CN105777453A - 一种制备生物炭基缓释氮肥的装置及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备生物炭基缓释氮肥的装置，主要由搅拌机、真空挤压机、第一烘干机、对辊挤压造粒机、第二烘干机、称量装袋机构成，并设有有机碳进料口、尿素溶液进料口、液压千斤顶、真空泵，搅拌机与真空挤压机的一侧连接，第一烘干机内设有第一传送带，第二烘干机内设有第二传送带。本发明装置设计合理，制作简单成本低。利用本发明装置对生物炭抽真空，为尿素进入生物炭孔隙提供足够的空间，经过抽真空‑挤压‑挤压造粒后，生物炭与尿素紧密结合，有将更多的尿素挤压到生物炭孔隙中，利于充分发挥生物炭的缓释性能，提高氮肥的利用效率，减少了氮肥随时造成的严重的水体污染。

Description

一种制备生物炭基缓释氮肥的装置及应用
技术领域
本发明属于植物营养和土壤科学研究领域，涉及生物炭制备和缓释肥料制备，尤其涉及一种制备生物炭基缓释氮肥的装置及应用。
背景技术
生物炭是指将生物质进行高温处理而得到的稳定多孔的物质，它不仅可以降低二氧化碳、甲烷等温室气体的排放，还可以吸附土壤中养分元素，避免养分流失。因此，生物炭农用是解决农田中大量秸秆的重要途径，也是保护生态环境、促进废弃资源合理利用的重要举措。生物炭具有多孔、容重小、比表面积大、吸水、吸气能力强,带负电荷多、具有高度的芳香化、物理的热稳定性和生物化学抗分解性等优点，是调节土壤环境的良好材质。其具有多孔的特性，及较强的吸附力，就可以作为肥料的载体，起到缓释速效肥料的目的。
在专利申请号为CN201510377534.0的专利中，公布了一种生物炭缓释氮肥，其采用生物炭和凹凸棒土等与氮肥混合制成包膜层，从而缓释位于核心层中的氮肥。在申请号为CN201410140025.1的发明专利中，公布了一种烟草专用生物炭基缓释复合肥及其制备方法，其以烟秆生物质炭、氮磷钾三元复合肥等为原料，经搅拌、烘干、造粒等工艺而制成。这些方法多采用简单搅拌制得缓释氮肥，难以发挥生物炭的潜在缓释能力。在专利申请号为CN201410811640.0的专利中，公布了一种生物炭基缓释氮肥及其制备方法，其对生物炭和氮肥进行粉碎处理，并将粉碎处理后的生物炭和氮肥混合均匀，加热至氮肥熔化，并在加压下使所述熔化的氮肥进入生物炭的多孔结构中，混合均匀后造粒即可得到生物炭基缓释氮肥。该方法有利于充分发挥生物炭的缓释能力，然而固体氮肥溶化后移动能力有限，很难进入生物炭孔隙内部，再者，生物炭空隙中存在压力平衡，简单挤压难以将氮肥挤压进生物炭的孔隙中。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种制备生物炭基缓释氮肥的装置，主要由搅拌机、真空挤压机、第一烘干机、对辊挤压造粒机、第二烘干机、称量装袋机构成，其中搅拌机上部装有有机碳进料口、尿素溶液进料口，搅拌机下部出料口与真空挤压机的一侧连接，并设有第一开关，液压千斤顶安装于真空挤压机内的上部，真空挤压机的另一侧与真空泵连接，真空挤压机下部出料口安装有第二开关，第一烘干机内设有第一传送带，第一传送带一端位于真空挤压机的出料口下部，第一传送带另一端位于对辊挤压造粒机上部，第二烘干机内设有第二传送带，第二传送带的一端位于对辊挤压造粒机下部，另一端位于称量装袋机上部。
