一种利用稻草制备生物质炭基尿素肥料的系统及方法与流程

本发明涉及固体废弃物处理领域，具体涉及利用稻草制备生物炭基尿素肥料的系统及方法。

背景技术：

生物质炭是在低氧或无氧环境下，通过高温裂解将植物碳化的产物，已成为近年来环境、农林、能源等研究领域关注的热点。生物质炭为生物能源生产、土壤改良、肥料创新、温室气体减排、废弃生物质资源利用等问题提出了解决方法。生物质炭的研究源于对亚马逊河流域中部黑土的认识，土壤中含有大量生物质炭，比附近不含有生物质炭土壤的肥力更高，这一现象引起了全世界科学家对生物质炭在土壤改良与减排温室气体等方面应用的关注。上世纪九十年代中后期，利用现代热解技术制备生物质炭的研究开展。国外学者针对生物质炭的热解制备、自身性质及对土壤的化学性质、土壤物理性质、微生物的影响等进行了大量研究，并取得了相应的成果。我国对生物质炭在不同领域的应用研究也很重视，但关于其对肥料的缓释特性研究还处于起步阶段。

全世界秸秆资源十分丰富，年产量在30亿吨左右。而我国是农业大国，农作物稻草数量十分巨大，且种类众多。据2003年调查统计，稻草总量达7.94亿吨左右，并且以每年0.13亿吨的速度增长。同时存在以下缺点，稻草的收集、运输、利用过程中机械设备成本过高，产业链较短，缺乏技术支持，人们认知存在误区等，导致农作物稻草的利用率不高。焚烧过程污染空气环境，危害人体健康，容易引发火灾。并且，焚烧稻草导致地面温度急剧升高，能直接烧死、烫死土壤中的有益微生物，影响作物吸收土壤养分。

热解技术为解决稻草利用问题提供了全新的途径。将稻草进行热解处理，可获得高附加值的生物油或化学制品，将生物质炭制备成肥料可改善土壤肥力。该技术可提高稻草的利用和管理，有助于解决稻草随意弃置、焚烧等环境问题。

现有技术公开了稻草生物质炭基尿素及其制备方法。该方法的特征在于将稻草高温裂解，得到稻草生物质炭和可燃性气体，并将尿素原料和稻草生物质炭混合熔融、造粒，负压下冷却后进行筛选，对筛选后的粒料进行包膜，包装，制得稻草生物质炭基尿素。但是，粉碎的稻草直接高温裂解，热解气中会夹杂大量飞灰，需进行除尘处理，增大成本。高温裂解过程产生的大量木醋液，随热解气一起进入后段，会降低热解气的品质和热值，且对燃烧器有一定的腐蚀性。高温裂解过程中添加的裂解催化剂，影响热解炭及生物炭基尿素肥料的品质，且增加原料的处理成本。另外，粉碎的稻草体密度非常小，催化剂的体密度比较大，两者的形状差别非常大，很难混合均匀，从而影响催化效率。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种利用稻草制备生物质炭基尿素肥料的系统及方法。该系统易操作，设备运行稳定可靠。处理过程清洁节能，无污染物排放。整个系统热效率高，运行费用低，产品品质优，经济效益明显。

本发明公开了一种利用稻草制备生物质炭基尿素肥料的系统，其特征在于，所述系统包括储料坑以及依次连接的上料进料装置、旋转床热解炉、混合料仓、圆盘造粒机、烘干装置、打包装置；

