一种生物炭的制备系统的制作方法

本实用新型涉及农林牧业废弃物循环利用领域以及炭肥生产技术领域，尤其涉及一种生物炭的制备系统。

背景技术：

近年来，我国的农业粮食产量已达9亿吨，与此同时产生了同等规模的秸秆类资源。按照秸秆平均含氮量1％计算，光秸秆中就残留着约900万吨氮素，中国每年施用的2500万吨氮肥中有1/3以上最终残存在秸秆中。随着农业快速发展，秸秆不再养畜、不再薪用，导致农田秸秆多被废弃。并且近年各地政府相继出台秸秆禁烧令，导致秸秆堆在田间地头无法及时有效处理。秸秆还田是把秸秆直接、粉碎或堆积腐熟后施入土壤，可有效提高土壤内的有机质，增强土壤微生物活性，提高土壤肥力。但秸秆还田方法不当，也会出现各种问题，其携带的重金属、施用的农药残留和前茬作物携带的病虫生物虫卵以及粘附土粒携带的增塑剂和抗生素等残留物又会返回土壤中，造成出苗不齐、病虫害加重等症状，这是秸秆还田常常造成农作物减产或需要施用更多农药的原因。

另外，动物粪便若直接施用到农田，会造成营养元素过剩，易烧根；而且大量的病菌会直接带入土壤里，造成病虫害和动物病疫的传播。因此，一般将动物粪便发酵腐熟后再适量施用。发酵有机肥品质的好坏跟发酵微生物菌剂、发酵温度控制、粪便含水率、发酵时间等因素关系很大，短则一个月长则三个月才能发酵完全，因此发酵周期很长。其次，发酵占用场地大，且初期臭气很重。再次，发酵温度高者只有70～80℃，低者只有40～50℃，发酵肥中仍不免一些抗高温病菌虫卵未被杀灭，动物用的激素以及抗生素也未被分解，这些有害成分仍会进入到土壤中，或危害植物生长，或被植物吸收最终又进入人体。2016年9月初，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布了《有机肥料中土霉素、四环素、金霉素与强力霉素的含量测定高效液相色谱法》(GB/T 32951-2016)，标准将于2017年3月1日起实施，势必会影响动物粪便的传统堆肥方式及其使用效果。

通过将农林牧废弃物在适当条件下裂解，可将其转变为生物炭。向土地施加生物炭可明显改善土壤酸碱性，提高土壤保肥保水能力，激活土壤微生物，促进植物对营养成分的吸收，从而提高作物产量和品质。此外，秸秆类生物质裂解可获得木醋液和木焦油等液态产物，可作为叶面肥的极好原料。而且，裂解气经过清洗干燥后具有一定的热值，可作为补充燃料加热回转窑。因此，将废弃物的处置与资源化利用、土壤改良与环境保护等有机结合起来，对打造可持续的循环农业发展模式有积极的推动作用。

目前国内的裂解装置主要采用直接加热方式，加热方式又可分为两种形式，其一为直接点燃原料作为裂解热源，其二通过使用热风炉将热烟气通入裂解炉内促使原料发生反应。但以上直接加热方式有两个主要缺陷，一是裂解反应发生在无氧或缺氧条件下，但直接加热方式不可避免会让部分氧气参与反应，从而降低了炭化品质；二是直接加热时裂解温度不可控，不能保证原料在设计裂解温度下发生反应，因此得到的裂解炭特性并非是最适合作为生物炭施用于土壤中。因此，为了获得高品质的生物炭，迫切需要一种反应条件可控可调的裂解装备，使原料在设计条件下发生裂解反应。此外，催化剂的加入将进一步改善裂解条件及提升裂解炭品质。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种生物炭的制备系统，可移动、快速、连续生产生物炭，且生产的生物炭品质高。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种生物炭的制备系统，包括粉碎机、烘干装置、给料装置和裂解炉，所述粉碎机包括物料入口和出口，所述粉碎机的出口位于进料器的上方，所述进料器的出口与所述烘干装置的入口相连接，所述烘干装置的出口下方设置有输送机，所述输送机的一端位于所述烘干装置出口的下方，所述输送机的另一端位于所述给料装置料斗口的上方，所述给料装置的出口与所述裂解炉的入口相连。