其中：真空挤压机的下部出料口与第一传送带的一端对应。第一传送带另一端位于对辊挤压造粒机上部，与对辊挤压造粒机开口对应。对辊挤压造粒机下部与第二传送带的一端对应，第二传送带的另一端与称量装袋机开口对应。
本发明的另一个目的是提供所述装置在制备生物炭基缓释氮肥中的应用，通过以下方案实现：
(1)取1.5-3.0质量尿素溶解于1质量80℃的水中，充分搅拌混匀，之后按照生物炭质量：上述配置尿素溶液质量＝1：0.1-0.3的比例添加到搅拌机中，从有机碳进料口添加粉状生物炭、尿素溶液进料口添加上述配置尿素溶液，充分混匀；
(2)充分混匀后，打开第一开关，关闭第二开关，将混合物添加到真空挤压机中，关闭第一开关，打开真空泵，将真空挤压机内抽真空后关闭真空泵，打开液压千斤顶对尿素和生物炭进行挤压，挤压压力为0.2-0.35Mpa，挤压5-10min后，打开第二开关，将挤压后的尿素和生物炭混合物挤压到第一烘干机内的第一传送带上，第一烘干机位于真空挤压机的出料口下部一端烘干温度设为140-180℃，越靠近另一端温度越低，在位于对辊挤压造粒机上部一端吹自然凉风，以降低混合物中生物炭的温度，使尿素凝固，控制传送带速度及烘干温度，使得进入对辊挤压造粒机内的混合物含水量为1-6％，温度为25-35℃；
(3)进入对辊挤压造粒机内的混合物经挤压变为长0.3-1.0cm，厚度为0.2-0.5cm的条状生物炭基缓释氮肥，而后进入第二烘干机，第二烘干机位于对辊挤压造粒机下部一端烘干温度设为140-180℃，越靠近另一端温度越低，在位于称量装袋机上部一端吹自然凉风，以降低混合物中生物炭基缓释氮肥的温度，利于称量装袋，控制生物炭缓释氮肥的含水量为1％-3％。
控制搅拌机、真空挤压机内温度为70-90℃，此温度下尿素的溶解度高，更易进入生物炭孔隙内部。
本发明装置设计合理，制作简单成本低。利用本发明装置以液体尿素为氮源，首先对生物炭抽真空，为尿素进入生物炭孔隙提供足够的空间，再利用压力将液态尿素挤压到生物炭空隙中，采用烘干机降低生物炭与尿素混合物中水分后，之后采用对辊挤压造粒机进行造粒，再次将更多的尿素挤压到生物炭孔隙中。经过抽真空-挤压-挤压造粒后，生物炭与尿素紧密结合，有利于充分发挥生物炭的缓释性能，提高氮肥的利用效率，减少了氮肥随时造成的严重的水体污染。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图。
具体实施方式
本发明结合附图和实施例作进一步的说明。
实施例1
参见图1，制备生物炭基缓释氮肥的装置，主要由搅拌机2、真空挤压机4、第一烘干机5、对辊挤压造粒机6、第二烘干机7、称量装袋机14构成，其中搅拌机2上部装有有机碳进料口1、尿素溶液进料口9，搅拌机2下部出料口与真空挤压机4的一侧连接，并设有第一开关3，液压千斤顶10安装于真空挤压机4内的上部，真空挤压机4的另一侧与真空泵11连接，真空挤压机4下部出料口安装有第二开关12，第一烘干机5内设有第一传送带13，第一传送带13一端位于真空挤压机4的出料口下部，第一传送带13另一端位于对辊挤压造粒机6上部，第二烘干机7内设有第二传送带8，第二传送带8的一端位于对辊挤压造粒机6下部，另一端位于称量装袋机14上部。
其中：真空挤压机4的下部出料口与第一传送带13的一端对应。第一传送带13另一端位于对辊挤压造粒机6上部，与对辊挤压造粒机6开口对应。对辊挤压造粒机6下部与第二传送带8的一端对应，第二传送带8的另一端与称量装袋机14开口对应。
