一种基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统的制作方法

本发明涉及生物炭制备技术领域，特别是涉及一种基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统。

背景技术：

生物炭是生物质在绝氧或缺氧环境下，经过高温热裂解后产生的一类高度芳香化难溶性固体产物，目前所用生物质可为稻壳炭、秸秆炭、竹炭、木炭和动物粪等废弃物。土壤中施用生物质炭可降低土壤容重，提高土壤ph值，提高土壤团聚性和土壤持水能力。另外，由于生物炭特殊的孔隙结构、较大的比表面积和化学官能团，生物炭可以吸附和固定肥料养分，延缓肥料在土壤中的释放和降低养分淋失。此外，生物炭还可作为一种天然的氮素肥料缓释剂在农业生产中发挥巨大作用。因此生物炭在农业发展中具有重要作用。

目前，生物炭制备有多种方法，但现有生物炭制备技术仍然存在如下问题：

(1)多使用碳化炉对物料进行高温热裂解制粒后直接排出，由于制备成的生物炭温度较高，直接排出后接触空气可能会导致生物炭复燃，破坏生物炭，导致其成品率降低，影响后期肥效；

(2)目前的碳化设备常常会因为受热不均匀、排出空气不充分、反应物堆积过于密集等原因使得炭化不充分，不利于固碳；

(3)传统的碳化设备成本较高，很难控制温度，排放的废气较多且难以处理，容易造成环境污染，难以推广应用。

(4)生物炭可作为一种天然的氮素肥料缓释剂在农业生产中发挥巨大作用，但是目前主要是将生物炭与基础肥料混合施入土壤中，生物质炭属于脆性且材料的粘结性不高，采用现有的生物炭基肥生产工艺存在生物炭基肥成型困难、成型颗粒松散且强度低、返料率高等问题，严重限制了炭基肥的粒径以及炭基肥的运输、储存和产业化生产。

综上所述，如何提出一种集尾气处理、生物炭基肥成型、节能环保及高效炭化功能于一体的生物炭制备系统，是本发明亟待解决的一个问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统，以解决上述现有技术存在的问题，该基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统不仅实现了对稻壳炭、秸秆炭、竹炭、木炭、动物粪等废弃物的利用，而且集尾气处理、生物炭基肥制备成型、节能环保及高效炭化功能于一体，低能高效，实用性强。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统，主要包括炭化炉、安装有燃烧机的燃烧室、烟气处理装置、生物炭冷却装置和生物炭基肥制造装置；所述燃烧机用于对所述炭化炉加热，以使物料在高温作用下炭化形成生物炭，物料为稻壳炭、秸秆炭、竹炭、木炭或动物粪等废弃物中的一种或多种；所述炭化炉的排气口通过燃气引风机与所述燃烧室的入口连接，所述燃气引风机用于将所述炭化炉内产生的可燃排放气体输送至所述燃烧室内，以通过燃烧反应去除所述可燃排放气体；所述烟气处理装置包括烟气喷淋塔，所述烟气喷淋塔的底部通过烟气管道与所述燃烧室的排气口连接，所述烟气喷淋塔用于将燃烧反应产生的高温烟气降温后排放；所述炭化炉的一端设置进料口、另一端设置出料口，所述生物炭冷却装置包括水冷外壳和设置于所述水冷外壳内的输送绞龙，所述水冷外壳设置有夹层，所述夹层内用于放置冷却水，所述夹层上设置有冷却水入口和冷却水出口，且所述冷却水入口和所述冷却水出口分别通过管道与所述烟气喷淋塔的排水口和喷淋装置入水口连接，所述排水口设置于所述烟气喷淋塔的底部，所述喷淋装置安装于所述烟气喷淋塔内的顶部，所述水冷外壳一端与所述出料口连接，另一端与所述生物炭基肥制造装置连接，所述生物炭基肥制造装置能够利用无机肥和所述生物炭制备形成生物炭基肥。