上述的制备系统，其中，所述粉碎机为颚式破碎机，所述输送机为皮带输送机或刮板型输送机，所述进料器为螺旋给料机；所述给料装置包括第一料斗、第二料斗和进料螺旋输送机，所述第一料斗和第二料斗上下排列，所述第一料斗的出口处设置有第一插板阀，所述第二料斗的出口处设置有第二插板阀，所述第二料斗的出口与所述进料螺旋输送机的入口相连，所述进料螺旋输送机的出口与所述裂解炉的入口相连。

上述的制备系统，其中，所述第一插板阀和第二插板阀为气动插板阀，与空气压缩机相连，且分别与第一气动控制模块和第二气动控制模块电连接，所述第一气动控制模块用于控制第一插板阀的开启或关闭，所述第二气动控制模块用于控制第二插板阀的开启或关闭。

上述的制备系统，其中，所述裂解炉为第一回转窑，包括回转窑主体及设置在所述回转窑主体外面的传动装置、外加热腔、前拖轮和后拖轮，所述前拖轮和后拖轮分别设置在所述回转窑主体的两端近端口处，所述传动装置设置在前拖轮的内侧，所述外加热腔设置在传动装置和后拖轮之间。

上述的制备系统，其中，所述第一回转窑的出口分别连接有冷凝器和出料装置，所述出料装置包括第三料斗、第四料斗和出料螺旋输送机，所述第三料斗和第四料斗上下排列，所述第一回转窑的出料口处设置有第三插板阀，所述第三料斗的出口处设置有第四插板阀，所述第四料斗的出口与所述进料螺旋输送机的入口相连，所述第三料斗的入口位于所述第一回转窑的出口下方。

上述的制备系统，其中，所述冷凝器的上端通过管道与第一引风机相连，所述第一引风机的出口通过管道与热风炉相连，所述热风炉通过三路管道分别与所述外加热腔体的前部、中部和后部连接，所述外加热腔的前部、中部、后部分别安装有热电偶；所述热风炉与燃烧器连接。

上述的制备系统，其中，所述烘干装置为第二回转窑，所述第二回转窑的外部设置有保温腔体，所述第一回转窑的外加热腔上的烟气管道通过所述第二回转窑的保温腔体后与布袋除尘器、洗涤塔和活性焦吸附塔依次相连；所述布袋除尘器和洗涤塔之间连接有第二引风机；所述烘干装置出口设置有第三引风机，所述第三引风机通过管道与所述热风炉连接，作为燃烧用一次风。

本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型提供了一种生物炭的制备系统，通过外加热源的形式给裂解炉(回转窑)均匀升温，使得回转窑内的温度相对一致，且能够达到设计温度值。这样，原料可在预定温度下发生裂解反应，所产生的生物炭品质均匀，孔隙结构发达，也能够保留尽量多的氮磷钾等有效成分。特别是，本实用新型提供的制备系统采用连续进料、连续生产、连续出料形式，其中进、出料装置均采用双层气动插板阀形式，保证了系统的密封性，也节约了劳动力。原料在进入回转窑前先经过预热干燥装置，可明显节约回转窑升温能耗。裂解气经过净化干燥后可用于反烧供能，做到充分利用自身能量，以节约外部能量供应。裂解气燃烧后产生的烟气通过除尘器、洗涤塔和活性炭等净化装置后，最后经引风机排出，以保证烟气指标符合环保要求，杜绝对周边环境的污染。本装置规模适中，结构紧凑，组合便捷，可设计成模块化组装，实现移动式生产，可适应原料分散带来的不便，也可降低原料收集产生的费用。具体具有以下优点：

1、本实用新型可以根据需处理量模块化设计、可移动式就近安装，可有效解决秸秆及动物粪便等废弃物分散难处理问题，实现废弃物利用的减量化。

2、本实用新型能实现自动化的进料与出料，节约了劳动力。此外，系统充分利用自身能量来烘干物料或加热设备，做到尽可能少利用或不利用外部能耗。集成化的烟气净化系统保证了排空的烟气安全无害，使整个系统真正做到能量自给、节能环保。

