水稻秸秆生物炭生产设备及用于生产生物炭的工艺的制作方法

本发明属于生物炭生产设备及工艺技术领域，涉及一种水稻秸秆生物炭生产设备及用于生产生物炭的工艺。

背景技术：

随着农作物产量逐年提高，农村城镇化发展及农民生活水平进一步提升，农作物秸秆产量显著增加，与此同时，秸秆作为柴薪的利用比例逐步下降，大量过剩的秸秆被遗弃在田头、路边或沟渠，或在田头焚烧，给生态环境和生命、财产安全带来了极大的隐患。我国是主要的水稻生产国家，每年产生大量的水稻秸秆，水稻秸秆是水稻脱谷获籽之后所得的副产品，脱谷后的茎秆和附着的干叶成为秸秆，大部分的水稻秸秆被随意丢弃和焚烧，造成极大的环境污染，影响农民的生活质量，也造成资源的极大浪费。

生物炭是生物有机材料(生物质)在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物。既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。生物炭也能提高农业生产率，减少对碳密集肥料的需求。木炭碎料的孔洞结构十分容易聚集营养物质和有益微生物，从而使土壤变得肥沃，利于植物生长，实现增产的同时让农业更具持续性。更妙的是，它把碳锁定在生物群内，而非让它排放到空气中。生物质炭化技术是公认的解决气候变化问题的可行技术措施之一，具有原材料来源广泛、生产成本低、生态安全、无污染、可大面积推广等显著特点。

生物质炭化后产生的生物炭应用于生态与环境领域可以固碳减排，是一种有效的碳汇技术，与农、林业相结合，可解决农林废弃物污染与温室气体排放问题。生物炭施入农田，可有效改善土壤理化性质，增加作物产量，促进农业可持续发展。生物炭是一种固定二氧化碳的经济可行的方式，不仅固化了树木和作物内已吸收的二氧化碳，其产物“生物碳”保存在土壤中，几千年都不会发生变化，生产可再生能源的同时，还提高了土壤肥力，提高农作物产量。生物炭可以被埋入废弃煤矿，或耕种时埋入土壤中。生物炭填埋还有利于改善土壤排水系统，并将80％左右的诸如一氧化氮和甲烷等温室气体封存在土壤中，阻止其排放到大气中。目前水稻秸秆生物炭生产设备及用于生产生物炭的工艺很多，但能耗高，生产周期长，生产过程可控性差，导致所得生物炭表观比重小。因此研究出一种能耗低，周期短，所得生物炭表观比重大的生物炭生产设备及用于生产生物炭的工艺，在相关领域具有重要的经济效益和社会价值。

国家知识产权局申请号200880013328.X申请文件公开了一种用于生产生物炭的设备和工艺，该设备包括：粉碎装置、加热装置、加压装置以及冷却装置，但此发明的能耗高，得到的生物炭表观比重小。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题：针对目前水稻秸秆生物炭生产设备及用于生产生物炭的工艺能耗高，生产周期长，生产过程可控性差，导致生物炭生产成本高，所得生物炭表观比重小的弊端，提供了水稻秸秆生物炭生产设备及用于生产生物炭的工艺，该设备和工艺能耗低，生产周期短，生产过程可控性强，所得生物炭表观比重大。

本发明是采用以下技术方案实现的，一种水稻秸秆生物炭生产设备，包括进料箱、粉碎器、反应容器、出料输送管、裂解箱、火炉、第一冷却器、第二冷却器，所述进料箱位于所述粉碎器上面，所述进料箱设有进料口，所述粉碎器内设有粉碎刀片，所述粉碎器与反应容器之间通过出料阀门相连，所述反应 容器上设有加热器和加压装置，所述出料输送管连接在反应容器与火炉之间，所述第一冷却器设于所述反应容器的出口连接处，所述裂解箱位于所述火炉上面，所述火炉的侧壁还设有出料管，所述第二冷却器设于出料管上。

优选地，所述反应容器上还设有压力表。

优选地，所述裂解箱侧壁设有氩气进气口。

优选地，所述出料输送管靠近反应容器一端设有下闸门，另一端设有上闸门,在所述出料输送管内靠近所述上闸门位置处设有进料量检测传感器，所述进料量检测传感器用于检测裂解箱的进料量，与所述下闸门、上闸门和进料量检测传感器相连设有MCU，与所述MCU相连设有显示屏，所述MCU预存有裂解箱进料量预设数据，所述MCU根据进料量检测传感器采集的进料量数据控制下闸门和上闸门的打开和关闭。

