CN109721442A - 一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农业资源化技术领域，涉及一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统及方法，其中，系统主要包括：蓄热式辐射管旋转床热解炉、油气分离系统、油水分离系统、熄焦系统、破碎混匀装置和挤压造粒系统，其中，所述油气分离系统，与所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的高温油气出口连接；所述油水分离系统，与所述油气分离系统的油水出口连接；所述熄焦系统分别与所述蓄热式辐射管旋转床热解炉和所述油水分离系统的木醋液出口相连；所述破碎混匀装置与所述熄焦系统的出料口相连；所述挤压造粒系统与所述破碎混匀装置相连，用于将所述破碎混匀装置排出的物质进行挤压造粒处理，得到炭基肥。本发明提高了化学肥料的利用效率。
Description
技术领域
本发明属于农业资源化技术领域，涉及一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统及方法。
背景技术
目前，用于农业的肥料中主要分为化肥和有机肥，但是随着生活水平的提高，对农作物的耕作也越来越简单化，越来越机械化，由于化肥是采用化学和物理方法人工制成的含有一种或几种农作物生长需要的营养元素的肥料，长期使用容易导致土壤结构被破坏、生产潜力降低、金属和有毒元素有所增加、微生物活性降低、物质难以转化及降解、养分失调、硝酸盐累积、酸化加剧、pH变化太大等问题。而有机肥中，多为农家肥，虽然具有许多优点，却存在不便运输和施肥等缺陷。目前，农业已进入现代化时期，发展现代农业必须用现代的农资产品来装备现代农业。我国是农业大国，增施肥料是保证粮食增产、农产品质量安全的一项重要的环节。目前市场上的传统化学肥料所含营养元素较少，不能完全满足作物生长的需要，而且价格较高，增产效果不明显，此外还存在肥料利用率低、施加量过多等问题。
生物炭是生物残体在缺氧或低氧条件下，经高温热解产生的稳定的、高度芳香化的物质，主要由碳、氢、氧等元素组成，其中含碳量高达80%以上；从微观结构上来说，生物炭多由紧密堆积、高度扭曲的芳香环片层组成，孔结构发达，具有较大的比表面积，表面富含羧基、酚羟基、羰基、内酯基、酸酐等官能团，具有很好的吸附性能。同时生物炭的制备原料非常广泛，成本较低，有利于实现固体废弃物的资源化利用。研究表明生物炭施入土壤后可提高作物对土壤养分的吸收能力和土壤肥力，改善土壤有效养分的供应，达到增加作物产量和生物量的效果。此外，若生物炭与其他肥料配合施用，作物的产量提高将会更加明显，还能有效减少化肥需用量。在生物炭生产的过程中，还会副产大量的生物油和可燃气类的能源产品。近年来，生物质热裂解来制备生物质燃料技术得到了迅猛地发展，该方法能够将生物质高效转化为易储存、能量密度高的生物油、可燃气(发电)以及生物炭。但现有技术中涉及到的生物炭基肥料联产，仅仅是生物炭的生产，没有对生物炭进行二次加工成真正可以使用的农用肥料，且生产过程中能源利用率低。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统及方法，将农林生物质中的能量进行回收，热解产生的生物油作为化工产品或燃料，进行燃气发电；将热解产生的生物炭与化肥进行结合生产炭基有机无机复混肥料（炭基肥），既实现了农林生物质的秸秆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。
为至少解决上述技术问题之一，本发明采取的技术方案为：
本发明提出了一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统，包括蓄热式辐射管旋转床热解炉、油气分离系统、油水分离系统、熄焦系统、破碎混匀装置和挤压造粒系统，其中，所述蓄热式辐射管旋转床热解炉，用于对生物质进行热解处理，得到高温油气和热解炭；所述油气分离系统，与所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的高温油气出口连接，用于将高温油气进行分离处理，得到热解气和油水；所述油水分离系统，与所述油气分离系统的油水出口连接，用于将所述油水进行分离，得到木醋液和生物油；所述熄焦系统，其进料口与所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的出料口相连，其喷淋水入口与所述油水分离系统的木醋液出口相连，用于以木醋液作为喷淋水将热解炭进行喷淋熄焦降温，得到生物炭；所述破碎混匀装置，其进料口与所述熄焦系统的出料口相连，用于将生物炭与化学肥料颗粒一起进行破碎、混匀处理；所述挤压造粒系统，其进料口与所述破碎混匀装置的出料口相连，用于将所述破碎混匀装置排出的物质进行挤压造粒处理，得到炭基肥。
