切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的装置及方法与流程

本发明涉及废物高附加值利用领域，具体涉及切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的装置，还涉及切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的方法，能从秸秆中将能量元素与养分元素切割以制备还田生物炭、生物油和生物燃气的多切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的装置及工艺，以实现废弃物秸秆的资源化和能源化利用。

背景技术：

我国是农业大国，每年都会产生大量的农作物秸秆，年产量高达8亿多吨。在农村地区，小部分农作物秸秆被当做燃料，用来做饭或取暖，大部分却在稻田被焚烧，每年烧掉的秸秆超过2×108t，不仅造成资源浪费，损失的氮、磷、钾也相当于全国化肥总产量的60％左右，由此还带来了一系列的环境与社会问题，如大气污染、火灾等，严重影响空气质量。

近年来，将秸秆还田或将其制成生物炭还田的研究成为热门话题，秸秆直接还田可以有效将体内养分元素回馈到土壤中，以补充农作物生长所需的各种养分，但秸秆直接还田速率低，各种养分元素不能完全的释放到土壤中，没有最大化的利用秸秆体内的养分。而将秸秆热解制成生物炭后施入土壤中，因其具有丰富的微孔碳架结构、巨大的比表面积和孔隙度，使其具备了极强的吸附能力，能够将养分稳定的持留在土壤中，改善土壤的理化性质，使作物能健康生长，并且减少肥料的施加量，这样不仅能减少焚烧带来的大气污染，也能减少肥料施加过度而引起的水体富营养化等水污染问题。

但将秸秆制成生物炭后直接还田虽然回收利用了其中的养分元素(N、P、K)却没有充分完全的利用其中的能量元素(C和H)，热解秸秆过程中产生的含有能量元素(C和H)的气体没有加以分离和利用，是一种资源的浪费，如何在热解秸秆制备生物炭时将其中的能量元素与养分元素分离并收集，以达到秸秆废弃物的高附加值利用是目前秸秆生物炭研究应考虑并完善的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于针对秸秆在制备生物炭的问题上，提供切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的装置，还提供切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的方法，在热解秸秆时，将秸秆体内的养分元素(N、P、K)与能量元素(C和H)切割分离制备生物炭、生物油和生物燃气，以实现秸秆中资源的最大化利用。为实现上述目的，本发明采用如下措施：

切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的装置，包括进料斗，进料斗的出料端与螺旋热解炉的进料端连接，所述的进料斗上设置有进料斗进气口，进料斗进气口与二氧化碳气源连接。

如上所述的螺旋热解炉的出料端与生物炭收集器连接，生物炭收集器上设置有生物炭收集器进气口，生物炭收集器进气口与二氧化碳气源连接。

如上所述的螺旋热解炉内热解温度为400℃～500℃。

如上所述的进料斗的出料端设置有进料控制阀门，螺旋热解炉的出气端通过通气管道与生物炭粒子填充层装置一端连接，生物炭粒子填充层装置的另一端与常温冷凝管一端连接，常温冷凝管另一端与超低温冷凝管一端连接，超低温冷凝管另一端与第一冷凝管一端连接，第一冷凝管另一端与第二冷凝管一端连接，第二冷凝管另一端与气柜连接，超低温冷凝管、第一冷凝管和第二冷凝管的冷凝温度均为-5～-15℃。

如上所述的生物炭粒子填充层装置和超低温冷凝管内均填充有秸秆生物炭粒子。

如上所述的秸秆生物炭粒子的粒径为10～20mm。

如上所述的超低温冷凝管、第一冷凝管和第二冷凝管管径均为50～150mm。

切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的方法，包括以下步骤：

步骤1、打开进料控制阀门，秸秆从进料斗给入到螺旋热解炉，同时从进料斗的进料斗进气口输入CO₂气体，

步骤2、秸秆和CO₂气体经进料斗同时进入螺旋热解炉，螺旋热解炉内秸秆在螺旋热解炉内的螺旋杆的旋转下搅拌热解得到生物炭，生物炭经螺旋热解炉的出料端被生物炭收集器收集，同时从生物炭收集器上的生物炭收集器进气口输入CO₂气体，而热解产生的热解气体由螺旋热解炉出气端的通气管道输送至生物炭粒子填充层装置，

