本發明涉及固體廢棄物處理領域，具體涉及利用稻草制備生物炭基尿素肥料的系統及方法。

背景技術：

生物質炭是在低氧或無氧環境下，通過高溫裂解將植物碳化的產物，已成為近年來環境、農林、能源等研究領域關注的熱點。生物質炭為生物能源生產、土壤改良、肥料創新、溫室氣體減排、廢棄生物質資源利用等問題提出了解決方法。生物質炭的研究源于對亞馬遜河流域中部黑土的認識，土壤中含有大量生物質炭，比附近不含有生物質炭土壤的肥力更高，這一現象引起了全世界科學家對生物質炭在土壤改良與減排溫室氣體等方面應用的關注。上世紀九十年代中后期，利用現代熱解技術制備生物質炭的研究開展。國外學者針對生物質炭的熱解制備、自身性質及對土壤的化學性質、土壤物理性質、微生物的影響等進行了大量研究，并取得了相應的成果。我國對生物質炭在不同領域的應用研究也很重視，但關于其對肥料的緩釋特性研究還處于起步階段。

全世界秸稈資源十分豐富，年產量在30億噸左右。而我國是農業大國，農作物稻草數量十分巨大，且種類眾多。據2003年調查統計，稻草總量達7.94億噸左右，并且以每年0.13億噸的速度增長。同時存在以下缺點，稻草的收集、運輸、利用過程中機械設備成本過高，產業鏈較短，缺乏技術支持，人們認知存在誤區等，導致農作物稻草的利用率不高。焚燒過程污染空氣環境，危害人體健康，容易引發火災。并且，焚燒稻草導致地面溫度急劇升高，能直接燒死、燙死土壤中的有益微生物，影響作物吸收土壤養分。

熱解技術為解決稻草利用問題提供了全新的途徑。將稻草進行熱解處理，可獲得高附加值的生物油或化學制品，將生物質炭制備成肥料可改善土壤肥力。該技術可提高稻草的利用和管理，有助于解決稻草隨意棄置、焚燒等環境問題。

現有技術公開了稻草生物質炭基尿素及其制備方法。該方法的特征在于將稻草高溫裂解，得到稻草生物質炭和可燃性氣體，并將尿素原料和稻草生物質炭混合熔融、造粒，負壓下冷卻后進行篩選，對篩選后的粒料進行包膜，包裝，制得稻草生物質炭基尿素。但是，粉碎的稻草直接高溫裂解，熱解氣中會夾雜大量飛灰，需進行除塵處理，增大成本。高溫裂解過程產生的大量木醋液，隨熱解氣一起進入后段，會降低熱解氣的品質和熱值，且對燃燒器有一定的腐蝕性。高溫裂解過程中添加的裂解催化劑，影響熱解炭及生物炭基尿素肥料的品質，且增加原料的處理成本。另外，粉碎的稻草體密度非常小，催化劑的體密度比較大，兩者的形狀差別非常大，很難混合均勻，從而影響催化效率。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種利用稻草制備生物質炭基尿素肥料的系統及方法。該系統易操作，設備運行穩定可靠。處理過程清潔節能，無污染物排放。整個系統熱效率高，運行費用低，產品品質優，經濟效益明顯。

本發明公開了一種利用稻草制備生物質炭基尿素肥料的系統，其特征在于，所述系統包括儲料坑以及依次連接的上料進料裝置、旋轉床熱解爐、混合料倉、圓盤造粒機、烘干裝置、打包裝置；