所述储料坑用于存储稻草原料；

所述上料进料装置具有稻草原料入口、稻草原料出口，所述稻草通过抓斗由所述储料坑运送至所述上料进料装置中；

所述旋转床热解炉具有进料口和生物质炭出口，所述进料口处设置有匀料器；所述进料口与所述上料进料装置的稻草原料出口连接；

所述旋转床热解炉为环形密封结构，依次包括设置有红外辐射加热管的红外加热区、设置有蓄热式燃气辐射管的燃气加热区，并且，所述红外加热区与所述匀料器的出料端相通；

所述混合料仓具有生物质炭入口、粘结剂入口、尿素肥料入口、混合物出口；所述生物质炭入口与所述旋转床热解炉的生物质炭出口通过出料装置连接；

所述圆盘造粒机具有混合物入口、粒状混合物出口；所述混合物入口与所述混合料仓的混合物出口连接；

所述烘干装置具有粒状混合物入口、干燥混合物出口；所述粒状混合物入口与所述圆盘造粒机的粒状混合物出口通过输送皮带连接；

所述打包装置具有干燥混合物入口、产物出口；所述干燥混合物入口与所述烘干装置的干燥混合物出口连接。

上述的系统中，还包括热解油气冷却装置、油水分离装置；

所述热解油气冷却装置具有热解油气入口、油水出口、热解气出口，所述热解油气入口与所述旋转床热解炉中的热解油气出口连接，所述热解气出口与所述蓄热式燃气辐射管连接；

所述油水分离装置具有油水入口、热解油出口、木醋液出口；所述油水入口与所述热解油气冷却装置的油水出口连接。

上述的系统中，还包括烟囱排烟装置，具有烟气入口、达标烟气出口；所述烟气入口与所述旋转床热解炉的烟气出口连接。

优选的，所述上料进料装置的下端设置有物料计量器，用于计量所述稻草原料的输送速度；

所述旋转床热解炉的红外加热区中，每两根所述红外辐射加热管之间设置有翻料器，所述翻料器用于翻动所述稻草原料，促进水分的挥发。

进一步的，所述圆盘造粒机中，所述混合物入口位于圆盘造粒机上部，所述粒状混合物出口位于圆盘造粒机下部，并在其中的圆盘上方设置水喷头。

本发明还公开了一种基于上述系统利用稻草制备生物质炭基尿素肥料的方法，其特征在于，包括步骤：

A、将稻草原料运送至所述储料坑堆放1～3天，之后经由所述抓斗运送至所述上料进料装置中；

B、所述稻草原料通过所述上料进料装置进入所述旋转床热解炉中，在所述匀料器的作用下均匀布置在料板上，依次通过所述红外加热区、燃气加热区，所述稻草原料中的水分和有机挥发分被依次分离，得到生物质炭；

C、将所述生物质炭运送至所述混合料仓中，并向其中加入粘结剂和尿素肥料进行混合，得到混合物；

D、将所述混合物送入所述圆盘造粒机中，启动圆盘造粒机，开启水喷头喷入一定量的水分，进行造粒处理，得到粒状混合物；

E、将所述粒状混合物依次送入所述烘干装置、打包装置中进行烘干、打包处理后得到所需产物，即生物质炭基尿素肥料。

上述利用稻草制备生物质炭基尿素肥料的方法中，在所述A步骤之前，还包括稻草原料的预处理步骤：

将稻草进行破碎至粒径＜50㎜；和/或，将含水率≥20wt％的稻草烘干至含水率为15～20wt％；将粒径＜50㎜、含水率为15～20wt％的稻草压块。

上述利用稻草制备生物质炭基尿素肥料的方法中，所述B步骤中，所述旋转床热解炉的转速为10～40min/r；所述料板上的稻草原料厚度为20～50㎜；所述红外加热区中的红外辐射加热管与所述稻草原料上表面的垂直距离为50～80㎜，辐射红外光波长为1～30μm；翻料器下边缘与所述料板表面的垂直距离为5～10㎜；所述燃气加热区中的蓄热式燃气辐射管与所述稻草原料上表面的垂直距离为50～80㎜，蓄热式燃气辐射管的温度为650～700℃。

上述利用稻草制备生物质炭基尿素肥料的方法中，所述C步骤中，所述生物质炭与尿素肥料的质量比为5：0.8～1.4，所述粘结剂的添加量占所述混合物的百分比为8～12wt％；所述粘结剂为羧甲基纤维素钠或氧化淀粉中的一种。

上述利用稻草制备生物质炭基尿素肥料的方法中，所述圆盘造粒机的转盘转速为30r/min，所述转盘的倾斜角度为45°；所述喷入的水分占所述混合物的百分比为12～25wt％；所述烘干温度为40～65℃。

本发明采用旋转床热解炉可实现稻草原料的热解处理，获得高附加价值的热解油和木醋液。热解过程中，稻草原料相对料板静止，避免产生飞灰，无需除尘，且保证热解油和热解气的品质。直接将热解油作为产品回收，无需添加催化剂，一方面降低催化剂制备成本，另一面保留生物质炭自身的品质。蓄热式燃气辐射管排放的烟气不与热解油气接触，大大降低后序处理成本。

本发明选用红外辐射，可比对流换热提供高达70多倍的热流密度。在旋转床热解炉的进料口端增设红外辐射加热管，可大大降低热解过程中的能耗，同时缩短热解时间，提高旋转床热解炉的处理能力。