实施例2本发明装置在制备生物炭基缓释氮肥中的应用
(1)取1.5-3.0质量尿素溶解于1质量80℃的水中，充分搅拌混匀，之后按照生物炭质量：上述配置尿素溶液质量＝1：0.1-0.3的比例添加到搅拌机2，从有机碳进料口1添加粉状生物炭、从尿素溶液进料口9添加上述配置尿素溶液，充分混匀；
(2)充分混匀后，打开第一开关3，关闭第二开关12，将混合后的生物炭和尿素添加到真空挤压机4中，关闭第一开关3，打开真空泵11，将真空挤压机4内抽真空后关闭真空泵11，打开液压千斤顶10对尿素和生物炭进行挤压，挤压压力为0.2-0.35Mpa，挤压5-10min后，打开第二开关12，将挤压后的尿素和生物炭混合物挤压到第一烘干机5内的第一传送带13上，第一烘干机5位于真空挤压机4的出料口下部一端烘干温度设为140-180℃，越靠近另一端温度越低，在位于对辊挤压造粒机6上部一端吹自然凉风，以降低生物炭的温度，使尿素凝固，控制传送带速度及烘干温度，使得进入对辊挤压造粒机6内的混合物含水量为1-6％，温度为25-35℃；
(3)进入对辊挤压造粒机6内的混合物经挤压变为长0.3-1.0cm，厚度为0.2-0.5cm的条状生物炭基缓释氮肥，而后进入第二烘干机7，第二烘干机7位于对辊挤压造粒机6下部一端烘干温度设为140-180℃，越靠近另一端温度越低，在位于称量装袋机14上部一端吹自然凉风，以降低生物炭基缓释氮肥的温度，利于称量装袋，控制生物炭缓释氮肥的含水量为1％-3％。
使用时控制搅拌机2、真空挤压机4内温度为70-90℃。
实施例3
1)取3.0质量尿素溶解于1质量80℃的水中，充分搅拌混匀，之后按照生物炭质量：上述配置尿素溶液质量＝1：0.1的比例添加到搅拌机2，有机碳进料口1添加粉状生物炭、尿素溶液进料口2添加上述配置尿素溶液，充分混匀；
2)充分混匀后，打开第一开关3，关闭第二开关12，将混合后的生物炭和尿素添加到真空挤压机4中，关闭第一开关3，打开真空泵11，将真空挤压机4内抽真空后关闭真空泵11，打开液压千斤顶10对尿素和生物炭进行挤压，挤压压力为0.2Mpa，挤压5min后，打开第二开关12，将挤压后的尿素和生物炭混合物挤压到第一烘干机5内的第一传送带13上，第一烘干机5位于真空挤压机4的出料口下部一端烘干温度设为140℃，越靠近另一端温度越低，在位于对辊挤压造粒机6上部一端吹自然凉风，以降低生物炭的温度，使尿素凝固，控制传送带速度及烘干温度，使得进入对辊挤压造粒机6内的混合物含水量为2％，温度为25℃；
3)进入对辊挤压造粒机6内的混合物经挤压变为长0.5cm，厚度为0.3cm的条状生物炭基缓释氮肥，而后进入第二烘干机7，第二烘干机7位于对辊挤压造粒机6下部一端烘干温度设为180℃，越靠近另一端温度越低，在位于称量装袋机14上部一端吹自然凉风，以降低生物炭基缓释氮肥的温度，利于称量装袋，控制生物炭缓释氮肥的含水量为1％。
实施例4
1)取1.0质量尿素溶解于1质量80℃的水中，充分搅拌混匀，之后按照生物炭质量：上述配置尿素溶液质量＝1：0.1的比例添加到搅拌机2，有机碳进料口1添加粉状生物炭、尿素溶液进料口2添加上述配置尿素溶液，充分混匀；