进一步的，所述蓄热式辐射管旋转床热解炉沿旋转床炉底旋转方向依次分为干燥区、热解区。
进一步的，所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的高温油气出口设置在所述热解区的炉顶位置；所述干燥区的温度设为100-200℃，所述热解区的温度设为400℃-700℃。
进一步的，还包括双螺旋出料机，设置在所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的出料处。
进一步的，还包括破碎装置，与所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的进料口连接，用于将农林生物质进行破碎处理。
进一步的，还包括内燃机发电系统，与所述油气分离系统的热解气出口连接，用于将热解气进行发电。
在本发明的另一方面，提出了一种利用前面所述的系统进行生产的方法，包括以下步骤：
（1）热解处理：将农林生物质送入蓄热式辐射管旋转床热解炉内，进行热解处理，得到高温油气和热解炭；
（2）分离处理：将所述高温油气依次通入油气分离系统进行油气分离、油水分离系统进行油水分离，得到热解气、生物油和木醋液；
（3）熄焦处理：将所述热解炭送入熄焦系统，以步骤（2）中的所述木醋液作为喷淋水，进行喷淋熄焦降温，得到生物炭；
（4）破碎混匀处理：将所述生物炭进行破碎处理后，与化学肥料颗粒进行混匀处理，得到混匀后的造粒材料；
（8）挤压造粒处理：将所述造粒材料进行挤压造粒，得到炭基肥。
进一步的，步骤（1）中，物料进行预处理：所述物料经破碎装置进行破碎至4-5cm。
进一步的，步骤（2）中，分离处理的具体工作过程：所述高温油气通入油气分离系统进行分离处理，得到热解气和油水混合物；所述热解气通入到所述内燃机发电系统进行发电，所述油水混合物进入所述油水混合系统进行油水分离，得到生物油和木醋液，所述木醋液通入到熄焦系统作为喷淋水对热解炭进行喷淋熄焦降温，得到生物炭。
进一步的，步骤（4）中，破碎混匀处理的具体工作过程：将生物炭破碎至80目以下，并添加80目以下的化学肥料颗粒，混合均匀。
进一步的，步骤（4）中，所述生物炭与所述化学肥料颗粒的重量比为2-6:8-4。
本发明至少包括以下有益效果：
1）将农林生物质中的能量进行回收，热解产生的生物油作为化工产品或燃料进行出售，从而作为燃气进行发电；
2）将热解产生的生物炭与化肥进行结合生产炭基有机无机复混肥料（炭基肥），既实现了农林生物质的秸秆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）本发明采用无热载体蓄热式旋转床热解炉，热效率高，达到86%以上；所述热解炉内高温绝氧环境，热解挥发气与高温烟气隔绝，减少混合二次污染；此外，在热解过程中，物料相对料床静止，不受压，不翻动，辐射管内流体与反应炉膛完全隔离，避免了产生飞灰的问题。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
图2为本发明系统工艺流程图。
其中，破碎装置1，蓄热式辐射管旋转床热解炉2，油气分离系统3，油水分离系统4，熄焦系统5，破碎混匀装置6，挤压造粒系统7，内燃机发电系统8。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。
根据本发明的实施例，图1为本发明系统结构示意图，参照图1所示，本发明所述利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统，包括：破碎装置1、蓄热式辐射管旋转床热解炉2、油气分离系统3、油水分离系统4、熄焦系统5、破碎混匀装置6、挤压造粒系统7和内燃机发电系统8。
根据本发明的实施例，图2为本发明系统工艺流程图，参照图1和2所示，本发明所述破碎装置，用于将农林生物质原料进行破碎处理后通入所述蓄热式辐射管旋转床热解炉，具体的破碎粒度根据实际要求进行设定。
根据本发明的实施例，参照图1和2所示，本发明所述蓄热式辐射管旋转床热解炉包括：进料口、高温油气出口和出料口，其中，所述高温油气出口设置在所述热解区的炉顶位置，所述热解炉的进料口与所述破碎装置相连，用于对破碎后的生物质进行热解处理，将热解得到的高温油气通入所述油气分离系统，将热解得到的热解炭通入所述熄焦系统。
根据本发明的一些实施例，本发明所述蓄热式辐射管旋转床热解炉根据不同温度沿旋转床炉底旋转方向依次分为温度设为100-200℃的干燥区和温度设为400℃-700℃的热解区；在所述热解炉的出料口处设有双螺旋出料机，进行出料。
根据本发明的实施例，参照图1和2所示，本发明所述油气分离系统包括：高温油气进口、油水出口和热解气出口，其中，所述高温油气进口与所述热解炉的高温油气出口相连，用于将高温油气进行分离处理，得到的热解气通入所述内燃机发电系统，得到的油水通入所述油水分离系统。