可选的，所述生物炭基肥制造装置包括第一破碎机、第二破碎机、混料装置、一级成型装置和二级成型装置，所述第一破碎机的一端与无机肥存储箱连接、另一端与所述混料装置连接，所述第二破碎机的一端与所述水冷外壳连接、另一端与所述混料装置连接，所述混料装置的出口依次连接所述一级成型装置和所述二级成型装置，所述一级成型装置上连接有第一粘合剂输送装置，所述一级成型装置用于将第一粘合剂、生物炭粉末和无机肥粉末混合成型为基肥母球，所述第二破碎机的出口还与所述二级成型装置连接，所述二级成型装置上连接有第二粘合剂输送装置，所述二级成型装置用于使所述基肥母球的外表均匀粘附生物炭粉末。

可选的，所述夹层的冷却水入口处并联有一循环水箱。

可选的，所述喷淋装置为花洒结构，且所述烟气喷淋塔的顶部至少均布有两个所述花洒结构。

可选的，所述烟气喷淋塔与所述燃烧室之间通过烟气风管，所述烟气风管上设置有烟气引风机。

可选的，所述炭化炉的排气口通过保温风管与所述燃烧室的入口连接，所述燃气引风机安装于所述保温风管上。

可选的，所述水冷外壳与所述烟气喷淋塔之间的连接管路上设置有循环水泵和电磁阀。

可选的，所述烟气处理装置与所述燃烧室之间还设置有换热系统，所述换热系统包括换热箱和设置于所述换热箱内的取暖管道，高温烟气经过所述换热箱内部时，能够与所述取暖管道内的冷却水进行热传递；所述取暖管道与取暖用户端连接。

可选的，所述炭化炉为圆柱状炭化炉，所述圆柱状炭化炉内侧设置有物料搅拌绞龙，且所述物料搅拌绞龙的绞龙叶片内部均布加热丝；所述出料口处设置有电动料门。

可选的，系统还包括电控器，所述加热丝、所述电动料门、所述物料搅拌绞龙、所述输送绞龙、所述烟气处理装置、和所述生物炭基肥制造装置均与所述电控器电性连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统，结构设置合理，通过将生物炭制备过程中产生的可燃废气输送至燃烧室中，既去除了焦油等污染排放物，有效地控制了废气的排放，避免对环境造成的污染，同时在节省燃料的基础上，确保了炭化炉中持续的高温燃烧，不仅提高了炭化炉内生物炭的炭化效率，而且实现了炭化热能的循环利用，节能环保；本发明通过在炭化炉的出料口设置生物炭冷却装置，可以及时将生成的生物炭排出炭化炉，并对生成的生物炭进行有效的降温冷却，使生物炭降温后再排出，有利于实现生物炭的连续制备，降低了生产效率；同时生物炭冷却装置内夹层冷却水与烟气喷淋塔内喷淋水形成水循环，水管道的长度足够长，以使得被烟气或生物炭升温后的冷却水，在到达另一方时已经降温，不影响下一环节对冷却水的正常使用，既节省了资源，有提高了整个炭化系统的集成程度；烟气喷淋塔的设置有效地减少了污染气体的排放；本发明通过在物料搅拌绞龙中设置加热丝，既能够搅拌物料，又能够与燃烧机的加热形成内外双层加热结构，提高炭化均匀度和炭化效率；最后本发明还在生物炭冷却装置后设置了生物炭基肥制造装置，能够利用无机肥和生物炭制备形成生物炭基肥，实现生物炭制备和应用的一体化，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统的结构示意图；

图2为本发明基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统中炭化炉及生物炭冷却装置的安装结构示意图；

