本发明涉及肥料生产领域，具体涉及一种缓释氮肥、缓释氮肥造粒设备及方法。
背景技术：
新型缓/控释肥能调控养分释放速率与作物养分吸收基本同步，大大提高肥料利用率，减少农业面源污染，符合国家可持续发展战略要求。当前新型包膜缓/控释肥料主要采用流化床包膜、转鼓包膜等工艺制备，主要步骤包括采用有机物、硫磺、热塑性树脂、热固性树脂等包膜材料对传统复合肥料颗粒进行包裹，但上述工艺中存在包膜材料成本较高、包膜工艺复杂、环境因素对肥料养分释放速率影响较大等因素。
国内外的相关研究表明，秸秆碳化后可具有巨大的比表面积和吸附性能，与肥料结合制备的秸秆碳基缓释肥料可有效避免肥料的流失，提高肥料的利用效率。当前已有利用生物炭制备缓释氮肥的方法(cn103833445a，cn102424642a)，但其大多采用先将秸秆烧制成生物炭，再采用物理掺混造粒或挤压造粒方法制备形成肥料的工艺，其同样存在制备工序繁杂、肥料缓释性能较差等问题。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种缓释氮肥、缓释氮肥造粒设备及方法，其利用秸秆粉末与肥料相结合，由此解决秸秆利用率较低、资源浪费严重的问题，同时简化缓释氮肥制备工艺，降低制造和使用成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一方面，提供了一种缓释氮肥，按重量份数计，其包括：秸秆粉末1‐4份；尿素5‐8份；以及造粒助剂0.5‐1.5份。
优选的，所述秸秆粉末粒径为2‐5mm；所述造粒助剂为蒙脱石、高岭土和凹凸棒土中的一种或多种的混合物。
另一方面，还提供了一种用于制造上述缓释氮肥的设造粒备，其包括：
料仓，其用于存储所述秸秆粉末、尿素以及造粒助剂的混合物；
压力磨盘，在轴向方向上，其中部开设有第一通孔，且环绕所述第一通孔开设有若干第一下料孔；
加热磨盘，其位于一所述压力磨盘的下方，用于对经所述第一下料孔挤压造粒、且从中落下的颗粒物进行加热；在轴向方向上，其中部开设有第二通孔，且环绕所述第二通孔开设有若干第二下料孔；
传动轴，其一端穿过所述压力磨盘和加热磨盘的中部通孔后向上伸出，使得在轴向方向上，所述压力磨盘以及加热磨盘同轴设置，另一端连接动力设备；
以及压辊，其连接所述传动轴从最上方的压力磨盘的第一通孔向上伸出的一端，且以所述传动轴为轴相对所述最上方的压力磨盘转动，用于将落到最上方的压力磨盘上表面的混合物进行碾磨，并将混合物压入所述第一下料孔。
优选的，所述加热磨盘与压力磨盘之间存在间隙，且所述传动轴用于带动所述压力磨盘或加热磨盘转动，使得两者间发生相对转动。
优选的，所述加热磨盘包括：
磨盘主体，在轴向方向上，其中部开设有第二通孔，且环绕所述第二通孔开设有若干第二下料孔；
导热壳，其环绕所述磨盘主体、且与所述磨盘主体同轴设置；
绝缘环，其设置在所述导热壳与磨盘主体之间形成的产热区域，且环绕所述磨盘主体设置；
电热丝，其与电力设备电连接，设置于所述产热区域内，且呈螺旋状缠绕在所述绝缘环上，并沿所述绝缘环的径向向外延伸，以形成关于所述绝缘环中心对称分布的花瓣状结构；
上盖和下盖，其用于分别对应封闭所述产热区域的上部开口以及下部开口。
优选的，所述花瓣状结构的一端与所述导热壳抵接，另一端与所述磨盘主体抵接；所述上盖和/或下盖靠近所述磨盘主体的一端与所述磨盘主体抵接，所述上盖和/或下盖远离所述磨盘主体的一端与所述导热壳抵接。