根据本发明的实施例，参照图1和2所示，本发明所述油水分离系统包括：油水进口、木醋液出口和生物油出口，其中，所述油水进口与所述油气分离系统的油水出口相连，用于将所述油水进行分离，得到的木醋液通入所述熄焦系统，得到的生物油作为化工产品或燃料进行收集出售，燃气发电。
根据本发明的实施例，参照图1和2所示，本发明所述熄焦系统包括：进料口、喷淋水入口和出料口，其中，所述熄焦系统的进料口与所述热解炉的出料口相连，所述喷淋水入口与所述油水分离系统的木醋液出口相连，以木醋液作为喷淋水将热解炭进行喷淋熄焦降温，得到生物炭。
根据本发明的一些实施例，本发明所述木醋液还可调节生物炭的pH值。
根据本发明的实施例，参照图1和2所示，本发明所述破碎混匀装置包括：进料口和出料口，其中，所述破碎混匀装置的进料口与所述熄焦系统的出料口相连，用于将生物炭与添加的化学肥料颗粒一起进行破碎、混匀处理。
根据本发明的实施例，参照图1和2所示，本发明所述挤压造粒系统的进料口与所述破碎混匀装置的出料口相连，用于将所述破碎混匀装置排出的造粒材料进行挤压造粒处理，得到炭基有机无机复混肥料，即炭基肥。
根据本发明的实施例，参照图1和2所示，本发明所述内燃机发电系统与所述油气分离系统的热解气出口连接，用于将热解气进行发电。
在本发明的另一方面，提出了一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统进行生产的方法，具体包括以下步骤。
（1）破碎处理：将所述农林生物质物料经破碎装置进行破碎至4-5cm。
（2） 热解处理：将破碎后的农林生物质送入蓄热式辐射管旋转床热解炉内，进行热解处理，热解温度为400-700℃，热解时间为30-60min，得到高温油气和热解炭。
（3） 油气分离处理：将所述高温油气通入油气分离系统进行油气分离，得到热解气和油水混合物。
（4）油水分离处理：所述油水混合物进入所述油水混合系统进行油水分离，得到生物油和木醋液。
（5）熄焦处理：将所述热解炭送入熄焦系统，以步骤（4）中的所述木醋液作为喷淋水，进行喷淋熄焦降温，得到生物炭。
（6）破碎混匀处理：将所述生物炭进行破碎至80目以下，与添加的80目以下的化学肥料颗粒进行混匀5-10min，其中，其中，生物炭与化学肥料颗粒的重量比为2-6:8-4，得到混匀后的造粒材料。
（7）挤压造粒处理：将所述造粒材料进行挤压造粒，得到粒径为3-5mm的炭基有机无机复混肥料，即炭基肥。
（8）内燃机发电：所述步骤（3）得到的热解气通入到所述内燃机发电系统进行发电。
实施例1：本发明的农林生物质原料选取小麦秸秆，其含水率为23.5%，本发明所述的一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的生产方法，具体包括以下步骤。
（1）破碎处理：将所述小麦秸秆经破碎装置进行破碎至4-5cm。
（2） 热解处理：将破碎后的小麦秸秆送入蓄热式辐射管旋转床热解炉内，进行热解处理，热解温度为450℃，热解时间为45min，得到高温油气和热解炭。
（3） 油气分离处理：将所述高温油气经输送管通入油气分离系统进行油气分离，得到热解气和油水混合物。
（4）油水分离处理：所述油水混合物进入所述油水混合系统进行油水分离，得到生物油和木醋液。
（5）熄焦处理：将所述热解炭送入熄焦系统，以步骤（4）中的所述木醋液作为喷淋水，进行喷淋熄焦降温，得到生物炭，并降低了生物炭的pH值。
（6）破碎混匀处理：将所述生物炭进行破碎至80目以下，与添加的80目以下的化学肥料颗粒进行混匀5-10min，其中，其中，生物炭与化学肥料颗粒的重量比为5:5，得到混匀后的造粒材料。
（7）挤压造粒处理：将所述造粒材料进行挤压造粒，得到粒径为3-5mm的炭基有机无机复混肥料，即炭基肥。
（8）内燃机发电：所述步骤（3）得到的热解气通入到所述内燃机发电系统中的内燃机燃烧做功，进行发电，产生的电能可供挤压造粒系统用。
发明人发现，根据本发明所述的利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统及方法，将农林生物质中的能量进行回收，热解产生的生物油作为化工产品或燃料进行出售，从而作为燃气进行发电；将热解产生的生物炭与化肥进行结合生产炭基有机无机复混肥料（炭基肥），既实现了农林生物质的秸秆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。
在本发明中，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发明中的具体含义。
