本实用新型属于农业生物质资源化技术领域，具体涉及一种生物炭基包膜氮肥的生产系统。
背景技术：
目前，农业化肥利用率低，农业化肥污染较为严重成为我国农业发展中最为显著的问题，在我国化肥总产量和总用量均居世界第一位，但是化肥利用存在严重不合理的问题，造成了化肥资源的浪费，增加了农业成本。目前，中国化肥的利用率不高，当季氮肥利用率仅为20%-35%，每年造成巨大的经济损失和环境的严重污染。现在的化肥市场主要以全溶、速溶、速散的化肥品种为主，加剧了肥料的浪费和流失。常用的速效肥料肥效期短，在生产上必须通过多次追肥，才能满足作物整个发育期对养分的需求，这不仅费工，增加施肥成本，而且追肥时，表施肥料损失量大，明显降低肥效，难以发挥肥料的增产效应。另外近年来，我国粮食生产连年增收，然而每年产生以吨计的秸秆，其中只有少部分秸秆实现了还田，其余大量的基本被烧掉或废弃，如果能将这些秸秆等农业废弃物还田，完全可以遏制土壤退化、改善耕地质量的有效措施。
生物炭是生物质在缺氧条件下不完全燃烧产生的富炭产物。常见的生物炭包括秸秆炭、木炭、花生壳炭等。生物炭含有酚羟基、羧基、醇羟基、烯醇基、磺酸基、氨基、醌基、羰基、甲氧基等多种基团。由于这些活性基团的存在，决定了生物炭的亲水性、离子交换性、络合能力及较高的吸附能力，具有良好的吸附土壤中铵根离子、硝酸盐的能力，具有一定的保肥性能，施加到土壤中能够有效减少氮素的流失；同时生物炭中的醌基能抑制土壤脲酶活性，因而能有效抑制尿素水解成铵态氮过程，降低氨挥发损失。生物炭施入土壤中能够改变增加土壤有机质含量，改良酸性土壤，吸附固定有机污染物及重金属等。生物炭的这些特点使之能成为一种良好的氮肥缓释剂，与氮肥混合使用可明显提高肥料利用率，增加作物产量，对促进农业可持续发展具有重要作用。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种生物炭基包膜氮肥的生产系统，将生物炭作为包膜材料和化学肥料进行结合，制成一种使用方便，肥效高、肥料利用率高，又环保的新型生物炭基包膜氮肥肥料。
为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案为：
本实用新型提出了一种生物炭基包膜氮肥的生产系统，包括：炭化系统、油气水分离系统、包膜材料制备系统和转鼓流化床系统，其中，所述炭化系统将生物质炭化，得到生物炭和高温油气；所述油气水分离系统与所述炭化系统相连，将所述高温油气分离，得到生物油、生物燃气和木醋液；所述包膜材料制备系统与所述油气水分离系统相连，将所述木醋液和生物炭与添加的壳聚糖、富马酸、腐殖酸、木质素混合加热，得到包膜材料溶液；所述转鼓流化床系统与所述包膜材料制备系统相连，将所述包膜材料溶液与添加的氮肥颗粒混合造粒，得到生物炭基包膜氮肥。
进一步的，还包括：预处理系统，其与所述炭化系统的进料入口相连，将生物质粉碎后输送至所述炭化系统。
进一步的，还包括：破碎装置，其包括：生物炭入口和粉状生物炭出口，所述生物炭入口与所述炭化系统的生物炭出口相连。
进一步的，还包括：发电系统，其包括：油气入口、第一电能出口和第二电能出口，用于将所述生物油和生物燃气进行燃烧发电。
进一步的，还包括：烘干抛圆系统，其包括：生物炭基包膜氮肥入口、第二电能入口和出料口，其中，所述第二电能入口与所述第二电能出口相连，用于将所述生物炭基包膜氮肥烘干抛圆。
进一步的，所述油气水分离系统包括：高温烟气入口、油气出口和木醋液出口，其中，所述高温烟气入口与所述炭化系统的高温烟气出口相连，所述油气出口与所述油气入口相连。
进一步的，所述包膜材料制备系统包括：木醋液入口、添料入口、粉状生物炭入口和包膜材料溶液出口，其中，所述木醋液入口与所述木醋液出口相连，所述粉状生物炭入口与所述粉状生物炭出口相连。
进一步的，所述转鼓流化床系统包括：包膜材料溶液入口、氮肥颗粒入口、第一电能入口和生物炭基包膜氮肥出口，其中，所述包膜材料溶液入口与所述包膜材料溶液出口相连，所述第一电能入口与所述第一电能出口相连，所述生物炭基包膜氮肥出口与所述生物炭基包膜氮肥入口相连。
