本发明属于生物质利用领域，具体涉及一种炭基肥用高品质生物质炭联产纯净生物质气的制备工艺。
背景技术：
由于无机肥料见效快，营养组分容易把握，绝大多数农田中均施用无机肥料对作物进行营养补充。然而，无机肥料的长期施用会带来土壤板结和土壤盐碱化等问题，这不利于农业的可持续发展。有机肥料保水保墒，还能改良土壤的品质，但因其见效慢、储存和输送成本高，在我国农业中的应用并不广泛。例如，虽然小麦、玉米等作物的秸秆可以作为有机肥料直接还田，但由于其需要长时间发酵才能释放出可被作物利用的成分，所以在我国大多数地区采取将秸秆就地焚烧，制得草木灰后再进行施用的处理方式。但是秸秆焚烧产生的大量烟气，不仅是一种能源浪费，还会带来严重的空气污染。
为此，可采用热解炭化技术将秸秆等生物质进行集中处理后，再用来制备肥料。生物质热裂解技术相当于将生物质的自然降解过程在短时间内加速完成，其所得的生物炭富含微孔并保留了原秸秆中的部分营养物质，使其不但可以补充土壤的有机物含量，还可以有效地保存水分和养料，提高土壤肥力，因此，现有技术中将其与其它成分复配，以制作炭基肥或土壤改良剂，例如，中国专利文献cn105384579a公开了一种盐碱水稻专用炭基有机肥及其应用，该技术在无氧条件下将生物质原料裂解炭化得到生物质炭，然后再配以鸡粪、木醋液等制备得到颗粒炭基肥。其目的在于，通过生物质炭的特殊结构降低盐碱土的容重，提高盐碱土的持水、透水和透气性，增加土壤微生物含量和保水保肥能力，以改良水稻盐碱土较差的理化性质。由此可见，生物质炭的结构对炭基肥的性能具有重要的影响，其微孔的大小及数量、生物质炭中原有有机成分的保留量及保留形式对最终形成的炭基肥性能均具有显著的影响。然而，该技术并未提到炭化产生的气相副产物如何处理，生物质炭化的气相副产物中仍含有大量有机质，若将其直接排放必然造成生物资源的浪费和环境的污染。
因此，如何制备得到孔隙丰富且尺寸合适的炭基肥用高品质生物质炭，保留原有机成分，提高生物质炭收率，并同时将制备生物质炭时所产生的气相副产物收集利用，避免生物质资源的浪费，是目前本领域重点关注的问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中炭基肥用生物质炭收率较低、孔隙过大的缺陷，进而提供一种炭基肥用高品质生物质炭的制备工艺，并同时将制备生物质炭时所产生的气相副产物收集利用，最大限度的利用生物质资源，避免能源浪费。
本发明为达到上述目的采取如下技术方案：
一种制备高品质生物质炭并联产生物质气的工艺，包括以下步骤：
(1)将生物质颗粒在绝氧条件下干燥、炭化，得到生物质炭化产物；
(2)对所述生物质炭化产物进行气固分离，得到气相炭化产物和生物质炭，将所述生物质炭进行粉碎和冷却；
(3)所述气相炭化产物经过除尘后依次进行串联的一级喷淋、二级喷淋；
(4)喷淋净化后的气体经气液分离、净化后即得到纯净生物质气。
所述炭化的温度为350～650℃，所述炭化的时间为30～90min。
其特征在于，优选的，所述炭化的温度为550～650℃。
其特征在于，在所述步骤(1)中，采用梯度升温的方式进行炭化，炭化温度依次为(450℃～500℃)、(500℃～580℃)、(580℃～600℃)、(600℃～650℃)。
所述步骤(2)中采用沉降的方式实现气固相分离，采用冷却、粉碎、再次冷却的方式进行生物质炭的粉碎和冷却处理，所述冷却的方式为水冷。
所述步骤(2)中冷却后的生物质炭的温度≤80℃；
所述步骤(4)中所述经喷淋净化后的气体的温度≤50℃；
所述一级喷淋的喷淋剂温度为(40～50℃)，所述二级喷淋的喷淋剂温度为(15～30℃)。
所述步骤(3)中采用水或木醋液作为喷淋剂；
一级喷淋液的浓度始终高于二级喷淋液的浓度。
所述步骤(4)中的所述净化通过液相密封和缓冲处理实现。
所述炭化、气固分离、除尘、喷淋及气液分离的操作压力均为-4kpa～3kpa。
在所得高品质生物质炭上喷淋木醋液以制备土壤改良剂或炭基肥。
