阅读说明：本技术 一种野外便携式农业废弃物原位资源化利用分级制备生物炭的炭化炉 (Open-air portable agricultural waste in situ utilization utilizes retort of hierarchical preparation biochar ) 是由 吴敏 陈懿 陈�全 曾亮 潘波 周丹丹 孔颖 张建广 于 2020-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种野外便携式农业废弃物原位资源化利用分级制备生物炭的炭化炉,包括盖子、炉体、物料入口、排烟管、不锈钢外层、炭化区、隔热保温层、加热隔板、限气流滑盖、通风口、进料口、三根以上导热管、加热区、冷凝管、废气收集室、单向通气阀、尾气导管、一个以上筛网；本发明产品具备可移动性、便携性和简易操作性等特点,适用于田间、山地等特殊环境下使用,特别是针对于秋收过后的大量废弃农业生物炭的产生,产品的功能得以凸显；使用本发明炭化炉进行生物炭制取过程可靠、安全,制取效率高,成本低,占地面积小,便携,能满足野外就地制备生物炭的要求。(The invention discloses a field portable carbonization furnace for preparing biochar by in-situ resource utilization of agricultural wastes, which comprises a cover, a furnace body, a material inlet, a smoke exhaust pipe, a stainless steel outer layer, a carbonization area, a heat insulation layer, a heating partition plate, an airflow limiting sliding cover, a ventilation opening, a feeding hole, more than three heat conduction pipes, a heating area, a condensation pipe, a waste gas collecting chamber, a one-way ventilation valve, a tail gas guide pipe and more than one screen; the product has the characteristics of mobility, portability, simple operability and the like, is suitable for being used in special environments such as fields, mountainous regions and the like, and particularly aims at the generation of a large amount of waste agricultural biochar after autumn harvest, so that the functions of the product are highlighted; the carbonization furnace provided by the invention is reliable and safe in the preparation process of the biochar, high in preparation efficiency, low in cost, small in occupied area and portable, and can meet the requirements of field preparation of biochar on site.)

一种野外便携式农业废弃物原位资源化利用分级制备生物炭 的炭化炉

技术领域

本发明涉及一种野外便携式农业废弃物原位资源化利用分级制备生物炭的炭化炉，特别是一种应用于野外将农林废弃物的原位资源化利用装置，属于农业废弃物资源化利用技术领域。

背景技术

中国秸秆综合利用潜力总量达8.76亿吨，环境和经济效益显著。但近年来由于农民缺乏正确的引导，宣传力度不够，因焚烧秸秆造成的火灾、大气污染等问题还是时有发生。秸秆处理的成本太高，机械收割留茬较高，影响下一季农作物的播种；科技转化力度不够，缺乏处置技术，秸秆的经济价值难以发挥。如今，对于农作物秸秆综合利用，虽然提出了不少解决的办法，但缺乏针对性、实用性、时效性和具体性，大多以行政手段和奖惩措施为主，无人去做秸秆利用的组织、协调和转化工作，只堵塞不开流，使得这个问题没有真正得到解决。

近年来各国研究者进行了诸多探索，初步证实了生物炭在改善土壤结构与理化性质、提高作物产量、治理环境污染以及增加“农业碳汇”、减少温室气体排放等方面具有的重要作用。但是，对于农民而言，将农业废弃物运输出农田增加了时间和人力成本，取得的经济效益却非常有限，对于农业生产形成了一定的困扰。然而，现在市面上的炭化炉产品，价格从1.2万到6.5万不等，且体积、重量大，对于普通农户来说，既负担不起又不够简易方便。此外，传统的炭化炉进料多，反而有效产品量少，存在热解不均匀、产炭效率低、炭产品性质单一且品相较低。

此外，前期的基础研究结果已经证实，不同温度和粒径的生物炭在生态环境中的应用前景和环境风险也有着较大的区别。比如，颗粒较小的生物炭更容易携带污染物一起迁移进入地下水系统，环境风险相对更高；低温生物炭对于提高土壤有机质含量；中温生物炭中有较强的持久性自由基，存在环境风险的同时，也能加速有机污染物的降解；高温生物炭的高度芳香化结构有利于其对污染物的吸附固定。因此，如何高效实现不同温度和粒径生物炭的高效分离，也是目前市场上现有装备的技术缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术和装备的缺点，在前期生物炭理论研究的基础上，提供一种制取过程可靠、安全，制备产品效率高，成本低，占地面积小，便携，不同温度和粒径产品高效分离，能满足野外就地制备生物炭要求的炭化炉。