3、本实用新型采用外部式加热，使窑内温度均匀，且不同原料根据其特性采用不同的裂解温度，有效保证了生物炭的品质。裂解制取的生物炭可根据炭的成分特性按照一定质量配比成混合炭肥。

附图说明

图1是本实用新型实施例中制备生物炭的生产工艺流程图；

图2为本实用新型实施例中生物炭制备系统的结构示意图。

其中：

1 第一料斗 2 第一插板阀 3 第二插板阀 4 进料螺旋输送机

5 前拖轮 6 传动装置 7 回转窑主体 8 外加热腔

9 调节阀 10 热风炉 11 燃烧器 12 第三插板阀

13 第四插板阀 14 出料螺旋输送机 15 第一引风机 16 冷凝器出油阀

17 回转窑出口 18 冷凝器 19 冷凝器出口裂解气反烧管路

20 外加热腔体 21 热电偶 22 粉碎机 23 烘干装置

24 输送机 25 布袋除尘器 26 第二引风机 27 洗涤塔

28 活性焦吸附塔 29 烟气排空引导管 30 进料器 31 第二料斗

32 第三料斗 33 第四料斗 34 后拖轮 35 裂解炉

36 给料装置 37 出料装置 38 保温腔体

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

请参见图1，本实用新型提供的生物炭的制备方法包括如下步骤：

首先，对原料进行预处理，秸秆等植物性原料可通过露天场地晾晒干燥及烘干装置23，使其含水率降至20％以下。动物粪便晾晒在专门设计的阳光密封房内，并安装有风机，可将臭气抽至热风炉作为燃烧用空气；自然晾晒后再经过粉碎机22、烘干装置23进一步干燥，使动物粪便含水率降至30％以下，保证其成块，不会粘附在回转窑内壁。烘干装置23使用的热源为烟气余热，充分利用了自身热量。

裂解炉35为回转窑，回转窑的进料口采用双插板阀设计方式，可保证进料的密封性。上、下插板阀采用气动阀门控制，它们之间的开启与关闭的联动控制时间程序根据实际处理量来设定。当原料从插板阀进入后，再由底部的螺旋输送机带入到回转窑内参与反应。双插板阀的开关时间控制也要与螺旋输送机匹配，以保证连续均匀进料。

本实用新型采用回转窑式裂解炉，回转窑的尺寸可根据原料设计日处理量来选定5～50t/d不等的处理量，继而确定窑体长度为4m～16m之间，窑体外径在0.5m～2m之间，回转窑转速为0～5r/min，以确保原料充分反应。

本实用新型采用外部加热方式，即在回转窑外部再增加一层保温绝热层空腔，热风炉产生的高温烟气进入空腔内加热回转窑，回转窑内的温度高低可通过热风炉来调节。回转窑的加热段的前部、中部和后部均安装有测温装置，以实时监测窑内温度变化。为了保证窑内温度的均匀性，将热风炉出口烟道设计成三根分支管道形式，每个分支管道均设置有调节阀门，分别通向加热段的前部、中部和后部。当测温装置监测到的温度之间的温差较大时，可通过调节分支管道的阀门开度大小对窑内温度加以调节，以使整体温度均匀在设计范围。

针对不同的原料采用不同的裂解温度来制炭。对于秸秆、竹子、树枝、木屑等纤维类有机物，裂解温度为450～550℃之间，确保生成的裂解炭具有丰富的孔隙结构和比表面积。对于动物类粪便，为了尽量保留其含有的有机物成分，又能有足够高的温度杀死病菌虫卵，以及分解粪便中的动物激素、抗生素，选取250℃～350℃作为这类废弃物的裂解温度。动物骨头的裂解温度为550℃～650℃，确保其能成炭且保留大部分的磷元素。

本实用新型采用回转窑微负压运行，回转窑内微负压范围在-50Pa～-100Pa，可避免裂解气在窑头窑尾可能出现的漏气情况。通过在后端安装压头适当的引风机可实现回转窑内微负压，也可引导裂解气及时从回转窑出来，避免其在窑尾低温段冷凝混入生物炭中。