其中，附图标记为：100-基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统；1-炭化炉；2-燃烧机；3-燃烧室；4-烟气喷淋塔；5-生物炭冷却装置；6-生物炭基肥制造装置；7-燃气引风机；8-进料口；9-出料口；10-水冷外壳；11-输送绞龙；12-夹层；13-冷却水入口；14-冷却水出口；15-排水口；16-喷淋装置入水口；17-喷淋装置；18-第一破碎机；19-第二破碎机；20-混料装置；21-一级成型装置；22-二级成型装置；23-无机肥存储箱；24-第一粘合剂输送装置；25-第二粘合剂输送装置；26-烟气风管；27-烟气引风机；28-保温风管；29-换热系统；30-换热箱；31-取暖管道；32-物料搅拌绞龙；33-电动料门；34-电控器；35-生物炭存储箱；36-水净化装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统，以解决上述现有技术存在的问题，该基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统集尾气处理、生物炭基肥成型、节能环保及高效炭化功能于一体，低能高效，实用性强。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-2所示，本实施例提供一种基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统100，主要包括炭化炉1、安装有燃烧机2的燃烧室3、烟气处理装置、生物炭冷却装置5和生物炭基肥制造装置6；燃烧机2用于对炭化炉1加热，以使物料在高温作用下炭化形成生物炭；炭化炉1的排气口通过燃气引风机7与燃烧室33的入口连接，燃气引风机7用于将炭化炉1内产生的可燃排放气体输送至燃烧室3内，以通过燃烧反应去除可燃排放气体；烟气处理装置包括烟气喷淋塔4，烟气喷淋塔4的底部通过烟气管道26与燃烧室3的排气口连接，烟气喷淋塔4用于将燃烧反应产生的高温烟气降温后排放；炭化炉1的一端设置进料口8、另一端设置出料口9，生物炭冷却装置5包括水冷外壳10和设置于水冷外壳10内的输送绞龙11，水冷外壳10的侧壁设置有夹层12，夹层12内用于放置冷却水，夹层12上设置有冷却水入口13和冷却水出口14，且冷却水入口13和冷却水出口14分别通过水管道与烟气喷淋塔4的排水口15和喷淋装置入水口16连接，形成冷却水的循环利用；排水口15设置于烟气喷淋塔4的底部，喷淋装置17安装于烟气喷淋塔4内的顶部，水冷外壳10的一端与出料口9连接，另一端与生物炭基肥制造装置6连接，生物炭基肥制造装置6能够利用无机肥和生物炭制备形成生物炭基肥。

本实施例中，通过燃烧机2对炭化炉1进行加热，从而使生物质物料在高温的作用下炭化成所需的生物炭。燃烧室3能使传热更加集中且均匀，提高传热效率，保证成品的质量。当加热温度达到一定时，炭化炉1内的生物质物料由于发生炭化反应，会产生一定量的包括甲烷、一氧化碳等在内的可燃气体，同时伴有焦油的产生。为了防止对环境造成污染，通过燃气引风机7将炭化炉1中的可燃排放气体输送进入燃烧室3中，通过燃烧反应去除这些可燃气体，既节省了部分加热时所需的燃料，又使炭化炉1中的温度能保持在较高的温度区间。同时，高温可使焦油在炭化炉1中燃烧，达到了去除焦油的目的。

本实施例中，如图1所示，生物炭基肥制造装置6包括第一破碎机18、第二破碎机19、混料装置20、一级成型装置21和二级成型装置22，第一破碎机18的一端与无机肥存储箱23连接、另一端与混料装置20连接，第二破碎机19的一端与连接在水冷外壳10的出口端的生物炭存储箱35连接、另一端与混料装置20连接，混料装置20的出口依次连接一级成型装置21和二级成型装置22，一级成型装置21上连接有第一粘合剂输送装置24，一级成型装置21用于将第一粘合剂输送装置24内的第一粘合剂、生物炭粉末和无机肥粉末混合成型为基肥母球，第二破碎机19的出口还与二级成型装置22连接，二级成型装置22上连接有第二粘合剂输送装置25，二级成型装置22用于使基肥母球的外表均匀粘附生物炭粉末。