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发明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发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明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。
Claims (10)
1.一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统，其特征在于，包括蓄热式辐射管旋转床热解炉、油气分离系统、油水分离系统、熄焦系统、破碎混匀装置和挤压造粒系统，其中，
所述蓄热式辐射管旋转床热解炉，用于对生物质进行热解处理，得到高温油气和热解炭；
所述油气分离系统，与所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的高温油气出口连接，用于将高温油气进行分离处理，得到热解气和油水；
所述油水分离系统，与所述油气分离系统的油水出口连接，用于将所述油水进行分离，得到木醋液和生物油；
所述熄焦系统，其进料口与所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的出料口相连，其喷淋水入口与所述油水分离系统的木醋液出口相连，用于以木醋液作为喷淋水将热解炭进行喷淋熄焦降温，得到生物炭；
所述破碎混匀装置，其进料口与所述熄焦系统的出料口相连，用于将生物炭与化学肥料颗粒一起进行破碎、混匀处理；
所述挤压造粒系统，其进料口与所述破碎混匀装置的出料口相连，用于将所述破碎混匀装置排出的物质进行挤压造粒处理，得到炭基肥。
2.如权利要求1所述的一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统，其特征在于，所述蓄热式辐射管旋转床热解炉沿旋转床炉底旋转方向依次分为干燥区、热解区。
3.如权利要求2所述的一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统，其特征在于，所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的高温油气出口设置在所述热解区的炉顶位置；所述干燥区的温度设为100-200℃，所述热解区的温度设为400℃-700℃。
4.如权利要求1所述的一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统，其特征在于，还包括双螺旋出料机，设置在所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的出料处。
5.如权利要求1所述的一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统，其特征在于，还包括破碎装置，与所述蓄热式辐射管旋转床热解炉的进料口连接，用于将农林生物质进行破碎处理。
6.如权利要求1所述的一种利用农林生物质多联产制备油、气和炭基肥的系统，其特征在于，还包括内燃机发电系统，与所述油气分离系统的热解气出口连接，用于将热解气进行发电。
7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的系统进行生产的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）热解处理：将农林生物质送入蓄热式辐射管旋转床热解炉内，进行热解处理，得到高温油气和热解炭；
（2）分离处理：将所述高温油气依次通入油气分离系统进行油气分离、油水分离系统进行油水分离，得到热解气、生物油和木醋液；
（3）熄焦处理：将所述热解炭送入熄焦系统，以步骤（2）中的所述木醋液作为喷淋水，进行喷淋熄焦降温，得到生物炭；
（4）破碎混匀处理：将所述生物炭进行破碎处理后，与化学肥料颗粒进行混匀处理，得到混匀后的造粒材料；
（8）挤压造粒处理：将所述造粒材料进行挤压造粒，得到炭基肥。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，物料进行预处理：所述物料经破碎装置进行破碎至4-5cm。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，分离处理的具体工作过程：所述高温油气通入油气分离系统进行分离处理，得到热解气和油水混合物；所述热解气通入到所述内燃机发电系统进行发电，所述油水混合物进入所述油水混合系统进行油水分离，得到生物油和木醋液，所述木醋液通入到熄焦系统作为喷淋水对热解炭进行喷淋熄焦降温，得到生物炭。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述生物炭与所述化学肥料颗粒的重量比为2-6:8-4。
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