步骤3、热解气体进入生物炭粒子填充层装置，热解气体被吸收一部分重油，吸收一部分重油后的热解气体进入常温冷凝管进行常温冷凝，热解气体中的重油被常温冷凝管进一步冷凝并收集，

步骤4、由常温冷凝管处理后的热解气体依次进入超低温冷凝管、第一冷凝管和第二冷凝管进行冷凝，超低温冷凝管、第一冷凝管和第二冷凝管分离并收集轻质油，而剩余的热解气体由气柜收集。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、完成秸秆中能量元素(C和H)和养分元素(N、P和K等)切割利用，养分元素保留在生物炭中还田培肥土壤，而生物油可以有效收集并利用。

2、秸秆低温慢速热解，一次性完成了分类收集生物炭(含养分元素N、P、K)、生物油和生物燃气的多联产途径。

3、既能保证农田可持续培肥和利用，又能实现秸秆高附加值生物油、生物燃气多联产的资源化、能源化，真正开发出实现可持续发展的循环农业新模式。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明方法获得的生物炭在不同的热解气氛(CO2和N2)和不同的热解温度(300℃、400℃、500℃、600℃)下的状态图。

图1中：1—螺旋热解炉阀门；2—出料控制阀门；3—进料斗；4—螺旋热解炉；5—螺旋杆；6—生物炭收集器；7—通气管道；8—生物炭粒子填充层装置；9—常温冷凝管；10—超低温冷凝管；11—第一冷凝管；12—第二冷凝管；13—气柜；14—超低温冷凝器；15—进料斗进气口；16—生物炭收集器进气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

如图1所示，切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的装置，包括进料斗3，进料斗3的出料端与螺旋热解炉4的进料端连接，进料斗3的出料端设置有进料控制阀门2，螺旋热解炉4的出料端与生物炭收集器6连接，螺旋热解炉4的出气端通过通气管道7与生物炭粒子填充层装置8一端连接，生物炭粒子填充层装置8的另一端与常温冷凝管9一端连接，常温冷凝管9另一端与超低温冷凝管10一端连接，超低温冷凝管10另一端与第一冷凝管11一端连接，第一冷凝管11另一端与第二冷凝管12一端连接，第二冷凝管12另一端与气柜13连接，超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12的冷凝温度均为-5℃，螺旋热解炉4内热解温度为400℃。

进料斗3上设置有进料斗进气口15，生物炭收集器6上设置有生物炭收集器进气口16，进料斗进气口15和生物炭收集器进气口16均与二氧化碳气源连接。

生物炭粒子填充层装置8和超低温冷凝管10内均填充有秸秆生物炭粒子。

秸秆生物炭粒子的粒径为10mm。

超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12管径均为50mm。

切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的方法，包括以下步骤：

步骤1、打开出料控制阀门2，秸秆从进料斗3给入到螺旋热解炉4，同时从进料斗3的进料斗进气口15输入CO₂气体。

步骤2、秸秆和CO₂气体经进料斗3同时进入螺旋热解炉4，进料控制阀门2同时控制秸秆和CO₂气体进入电加热或外源间接加热的螺旋热解炉4，螺旋热解炉4内秸秆在螺旋热解炉4内的螺旋杆5的旋转下搅拌热解得到生物炭，生物炭(富含养分元素N、P、K等)经螺旋热解炉4的出料端被生物炭收集器6收集，同时从生物炭收集器6上的生物炭收集器进气口16输入CO₂气体，而热解产生的热解气体由螺旋热解炉4出气端的通气管道7输送至生物炭粒子填充层装置8。

步骤3、热解气体进入生物炭粒子填充层装置8，热解气体被吸收一部分重油，吸收一部分重油后的热解气体进而进入常温冷凝管9进行常温冷凝，常温冷凝温度为25℃，热解气体中的重油被常温冷凝管9进一步冷凝并收集。

步骤4、由常温冷凝管9处理后的热解气体依次进入超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12进行超低温冷凝，超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12分离并收集轻质油。而剩余的小分子的热解气体由后续的气柜13收集。