本实用新型至少包括以下有益效果：
1）本实用新型将农林生物质资源进行深度回收，回收利用炭化过程中产生的油气能源；
2）本实用新型将炭化产生的生物炭与化肥进行结合生产炭基氮肥，既实现了农林生物质中养分的还田，增加了土壤有机质，又利用了生物炭的吸附性能实现了化学肥料养分的缓慢释放，从而提高了化学肥料的利用效率；
3）本实用新型将生物炭等材料作为包膜材料，绿色无污染，而且包膜工艺对氮养分的缓释效果更佳；
4）本实用新型利用炭化产生的木醋液作为pH调节剂，一方面调节肥料的pH至中性，另一方面木醋液含有有机酚等物质，可以起到杀虫杀菌的作用。
附图说明
图1为本实用新型生产系统的结构简图。
图2为本实用新型生产系统的结构示意图。
图3为本实用新型方法的流程图。
其中，预处理系统1、炭化炉2、进料入口201、生物炭出口202、高温烟气出口203、油气水分离系统3、高温烟气入口301、油气出口302、木醋液出口303、破碎装置4、生物炭入口401、粉状生物炭出口402、包膜材料制备系统5、木醋液入口501、添料入口502、粉状生物炭入口503、包膜材料溶液出口504、转鼓流化床系统6、包膜材料溶液入口601、氮肥颗粒入口602、第一电能入口603、生物炭基包膜氮肥出口604、烘干抛圆系统7、生物炭基包膜氮肥入口701、第二电能入口702、出料口703、发电系统8、油气入口801、第一电能出口802、第二电能出口803。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
根据本实用新型的实施例，图1为本实用新型生产系统的结构简图，参照图1所示，本实用新型所述生产系统包括：预处理系统1、炭化系统、油气水分离系统3、破碎装置4、包膜材料制备系统5、转鼓流化床系统6、烘干抛圆系统7和发电系统8。
根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述预处理系统包括：生物质入口和生物质出口，农林生物质经所述生物质入口送入所述预处理系统进行粉碎后，经所述生物质出口输送至所述炭化系统。
根据本实用新型的实施例，本实用新型所述炭化系统包括：炭化炉2；图2为本实用新型生产系统的结构示意图，参照图1和2所示，所述炭化炉2包括：进料入口201、生物炭出口202和高温烟气出口203，其中，所述进料入口与所述预处理系统的生物质出口相连，将经所述预处理系统粉碎后的生物质经所述进料入口送至所述炭化炉中进行炭化，得到生物炭和高温油气，所述生物炭经所述生物炭出口输送至所述破碎装置，所述高温油气经所述高温烟气出口输送至所述油气水分离系统。
根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述炭化炉为蓄热式辐射管旋转床式炭化炉，其炉底为旋转式炉底，在炉膛内水平转动，所述炉膛的上部空间设有多个蓄热式辐射管加热装置，其位于所述旋转式炉底的上方，所述高温烟气出口设置于所述炭化炉的炉顶，将生物质物料经所述进料入口送入所述炭化炉的旋转式炉底上，通过所述辐射管加热装置进行全面加热，得到的生物炭在所述生物炭出口处由螺旋出料机输送至所述破碎装置。
根据本实用新型的一些实施例，所述炭化炉的炉底为旋转式炉底，可以理解的是，所述炉底的底部设有驱动其移动的驱动装置，具体种类不受限制，可以为电动机械，也可以为液压马达或液压缸等。
根据本实用新型的实施例，参照图1和2所示，本实用新型所述油气水分离系统3包括：高温烟气入口301、油气出口302和木醋液出口303，其中，所述高温烟气入口与所述炭化系统的高温烟气出口相连，所述油气出口与所述发电系统的油气入口相连，将所述高温油气分离，得到生物油、生物燃气和木醋液，所述生物油和生物燃气一起经所述油气出口送入发电系统，所述木醋液经所述木醋液出口送入所述包膜材料制备系统。
根据本实用新型的一些实施例，本实用新型利用炭化产生的木醋液作为pH调节剂，一方面可以调节肥料的pH至中性，另一方面，木醋液含有有机酚等物质，可以起到杀虫杀菌的作用。