附图说明

图1为本发明利用稻草制备生物质炭基尿素肥料的系统示意图。

图2本发明实施例中利用图1所示的系统制备生物质炭基尿素肥料的方法流程示意图。

附图中的附图标记如下：

1、储料坑；2、上料进料装置；3、旋转床热解炉；4、混合料仓；5、圆盘造粒机；6、烘干装置；7、打包装置；8、热解油气冷却装置；9、油水分离装置；10、烟囱排烟装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

如图1所示，为本发明利用稻草制备生物质炭基尿素肥料的系统示意图。该系统包括储料坑1、上料进料装置2、旋转床热解炉3、混合料仓4、圆盘造粒机5、烘干装置6、打包装置7、热解油气冷却装置8、油水分离装置9、烟囱排烟装置10。其中，各装置的功能和连接关系如下：

储料坑1用于储存经预处理的稻草原料，其中的稻草原料可通过抓斗运送至上料进料装置2中。

上料进料装置2设置有密封装置，用于将由储料坑1运送的稻草原料送入旋转床热解炉3中，具有稻草原料入口、稻草原料出口。其下端设置有物料计量器，用于计量稻草原料的输送速度。

旋转床热解炉3为环形密封结构，炉膛内部设置有布料装置、加热装置及翻料装置。在旋转床热解炉3的进料口端设置有匀料器，可将稻草原料均匀布置在旋转床热解炉3的料板上。

旋转床热解炉3依次包括红外加热区、燃气加热区。其中，红外加热区与匀料器的出料端相通，其中设置有2～4根红外辐射加热管，红外辐射加热管设置在料板的上方，每两根红外辐射加热管之间设置有翻料器，用于翻动稻草原料，促进水分的挥发，并在顶部设置有水分引出管道。在末根红外辐射加热管至旋转床热解炉3的出料口之间设置有多根蓄热式燃气辐射管，对料板上的稻草原料进一步加热。本发明中，不限制红外辐射加热管和蓄热式燃气辐射管的加热方式和数量。

旋转床热解炉3用于对稻草原料进行热解处理，可得到生物质炭，其具有进料口和生物质炭出口，顶部设置有热解油气出口。其中，进料口与上料进料装置2的稻草原料出口连接。

混合料仓4用于混合生物质炭和尿素肥料，可得到混合物，其具有生物质炭入口、粘结剂入口、尿素肥料入口、混合物出口。其中，生物质炭入口与旋转床热解炉3的生物质炭出口通过出料装置连接。

圆盘造粒机5用于混合物的造粒，可得到粒状混合物，其具有混合物入口、粒状混合物出口。其中，混合物入口与混合料仓4的混合物出口连接。并且，混合物入口位于圆盘造粒机5的上部，粒状混合物出口位于下部，并在其中的圆盘上方设置水喷头。

烘干装置6用于粒状混合物的干燥，其具有粒状混合物入口、干燥混合物出口。其中，粒状混合物入口与圆盘造粒机5的粒状混合物出口通过输送皮带连接。

打包装置7用于对干燥后的混合物进行打包处理，可得到最终产物，其具有干燥混合物入口、产物出口。其中，干燥混合物入口与烘干装置6的干燥混合物出口连接。

热解油气冷却装置8用于冷却稻草原料热解过程产生的热解油气，具有热解油气入口、油水出口、热解气出口。其中，热解油气入口与旋转床热解炉3的热解油气出口连接，热解气出口与旋转床热解炉3中设置的蓄热式燃气辐射管连接。

油水分离装置9用于分离热解油气冷却后产生的油水，其具有油水入口、热解油出口、木醋液出口。其中，油水入口与热解油气冷却装置8的油水出口连接。

烟囱排烟装置10用于净化处理烟气，达到排放标准后进行排放，其具有烟气入口、达标烟气出口。其中，烟气入口与旋转床热解炉3的烟气出口连接。

如图2所示，为本发明实施例基于图1所示的系统制备生物质炭基尿素肥料的方法，包括步骤：

(1)稻草预处理

该步骤用于对稻草进行预处理，最终得到满足旋转床热解炉3进料要求的稻草原料，可包括以下一项或多项。

破碎：将送来的稻草通过两级破碎装置进行破碎，破碎至粒径＜50㎜的碎料备用。

干燥脱水：根据稻草自身含水率的高低选择是否需要该预处理过程。当稻草含水率≥20wt％(wt％为质量百分比)时，将其烘干至含水率为15～20wt％。

压块：将粒径＜50㎜、含水率为15～20wt％的稻草压块。压块的大小也可根据现有的模具而定。

该步骤非必须步骤，旋转床热解炉3可对含水率低于85wt％的含水稻草直接进行处理。

(2)稻草原料的储存和输送

将得到的经预处理的稻草原料运送至储料坑1堆放1～3天。然后，通过抓斗将储料坑1中的稻草原料送至上料进料装置2中。通过控制上料进料装置2下端的物料计量器，可调整进料速度，从而控制旋转床热解炉3中的稻草原料的布料厚度。