秸秆随着CO₂气流进入进料斗然后热解，是依据生物炭热解氛围条件的研究而设定的，在CO₂气氛和400℃(300℃时秸秆热解未形成生物炭，保留大量秸秆的原有纤维素结构，见图2)热解条件下制备的还田生物炭保留了最多的养分元素，特别是N元素保留率达到64.94％(见表1)，使N、P、K养分元素尽可能的保留在还田生物炭中，和生物油和生物燃气中C和H能量元素，最大限度的分离。秸秆经螺旋热解炉螺旋杆的螺旋挤压和翻腾作用使热解更完全，所得的还田生物炭中富含养分元素，实现养分元素(N、P、K)和生物油和生物燃气中能量元素(C和H)的尽可能分离，而含有能量元素的热解气体经不同温度(常温冷凝阶段25℃，超低温冷凝阶段-5℃)的冷凝阶段分离出重油、轻质油和小分子生物燃气，最大化的完成秸秆废弃物的高附加值利用。

表1，实施例1中400℃热解条件和CO₂气体的条件下，以及将实施例1中的CO₂气体替换成N₂气体的条件下，养分(N、P和K)元素在还田生物炭中保留率

实施例2：

如图1所示，切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的装置，包括进料斗3，进料斗3的出料端与螺旋热解炉4的进料端连接，进料斗3的出料端设置有进料控制阀门2，螺旋热解炉4的出料端与生物炭收集器6连接，螺旋热解炉4的出气端通过通气管道7与生物炭粒子填充层装置8一端连接，生物炭粒子填充层装置8的另一端与常温冷凝管9一端连接，常温冷凝管9另一端与超低温冷凝管10一端连接，超低温冷凝管10另一端与第一冷凝管11一端连接，第一冷凝管11另一端与第二冷凝管12一端连接，第二冷凝管12另一端与气柜13连接，超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12的冷凝温度均为-10℃，螺旋热解炉4内热解温度为500℃。

进料斗3上设置有进料斗进气口15，生物炭收集器6上设置有生物炭收集器进气口16，进料斗进气口15和生物炭收集器进气口16均与二氧化碳气源连接。

生物炭粒子填充层装置8和超低温冷凝管10内均填充有秸秆生物炭粒子。

秸秆生物炭粒子的粒径为15mm。

超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12管径均为100mm。

切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的方法，包括以下步骤：

步骤1、打开出料控制阀门2，秸秆从进料斗3给入到螺旋热解炉4，同时从进料斗3的进料斗进气口15输入CO₂气体。

步骤2、秸秆和CO₂气体经进料斗3同时进入螺旋热解炉4，进料控制阀门2同时控制秸秆和CO₂气体进入电加热或外源间接加热的螺旋热解炉4，螺旋热解炉4内秸秆在螺旋热解炉4内的螺旋杆5的旋转下搅拌热解得到生物炭，生物炭(富含养分元素N、P、K等)经螺旋热解炉4的出料端被生物炭收集器6收集，同时从生物炭收集器6上的生物炭收集器进气口16输入CO₂气体，而热解产生的热解气体由螺旋热解炉4出气端的通气管道7输送至生物炭粒子填充层装置8。

步骤3、热解气体进入生物炭粒子填充层装置8，热解气体被吸收一部分重油，吸收一部分重油后的热解气体进而进入常温冷凝管9进行常温冷凝，常温冷凝温度为25℃，热解气体中的重油被常温冷凝管9进一步冷凝并收集。

步骤4、由常温冷凝管9处理后的热解气体依次进入超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12进行超低温冷凝，超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12分离并收集轻质油。而剩余的小分子的热解气体由后续的气柜13收集。

秸秆随着CO₂气流进入进料斗然后热解，是依据生物炭热解氛围条件的研究而设定的，在CO₂气氛和500℃(300℃时秸秆热解未形成生物炭，保留大量秸秆的原有纤维素结构，见图2)热解条件下制备的还田生物炭保留了最多的养分元素，特别是N元素保留率达到43.24％(见表2)，使N、P、K养分元素尽可能的保留在还田生物炭中，和生物油和生物燃气中C和H能量元素，最大限度的分离。秸秆经螺旋热解炉螺旋杆的螺旋挤压和翻腾作用使热解更完全，所得的还田生物炭中富含养分元素，实现养分元素(N、P、K)和生物油和生物燃气中能量元素(C和H)的尽可能分离，而含有能量元素的热解气体经不同温度(常温冷凝阶段25℃，超低温冷凝阶段-10℃)的冷凝阶段分离出重油、轻质油和小分子生物燃气，最大化的完成秸秆废弃物的高附加值利用。