所述儲料坑用于存儲稻草原料；

所述上料進料裝置具有稻草原料入口、稻草原料出口，所述稻草通過抓斗由所述儲料坑運送至所述上料進料裝置中；

所述旋轉床熱解爐具有進料口和生物質炭出口，所述進料口處設置有勻料器；所述進料口與所述上料進料裝置的稻草原料出口連接；

所述旋轉床熱解爐為環形密封結構，依次包括設置有紅外輻射加熱管的紅外加熱區、設置有蓄熱式燃氣輻射管的燃氣加熱區，并且，所述紅外加熱區與所述勻料器的出料端相通；

所述混合料倉具有生物質炭入口、粘結劑入口、尿素肥料入口、混合物出口；所述生物質炭入口與所述旋轉床熱解爐的生物質炭出口通過出料裝置連接；

所述圓盤造粒機具有混合物入口、粒狀混合物出口；所述混合物入口與所述混合料倉的混合物出口連接；

所述烘干裝置具有粒狀混合物入口、干燥混合物出口；所述粒狀混合物入口與所述圓盤造粒機的粒狀混合物出口通過輸送皮帶連接；

所述打包裝置具有干燥混合物入口、產物出口；所述干燥混合物入口與所述烘干裝置的干燥混合物出口連接。

上述的系統中，還包括熱解油氣冷卻裝置、油水分離裝置；

所述熱解油氣冷卻裝置具有熱解油氣入口、油水出口、熱解氣出口，所述熱解油氣入口與所述旋轉床熱解爐中的熱解油氣出口連接，所述熱解氣出口與所述蓄熱式燃氣輻射管連接；

所述油水分離裝置具有油水入口、熱解油出口、木醋液出口；所述油水入口與所述熱解油氣冷卻裝置的油水出口連接。

上述的系統中，還包括煙囪排煙裝置，具有煙氣入口、達標煙氣出口；所述煙氣入口與所述旋轉床熱解爐的煙氣出口連接。

優選的，所述上料進料裝置的下端設置有物料計量器，用于計量所述稻草原料的輸送速度；

所述旋轉床熱解爐的紅外加熱區中，每兩根所述紅外輻射加熱管之間設置有翻料器，所述翻料器用于翻動所述稻草原料，促進水分的揮發。

進一步的，所述圓盤造粒機中，所述混合物入口位于圓盤造粒機上部，所述粒狀混合物出口位于圓盤造粒機下部，并在其中的圓盤上方設置水噴頭。

本發明還公開了一種基于上述系統利用稻草制備生物質炭基尿素肥料的方法，其特征在于，包括步驟：

A、將稻草原料運送至所述儲料坑堆放1～3天，之后經由所述抓斗運送至所述上料進料裝置中；

B、所述稻草原料通過所述上料進料裝置進入所述旋轉床熱解爐中，在所述勻料器的作用下均勻布置在料板上，依次通過所述紅外加熱區、燃氣加熱區，所述稻草原料中的水分和有機揮發分被依次分離，得到生物質炭；

C、將所述生物質炭運送至所述混合料倉中，并向其中加入粘結劑和尿素肥料進行混合，得到混合物；

D、將所述混合物送入所述圓盤造粒機中，啟動圓盤造粒機，開啟水噴頭噴入一定量的水分，進行造粒處理，得到粒狀混合物；

E、將所述粒狀混合物依次送入所述烘干裝置、打包裝置中進行烘干、打包處理后得到所需產物，即生物質炭基尿素肥料。

上述利用稻草制備生物質炭基尿素肥料的方法中，在所述A步驟之前，還包括稻草原料的預處理步驟：

將稻草進行破碎至粒徑＜50㎜；和/或，將含水率≥20wt％的稻草烘干至含水率為15～20wt％；將粒徑＜50㎜、含水率為15～20wt％的稻草壓塊。

上述利用稻草制備生物質炭基尿素肥料的方法中，所述B步驟中，所述旋轉床熱解爐的轉速為10～40min/r；所述料板上的稻草原料厚度為20～50㎜；所述紅外加熱區中的紅外輻射加熱管與所述稻草原料上表面的垂直距離為50～80㎜，輻射紅外光波長為1～30μm；翻料器下邊緣與所述料板表面的垂直距離為5～10㎜；所述燃氣加熱區中的蓄熱式燃氣輻射管與所述稻草原料上表面的垂直距離為50～80㎜，蓄熱式燃氣輻射管的溫度為650～700℃。