本实用新型添加适量的碱性金属化合物如KNO₃、K₃PO₄、NaNO₃等，作为催化剂参与裂解反应，一方面可适当降低原料的裂解反应温度，另外也可补充肥料元素NPK。

回转窑的出炭口也采用双插板阀设计方式，可保证出炭的密封性。上、下插板阀采用气动阀门控制，它们之间的开启与关闭的联动控制时间程序根据实际出炭量来设定。当生物炭从插板阀出来后，再由底部的螺旋输送机带出。生物炭从上插板阀进入后，可适当延长其在上下插板阀之间的暂存管路内的停留时间，以达到充分降温的目的。因此，下插板阀的开启间隔时间可稍长些。

在回转窑的裂解气出口设置有裂解油冷凝器18，其中裂解气走壳程，自来水走管程。裂解气从冷凝器下部入口进入，上部出口排出，在冷凝器底部设置球阀开关，开启球阀开关可排出冷凝后的裂解油。自来水或井水作为冷却介质，打开冷却水泵，使冷却水从下部通入、上部出来，采用间接气水换热使裂解油冷凝。冷凝后的裂解气直接通入热风炉内反烧供能，可充分利用系统自身的能量，减少外部燃料使用量。

从热风炉内出来的高温烟气加热回转窑后，低温烟气再进入到原料烘干装置中来烘干物料，之后进入烟气净化系统。烟气净化系统主要包括除尘器、引风机、洗涤塔27和活性焦吸附塔28等后直接排空，保证净化后的烟气达到环保要求，对周边环境不造成污染。为了保证效果，除尘器选用布袋形式，洗涤塔27使用氢氧化钠作为脱酸剤，在将洗涤塔27出来的烟气除湿后进入活性焦吸附塔28，能将烟气中可能存在的有毒有害成分通过进一步吸附而使排入大气的烟气更趋于安全无害。

实施例1:

请参见图1和图2，本实施例以水稻秸秆为例。

(1)预处理阶段：收割后的水稻秸秆先自然晾晒，晾晒程度越好，越有利于之后的反应。自然晾晒之后，进入粉碎机22处理。粉碎机22选用颚式破碎机，破碎之后的秸秆尺寸确保在3cm以下，避免在后续螺旋给料机中缠绞在一起而卡机。

从粉碎机22出口下之烘干装置23的进料器30中，进料器30选用螺旋给料机，保证连续进料。进料器30的出口直接与烘干装置23相连，秸秆从进料器30出来后落入到烘干装置23底部。进料器30的与烘干装置23有二三十厘米的高差，秸秆落下后在下部堆积。烘干装置23为第二回转窑，第二回转窑的外部增加一层保温腔体。从裂解炉35出来的烟气通过烘干装置23的外保温腔体时，给烘干装置23内部的秸秆间接加热。为了使秸秆干燥程度高，烘干装置23的转速在1r/min以内，烘干装置23回转窑倾斜角约为5～10°。回转作用一方面作为秸秆前进的动力，另一方面也起到翻动作用。烘干装置23的筒体材质尽量选用传热性能好的薄性钢板，保温腔体材质选用绝热性好的保温板，外覆岩棉保温层。

(2)进料阶段：从烘干装置23出来的秸秆落到皮带输送机24上，被运至给料装置36的料斗口。料装置36包括第一料斗1、第二料斗31和进料螺旋输送机4，第一料斗1和第二料斗31上下排列，第二料斗31的出口与进料螺旋输送机4的入口相连，进料螺旋输送机4的出口与裂解炉35的入口相连。由于烘干装置23出口与料斗口有一定的高差，因此皮带输送机24倾角较大，但首先要保证秸秆在输送过程中不会往下滑落。故此皮带输送机24的皮带根据实际情况可适当选长；或者采用刮板型输送机代替皮带输送机24，秸秆靠刮板的阻挡不会下滑，刮板材质选用轻型材质即可。皮带输送机24的输送速度根据裂解炉35的处置量来定，避免秸秆在第一料斗1或第二料斗2堆积。