优选的，所述压力磨盘至少有两个，且相邻两压力磨盘之间设有一加热磨盘，所述传动轴一端穿过所有压力磨盘、加热磨盘的中部通孔后，从最上方的压力磨盘的第一通孔向上伸出。
优选的，最下方的压力磨盘下方设置有下料装置，用于承接经最下方的压力磨盘的第一下料孔挤压造粒、且从中落下的缓释氮肥颗粒。
另一方面，还提供一种利用上述设备制备缓释氮肥的方法，其包括如下步骤：
s1、将作物秸秆干燥、粉碎、过筛后制成粒径2‐5mm的秸秆粉末；
s2、开启电力设备，通过所述电热丝对所述加热磨盘进行预热，待所述加热磨盘的第二下料孔内的温度达到200‐450℃时，向所述料仓中加入秸秆粉末、尿素与造粒助剂，并搅拌形成混合物；
s3、打开料仓，使得料仓中的混合物落到最上方的压力磨盘的上表面，开启动力设备以驱动所述传动轴带动所述压辊转动，并通过所述压辊与最上方的压力磨盘之间的相对转动将所述混合物进行碾磨，并将混合物压入所述第一下料孔中；
s4、承接经所有第一下料孔、压力磨盘和加热磨盘之间的间隙、第二下料孔挤压造粒形成的缓释氮肥颗粒，并对其进行切割、冷却、筛分及分袋包装。
优选的，所述步骤s3中，所述传动轴同时带动所述压力磨盘或加热磨盘转动。
本发明技术方案的有益效果在于：
本发明的缓释氮肥以作物秸秆粉末、尿素为主要原料材料，首先将原料挤压制成条状颗粒，再利用加热磨盘在高温、密闭厌氧环境下使条状颗粒中的秸秆碳化、尿素熔融，能实现秸秆碳化和肥料造粒同步完成，再在外力挤压作用下使熔融的尿素与碳化秸秆紧密结合吸附，有利于充分发挥生物碳基缓释氮肥的缓释性能，其制造设备设计合理、结构简单、制备成本低、实用性强，且制造过程中无粉尘、工艺简单、生产效率高；同时，由于生物炭(即碳化秸秆)具有较高的吸附性能，因此本发明中的缓释氮肥有利于减少土壤养分流失，提高氮肥的利用效率和作物产量，有效减少农业面源污染。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例四中缓释氮肥造粒设备的正视图；
图2是本发明实施例四中压力磨盘与加热磨盘的装配示意图；
图3是本发明实施例四中压力磨盘的结构图；
图4是本发明实施例四中加热磨盘的结构图；
图5是本发明实施例四中加热磨盘的俯视图；
图6是本发明实施例四中加热磨盘(无上盖)的俯视图；
图7是本发明实施例五中缓释氮肥造粒设备的正视图；
图8是本发明实施例六中缓释氮肥造粒设备的正视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
本实施例中的缓释氮肥按重量份数计，其包括：秸秆粉末1份、尿素5份；以及造粒助剂0.5份，其中，所述秸秆粉末粒径为2‐5mm(优选为3mm)，所述造粒助剂为蒙脱石、高岭土和凹凸棒土中的一种或多种的混合物。
实施例二：
本实施例与实施例一的不同之处仅在于按重量份数计，本实施例中的缓释氮肥包括：秸秆粉末4份、尿素8份；以及造粒助剂1.5份。
实施例三：
本实施例与实施例一的不同之处仅在于按重量份数计，本实施例中的缓释氮肥包括：秸秆粉末3份、尿素6份；以及造粒助剂1份。
实施例四：
本实施例提供了一种用于制造实施例一至三之一所述缓释氮肥的造粒设备，如图1所示，其包括：
锥形料仓1，其用于按照实施例一至三之一所述的比例存储所述秸秆粉末、尿素以及造粒助剂的混合物，且所述混合物可在打开料仓1的底部开口后依靠自身重力下落；