根据本实用新型的实施例，参照图1和2所示，本实用新型破碎装置4包括：生物炭入口401和粉状生物炭出口402，所述生物炭入口与所述炭化系统的生物炭出口相连，经所述生物炭进行破碎，得到粉末状生物炭，经所述粉状生物炭出口送至所述包膜材料制备系统。
根据本实用新型的实施例，参照图1和2所示，本实用新型所述包膜材料制备系统5包括：木醋液入口501、添料入口502、粉状生物炭入口503和包膜材料溶液出口504，其中，所述木醋液入口与所述油气水分离系统的木醋液出口相连，所述粉状生物炭入口与所述破碎装置的粉状生物炭出口相连，通过所述添料入口向所述包膜材料制备系统中添加壳聚糖、富马酸、腐殖酸和木质素，与通入的所述木醋液和粉末状生物质混合加热，得到包膜材料溶液。
根据本实用新型的实施例，参照图1和2所示，本实用新型所述转鼓流化床系统6包括：包膜材料溶液入口601、氮肥颗粒入口602、第一电能入口603和生物炭基包膜氮肥出口604，其中，所述包膜材料溶液入口与所述包膜材料溶液出口相连，所述第一电能入口与所述发电系统的第一电能出口相连，所述生物炭基包膜氮肥出口与所述烘干抛圆系统的生物炭基包膜氮肥入口相连，将所述包膜材料溶液与添加的氮肥颗粒混合造粒，得到生物炭基包膜氮肥。
根据本实用新型的实施例，参照图1和2所示，本实用新型所述烘干抛圆系统7包括：生物炭基包膜氮肥入口701、第二电能入口702和出料口703，其中，所述第二电能入口与所述发电系统的第二电能出口相连，用于将所述生物炭基包膜氮肥烘干抛圆。
根据本实用新型的实施例，参照图1和2所示，本实用新型发电系统8包括：油气入口801、第一电能出口802和第二电能出口803，用于将所述生物油和生物燃气进行燃烧发电，产生的电能分别经所述第一电能出口和第二电能出口供所述转鼓流化床系统和所述烘干抛圆系统使用，循环利用资源。
在本实用新型的另一方面，提出了一种生物炭基包膜氮肥的生产系统生产生物炭基包膜氮肥的方法，图3为本实用新型方法的流程图，参照图3所示，包括以下步骤。
（1）预处理：将生物质送至预处理系统粉碎。
根据本实用新型的一些实施例，所述生物质具体的粉碎粒度不受限制，本实用新型优选为10-20cm。
根据本实用新型的一些实施例，所述生物质指的是农林和林业生产在加工过程中产生的废弃物，如秸秆、树枝树叶、稻壳、花生壳和木屑等。
（2）炭化：将步骤（1）粉碎后的生物质送至炭化系统炭化，炭化温度为400-700℃，炭化时间为30-60min，得到生物炭和高温油气。
（3）油气水分离：将步骤（2）得到的所述高温油气送至油气水分离系统进行分离，得到生物油、生物燃气和木醋液，所述木醋液送至包膜材料制备系统。
（4）破碎：将步骤（2）得到的所述生物炭送至破碎装置进行破碎，得到80-100目粒径的粉末状生物炭，送至所述包膜材料制备系统。
（5）包膜材料制备：首先将壳聚糖加入到浓度为1.5-2.5%的富马酸中制备成壳聚糖溶解液，然后将腐殖酸（粒径80目以下）与所述步骤（3）得到的木醋液、步骤（4）得到的粉末状生物炭、壳聚糖溶解液混合均匀，最后加入木质素，在温度为50-70℃下进行加热，得到包膜材料溶液。
根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述富马酸的浓度优选为2.0%-2.5%；加热温度优选为60-65℃。
根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述壳聚糖和富马酸的质量比为1:60-100，优选为1:60-80，所述腐殖酸：木醋液：粉末状生物炭：壳聚糖溶解液：木质素的质量比为1-3:1-3:3-6:1-4。
根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述腐殖酸的有机质含量为40-60%，pH在3.4-5.6；所述木醋液的含水率为80-95%，有机酸含量为0.3-1.2%，pH为2.6-5.6；所述生物炭的有机质含量为34%-85%，pH为7.5-9.5。