秸秆从皮带输送机24落入第一料斗1后，为避免秸秆在第一料斗1内搭桥，因此料斗口不能太小。本实用新型采用双料斗口形式，并在第一料斗1的出口处设置有第一插板阀2，在第二料斗31的出口处设置有第二插板阀3，第一插板阀2和第二插板阀3采用气动控制，并设置好时间控制程序。采用双插板阀是为了加强系统密封，先开启上部的第一插板阀2使秸秆下落，此时下部的第二插板阀3处于关闭状态。当第二料斗31中秸秆积累到差不多充满时，关闭第一插板阀2，开启第二插板阀3，使秸秆落入进料螺旋输送机4中。第一插板阀2和第二插板阀3与空气压缩机相连，且分别与第一气动控制模块和第二气动控制模块电连接，所述第一气动控制模块用于控制第一插板阀的开启或关闭，所述第二气动控制模块用于控制第二插板阀的开启或关闭。所述第一、第二气动控制模块安装在气动控制柜中，可以实现系统均匀进料，并节约人力。

(3)裂解阶段：从进料螺旋输送机4出来的秸秆进入到裂解炉35的入口，此时原料并没有立即发生裂解反应。由于本实用新型的裂解炉35为外热式加热的第一回转窑，第一回转窑的加热段在传动装置6与后拖轮34之间的区域，因此，刚进入的秸秆不在加热段范围内。但在入口处有热气聚集，可以对秸秆干燥。随着第一回转窑转动，秸秆慢慢向前进，前进过程类似于翻动作用也有利于秸秆的进一步干燥。随着秸秆慢慢向加热区移动，其所处的环境温度也越来越高，内部水分也逐渐被蒸发掉。从低温区到最终进入高温加热段，秸秆在前进过程中依次发生焦化反应、半炭化反应、低温裂解反应及中温裂解反应等，由不同组分组成的裂解气也逐步产生，并在第一引风机15的作用下被带出第一回转窑进入冷凝器18中。

在加热区的前中后部各装有一个热电偶21，直接通入第一回转窑内部用于检测裂解反应温度。裂解反应属于吸热反应，随着反应的推进，不同区域的温度会有所变化，通过热电偶温度显示屏可知三者之间的温差情况。当温差较显著时，通过调节热风炉10对应支管的调节阀9开度，使更多的高温热烟气进入到低温区域对第一回转窑进行外部加热，通过窑壁热传导使窑内对应区域的温度上升，从而达到均衡窑内温度的作用。第一回转窑转速在1r/min左右，因此秸秆在加热段有足够的反应时间，可以充分得到裂解。且因为裂解区域的氧含量很少，温度相对均匀稳定，可以生成丰富的孔隙结构，得到的秸秆炭的品质可以得到保证。为了保证第一回转窑的保温绝热，要外侧加装了足够厚度的岩棉保温层，而外加热腔体20有耐火浇注料填充。

第一回转窑的外部热源由热风炉10提供，热风炉10由保温砖及耐火浇注料筑成，并配备有固气两用燃烧器11及专用风机，使加热区的窑内温度保持在450℃～550℃之间。燃烧器11一般所用的燃料为优质木炭粉，必要时也可使用瓶装燃气或管道燃气补充热量。另外，热风炉10燃气进气管路旁预备裂解气进气管路，由裂解炉出来的裂解气经过冷凝器18凝结一部分裂解油后，剩余的裂解气在第一引风机15的牵引下直接进入热风炉10烧掉。这样既处理了裂解气，也为第一回转窑提供了部分能量，节约了外部能源使用量。裂解气被烧掉后直接进入烟气净化系统，经净化后才排入大气中去。

在进料螺旋输送机4上部预留催化剂加入孔，在秸秆通过给料装置36正常进入第一回转窑内时，适量加入碱性金属催化剂，使其共同参与裂解反应。催化剂的参与可降低裂解反应温度，根据催化效果实际情况，适量选用KNO₃、K₃PO₄、NaNO₃等类型催化剂。催化剂存放于专用容器内，由阀门连接至进料螺旋输送机4上部。只需将阀门开度调至合适大小，让催化剂通过自身重力作用均匀进入进料螺旋输送机4中。