所述生物质为秸秆、稻壳或秸秆与稻壳的混合物。
本发明所提供的技术方案具有以下优点：
1.本发明提供的炭基肥用制备高品质生物质炭并联产生物质气的工艺得到了孔道丰富的高品质生物质炭和纯净生物质气。通过在绝氧条件下对生物质原料进行炭化，使生物质炭收率达到(30～33％)，避免了燃烧带来的能源浪费；通过对气相炭化产物进行串联的一、二级喷淋和气液分离处理，得到了纯净生物质气，避免了资源浪费和烟气污染。获得了纯净生物质气，收集率达到25％-30％，热值>2200kcal/kg。
2.本发明提供的炭基肥用制备高品质生物质炭并联产生物质气的工艺，通过限定热解温度为450～650℃，进一步限定炭化的四个温区，获得了更高品质的生物质炭，所得生物质炭的有机碳含量≥40％、灰分≤35％、比表面积≥20m2/g、平均孔径≥50nm、平均孔容≥0.4ml/g，最大化的保留了生物质中的有机碳，所得生物质炭可直接用来制备炭基炭基肥或土壤改良剂，也可喷淋木醋液后再使用。由此生物质炭制得的炭基肥缓释效果好，肥效持久。通过将炭化、气固分离、除尘、喷淋及气液分离的操作压力维持在-4kpa～3kpa，并结合液相密封和缓冲处理，保证了整个体系的全密闭及绝氧环境，避免污染。
3.本发明提供的炭基肥用制备高品质生物质炭并联产生物质气的工艺，采用外热式加热方式，炭化均匀，炭化时间短，并实现了规模化、连续化、自动化生产工艺，对保护产地环境、稳定农业生态平衡、缓解资源约束、促进农民增收。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1提供的利用秸秆制备炭基肥用高品质生物质炭并联产纯净秸秆气的工艺简图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
本实施例提供的利用玉米秸秆制备炭基肥用高品质生物质炭联产生物质气的工艺，包括以下步骤：
(1)将玉米秸秆粉碎，在绝氧的条件下进行炭化，炭化温度为650℃，炭化35min，得到秸秆炭化产物。
(2)将所得秸秆炭化产物进行沉降处理，得到生物质炭和生物质气，将所得生物质炭依次进行一级冷却、粉碎和二级冷却，冷却方式为水冷，采用旋风分离技术对生物质气进行除尘，将除尘所得固体颗粒并入冷却后的生物质炭中。
(3)收集步骤(2)所得生物质气，以水作为喷淋剂，对其依次进行一级喷淋和二级喷淋，得到一级喷淋液、二级喷淋液和初级生物质气。
将一级喷淋剂的温度控制在40℃，将二级喷淋剂的温度控制在15℃。
一级喷淋液的浓度始终高于二级喷淋液的浓度。
(4)对步骤(3)所得秸秆气进行气液分离操作，即得到纯净秸秆气。
上述炭化、沉降、旋风分离、喷淋以及气液分离的操作压力均为-4kpa。
步骤(4)气液分离得到的少量木醋液，可以喷淋至步骤(2)得到的生物质炭制备炭基肥。
本实施例纯净生物质气的收率为25％，热值为2300kcal/kg。
可将部分纯净秸秆气送至炭化环节进行燃烧，以提供秸秆炭化的热源。
实施例2
本实施例提供的利用小麦秸秆制备炭基肥用高品质生物质炭联产生物质气的工艺，包括以下步骤：
(1)将小麦秸秆粉碎，在绝氧的条件下进行炭化，炭化温度为450℃，炭化90min，得到秸秆炭化产物。
(2)将所得秸秆炭化产物进行沉降处理，得到生物质炭和生物质气，将所得生物质炭依次进行一级冷却、粉碎和二级冷却，冷却方式为水冷，采用旋风分离技术对生物质气进行除尘，将除尘所得固体颗粒并入冷却后的生物质炭中。
(3)收集步骤(2)所得生物质气，以水作为喷淋剂，对其依次进行一级喷淋和二级喷淋，得到一级喷淋液、二级喷淋液和初级生物质气。
将一级喷淋剂的温度控制在50℃，将二级喷淋剂的温度控制在20℃。
一级喷淋液的浓度始终高于二级喷淋液的浓度。
(4)对步骤(3)所得秸秆气进行气液分离操作，即得到纯净秸秆气。
上述炭化、沉降、旋风分离、喷淋以及气液分离的操作压力均为-1kpa。
步骤(4)气液分离得到的少量木醋液，可以喷淋至步骤(2)得到的生物质炭制备炭基肥。