(3)稻草的热解处理

将稻草原料通过带有密封装置的上料进料装置2送入旋转床热解炉3中。进料口处设置的匀料器将稻草原料均匀布置在料板上。稻草原料在料板上随旋转床热解炉3的旋转依次通过红外加热区、燃气加热区，可得到生物质炭。

其中，料板上的稻草原料厚度为20～50㎜。旋转床热解炉3的转速设置为10～40min/r。

在红外加热区中，红外辐射加热管与料板上稻草原料上表面的垂直距离为50～80㎜。翻料器下边缘与料板表面的垂直距离为5～10㎜，用于稻草原料的翻动，促进下层稻草原料升温后水分的挥发。

辐射红外光波长为1～30μm，该波长红外光频率与稻草原料中水分子的波长固有频率相等，从而可快速被水吸收，水分温度得以快速升高。并且，由于红外线的热量传递不需要中间介质，可以直接透入到物体内部，实现料板表层和内层稻草原料的水分温度同时升高。

红外辐射可比对流换热提供高达70多倍的热流密度。因此，在旋转床热解炉3的进料口端增设红外辐射加热管，可大大降低热解过程中的能耗，同时缩短热解时间，提高旋转床热解炉3的处理能力。

在燃气加热区中，蓄热式燃气辐射管与料板上稻草原料上表面的垂直距离为50～80㎜，蓄热式燃气辐射管的温度为650～700℃，进一步为旋转床热解炉3提供热量。

在旋转床热解炉3中，整个热解过程采用了辐射加热的方式。由于辐射能与辐射距离成反比，且需要避免稻草原料与辐射管接触，造成设备运转异常，因此，优选辐射管距离稻草原料上表面的垂直距离控制在50～80mm。

稻草原料依次经过红外加热区和燃气加热区的热解处理后，其中的水分和有机挥发分依次被分离，可得到生物质炭。其中，在红外加热区热解过程产生的水分通过水分引出管道引出并冷却，作为本发明系统的循环回用水分。

稻草原料热解产生的热解油气送入热解油气冷却装置8中，经冷凝后可得到热解气和油水。然后，将热解气送入旋转床热解炉3的蓄热式燃气辐射管中进行燃烧，为其提供热量，燃烧后的烟气送入烟囱排烟装置10中进行处理，达标排放。将油水送入油水分离装置9中，经分离可得到热解油和木醋液。其中，部分木醋液回流至热解油气冷却装置9中，通过直接冷却和循环冷却水间接冷却对热解油气进行冷却。在热解过程中，水先从旋转床热解炉3中分离出，在对热解油气进行冷却的过程中，冷却水与热解油气间接接触，从而可获得高纯度的木醋液，提高产品品质，所得木醋液可直接作为产品外售。

(4)生物质炭和尿素肥料的混合处理

上述步骤得到的生物质炭通过出料装置送入混合料仓4中，同时，向其中加入粘结剂和尿素肥料进行混合，可得到混合物。

该步骤中，生物质炭与尿素肥料的质量比为5：0.8～1.4。粘结剂选用羧甲基纤维素钠或是氧化淀粉。粘接剂的添加量占混合物的百分比为8～12wt％。

(5)混合物的造粒

将上述步骤得到的混合物从圆盘造粒机5的上方送入，启动圆盘造粒机5，将其中转盘的转速调至30r/min，转盘的倾斜角度为45°。并且，开启圆盘上方的水喷头，喷入一定量的水分。控制水分占混合物的百分比为12～25wt％，进行造粒处理，可得到粒状混合物。成型的粒状混合物从圆盘造粒机5下方的粒状混合物出口输出。