2)充分混匀后，打开第一开关3，关闭第二开关12，将混合后的生物炭和尿素添加到真空挤压机4中，关闭第一开关3，打开真空泵11，将真空挤压机4内抽真空后关闭真空泵11，打开液压千斤顶10对尿素和生物炭进行挤压，挤压压力为0.2Mpa，挤压5min后，打开第二开关12，将挤压后的尿素和生物炭混合物挤压到第一烘干机5内的第一传送带13上，第一烘干机5位于真空挤压机4的出料口下部一端烘干温度设为140℃，越靠近另一端温度越低，在位于对辊挤压造粒机6上部一端吹自然凉风，以降低生物炭的温度，使尿素凝固，控制传送带速度及烘干温度，使得进入对辊挤压造粒机6内的混合物含水量为2％，温度为25℃；
3)进入对辊挤压造粒机6内的混合物经挤压变为长0.5cm，厚度为0.3cm的条状生物炭基缓释氮肥，而后进入第二烘干机7，第二烘干机7位于对辊挤压造粒机6下部一端烘干温度设为180℃，越靠近另一端温度越低，在位于称量装袋机14上部一端吹自然凉风，以降低生物炭基缓释氮肥的温度，利于称量装袋，控制生物炭缓释氮肥的含水量为1％。
实施例5
1)取3.0质量尿素溶解于1质量80℃的水中，充分搅拌混匀，之后按照生物炭质量：上述配置尿素溶液质量＝1：0.3的比例添加到搅拌机2，有机碳进料口1添加粉状生物炭、尿素溶液进料口2添加上述配置尿素溶液，充分混匀；
2)充分混匀后，打开第一开关3，关闭第二开关12，将混合后的生物炭和尿素添加到真空挤压机4中，关闭第一开关3，打开真空泵11，将真空挤压机4内抽真空后关闭真空泵11，打开液压千斤顶10对尿素和生物炭进行挤压，挤压压力为0.2Mpa，挤压5min后，打开第二开关12，将挤压后的尿素和生物炭混合物挤压到第一烘干机5内的第一传送带13上，第一烘干机5位于真空挤压机4的出料口下部一端烘干温度设为140℃，越靠近另一端温度越低，在位于对辊挤压造粒机6上部一端吹自然凉风，以降低生物炭的温度，使尿素凝固，控制传送带速度及烘干温度，使得进入对辊挤压造粒机6内的混合物含水量为2％，温度为25℃；
3)进入对辊挤压造粒机6内的混合物经挤压变为长0.5cm，厚度为0.3cm的条状生物炭基缓释氮肥，而后进入第二烘干机7，第二烘干机7位于对辊挤压造粒机6下部一端烘干温度设为180℃，越靠近另一端温度越低，在位于称量装袋机14上部一端吹自然凉风，以降低生物炭基缓释氮肥的温度，利于称量装袋，控制生物炭缓释氮肥的含水量为1％。
实施例6
1)取3.0质量尿素溶解于1质量80℃的水中，充分搅拌混匀，之后按照生物炭质量：上述配置尿素溶液质量＝1：0.3的比例添加到搅拌机2，有机碳进料口1添加粉状生物炭、尿素溶液进料口2添加上述配置尿素溶液，充分混匀；
2)充分混匀后，打开第一开关3，关闭第二开关12，将混合后的生物炭和尿素添加到真空挤压机4中，关闭第一开关3，打开真空泵11，将真空挤压机4内抽真空后关闭真空泵11，打开液压千斤顶10对尿素和生物炭进行挤压，挤压压力为0.3Mpa，挤压5min后，打开第二开关12，将挤压后的尿素和生物炭混合物挤压到第一烘干机5内的第一传送带13上，第一烘干机5位于真空挤压机4的出料口下部一端烘干温度设为140℃，越靠近另一端温度越低，在位于对辊挤压造粒机6上部一端吹自然凉风，以降低生物炭的温度，使尿素凝固，控制传送带速度及烘干温度，使得进入对辊挤压造粒机6内的混合物含水量为2％，温度为25℃；
3)进入对辊挤压造粒机6内的混合物经挤压变为长0.5cm，厚度为0.3cm的条状生物炭基缓释氮肥，而后进入第二烘干机7，第二烘干机7位于对辊挤压造粒机6下部一端烘干温度设为180℃，越靠近另一端温度越低，在位于称量装袋机14上部一端吹自然凉风，以降低生物炭基缓释氮肥的温度，利于称量装袋，控制生物炭缓释氮肥的含水量为1％。