由硬质材料(如不锈钢、铝合金等)制成的外壳体2，其连通所述料仓1的下端面，且围成造粒空间s；
压力磨盘3，如图2‐3所示，在轴向方向(即图1中的y方向)上，其中部开设有轴向贯通的第一通孔31，且环绕所述第一通孔31开设有若干轴向贯通的第一下料孔32；
加热磨盘4，其位于一所述压力磨盘3的下方，且与相邻的压力磨盘3之间存在空隙，用于对经所述第一下料孔32挤压造粒、且从中落下的颗粒物进行加热和再次造粒；类似的，如图2,4所示，在轴向方向上，其中部开设有轴向贯通的第二通孔41，且环绕所述第二通孔41开设有若干轴向贯通的第二下料孔42；所述第一下料孔32和/或第二下料孔42孔径为1.5‐5mm(优选为3mm)；所述压力磨盘3和/或加热磨盘4由碳素结构钢铸造；
传动轴5，其一端穿过所述压力磨盘3的第一通孔31和加热磨盘4的第二通孔41后向上伸出，使得在轴向方向上，所述压力磨盘3以及加热磨盘4同轴设置，另一端连接动力设备6(如电机等)；
压辊7，其连接所述传动轴5从最上方的压力磨盘3的第一通孔31向上伸出的一端，且以所述传动轴5为轴相对所述最上方的压力磨盘3转动，用于将落到最上方的压力磨盘3上表面的混合物进行碾磨，并将混合物压入所述第一下料孔32。
本实施例中，如图1所示，所述压力磨盘3至少有两个，且相邻两压力磨盘3之间设有一加热磨盘4，所述传动轴5一端穿过所有压力磨盘3的第一通孔31和加热磨盘4的第二通孔41后，从最上方的压力磨盘3的第一通孔31向上伸出；所有压力磨盘3与所述传动轴5之间均通过花键连接，所述加热磨盘4则通过固定件8(如紧固螺栓等)固定于所述外壳体2内壁，以对所述加热磨盘4与压力磨盘3之间的相对位置进行固定，此时，所述传动轴5仅穿过加热磨盘4的第二通孔41，但不带动所述加热磨盘4转动，所述传动轴5仅可带动所述压力磨盘3同步转动，以此使得所述压力磨盘3和加热磨盘4之间发生相对转动，并通过挤压对进入到两者之间空隙的混合物进行碾磨、并挤压到下方的第一下料孔31/第二下料孔41内造粒；在此基础上，所述传动轴5与压辊7之间还可通过变速齿轮等变速装置连接，使得所述压辊7围绕所述传动轴5转动的速度大于/小于所述传动轴5、最上方的压力磨盘3同步转动的速度，由此使得压辊7以所述传动轴5为轴相对所述最上方的压力磨盘3转动，以此实现对压力磨盘3上表面的混合物的碾磨，并通过对从料仓1中不断下落的混合物的持续碾磨将碾磨后的混合物压入所述第一下料孔32中进行挤压造粒，由此形成条状的缓释氮肥颗粒。
此外，所述缓释氮肥造粒设备还包括下料装置9(如振动送料装置等)，其用于承接经最下方的压力磨盘3的第一下料孔32挤压造粒、且从中落下的缓释氮肥颗粒，并将其输送至预定位置(如存储容器10中)。
进一步的，如图4‐6所示，所述加热磨盘4包括：
磨盘主体43，所述轴向方向上贯通的第二通孔41以及第二下料孔42均开设在所述磨盘主体43上；
导热壳44，其环绕所述磨盘主体43、且与所述磨盘主体43同轴设置；本实施例中，所述导热壳44优选不锈钢制成；
绝缘环45(优选为云母制成)，其设置在所述导热壳44与磨盘主体43之间形成的产热区域s’内，且环绕所述磨盘主体43设置；同时，为便于使得所述绝缘环45的位置固定，所述绝缘环45还可通过紧固件46固定于所述磨盘主体43的外壁面上；
电热丝47(优选为镍铬合金制成)，其与电力设备电连接，设置于所述产热区域s’内，用于产生热量，且呈螺旋状缠绕在所述绝缘环45上，并沿所述绝缘环45的径向向外延伸，以形成关于所述绝缘环45中心对称分布的花瓣状结构；