(4)油、炭、气收集阶段：从加热段出来的秸秆炭的温度较高，但后面部分属于非加热区，环境温度相对较低，因此秸秆炭前进至第一回转窑出口时能够获得足够的降温过程，之后掉入到裂解炉出口的出料装置37内。出料装置37也采用双层气动插板阀，具体地，出料装置37包括第三料斗32、第四料斗33和出料螺旋输送机14，第三料斗32和第四料斗33上下排列，第一回转窑的出料口处设置第三插板阀12，第三料斗32的出口处设置第四插板阀13，目的是确保出口的密封性。第三插板阀12、第四插板阀13的控制柜及空气压缩机与第一插板阀2和第二插板阀2共用。第三插板阀12开启，秸秆炭进入到第三料斗32内，此时第四插板阀13关闭。秸秆炭在第三料斗32内也可进一步降温至50℃以下，避免高温炭与空气接触而发生燃烧。之后第四插板阀13打开，秸秆炭进入出料螺旋输送机14，运至秸秆炭储藏罐内保存备用。

裂解气在第一引风机15的牵引下，从窑尾裂解气管道出来，首先进入到冷凝器18中。冷凝器18是由几十根细管束组成的管壳式换热器，其中裂解气走管程，冷却水走壳程。冷凝器18竖直安装，当裂解油气从下部进入时，裂解油遇冷凝结在管内壁，在重力作用下聚集到冷凝器18下部出口处。冷凝器18下部出口采用球阀控制，球阀处于常开状态使凝结油流出，集中到裂解油收集桶中。管口伸入到收集桶的油面以下，可作为油封。

从冷凝器18出来的裂解气经过冷凝，本身已变得相对干燥。裂解气中含有一部分的可燃成分H₂、CO、CH₄、以及C₂、C₃等多碳烃类气体，因此通过管道直接通入高温热风炉10内，即可燃烧。为了裂解气稳定燃烧，在进气口前安装稳压阀。裂解后的气体为回转窑升温供能后进入烟气净化系统。

(5)烟气净化阶段：当热风炉10的高温烟气从第一回转窑出来后，首先进入到余热回收装置，即烘干装置23，低温余热可用于干燥原料。之后，再进入烟气净化系统。烟气净化系统包括有布袋除尘器25、洗涤塔26和活性焦吸附塔28，均采用市场上成熟设备即可，此处不赘言。须注意的是，在运行过程中，因烟气需要克服布袋除尘器25压力、洗涤塔26的水力压阻以及沿程和局部管道阻力，须配套第二引风机26。布袋除尘器25采用PTFE滤袋，使前后压差保持在1000Pa以内，采用脉冲清灰方式。洗涤塔26采用烧碱作为除酸剂，使塔内溶液保持在pH值为7左右，并开启内循环泵，使溶液充分搅动，提高脱酸效果。活性焦吸附塔28中的活性焦采用市面上常用的褐煤制活性焦，也可补充部分自制的竹炭、木炭等，以实现资源的充分利用。

实施例2:

本实施例以裂解鸡粪为例。

本实施例采用与实施例1相同的裂解工艺及设备，主要是原料的差别。鸡粪相比秸秆，各项特性有所不同。首先需要注意鸡粪干燥性，鸡粪在进入本系统前应该充分自然干燥，一方面可减少裂解前的烘干能耗，另一方面也可减少臭味，方便装袋运输。干燥好的鸡粪进入粉碎机22充分破碎后，在烘干装置23中再充分干燥。为了减少臭味的扩散，在烘干装置23出口处配套第三引风机(图未示)，可将臭味抽至热风炉10内作为一次风。干燥后的鸡粪颗粒滚动性较高，因此，上料用的输送机更宜采用刮板输送机。牛粪、猪粪的处理与此类似，不赘言。

实施例3

本实施例以裂解木屑为例。

木屑质轻、无异味，且易于破碎，因此较秸秆更易于预处理。仍需注意将木屑尽量破碎完全，避免其在料斗内搭桥而难下料。因其质轻，裂解气用引风机的风量不可太大，防止木屑还未反应充分即被吸至窑尾非加热区。

实施例4

本实施例以裂解树枝为例。

树枝需要充分破碎，防止搭桥或在螺旋输送机内卡机。

为了进一步说明本工艺技术，引用具体参数加以说明。具体运行案例以木屑为例作计算说明。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。