，試驗共分為四種處理，A.50公斤 分地；B. 100公斤 分地；C. 150公斤分地；D. 不施用（對照組）。

三、結果與討論

（一）批次式炭化爐生產之炭化稻殼產量及性質分析
透過批次式炭化爐生產製作之炭化稻殼經過5批次的炭化作業，炭化稻殼的炭產率均可達到40％以上，而稻殼醋液的收集，如炭化過程中單位時間產生的煙霧能即時經由冷凝系統處理，而無煙霧由炭化爐體內向外逸散的情況下，則醋液收集率可達18％以上。批次式炭化爐生產的炭化稻殼炭化完全，且外觀完整保留原有稻殼形狀，如圖3及圖4所示。另外，將炭化稻殼進行性質分析，如表1，其交換性Ca含量較稻殼有所提升、但交換性Mg有效性Si含量則較稻殼低。炭化稻殼電導度低於2,000μS m很適合作為作物的栽培介質使用，也可改善受鹽害之土壤，一般而言，耕地土壤溶液之導電度（EC）大於4dS m（=4,000μSm）者，對大部分作物之生長不利。炭化稻殼pH值約在9左右呈鹼性，很適合作為改善酸性土壤的材料，且其孔隙率高，施於土壤可增加土壤的通氣性並成為微生
物的棲息地，可豐富土的微生物相。

（二）炭化稻殼應用於稻米生長成果
炭化稻殼應用於稻米生長試驗地點位於臺東縣池上鄉萬安村，由陳協和碾米廠提供場地於其有機稻栽培區進行。水稻供試品種為桃改3號，種植總面積共1分地，試驗共分為4種處理，A.對照組（不施用）；B. 50公斤 分地；C. 100公斤 分地；D.150公斤 分地。炭化稻殼與木炭相同，具有多孔隙特性，且有保水及通氣作用，並成為微生物的棲息地，可豐富土的微生物相。其具有相當豐富的矽酸成分和礦物質，有提高作物的耐病性的效果。在日本，據說將炭化稻殼每年施入田穗中，揉握稻的葉處有清脆的霹啪聲，感覺很結實。本次於臺東將炭化稻殼詩入土壤作為土壤改良材，並以有機的方式試驗種植水稻（如圖5），發現水稻仍有病蟲害（穗稻熱病）的情形發生，但土壤有施加炭化稻殼所種植的水稻其發病率較為施加炭化稻殼所種植的水稻低。

另外，添加不同比例的炭化稻殼種植水稻，各水稻產量調查結果如表2，其中以每分地施用碳化稻殼50公斤表現最佳，穗數（21.4）、穗粒（192.8）、結實率（76.5％）及千粒重（23.8克），產量表現亦是最佳（4,421.3公斤 公頃）。由於炭化稻殼為含矽資材，而土壤分析結果亦顯示土壤矽含量以施用炭化稻殼高於對照組，而許多文獻亦顯示種植水稻施用含矽資材可提升產量，如Yoshida （1981） 研究顯示水稻施用含矽資材後可增產10％～30％；Winslow等（1997）研究發現不同生態型水稻在施用含矽資材後，平均產量提高， Inanaga 等（2002）也有相似的結果，而本試驗結果亦與文獻研究結果相似。

「批次」其實就是一次一批
此一炭化爐為一次統一在一定的時間及溫度控制下炭化進入的稻殼，炭化完後取出，而一次的最大入料量需視炭化爐的內部容量。


文圖 陳香如 工業技術研究院
張繼中 臺東區農業改良場
巫中安 工業技術研究院
陳政鴻 陳協和碾米工廠