上盖48和下盖(未示出)，其用于分别对应封闭所述产热区域s’的上部开口以及下部开口，优选的，所述上盖48和/或下盖由不锈钢材料制成。优选的，为便于增强导热效果，快速提高磨盘主体43的第二下料孔42内的温度，所述花瓣状结构的一端p1与所述导热壳44抵接，另一端p2与所述磨盘主体43抵接；所述上盖48和/或下盖靠近所述磨盘主体43的一端与所述磨盘主体43抵接，所述上盖48和/或下盖远离所述磨盘主体43的一端与所述导热壳抵接。
实施例五：
本实施例与实施例四的不同之处仅在于，如图7所示，加热磨盘4与所述传动轴5之间可通过花键连接，所述压力磨盘3则通过固定件8’(如紧固螺栓等)固定于所述外壳体2内壁，以对所述加热磨盘4与压力磨盘3之间的相对位置进行固定，此时，所述传动轴5仅穿过压力磨盘3的第一通孔31，但不带动所述压力磨盘3转动，所述传动轴5仅可带动所述加热磨盘4以及压辊7同步转动，以此使得所述压力磨盘3和加热磨盘4之间、最上方的压力磨盘3与压辊7之间发生相对转动。
实施例六：
本实施例与实施例四‐五的不同之处仅在于，如图2‐4，8所示，在轴向方向上，所述加热磨盘4其中部开设有轴向贯通的、且与所述第一通孔31连通的第二通孔41，且环绕所述第二通孔41开设有若干轴向贯通的第二下料孔42，每一所述第二下料孔42均与一所述第一下料孔32连通；所述加热磨盘4与压力磨盘3之间无间隙；
传动轴5，其一端穿过所述压力磨盘3的第一通孔31和加热磨盘4的第二通孔41后向上伸出，使得在轴向方向上，所述压力磨盘3以及加热磨盘4同轴设置，另一端连接动力设备6(如电机等)；
压辊7，其连接所述传动轴5从最上方的压力磨盘3的第一通孔31向上伸出的一端，且以所述传动轴5为轴相对所述最上方的压力磨盘3转动，用于将落到最上方的压力磨盘3上表面的混合物进行碾磨，并将混合物压入所述第一下料孔32。
本实施例中，如图8所示，所有压力磨盘3、加热磨盘4均通过固定件8(如紧固螺栓等)固定于所述外壳体2内壁，以对所述加热磨盘4与压力磨盘3之间的相对位置进行固定，此时，所述传动轴5仅穿过压力磨盘3的第一通孔31、加热磨盘4的第二通孔41，但不带动所述压力磨盘3、加热磨盘4转动，所述传动轴5仅可带动所述压辊7转动，使得所述压辊7围绕所述传动轴5转动，以此通过对从料仓1中不断下落的混合物的持续碾磨将碾磨后的混合物压入所述第一下料孔42中进行挤压造粒，由此形成条状的缓释氮肥颗粒。
实施例七：
本实施例提供了一种利用实施例四的设备制造实施例一中所述缓释氮肥的方法，其包括如下步骤：
s1、将作物秸秆干燥、粉碎、过筛后制成粒径5mm的秸秆粉末；
s2、开启电力设备，所述电热丝在所述产热区域内产生热量，并通过产热区域内空气、导热壳、上盖和/或下盖将热量传递给所述加热磨盘的磨盘主体，以对对所述加热磨盘进行预热，待所述加热磨盘的第二下料孔内的温度达到250℃时，以实施例一中的比例向所述料仓中加入秸秆粉末、尿素与造粒助剂，并搅拌形成混合物；其中，所述加热磨盘的第一下料孔与压力磨盘的第二下料孔的孔径均为1.5mm；