本实施例中，利用第一破碎机18和第二破碎机19分别对无机肥和生物炭进行破碎处理，然后将生物炭粉末的一部分与无机肥粉末在混料装置20中充分混合后供给至一级成型装置21进行第一成型处理，并将得到生物炭基肥母球和另一部分的生物炭粉末供给至二级成型装置22内进行第二次成型处理，最终得到生物炭基肥。由此，一方面可以有效解决生物炭基肥成型困难、返料率高、制备得到的生物炭基肥强度低以及不利于产业化生产等的问题，另一方面，通过将无机肥粉末全部用于制备生物炭基肥母球并利用生物炭粉末的一部分对其进行包裹，可以使最终制备得到的生物炭基肥兼具较好的强度和缓释、控释作用，进而能够有效延缓无机肥的释放，降低肥料损失。

具体的，上述第一破碎机18和第二破碎机19均优选采用现有的粉碎设备，具体功能以能够实现对无机肥和生物炭进行粉碎为准；上述混料装置20优选为现有一种粉末搅拌装置，具体功能以能够实现对无机肥粉末和生物炭粉末的均匀混合为准；一级成型装置21优选为对辊式挤压造粒机，通过采用辊式挤压造粒机对混合物料和第一粘结剂进行第一成型处理，可以显著提高运转效率以及对混合物料的处理量，并得到粒径均匀、规则、整齐、致密度高以及母球合格率高的生物炭基肥母球；二级成型装置22优选为圆盘造粒机，圆盘造粒机具有生物炭基肥母球入口、生物炭粉末入口、第二粘合剂入口和生物炭基肥出口，圆盘造粒机适于对生物炭基肥母球、另一部的生物炭粉末和第二粘合剂进行第二成型处理，可以将另一部的生物炭粉末顺利包裹于生物炭基肥表面，从而得到所述生物炭基肥，进而有效延缓无机肥的释放，降低肥料损失，还可以显著提高第二成型处理的效率以及终产品的合格率。辊式挤压造粒机和圆盘造粒机均为现有技术，具体工作原理在此不再赘述。

本实施例中，第一粘合剂输送装置24和第二粘合剂输送装置25均优选为输送绞龙结构。其中，第一粘合剂可以为膨润土或水，不仅可以显著提高后续制备得到的生物炭基肥母球的强度，还可以降低生产成本；第二粘合剂可以为选自膨润土、水和淀粉中的至少一种，不仅可以显著提高制备得到的生物炭基肥的强度，还可以降低生产成本。

本实施例中，燃烧室3中的燃烧反应产生高温烟气，为了防止高温烟气伤人，需对燃烧室3中排出的烟气进行降温再排放。因此，烟气通过烟气风管26输送至烟气喷淋塔4的底部，冷却水从塔内顶部的喷淋装置17向下喷出，可对高温烟气进行喷淋降温。由于烟气是高温气体并且从烟气喷淋塔4的底部进入的，所以烟气在烟气喷淋塔4中持续上升，而冷却水是从烟气喷淋塔4的上部自上而下喷洒的，因此能与烟气充分接触，使热交换更充分。烟气喷淋塔4的上部安装有另一烟气引风机，用于将经过降温处理后的烟气吹出烟气喷淋塔4外，以便进行下一步的处理。

本实施例中，烟气喷淋塔4与夹层12之间连接形成冷却水循环管路，在烟气喷淋塔4的排水口15与冷却水入口13连接的水管路上可设置有水净化装置36，该水净化装置36采用现有净化装置，用于对接触过高温烟气的废水进行净化，以确保进入夹层12、及后续回到喷淋装置17的水是净化水，提高对高温烟气的净化效果。同时，本实施例可在夹层12的冷却水入口14处并联一循环水箱，用于在烟气喷淋塔4与夹层12之间的循环冷却水不足时进行及时补充，该循环水箱内的水为净化水。