本实施例纯净生物质气的收率为26％，热值为2250kcal/kg。
可将部分纯净秸秆气送至炭化环节进行燃烧，以提供秸秆炭化的热源。
实施例3
本实施例提供的利用稻壳制备炭基肥用高品质生物质炭联产生物质气的工艺，包括以下步骤：
(1)将稻壳在绝氧通氮气的条件下进行炭化，炭化温度为560℃，炭化85min，得到炭化产物。
(2)将所得炭化产物进行沉降处理，得到生物质炭和生物质气，将所得生物质炭依次进行一级冷却、粉碎和二级冷却，冷却方式为水冷，采用旋风分离技术对生物质气进行除尘，将除尘所得固体颗粒并入冷却后的生物质炭中。
(3)收集步骤(2)所得生物质气，以水作为喷淋剂，对其依次进行一级喷淋和二级喷淋，得到一级喷淋液、二级喷淋液和初级生物质气。
将一级喷淋剂的温度控制在40℃，将二级喷淋剂的温度控制在15℃。
一级喷淋液的浓度始终高于二级喷淋液的浓度。
(4)对步骤(3)所得秸秆气进行气液分离操作，即得到纯净秸秆气。
上述炭化、沉降、旋风分离、喷淋以及气液分离的操作压力均为-4kpa。
步骤(4)气液分离得到的少量木醋液，可以喷淋至步骤(2)得到的生物质炭制备炭基肥。
本实施例纯净生物质气的收率为25％，热值为2310kcal/kg。
可将部分纯净生物质气送至炭化环节进行燃烧，以提供炭化的热源。
实施例4
本实施例提供的利用玉米秸秆制备炭基肥用高品质生物质炭并联产生物质气的工艺，包括以下步骤：
(1)在绝氧通氮气的条件下先在465℃下对玉米秸秆颗粒料进行炭化22min，接着再加热升温至545℃炭化22min，然后继续升温至600℃炭化22min，最后于620℃下炭化22min，得到炭化产物。
(2)将所得炭化产物进行沉降处理，得到生物质炭和生物质气，将所得生物质炭依次进行一级冷却、粉碎和二级冷却，冷却方式为水冷，采用旋风分离技术对生物质气进行除尘，将除尘所得固体颗粒并入冷却后的生物质炭中。
(3)收集步骤(2)所得生物质气，以木醋液作为喷淋剂，对其依次进行一级喷淋和二级喷淋，得到一级喷淋液、二级喷淋液和初级生物质气。
将一级喷淋剂的温度控制在46℃，将二级喷淋剂的温度控制在15℃。
一级喷淋液的浓度始终高于二级喷淋液的浓度。
(4)对步骤(3)所得生物质气进行气液分离操作，即得到纯净生物质气。
上述炭化、沉降、旋风分离、喷淋以及气液分离的操作压力均为-2kpa。
步骤(4)气液分离得到的少量木醋液，可以喷淋至步骤(2)得到的生物质炭制备炭基肥。
本实施例纯净生物质气的收率为30％，热值为2500kcal/kg。
实施例5
本实施例提供的利用稻壳制备炭基肥用高品质生物质炭联产生物质气的工艺，包括以下步骤：
(1)在绝氧通氮气的条件下先在450℃下对稻壳进行炭化20min，接着再加热升温至530℃炭化20min，然后继续升温至585℃炭化20min，最后于630℃下炭化20min，得到炭化产物。
(2)将所得炭化产物进行沉降处理，得到生物质炭和生物质气，将所得生物质炭依次进行一级冷却、粉碎和二级冷却，冷却方式为水冷，采用旋风分离技术对生物质气进行除尘，将除尘所得固体颗粒并入冷却后的生物质炭中。
(3)收集步骤(2)所得生物质气，以木醋液作为喷淋剂，对其依次进行一级喷淋和二级喷淋，得到一级喷淋液、二级喷淋液和初级生物质气。
将一级喷淋剂的温度控制在44℃，将二级喷淋剂的温度控制在30℃。
一级喷淋液的浓度始终高于二级喷淋液的浓度。
(4)对步骤(3)所得生物质气进行气液分离操作，即得到纯净生物质气。
上述炭化、沉降、旋风分离、喷淋以及气液分离的操作压力均为1kpa。
步骤(4)气液分离得到的少量木醋液，可以喷淋至步骤(2)得到的生物质炭制备炭基肥。
本实施例纯净生物质气的收率为29％，热值为2600kcal/kg。
实施例6
本实施例提供的利用小麦秸秆制备炭基肥用高品质生物质炭并联产生物质气的工艺，包括以下步骤：
(1)在绝氧通氮气的条件下先在500℃下对小麦秸秆颗粒料进行炭化21min，接着再加热升温至580℃炭化21min，然后继续升温至590℃炭化21min，最后于650℃下炭化21min，得到炭化产物。