上述利用稻草制備生物質炭基尿素肥料的方法中，所述C步驟中，所述生物質炭與尿素肥料的質量比為5：0.8～1.4，所述粘結劑的添加量占所述混合物的百分比為8～12wt％；所述粘結劑為羧甲基纖維素鈉或氧化淀粉中的一種。

上述利用稻草制備生物質炭基尿素肥料的方法中，所述圓盤造粒機的轉盤轉速為30r/min，所述轉盤的傾斜角度為45°；所述噴入的水分占所述混合物的百分比為12～25wt％；所述烘干溫度為40～65℃。

本發明采用旋轉床熱解爐可實現稻草原料的熱解處理，獲得高附加價值的熱解油和木醋液。熱解過程中，稻草原料相對料板靜止，避免產生飛灰，無需除塵，且保證熱解油和熱解氣的品質。直接將熱解油作為產品回收，無需添加催化劑，一方面降低催化劑制備成本，另一面保留生物質炭自身的品質。蓄熱式燃氣輻射管排放的煙氣不與熱解油氣接觸，大大降低后序處理成本。

本發明選用紅外輻射，可比對流換熱提供高達70多倍的熱流密度。在旋轉床熱解爐的進料口端增設紅外輻射加熱管，可大大降低熱解過程中的能耗，同時縮短熱解時間，提高旋轉床熱解爐的處理能力。

附圖說明

圖1為本發明利用稻草制備生物質炭基尿素肥料的系統示意圖。

圖2本發明實施例中利用圖1所示的系統制備生物質炭基尿素肥料的方法流程示意圖。

附圖中的附圖標記如下：

1、儲料坑；2、上料進料裝置；3、旋轉床熱解爐；4、混合料倉；5、圓盤造粒機；6、烘干裝置；7、打包裝置；8、熱解油氣冷卻裝置；9、油水分離裝置；10、煙囪排煙裝置。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案以及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

如圖1所示，為本發明利用稻草制備生物質炭基尿素肥料的系統示意圖。該系統包括儲料坑1、上料進料裝置2、旋轉床熱解爐3、混合料倉4、圓盤造粒機5、烘干裝置6、打包裝置7、熱解油氣冷卻裝置8、油水分離裝置9、煙囪排煙裝置10。其中，各裝置的功能和連接關系如下：

儲料坑1用于儲存經預處理的稻草原料，其中的稻草原料可通過抓斗運送至上料進料裝置2中。

上料進料裝置2設置有密封裝置，用于將由儲料坑1運送的稻草原料送入旋轉床熱解爐3中，具有稻草原料入口、稻草原料出口。其下端設置有物料計量器，用于計量稻草原料的輸送速度。

旋轉床熱解爐3為環形密封結構，爐膛內部設置有布料裝置、加熱裝置及翻料裝置。在旋轉床熱解爐3的進料口端設置有勻料器，可將稻草原料均勻布置在旋轉床熱解爐3的料板上。

旋轉床熱解爐3依次包括紅外加熱區、燃氣加熱區。其中，紅外加熱區與勻料器的出料端相通，其中設置有2～4根紅外輻射加熱管，紅外輻射加熱管設置在料板的上方，每兩根紅外輻射加熱管之間設置有翻料器，用于翻動稻草原料，促進水分的揮發，并在頂部設置有水分引出管道。在末根紅外輻射加熱管至旋轉床熱解爐3的出料口之間設置有多根蓄熱式燃氣輻射管，對料板上的稻草原料進一步加熱。本發明中，不限制紅外輻射加熱管和蓄熱式燃氣輻射管的加熱方式和數量。

旋轉床熱解爐3用于對稻草原料進行熱解處理，可得到生物質炭，其具有進料口和生物質炭出口，頂部設置有熱解油氣出口。其中，進料口與上料進料裝置2的稻草原料出口連接。

混合料倉4用于混合生物質炭和尿素肥料，可得到混合物，其具有生物質炭入口、粘結劑入口、尿素肥料入口、混合物出口。其中，生物質炭入口與旋轉床熱解爐3的生物質炭出口通過出料裝置連接。