s3、打开料仓，使得料仓中的混合物落到最上方的压力磨盘的上表面，开启动力设备以驱动所述传动轴带动压辊、压力磨盘或加热磨盘转动，使得所述压力磨盘和加热磨盘之间发生相对转动，并通过所述压辊与最上方的压力磨盘之间的相对转动将所述混合物进行碾磨，并将混合物压入最上方的压力磨盘的第一下料孔中，通过该第一下料孔对混合物进行挤压造粒；进一步的，通过最上方压力磨盘的第一下料孔挤压形成的颗粒物下落到压力磨盘与加热磨盘之间的间隙，且通过两者之间的相对转动被进一步碾磨，并被压入加热磨盘的第二下料孔中，且在经所述第二下料孔挤压造粒形成颗粒物后从所述第二下料孔中下落，该过程中，压力磨盘与加热磨盘之间的间隙、第二下料孔中为密闭的厌氧高温环境，该环境下，经第一下料孔下落的颗粒物中的秸秆粉末被充分碳化，尿素熔融，且熔融态的尿素在压力磨盘与加热磨盘之间的间隙、第二下料孔的挤压力下充分渗透挤入碳化秸秆粉末内部，有利于充分发挥生物碳基缓释氮肥的缓释性能；进一步的，经所述第二下料孔挤压造粒后形成的颗粒物通过第二下料孔下落到下一压力磨盘与加热磨盘之间的间隙，并通过两者之间的相对转动进一步被碾磨，并被压入下一压力磨盘的第一下料孔中进行进一步造粒；如此重复上述过程，直至经最下方压力磨盘的第一下料孔挤压形成最终的条状缓释肥颗粒；
s4、通过下料装置承接经第一下料孔、压力磨盘和加热磨盘之间的间隙、第二下料孔挤压造粒形成的缓释氮肥颗粒，并对其进行切割、冷却、筛分及分袋包装，以形成所述缓释氮肥。
实施例八：
本实施例与实施例七的不同之处仅在于，步骤s1中，秸秆粉末粒径为2mm所述加热磨盘的第一下料孔与压力磨盘的第二下料孔的孔径均为2.5mm；步骤s2中，所述加热磨盘的第二下料孔内的温度达到450℃时，按照实施例二中的比例向所述料仓中加入秸秆粉末、尿素与造粒助剂，并搅拌形成混合物。
实施例九：
本实施例与实施例七的不同之处仅在于，步骤s1中，秸秆粉末粒径为3mm，所述加热磨盘的第一下料孔与压力磨盘的第二下料孔的孔径均为3.0mm；步骤s2中，所述加热磨盘的第二下料孔内的温度达到400℃时，按照实施例三中的比例向所述料仓中加入秸秆粉末、尿素与造粒助剂，并搅拌形成混合物。
实施例十：
本实施例与实施例七的不同之处仅在于，步骤s1中，秸秆粉末粒径为5mm，所述加热磨盘的第一下料孔与压力磨盘的第二下料孔的孔径均为5.0mm；步骤s2中，所述加热磨盘的第二下料孔内的温度达到250℃时，按照实施例三中的比例向所述料仓中加入秸秆粉末、尿素与造粒助剂，并搅拌形成混合物。
实施例十一：
本实施例与实施例七的不同之处仅在于，步骤s1中，秸秆粉末粒径为2mm；步骤s2中，选择5.0mm孔径的复合磨盘，所述加热磨盘的第二下料孔内的温度达到450℃时，按照实施例三中的比例向所述料仓中加入秸秆粉末、尿素与造粒助剂，并搅拌形成混合物。
实施例十二：
s1、将作物秸秆干燥、粉碎、过筛后制成粒径3mm的秸秆粉末；
s2、开启电力设备，所述电热丝在所述产热区域内产生热量，并通过产热区域内空气、导热壳、上盖和/或下盖将热量传递给所述加热磨盘的磨盘主体，以对对所述加热磨盘进行预热，待所述加热磨盘的第二下料孔内的温度达到400℃时，以实施例一中的比例向所述料仓中加入秸秆粉末、尿素与造粒助剂，并搅拌形成混合物；其中，所述加热磨盘的第一下料孔与压力磨盘的第二下料孔的孔径均为3.0mm；