(2)将所得炭化产物进行沉降处理，得到生物质炭和生物质气，将所得生物质炭依次进行一级冷却、粉碎和二级冷却，冷却方式为水冷，采用旋风分离技术对生物质气进行除尘，将除尘所得固体颗粒并入冷却后的生物质炭中。
(3)收集步骤(2)所得生物质气，以木醋液作为喷淋剂，对其依次进行一级喷淋和二级喷淋，得到一级喷淋液、二级喷淋液和初级生物质气。
将一级喷淋剂的温度控制在48℃，将二级喷淋剂的温度控制在16℃。
一级喷淋液的浓度始终高于二级喷淋液的浓度。
(4)对步骤(3)所得生物质气进行气液分离操作，即得到纯净生物质气。
上述炭化、沉降、旋风分离、喷淋以及气液分离的操作压力均为-2kpa。
步骤(4)气液分离得到的少量木醋液，可以喷淋至步骤(2)得到的生物质炭制备炭基肥。
本实施例纯净生物质气的收率为29％，热值为2510kcal/kg。
实施例7
本实施例提供的利用小麦秸秆与玉米秸秆2:1的混合物制备炭基肥用高品质生物质炭并联产生物质气的工艺，包括以下步骤：
(1)在绝氧通氮气的条件下先在475℃下对混合秸秆颗粒料进行炭化20min，接着再加热升温至500℃炭化20min，然后继续升温至580℃炭化20min，最后于600℃下炭化20min，得到炭化产物。
(2)将所得炭化产物进行沉降处理，得到生物质炭和生物质气，将所得生物质炭依次进行一级冷却、粉碎和二级冷却，冷却方式为水冷，采用旋风分离技术对生物质气进行除尘，将除尘所得固体颗粒并入冷却后的生物质炭中。
(3)收集步骤(2)所得生物质气，以木醋液作为喷淋剂，对其依次进行一级喷淋和二级喷淋，得到一级喷淋液、二级喷淋液和初级生物质气。
将一级喷淋剂的温度控制在47℃，将二级喷淋剂的温度控制在22℃。
一级喷淋液的浓度始终高于二级喷淋液的浓度。
(4)对步骤(3)所得生物质气进行气液分离操作，即得到纯净生物质气。
上述炭化、沉降、旋风分离、喷淋以及气液分离的操作压力均为-2kpa。
步骤(4)气液分离得到的少量木醋液，可以喷淋至步骤(2)得到的生物质炭制备炭基肥。
本实施例纯净生物质气的收率为30％，热值为2450kcal/kg。
对比例1
本对比例提供的利用玉米秸秆制备生物质炭的工艺，包括以下步骤：
(1)将玉米秸秆粉碎，在绝氧通氮气的条件下采用逐步升温的方式对所得秸秆颗粒进行炭化，加热至600℃，并在600℃保温20min，得到秸秆炭化产物。
(2)将所得秸秆炭化产物进行沉降处理，得到生物质炭和秸秆混合汽，将所得生物质炭依次进行一级冷却、粉碎和二级冷却，冷却方式为水冷，采用旋风分离技术对秸秆混合汽进行除尘，将除尘所得固体颗粒并入冷却后的生物质炭中。
实验例
计算各实施例和对比例的生物质炭收率并对所得到的生物质炭进行品质测定。
表1各实施例与对比例所得生物质炭品质评价
采用各实施例和对比例所得的生物质炭制备炭基肥并施用于麦田，所得炭基肥指标和肥效如下表所示，实验采用同一地块划分成9组，分别施用各实施例和对比例所得生物质炭制得的炭基肥，还有一对照组施用同等量质量的市售普通无机肥，用作计算增长的基数组。
表2炭基肥肥效评价
从以上结果可以看出，利用本发明提供的炭化工艺制备生物质炭，有机碳含量高，比表面积不小于20％。由本发明炭化工艺制得的生物质炭制备得到的炭基肥，能够有效提高产量，与相同施用量的市售普通无机肥相比，产量能够提高10～20％。由对比例1提供的生物质炭制得的炭基肥，由于其生物质炭品质不高，制备炭基肥时的营养负载量有限，再加上施用过程中肥料易流失，所以与相同施用量的无机肥相比并未观察到产量的提高。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，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。而由此所引伸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。