圓盤造粒機5用于混合物的造粒，可得到粒狀混合物，其具有混合物入口、粒狀混合物出口。其中，混合物入口與混合料倉4的混合物出口連接。并且，混合物入口位于圓盤造粒機5的上部，粒狀混合物出口位于下部，并在其中的圓盤上方設置水噴頭。

烘干裝置6用于粒狀混合物的干燥，其具有粒狀混合物入口、干燥混合物出口。其中，粒狀混合物入口與圓盤造粒機5的粒狀混合物出口通過輸送皮帶連接。

打包裝置7用于對干燥后的混合物進行打包處理，可得到最終產物，其具有干燥混合物入口、產物出口。其中，干燥混合物入口與烘干裝置6的干燥混合物出口連接。

熱解油氣冷卻裝置8用于冷卻稻草原料熱解過程產生的熱解油氣，具有熱解油氣入口、油水出口、熱解氣出口。其中，熱解油氣入口與旋轉床熱解爐3的熱解油氣出口連接，熱解氣出口與旋轉床熱解爐3中設置的蓄熱式燃氣輻射管連接。

油水分離裝置9用于分離熱解油氣冷卻后產生的油水，其具有油水入口、熱解油出口、木醋液出口。其中，油水入口與熱解油氣冷卻裝置8的油水出口連接。

煙囪排煙裝置10用于凈化處理煙氣，達到排放標準后進行排放，其具有煙氣入口、達標煙氣出口。其中，煙氣入口與旋轉床熱解爐3的煙氣出口連接。

如圖2所示，為本發明實施例基于圖1所示的系統制備生物質炭基尿素肥料的方法，包括步驟：

(1)稻草預處理

該步驟用于對稻草進行預處理，最終得到滿足旋轉床熱解爐3進料要求的稻草原料，可包括以下一項或多項。

破碎：將送來的稻草通過兩級破碎裝置進行破碎，破碎至粒徑＜50㎜的碎料備用。

干燥脫水：根據稻草自身含水率的高低選擇是否需要該預處理過程。當稻草含水率≥20wt％(wt％為質量百分比)時，將其烘干至含水率為15～20wt％。

壓塊：將粒徑＜50㎜、含水率為15～20wt％的稻草壓塊。壓塊的大小也可根據現有的模具而定。

該步驟非必須步驟，旋轉床熱解爐3可對含水率低于85wt％的含水稻草直接進行處理。

(2)稻草原料的儲存和輸送

將得到的經預處理的稻草原料運送至儲料坑1堆放1～3天。然后，通過抓斗將儲料坑1中的稻草原料送至上料進料裝置2中。通過控制上料進料裝置2下端的物料計量器，可調整進料速度，從而控制旋轉床熱解爐3中的稻草原料的布料厚度。

(3)稻草的熱解處理

將稻草原料通過帶有密封裝置的上料進料裝置2送入旋轉床熱解爐3中。進料口處設置的勻料器將稻草原料均勻布置在料板上。稻草原料在料板上隨旋轉床熱解爐3的旋轉依次通過紅外加熱區、燃氣加熱區，可得到生物質炭。

其中，料板上的稻草原料厚度為20～50㎜。旋轉床熱解爐3的轉速設置為10～40min/r。

在紅外加熱區中，紅外輻射加熱管與料板上稻草原料上表面的垂直距離為50～80㎜。翻料器下邊緣與料板表面的垂直距離為5～10㎜，用于稻草原料的翻動，促進下層稻草原料升溫后水分的揮發。

輻射紅外光波長為1～30μm，該波長紅外光頻率與稻草原料中水分子的波長固有頻率相等，從而可快速被水吸收，水分溫度得以快速升高。并且，由于紅外線的熱量傳遞不需要中間介質，可以直接透入到物體內部，實現料板表層和內層稻草原料的水分溫度同時升高。