优选地，所述反应容器还设有温度检测装置，所述温度检测装置设置在反应容器的出口处，用于检测反应容器内的反应温度，所述温度检测装置与所述MCU和加热器相连。

优选地，所述裂解箱还设有测温系统，所述测温系统包括测温计和测温探头，所述测温探头穿过裂解箱的测温孔深入到裂解箱内，测温探头外部与测温计连接。

优选地，所述裂解箱下部还设有焦油催化室，所述焦油催化室中设有焦油催化剂。

生物秸秆在反应过程和裂解过程中，会产生焦油，焦油长期堆积，会引起管路堵塞，另外焦油气喷溅的黑斑污染环境，熏黑，气味难嗅，影响生产生物炭的质量，焦油催化剂可转化焦油为无毒无害的物质。

优选地，所述火炉出口处还设有焦油分离器，与所述焦油分离器相连设有焦油裂解室，与所述焦油裂解室相连设有焦油废气排气管道。

由裂解室出来的产品虽然经过催化剂催化反应，在火炉内仍有少量焦油存在，仍然影响产品质量，通过焦油分离器将焦油分离出来，送往焦油裂解室对 焦油作进一步地裂解处理，得到无毒无害的物质。

本发明同时公开了一种用于生产生物炭的工艺，包括以下步骤，

1)取水稻秸秆经进料口投入进料箱中，再进入粉碎器，设置转速为300～500r/min进行粉碎，粉碎完成后，将粉碎后的水稻秸秆经出料引入反应容器中进行反应，得到熔融物，控制反应容器中压力为0.6～0.8Mpa，温度为160～180℃，反应1～2h；

2)将得到的熔融物经第一冷却器冷却成室温后，由出料输送管输送到裂解箱中，在1000～1200℃下进行高温裂解，同时通入氩气进行保护，裂解3～5h；

3)待裂解完成后，输送到火炉中，控制温度为600～800℃，进行炭化1～2h，经第二冷却器冷却至23～25℃，由出料管出料，即得到水稻秸秆生物炭。

优选地，所述用于生产生物炭的工艺包括以下步骤，

1)取水稻秸秆经进料口投入进料箱中，再进入粉碎器，设置转速为400r/min进行粉碎，粉碎完成后，将粉碎后的水稻秸秆经出料引入反应容器中，控制反应容器中压力为0.7Mpa，温度为170℃，反应1.5h；

2)将得到的熔融物经第一冷却器冷却成室温后，由出料输送管输送到裂解箱中，在1100℃下进行高温裂解，同时通入氩气进行保护，裂解4h；

3)待裂解完成后，输送到火炉中，控制温度为700℃，进行炭化1.5h，经第二冷却器冷却至24℃，由出料口出料，即得到水稻秸秆生物炭。

本发明与其它生产活性炭方法相比，有益技术效果是：

1)本发明生产工艺简单，所用设备能耗低，成本低于其他方法8％以上；

2)生产周期短，生产过程可控性强，所得生物炭表观比重大。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式进一步说明：

图1是本发明实施例1的水稻秸秆生物炭生产设备的结构示意图。

图2是本发明实施例2的水稻秸秆生物炭生产设备的结构示意图。

图3是本发明实施例3的水稻秸秆生物炭生产设备的结构示意图。

图4是本发明实施例2的上、下闸门打开和关闭的方框原理图。

具体实施方式

实施例1

图1给出了本发明的第一个实施例，如图1所示，一种水稻秸秆生物炭生产设备，包括进料箱2、粉碎器4、反应容器6、出料输送管10、裂解箱11、火炉12、第一冷却器9、第二冷却器13，所述进料箱2位于所述粉碎器4上面，所述进料箱2设有进料口1，所述粉碎器4内设有粉碎刀片3，所述粉碎器4与反应容器6之间通过出料阀门5相连，所述反应容器6上设有加热器8和加压装置，所述出料输送管10连接在反应容器6与火炉12之间，所述第一冷却器9设于所述反应容器6的出口连接处，所述裂解箱11位于所述火炉12上面，所述火炉12的侧壁还设有出料管14，所述第二冷却器13设于出料管14上。

所述反应容器6上还设有压力表7。

所述裂解箱11侧壁设有氩气进气口。

实施例2

图2给出了本发明的第2个实施例，如图2、图4所示，实施例2与实施例1不同的是，所述出料输送管10靠近反应容器6一端还设有下闸门15，另一端设有上闸门16,在所述出料输送管10内靠近所述上闸门16位置处设有进料量检测传感器17，所述进料量检测传感器17用于检测裂解箱11的进料量，与所述下闸门15、上闸门16和进料量检测传感器17相连设有MCU18，与所述MCU18相连设有显示屏，所述MCU18预存有裂解箱11进料量预设数据，所述MCU18根据进料量检测传感器17采集的进料量数据控制下闸门15和上闸门16的打开和关闭。

所述反应容器6还设有温度检测装置19，所述温度检测装置19设置在反应 容器6的出口处，用于检测反应容器6内的反应温度，所述温度检测装置19与所述MCU18和加热器8相连。