该步骤中，对混合物的成型造粒可选用圆盘造粒机以外的其它任意满足造粒要求的造粒设备。

(6)烘干打包

粒状混合物经由输送皮带送入烘干装置6中，在40～65℃的温度下烘干。然后，送入打包装置7中进行打包，得到最终产物，即生物质炭基尿素肥料。

实施例1

由湖北松滋提供30t稻草秸秆，含水率在17±1.5wt％之间，经过两级破碎至粒径＜30mm后进行压块，压块得到截面直径为30±2mm，长度为80±20mm的圆柱体棒料，即为稻草原料。

将稻草原料送入储料坑中，然后通过抓斗将储料坑中的稻草原料送至上料进料装置，稻草原料通过带有密封装置的上料进料装置进入旋转床热解炉中。在匀料器的作用下，稻草原料均匀布置在料板上，布料厚度控制在23±3mm。

稻草原料随着料板依次经过红外加热区、燃气加热区，控制旋转床热解炉的转速为15±5min/r。红外辐射加热管、蓄热式燃气辐射管距离稻草原料上表面的垂直距离为50mm。辐射红外光波长为1～25μm，稻草料中的水分温度快速升高，表层的水分快速挥发，并随设置在旋转床热解炉顶部的引出管道引出。在翻料器作用下，下层稻草原料被翻动，促进下层水分的挥发。

然后，稻草原料进入燃气加热区。此时，其中95wt％以上的水分已挥发。蓄热式燃气辐射管的温度为670±20℃，稻草温度继续升高，有机挥发分和残留水分得以挥发。红外加热区和燃气加热区导出的气体产物分别进行冷却回收。

得到的生物质炭通过出料装置送入混合料仓中，与尿素肥料以及粘结剂混合。生物质炭与尿素肥料的质量比为5：1。粘结剂选用羧甲基纤维素钠，添加量占混合物总量的10wt％。

将混合物送入圆盘造粒机中，开启水喷头，喷入的水分占混合物的15wt％，成型的粒状混合物从圆盘下方离开圆盘造粒机，通过链式输送机送入烘干装置，在40℃进行烘干。

稻草原料热解产生的热解油气进行冷却和油水分离，得到热解油和木醋液产品。油气冷却后的不凝热解气作为蓄热式燃气辐射管的燃气供给燃烧，燃烧后的烟气通过烟囱排烟装置排放。

上述实施例中，30t稻草通过处理后获得2.4t热解油、5.4t热解水、5.4t木醋液和14t生物质炭基尿素肥料。

实施例2

本实施例采用与实施例1相同的系统和方法。其中，在旋转床热解炉中，稻草原料在料板上的布料厚度控制在35±2mm；旋转床热解炉的转速为20±5min/r；红外辐射加热管、蓄热式燃气辐射管距离稻草原料上表面的垂直距离为70mm；辐射红外光波长为1～30μm；蓄热式燃气辐射管的温度为670±10℃。

制得的生物质炭通过出料装置送入混合料仓中，与尿素肥料以及粘结剂混合。生物质炭与尿素肥料的质量比为5：0.8。粘结剂选用羧甲基纤维素钠，添加量占混合物总量的8wt％。

将混合物送入圆盘造粒机中，开启水喷头，喷入的水分占混合物的12wt％，成型的粒状混合物从圆盘下方离开圆盘造粒机，通过输送皮带送入烘干装置，在50℃进行烘干。

上述实施例中，30t稻草通过处理后获得2.5t热解油、5.3t热解水、5.6t木醋液和13.6t生物质炭基尿素肥料。

实施例3

本实施例采用与实施例1相同的系统和方法。其中，在旋转床热解炉中，稻草原料在料板上的布料厚度控制在45±5mm；旋转床热解炉的转速为37±3min/r；红外辐射加热管、蓄热式燃气辐射管距离稻草原料上表面的垂直距离为80mm；辐射红外光波长为1～30μm；蓄热式燃气辐射管的温度为690±15℃。

制得的生物质炭通过出料装置送入混合料仓中，与尿素肥料以及粘结剂混合。生物质炭与尿素肥料的质量比为5：1.4。粘结剂选用氧化淀粉，添加量占混合物总量的12wt％。

将混合物送入圆盘造粒机中，开启水喷头，喷入的水分占混合物的25wt％，成型的粒状混合物从圆盘下方离开圆盘造粒机，通过输送皮带送入烘干装置，在65℃进行烘干。

上述实施例中，30t稻草通过处理后获得2.2t热解油、5.6t热解水、5.1t木醋液和14.9t生物质炭基尿素肥料。

本发明所述工艺方法可长期平稳操作，设备故障率极低。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。