紅外輻射可比對流換熱提供高達70多倍的熱流密度。因此，在旋轉床熱解爐3的進料口端增設紅外輻射加熱管，可大大降低熱解過程中的能耗，同時縮短熱解時間，提高旋轉床熱解爐3的處理能力。

在燃氣加熱區中，蓄熱式燃氣輻射管與料板上稻草原料上表面的垂直距離為50～80㎜，蓄熱式燃氣輻射管的溫度為650～700℃，進一步為旋轉床熱解爐3提供熱量。

在旋轉床熱解爐3中，整個熱解過程采用了輻射加熱的方式。由于輻射能與輻射距離成反比，且需要避免稻草原料與輻射管接觸，造成設備運轉異常，因此，優選輻射管距離稻草原料上表面的垂直距離控制在50～80mm。

稻草原料依次經過紅外加熱區和燃氣加熱區的熱解處理后，其中的水分和有機揮發分依次被分離，可得到生物質炭。其中，在紅外加熱區熱解過程產生的水分通過水分引出管道引出并冷卻，作為本發明系統的循環回用水分。

稻草原料熱解產生的熱解油氣送入熱解油氣冷卻裝置8中，經冷凝后可得到熱解氣和油水。然后，將熱解氣送入旋轉床熱解爐3的蓄熱式燃氣輻射管中進行燃燒，為其提供熱量，燃燒后的煙氣送入煙囪排煙裝置10中進行處理，達標排放。將油水送入油水分離裝置9中，經分離可得到熱解油和木醋液。其中，部分木醋液回流至熱解油氣冷卻裝置9中，通過直接冷卻和循環冷卻水間接冷卻對熱解油氣進行冷卻。在熱解過程中，水先從旋轉床熱解爐3中分離出，在對熱解油氣進行冷卻的過程中，冷卻水與熱解油氣間接接觸，從而可獲得高純度的木醋液，提高產品品質，所得木醋液可直接作為產品外售。

(4)生物質炭和尿素肥料的混合處理

上述步驟得到的生物質炭通過出料裝置送入混合料倉4中，同時，向其中加入粘結劑和尿素肥料進行混合，可得到混合物。

該步驟中，生物質炭與尿素肥料的質量比為5：0.8～1.4。粘結劑選用羧甲基纖維素鈉或是氧化淀粉。粘接劑的添加量占混合物的百分比為8～12wt％。

(5)混合物的造粒

將上述步驟得到的混合物從圓盤造粒機5的上方送入，啟動圓盤造粒機5，將其中轉盤的轉速調至30r/min，轉盤的傾斜角度為45°。并且，開啟圓盤上方的水噴頭，噴入一定量的水分。控制水分占混合物的百分比為12～25wt％，進行造粒處理，可得到粒狀混合物。成型的粒狀混合物從圓盤造粒機5下方的粒狀混合物出口輸出。

該步驟中，對混合物的成型造粒可選用圓盤造粒機以外的其它任意滿足造粒要求的造粒設備。

(6)烘干打包

粒狀混合物經由輸送皮帶送入烘干裝置6中，在40～65℃的溫度下烘干。然后，送入打包裝置7中進行打包，得到最終產物，即生物質炭基尿素肥料。

實施例1

由湖北松滋提供30t稻草秸稈，含水率在17±1.5wt％之間，經過兩級破碎至粒徑＜30mm后進行壓塊，壓塊得到截面直徑為30±2mm，長度為80±20mm的圓柱體棒料，即為稻草原料。

將稻草原料送入儲料坑中，然后通過抓斗將儲料坑中的稻草原料送至上料進料裝置，稻草原料通過帶有密封裝置的上料進料裝置進入旋轉床熱解爐中。在勻料器的作用下，稻草原料均勻布置在料板上，布料厚度控制在23±3mm。