（6）造粒：将步骤（5）得到的所述包膜材料溶液送至转鼓流化床系统的喷壶中，待氮肥颗粒在流化床内流动旋转时，喷入所述包膜材料溶液，与加入所述转鼓流化床系统中的氮肥颗粒混合造粒，得到生物炭基包膜氮肥。
根据本实用新型的一些实施例，本实用新型所述包膜材料溶液与氮肥颗粒的质量比为1-4:6-9。
（7）烘干抛圆：将步骤（6）得到的所述生物炭基包膜氮肥送至烘干抛圆系统进行烘干抛圆后，排出收集，其中，烘干抛圆时间15-30min，烘干温度为45-70℃。
（8）发电：将所述步骤（3）中得到的生物油和生物燃气送至发电系统燃烧发电，产生的电能供所述转鼓流化床系统和所述烘干抛圆系统使用，循环利用资源。
实施例1：本实施例的农林生物质原料为农作物秸秆，包括玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆和大豆秸秆；本实用新型所述的一种生物炭基包膜氮肥的生产系统生产生物炭基包膜氮肥的方法，具体包括以下步骤。
（1）预处理：将农作物秸秆送至预处理系统粉碎至10-20cm。
（2）炭化：将步骤（1）粉碎后的农作物秸秆送至炭化炉炭化，其中，炭化温度为600℃，炭化时间为40min，得到生物炭和高温油气，所述高温油气经输送管道输送至油气水分离系统，所述生物炭经螺旋出料机输送至破碎装置。
（3）油气水分离：将步骤（2）得到的所述高温油气送至油气水分离系统进行分离，得到生物油、生物燃气和木醋液，所述生物油和生物燃气输送至所述发电系统，所述木醋液送至包膜材料制备系统。
（4）破碎：将步骤（2）得到的所述生物炭送至破碎装置进行破碎，得到80-100目粒径的粉末状生物炭，送至所述包膜材料制备系统。
（5）包膜材料制备：首先将壳聚糖加入到浓度为2%的富马酸中制备成壳聚糖溶解液（壳聚糖和富马酸的质量比为1：60），然后将腐殖酸（粒径80目以下）与所述步骤（3）得到的木醋液、步骤（4）得到的粉末状生物炭、壳聚糖溶解液混合均匀，最后加入木质素，在温度为65℃下进行加热，得到包膜材料溶液，其中，所述腐殖酸：木醋液：粉末状生物炭：壳聚糖溶解液：木质素的质量比为2:2:5:1；所述腐殖酸的有机质含量为50%，pH在4.2；所述木醋液的含水率为89%，有机酸含量为0.8%，pH为3.4；所述生物炭的有机质含量为56%，pH为8.8。
（6）造粒：将步骤（5）得到的所述包膜材料溶液送至转鼓流化床系统的喷壶中，同时将氮肥颗粒（粒径12-4.5mm）加入所述转鼓流化床系统中，所述包膜材料溶液与氮肥颗粒的质量比为3:7，得到粒径为4-7mm的生物炭基包膜氮肥。
（7）烘干抛圆：将步骤（6）得到的所述生物炭基包膜氮肥送至烘干抛圆系统进行烘干抛圆后，排出收集，最后得到生物炭基包膜氮肥成品；其中，烘干抛圆时间15-30min，烘干温度为45-70℃。
（8）发电：将所述步骤（3）中得到的生物油和生物燃气送至发电系统燃烧发电，产生的电能供所述转鼓流化床系统和所述烘干抛圆系统使用，循环利用资源。
大田试验表明：与氮肥相比，生物炭基包膜氮肥可以提高土壤中有机质的含量，提高土壤的保水保肥能力，减少氮肥用量在20%-35%之间，可以减少追肥次数，促进作物的增产达到5-10%。
发明人发现，根据本实用新型所述生物炭基包膜氮肥的生产系统，将农林生物质资源进行深度回收，回收利用炭化过程中产生的油气能源；并且，本实用新型将炭化产生的生物炭与化肥进行结合生产炭基氮肥，既实现了农林生物质中养分的还田，增加了土壤有机质，又利用了生物炭的吸附性能实现了化学肥料养分的缓慢释放，从而提高了化学肥料的利用效率；同时，本实用新型将生物炭等材料作为包膜材料，绿色无污染，而且包膜工艺对氮养分的缓释效果更佳；此外，本实用新型利用炭化产生的木醋液作为pH调节剂，一方面调节肥料的pH至中性，另一方面木醋液含有有机酚等物质，可以起到杀虫杀菌的作用。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。