实施例7
1)取3.0质量尿素溶解于1质量80℃的水中，充分搅拌混匀，之后按照生物炭质量：上述配置尿素溶液质量＝1：0.3的比例添加到搅拌机2，有机碳进料口1添加粉状生物炭、尿素溶液进料口2添加上述配置尿素溶液，充分混匀；
2)充分混匀后，打开第一开关3，关闭第二开关12，将混合后的生物炭和尿素添加到真空挤压机4中，关闭第一开关3，打开真空泵11，将真空挤压机4内抽真空后关闭真空泵11，打开液压千斤顶10对尿素和生物炭进行挤压，挤压压力为0.3Mpa，挤压5min后，打开第二开关12，将挤压后的尿素和生物炭混合物挤压到第一烘干机5内的第一传送带13上，第一烘干机5位于真空挤压机4的出料口下部一端烘干温度设为140℃，越靠近另一端温度越低，在位于对辊挤压造粒机6上部一端吹自然凉风，以降低生物炭的温度，使尿素凝固，控制传送带速度及烘干温度，使得进入对辊挤压造粒机6内的混合物含水量为2％，温度为25℃；
3)进入对辊挤压造粒机6内的混合物经挤压变为长0.3cm，厚度为0.2cm的条状生物炭基缓释氮肥，而后进入第二烘干机7，第二烘干机7位于对辊挤压造粒机6下部一端烘干温度设为180℃，越靠近另一端温度越低，在位于称量装袋机14上部一端吹自然凉风，以降低生物炭基缓释氮肥的温度，利于称量装袋，控制生物炭缓释氮肥的含水量为1％。
空白例1
取与上述实施例相同的生物炭原料1kg，取20g尿素粉碎过2mm筛，将两者混合后，采用搅拌机充分混匀，采用对辊挤压造粒机挤压为长0.5cm，厚度为0.3cm的条状普通生物炭基缓释氮肥。
空白例与上述实施例3-7制备的缓释氮肥比较：取200g均匀的添加到2kg已风干后过2mm筛的土壤中，采用专利申请号为201610099794.0公布的一种渗滤液有机氮分级装置研究渗滤液中的氮素含量，以1、5、15、30天为采样时间，测定土壤渗滤液中的氮素含量，以所制得生物炭基缓释肥在控制肥料氮素流失的能力来表征生物炭基缓释氮肥的缓释能力，参见表1。
表1：不同处理条件下缓释氮肥的氮素流失量
从表1可以看出，采用该装置及方法制得的缓释氮肥的氮素缓释效果明显好于空白例1的缓释氮肥，其氮素流失量在所有取样的时期内均显著低于传统方法制得的缓释氮肥。在所有缓释氮肥中，最初的氮流失量最大，是因为吸附于表面的氮素最先流失，而后氮素流失速度明显减慢。实施例3较之实施例2，其尿素的添加量相对较低，其缓释氮肥中氮素较低导致其氮素流失量最低。实施例4较之实施例2，生物炭与尿素的比例降低，其氮素流失量明显较高。实施例5较之实施例2，其采用挤压的压力较大，氮素更多的进入生物炭内部，导致其氮素流失量较低。实施例6较之实施例2其生物炭缓释氮肥体积较小，导致其与土壤的接触面大，氮素流失量有少量提高。从以上分析可以看出，增加尿素比例、降低生物炭基缓释肥体积会降低生物炭的缓释性能，而增加挤压强度则可以略微提高肥料的缓释性能。缓控释肥的使用，应因地制宜，根据土壤、作物、环境等因素调整缓释生物炭氮肥的制作方法。

Claims (8)