s3、打开料仓，使得料仓中的混合物落到最上方的压力磨盘的上表面，开启动力设备以驱动所述传动轴带动压辊转动，并通过所述压辊与最上方的压力磨盘之间的相对转动将所述混合物进行碾磨，并将混合物压入最上方的压力磨盘的第一下料孔以及与之连通的加热磨盘的第二下料孔中进行挤压造粒，且经所述第二下料孔挤压造粒形成颗粒物后从所述第二下料孔中下落，该过程中，加热磨盘的第二下料孔中为密闭的厌氧高温环境，该环境下，经第一下料孔下落的颗粒物中的秸秆粉末被充分碳化，尿素熔融，且熔融态的尿素在第二下料孔的挤压力下充分渗透挤入碳化秸秆粉末内部，有利于充分发挥生物碳基缓释氮肥的缓释性能；进一步的，经所述第二下料孔挤压造粒后形成的颗粒物通过第二下料孔下落到下一压力磨盘的第一下料孔中进行进一步造粒；如此重复上述过程，直至经最下方压力磨盘的第一下料孔挤压形成最终的条状缓释肥颗粒；
s4、通过下料装置承接经第一下料孔、压力磨盘和加热磨盘之间的间隙、第二下料孔挤压造粒形成的缓释氮肥颗粒，并对其进行切割、冷却、筛分及分袋包装，以形成所述缓释氮肥。
进一步的，为验证本发明所得缓释氮肥与现有技术中氮肥的缓释效果差异，本发明进行如下对比实验，其具体过程如下。
以含氮量为46％的普通尿素作为空白例1，取与上述实施例三中相同比例的秸秆粉末、尿素和造粒助剂，采用申请号为201520794666.9所述的挤压造粒机进行造粒，由此获得的缓释氮肥作为空白例2；
比较空白例1、空白例2与上述实施例七-十二制备的缓释氮肥的氮素流失量，其具体过程包括：采用国家标准“gb/t23348-2009”规定的水中溶出率法检测缓释肥料养分释放率，具体为：称取10g未粉碎的肥料颗粒放入孔径为150μm(100目)的尼龙纱网做成的小袋中，封口后，将小袋放入250ml玻璃瓶或塑料瓶中，加入200ml水，加盖密封，置于25℃的生化恒温培养箱中培养，取样测定氮释放量。取样时间为1d，3d，5d，7d，14d，28d，42d，56d，70d，累积养分释放率达80％以上为止，采用“凯氏定氮法”测定浸提液的氮含量，以所制得缓释氮肥在控制肥料氮素流失的能力来表征缓释氮肥的缓释能力，结果如表1所示。
表1：不同实施例中缓释氮肥的氮素累积释放率(％)
从表1可以看出，经本发明实施例七-十二利用该造粒磨具制备缓释氮肥的氮素缓释能力明显优于空白例1和空白例2，其氮素累积释放率在所有取样的时期内均显著低于对照例的氮素累积释放率。空白例1和空白例2中，前28天的氮素累积释放率大于89％，远高于实施例七-十二中的35.2-52.3％；且空白例2中利用申请号为201520794666.9所述挤压造粒机制备的肥料释放速率最高，较实施例七-十二之一几乎无任何缓释效果；28-70d内，实施例七-十二中制备的生物炭基缓释氮肥累积释放氮素占肥料总氮的比例高达37％以上，表明经本发明实施例七-十二制备的生物炭基缓释氮肥具有良好的缓释效果，可大大提高作物需氮高峰期氮素的释放。
综上所述，本发明的缓释氮肥作物秸秆粉末、尿素为主要原料材料，首先将原料挤压制成条状颗粒，再利用加热磨盘在高温、密闭厌氧环境下使条状颗粒中的秸秆碳化、尿素熔融，能实现秸秆碳化和肥料造粒同步完成，再在外力挤压作用下使熔融的尿素与碳化秸秆紧密结合吸附，有利于充分发挥生物碳基缓释氮肥的缓释性能，其制造设备设计合理、结构简单、制备成本低、实用性强，且制造过程中无粉尘、工艺简单、生产效率高；同时，由于生物炭(即碳化秸秆)具有较高的吸附性能，因此本发明中的缓释氮肥有利于减少土壤养分流失，提高氮肥的利用效率和作物产量，有效减少农业面源污染。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。