所述裂解箱11还设有测温系统，所述测温系统包括测温计和测温探头，所述测温探头穿过裂解箱11的测温孔深入到裂解箱11内，测温探头外部与测温计连接。

实施例2其余与实施例1相同。

实施例3

图3给出了本发明的第3个实施例，如图3所示，实施例3与实施例2不同的是，所述裂解箱11下部还设有焦油催化室21，所述焦油催化室21中设有焦油催化剂。

所述火炉12出口处还设有焦油分离器23，与所述焦油分离器23相连设有焦油裂解室22，与所述焦油裂解室22相连设有焦油废气排气管道。

实施例3其余与实施例2相同。

实施例4

本发明同时公开了一种用于生产生物炭的工艺，包括以下步骤，

1)取水稻秸秆经进料口1投入进料箱2中，再进入粉碎器4，设置转速为400r/min进行粉碎，粉碎完成后，将粉碎后的水稻秸秆经出料引入反应容器6中进行反应，得到熔融物，控制反应容器6中压力为0.7Mpa，温度为170℃，反应1.5h；

2)将得到的熔融物经第一冷却器9冷却成室温后，由出料输送管10输送到裂解箱11中，在1100℃下进行高温裂解，同时通入氩气进行保护，裂解4h；

3)待裂解完成后，输送到火炉12中，控制温度为700℃，进行炭化1.5h，经第二冷却器13冷却至24℃，经出料管14出料，即得到水稻秸秆生物炭。

实施例5

一种用于生产生物炭的工艺，包括以下步骤，

1)取水稻秸秆经进料口1投入进料箱2中，再进入粉碎器4，设置转速为300r/min进行粉碎，粉碎完成后，将粉碎后的水稻秸秆经出料引入反应容器6中进行反应，得到熔融物，控制反应容器6中压力为0.6Mpa，温度为160℃，反应1h；

2)将得到的熔融物经第一冷却器9冷却成室温后，由出料输送管10输送到裂解箱11中，在1000℃下进行高温裂解，同时通入氩气进行保护，裂解3h；

3)待裂解完成后，输送到火炉12中，控制温度为600℃，进行炭化1h，经第二冷却器13冷却至23℃，经出料管14出料，即得到水稻秸秆生物炭。

实施例6

一种用于生产生物炭的工艺，包括以下步骤，

1)取水稻秸秆经进料口1投入进料箱2中，再进入粉碎器4，设置转速为500r/min进行粉碎，粉碎完成后，将粉碎后的水稻秸秆经出料引入反应容器6中进行反应，得到熔融物，控制反应容器6中压力为0.8Mpa，温度为180℃，反应2h；

2)将得到的熔融物经第一冷却器9冷却成室温后，由出料输送管10输送到裂解箱11中，在1200℃下进行高温裂解，同时通入氩气进行保护，裂解5h；

3)待裂解完成后，输送到火炉12中，控制温度为800℃，进行炭化2h，经第二冷却器13冷却至25℃，经出料管14出料，即得到水稻秸秆生物炭。

试验例1：生物炭表观比重测定

分别取本发明实施例4得到的生物炭作为实验组和申请号200880013328.X的发明得到的生物炭作为对照组，测定表观比重，结果见表1。

表1生物炭表观比重

经测定，本发明得到的生物炭的表观比重为1.92-2.04，而申请号200880013328.X的发明专利得到的生物炭的表观比重为1.2-1.38，本发明得到的生物炭的表观比重明显高于用其它生产设备和生产方法得到的生物炭。

试验例2：生物炭物理特性测定

比较本实施例4得到的生物炭与木质生物质和煤焦炭的物理特性，结果见表2。

表2生物炭物理特性与其它材料对照表

本发明得到的生物炭在硬度和易燃性方面的性能更加优越。

通过本发明所述工艺生产生物炭，能获得高硬度和高热值的生物炭，在反应容器中，通过在160至180的温度下加热生物质，作为生物质原料的主要成分之一的半纤维素被热解，且木质素在保持其构架的情况下与固结效应相互作用借此增强强度。

试验例3

比较本发明用于生产生物炭的工艺取不同的参数值情况下和参数值不在本发明范围情况下得到的生物炭物理特性，结果见表3。

表3生物炭物理特性

从表中可以看出，改变本发明的制备工艺的参数将对生物炭的表观比重和热值产生很大的影响，只有限定在本发明的保护范围内，才能获得表观比重高、热值高的生物炭。

工业实用性

通过使用本实施例的生物炭生产设备及工艺，可以高效地生产具有高硬度和高发热量的生物炭，该生物炭可以用作煤焦炭的替代物。根据本实施例生产的生物炭可以用于铸铁或炼铁的化铁炉或鼓风炉中的热源、还原剂等，以及用作利用高压缩强度生物炭的材料。

以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。