稻草原料隨著料板依次經過紅外加熱區、燃氣加熱區，控制旋轉床熱解爐的轉速為15±5min/r。紅外輻射加熱管、蓄熱式燃氣輻射管距離稻草原料上表面的垂直距離為50mm。輻射紅外光波長為1～25μm，稻草料中的水分溫度快速升高，表層的水分快速揮發，并隨設置在旋轉床熱解爐頂部的引出管道引出。在翻料器作用下，下層稻草原料被翻動，促進下層水分的揮發。

然后，稻草原料進入燃氣加熱區。此時，其中95wt％以上的水分已揮發。蓄熱式燃氣輻射管的溫度為670±20℃，稻草溫度繼續升高，有機揮發分和殘留水分得以揮發。紅外加熱區和燃氣加熱區導出的氣體產物分別進行冷卻回收。

得到的生物質炭通過出料裝置送入混合料倉中，與尿素肥料以及粘結劑混合。生物質炭與尿素肥料的質量比為5：1。粘結劑選用羧甲基纖維素鈉，添加量占混合物總量的10wt％。

將混合物送入圓盤造粒機中，開啟水噴頭，噴入的水分占混合物的15wt％，成型的粒狀混合物從圓盤下方離開圓盤造粒機，通過鏈式輸送機送入烘干裝置，在40℃進行烘干。

稻草原料熱解產生的熱解油氣進行冷卻和油水分離，得到熱解油和木醋液產品。油氣冷卻后的不凝熱解氣作為蓄熱式燃氣輻射管的燃氣供給燃燒，燃燒后的煙氣通過煙囪排煙裝置排放。

上述實施例中，30t稻草通過處理后獲得2.4t熱解油、5.4t熱解水、5.4t木醋液和14t生物質炭基尿素肥料。

實施例2

本實施例采用與實施例1相同的系統和方法。其中，在旋轉床熱解爐中，稻草原料在料板上的布料厚度控制在35±2mm；旋轉床熱解爐的轉速為20±5min/r；紅外輻射加熱管、蓄熱式燃氣輻射管距離稻草原料上表面的垂直距離為70mm；輻射紅外光波長為1～30μm；蓄熱式燃氣輻射管的溫度為670±10℃。

制得的生物質炭通過出料裝置送入混合料倉中，與尿素肥料以及粘結劑混合。生物質炭與尿素肥料的質量比為5：0.8。粘結劑選用羧甲基纖維素鈉，添加量占混合物總量的8wt％。

將混合物送入圓盤造粒機中，開啟水噴頭，噴入的水分占混合物的12wt％，成型的粒狀混合物從圓盤下方離開圓盤造粒機，通過輸送皮帶送入烘干裝置，在50℃進行烘干。

上述實施例中，30t稻草通過處理后獲得2.5t熱解油、5.3t熱解水、5.6t木醋液和13.6t生物質炭基尿素肥料。

實施例3

本實施例采用與實施例1相同的系統和方法。其中，在旋轉床熱解爐中，稻草原料在料板上的布料厚度控制在45±5mm；旋轉床熱解爐的轉速為37±3min/r；紅外輻射加熱管、蓄熱式燃氣輻射管距離稻草原料上表面的垂直距離為80mm；輻射紅外光波長為1～30μm；蓄熱式燃氣輻射管的溫度為690±15℃。

制得的生物質炭通過出料裝置送入混合料倉中，與尿素肥料以及粘結劑混合。生物質炭與尿素肥料的質量比為5：1.4。粘結劑選用氧化淀粉，添加量占混合物總量的12wt％。

將混合物送入圓盤造粒機中，開啟水噴頭，噴入的水分占混合物的25wt％，成型的粒狀混合物從圓盤下方離開圓盤造粒機，通過輸送皮帶送入烘干裝置，在65℃進行烘干。

上述實施例中，30t稻草通過處理后獲得2.2t熱解油、5.6t熱解水、5.1t木醋液和14.9t生物質炭基尿素肥料。

本發明所述工藝方法可長期平穩操作，設備故障率極低。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。