1.一种制备生物炭基缓释氮肥的装置，其特征在于，主要由搅拌机(2)、真空挤压机(4)、第一烘干机(5)、对辊挤压造粒机(6)、第二烘干机(7)、称量装袋机(14)构成，其中搅拌机(2)上部装有有机碳进料口(1)和尿素溶液进料口(9)，搅拌机(2)下部的出料口与真空挤压机(4)的一侧连接，并设有第一开关(3)，液压千斤顶(10)安装于真空挤压机(4)内的上部，真空挤压机(4)的另一侧与真空泵(11)连接，真空挤压机(4)下部出料口安装有第二开关(12)，第一烘干机(5)内设有第一传送带(13)，第一传送带(13)一端位于真空挤压机(4)的出料口下部，第一传送带(13)另一端位于对辊挤压造粒机(6)上部，第二烘干机(7)内设有第二传送带(8)，第二传送带(8)的一端位于对辊挤压造粒机(6)下部，另一端位于称量装袋机(14)上部。
2.根据权利要求1所述的一种制备生物炭基缓释氮肥的装置，其特征在于，真空挤压机(4)的下部出料口与第一传送带(13)的一端对应，第一传送带(13)另一端位于对辊挤压造粒机(6)上部，与对辊挤压造粒机(6)开口对应。
3.根据权利要求1所述的一种制备生物炭基缓释氮肥的装置，其特征在于，对辊挤压造粒机(6)下部与第二传送带(8)的一端对应，第二传送带(8)的另一端与称量装袋机(14)开口对应。
4.权利要求1所述装置在制备生物炭基缓释氮肥中的应用，其特征在于，通过以下步骤实现：
(1)取1.5-3.0质量尿素溶解于1质量80℃的水中，充分搅拌混匀，之后按照生物炭质量：上述配置尿素溶液质量＝1：0.1-0.3的比例添加到搅拌机(2)中，从有机碳进料口(1)添加粉状生物炭，从尿素溶液进料口(9)添加上述配置尿素溶液，充分混匀；
(2)充分混匀后，打开第一开关(3)，关闭第二开关(12)，将混合物添加到真空挤压机(4)中，关闭第一开关(3)，打开真空泵(11)，将真空挤压机(4)内抽真空后关闭真空泵(11)，打开液压千斤顶(10)对尿素和生物炭进行挤压，挤压5-10min后，打开第二开关(12)，将挤压后的混合物再挤压到第一烘干机(5)内的第一传送带(13)上，在位于对辊挤压造粒机(6)上部一端吹自然凉风，以降低混合物中生物炭的温度，使尿素凝固，控制传送带速度及烘干温度，使得进入对辊挤压造粒机(6)内的混合物含水量为1-6％，温度为25-35℃；
(3)进入对辊挤压造粒机(6)内的混合物经挤压变为长0.3-1.0cm，厚度为0.2-0.5cm的条状生物炭基缓释氮肥，而后进入第二烘干机(7)，在位于称量装袋机(14)上部一端吹自然凉风，以降低混合物中生物炭基缓释氮肥的温度，利于称量装袋，控制生物炭缓释氮肥的含水量为1％-3％。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，控制搅拌机(2)、真空挤压机(4)内温度为70-90℃。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，步骤(2)中打开液压千斤顶(10)对尿素和生物炭进行挤压的压力为0.2-0.35Mpa。
7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，步骤(2)中第一烘干机(5)位于真空挤压机(4)的出料口下部一端烘干温度设为140-180℃，越靠近另一端温度越低。
8.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，步骤(3)中第二烘干机(7)位于对辊挤压造粒机(6)下部一端烘干温度设为140-180℃，越靠近另一端温度越低。
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