本实施例中，喷淋装置17优选为一种现有花洒结构，且烟气喷淋塔4的顶部至少均布有两个花洒结构，以使喷淋水均布，提高喷淋水与高温烟气的接触面积。

本实施例中，如图1所示，烟气喷淋塔4与燃烧室3之间通过烟气风管26，烟气风管26上设置有烟气引风机27，用于为高温烟气的流动提供动力。

本实施例中，如图1所示，炭化炉1的排气口通过保温风管28与燃烧室3的入口连接，燃气引风机7安装于保温风管28上。采用保温风管28作为传送高温可燃气的通道，可使炭化炉1中排出的高温可燃气传送到燃烧室3时仍能保持较高温度以节省热能。

本实施例中，水冷外壳10与烟气喷淋塔4之间的循环水管路上设置有循环水泵和电磁阀，循环水泵用于提供水循环的动力，电磁阀用于控制冷却水循环的启停和循环速率。

本实施例中，如图1所示，烟气处理装置与燃烧室3之间还设置有换热系统29，换热系统29包括换热箱30和设置于换热箱30内的取暖管道31，高温烟气经过换热箱30内部时，能够与取暖管道31内的冷却水进行热传递；取暖管道31与取暖用户端连接，此处为对高温烟气热量的一级利用，同时将高温烟气的温度大幅下降，再配合后续的喷淋降温，即可使烟气达到排放温度。

本实施例中，炭化炉1优选为圆柱状炭化炉，圆柱状炭化炉内侧设置有物料搅拌绞龙32，且物料搅拌绞龙32的绞龙叶片内部均布加热丝；出料口9处设置有电动料门33。电动料门33为平板状料门，平板状料门滑动连接在出料口9的底部，且平板状料门的一端与一伸缩气缸连接，通过气缸伸缩可以控制电动料门33的移动，进而控制出料口9的开合以及开度大小。一般情况下，在炭化炉1内进行高温炭化时，电动料门33为关闭状态，物料搅拌绞龙32为间歇性搅动物料，以通过电热丝对物料进行接触性加热，并对物料起到翻动作用，确保物料受热炭化均匀；待一批物料炭化完成后，电动料门33开启，同时启动物料搅拌绞龙32进行连续搅动，以将生成的生物炭输送至水冷外壳10内。此时，输送绞龙11启动，将生物炭向生物炭基肥制造装置6输送，并在输送过程中通过夹层12内的循环冷却水对生物炭完成冷却处理。

本实施例中，如图1所示，系统还包括电控器34，加热丝、电动料门33、物料搅拌绞龙32、输送绞龙、烟气处理装置、和生物炭基肥制造装置均与电控器34电性连接。

本发明提供的基于废弃物利用的集成式生物炭制备系统，结构设置合理，通过将生物炭制备过程中产生的可燃废气输送至燃烧室中，既去除了焦油等污染排放物，有效地控制了废气的排放，避免对环境造成的污染，同时在节省燃料的基础上，确保了炭化炉中持续的高温燃烧，不仅提高了炭化炉内生物炭的炭化效率，而且实现了炭化热能的循环利用，节能环保；本实施例通过在炭化炉的出料口设置生物炭冷却装置，可以及时将生成的生物炭排出炭化炉，并对生成的生物炭进行有效的降温冷却，使生物炭降温后再排出，有利于实现生物炭的连续制备，降低了生产效率；同时生物炭冷却装置内夹层冷却水与烟气喷淋塔内喷淋水形成水循环，水管道的长度足够长，以使得被烟气或生物炭升温后的冷却水，在到达另一方时已经降温，不影响下一环节对冷却水的正常使用，既节省了资源，有提高了整个炭化系统的集成程度；烟气喷淋塔的设置有效地减少了污染气体的排放；本实施例通过在物料搅拌绞龙中设置加热丝，既能够搅拌物料，又能够与燃烧机的加热形成内外双层加热结构，提高炭化均匀度和炭化效率；最后本实施例还在生物炭冷却装置后设置了生物炭基肥制造装置，能够利用无机肥和生物炭制备形成生物炭基肥，实现生物炭制备和应用的一体化，实用性强。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。