表2，实施例2中500℃热解条件和CO₂气体的条件下，以及将实施例2中的CO₂气体替换成N₂气体的条件下，养分(N、P和K)元素在还田生物炭中保留率

实施例3：

如图1所示，如图1所示，切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的装置，包括进料斗3，进料斗3的出料端与螺旋热解炉4的进料端连接，进料斗3的出料端设置有进料控制阀门2，螺旋热解炉4的出料端与生物炭收集器6连接，螺旋热解炉4的出气端通过通气管道7与生物炭粒子填充层装置8一端连接，生物炭粒子填充层装置8的另一端与常温冷凝管9一端连接，常温冷凝管9另一端与超低温冷凝管10一端连接，超低温冷凝管10另一端与第一冷凝管11一端连接，第一冷凝管11另一端与第二冷凝管12一端连接，第二冷凝管12另一端与气柜13连接，超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12的冷凝温度均为-15℃，螺旋热解炉4内热解温度为600℃。

进料斗3上设置有进料斗进气口15，生物炭收集器6上设置有生物炭收集器进气口16，进料斗进气口15和生物炭收集器进气口16均与二氧化碳气源连接。

生物炭粒子填充层装置8和超低温冷凝管10内均填充有秸秆生物炭粒子。

秸秆生物炭粒子的粒径为20mm。

超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12管径均为150mm。

切割能量与养分元素制备生物炭、油和燃气的方法，包括以下步骤：

步骤1、打开出料控制阀门2，秸秆从进料斗3给入到螺旋热解炉4，同时从进料斗3的进料斗进气口15输入CO₂气体。

步骤2、秸秆和CO₂气体经进料斗3同时进入螺旋热解炉4，进料控制阀门2同时控制秸秆和CO₂气体进入电加热或外源间接加热的螺旋热解炉4，螺旋热解炉4内秸秆在螺旋热解炉4内的螺旋杆5的旋转下搅拌热解得到生物炭，生物炭(富含养分元素N、P、K等)经螺旋热解炉4的出料端被生物炭收集器6收集，同时从生物炭收集器6上的生物炭收集器进气口16输入CO₂气体，而热解产生的热解气体由螺旋热解炉4出气端的通气管道7输送至生物炭粒子填充层装置8。

步骤3、热解气体进入生物炭粒子填充层装置8，热解气体被吸收一部分重油，吸收一部分重油后的热解气体进而进入常温冷凝管9进行常温冷凝，常温冷凝温度为25℃，热解气体中的重油被常温冷凝管9进一步冷凝并收集。

步骤4、由常温冷凝管9处理后的热解气体依次进入超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12进行超低温冷凝，超低温冷凝管10、第一冷凝管11和第二冷凝管12分离并收集轻质油。而剩余的小分子的热解气体由后续的气柜13收集。

秸秆随着CO₂气流进入进料斗然后热解，是依据生物炭热解氛围条件的研究而设定的，在CO₂气氛和600℃(300℃时秸秆热解未形成生物炭，保留大量秸秆的原有纤维素结构，见图2)热解条件下制备的还田生物炭保留了最多的养分元素，特别是N元素保留率达到39.02％(见表3)，使N、P、K养分元素尽可能的保留在还田生物炭中，和生物油和生物燃气中C和H能量元素，最大限度的分离。秸秆经螺旋热解炉螺旋杆的螺旋挤压和翻腾作用使热解更完全，所得的还田生物炭中富含养分元素，实现养分元素(N、P、K)和生物油和生物燃气中能量元素(C和H)的尽可能分离，而含有能量元素的热解气体经不同温度(常温冷凝阶段25℃，超低温冷凝阶段-15℃)的冷凝阶段分离出重油、轻质油和小分子生物燃气，最大化的完成秸秆废弃物的高附加值利用。

表3，实施例3中600℃热解条件和CO₂气体的条件下，以及将实施例3中的CO₂气体替换成N₂气体的条件下，养分(N、P和K)元素在还田生物炭中保留率

上列详细描述的是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做修改或补充，但凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应包含于本申请的保护范围内。