本发明通过以下技术方案实现：

一种野外便携式农业废弃物原位资源化利用分级制备生物炭的炭化炉，包括盖子1、炉体2、物料入口3、排烟管4、不锈钢外层5、炭化区6、隔热保温层7、加热隔板13、限气流滑盖14、通风口15、进料口16、三根以上导热管17、加热区18、冷凝管19、废气收集室20、单向通气阀21、尾气导管22、一个以上筛网；

盖子1设置在炉体2顶部，盖子1上设有物料入口3，物料入口3上设有入口盖，加热隔板13设置在炉体2内部，将炉体2分为炭化区6和加热区18，加热隔板13下方为加热区18，加热区18的炉体2底部设置通风口15、进料口16，通风口15上设置限气流滑盖14用于调节通风口15的大小；

加热隔板13上方为炭化区6，加热隔板13上面设置三根以上导热管17，导热管17从上到下逐渐***，一个以上筛网穿在导热管17上进入炭化区6，炭化区6与排烟管4一端联通，排烟管4另一端连接冷凝管19，冷凝管19另一端连接废气收集室20，废气收集室20通过尾气导管22与加热区18联通，尾气导管22上设置单向通气阀21；

炉体2外设置隔热保温层7，隔热保温层7外设置不锈钢外层5。

所述盖子1通过固定圈9设置在炉体2顶部，固定圈9包括不闭合的固定半套管25、镶块26、螺栓27、螺帽28，不闭合的固定半套管25的接口处两端均设有镶块26，镶块26内设置内螺纹，螺栓27依次穿过两个镶块26，将两个镶块26固定连接，再用螺帽28紧固。

所述炭化炉还包括若干温度传感器10，温度传感器10读数端位于炭化炉外面，感应端穿过不锈钢外层5、隔热保温层7、炉体2后位于炉体2内部，穿过部分为螺纹结构，当不设置温度传感器10时，可以用螺栓封闭。

所述冷凝管19，选用扁管，增大与空气的接触面积来冷凝炭化产生的废气。

所述隔热保温层7为耐高温硅酸铝陶瓷纤维毯制成。

所述通风口15、进料口16对称设置在炉体2两侧。

所述通风口15两侧设有两根把手，把手连接在炉体2外壁上，与炉体2的不锈钢外层5形成条形孔，限气流滑盖14穿过条形孔，限气流滑盖14滑动过程中改变通风口的大小。

所述加热隔板13焊接在炉体2内壁或者通过固定件8固定在炉体2内壁上，固定件8是炉体2内壁上的一圈环状凸起结构，加热隔板13放置在环状凸起结构上进行固定。

所述炭化炉还包括破碎扇23、升降架24，升降架24位于盖子1上，破碎扇23设置在炉体2内的炭化区6，破碎扇23连接杆穿过盖子1后与小型电机的输出端连接，小型电机自带蓄电池，破碎扇23连接杆与小型电机整体设置在升降架24上，扭动升降架24上的螺栓手柄，可以实现破碎扇23在炭化区6内升降，破碎扇23降低，破碎物料，破碎扇23与物料入口间隔一段距离防止物料从入口弹出，炭化时升高破碎扇，产生向下的气流防止破碎物在最上层过滤网的堆积，同时引导气流进入冷凝装置。

所述破碎扇23连接杆端部设置内螺纹孔，小型电机的输出端设有外螺纹，破碎扇23连接杆端部内螺纹孔与小型电机的输出端外螺纹相配合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明主要是采用类似“煮豆燃豆萁”的协同运作模式，将一小部分废弃的农业生物质燃烧提供热源，另一部分生物质则在缺氧条件下热裂解为生物炭。由于本发明炭化炉具备可移动性、便携性和简易操作性等特点，适用于田间、山地等特殊环境下使用，特别是针对于秋收过后的大量废弃农业生物炭的产生，其功能得以凸显。

(2)设有破碎扇和破碎升降装置，可以根据进料物的特征自由调节破碎高度，提高破碎效率，此外，破碎扇叶，可用于破碎生物质和引导炉内气流走向，促进炉内气体的流通。

(3)高温炭化区设有一层以上的筛网，由此可制备不同粒径、不同热解温度的生物炭，根据实际土壤环境情况选择生物炭的施用。

(4)炭化过程中产生的副产物可以通过冷凝装置收集，可燃性尾气不直接排放，通过排烟管重新导入加热区利用，极大的提高了资源化效率和环境保护意义。

(5)生产成本较低，推广性强，适应不同类型的农户需求。

附图说明

图1为本发明实施例1炭化炉的结构示意图；

图2为本发明实施例1升降架结构示意图；

图3为本发明实施例1破碎扇结构示意图；

图4为本发明实施例1固定圈结构示意图；

图5为本发明实施例1导热管示意图；

图6为本发明实施例1筛网和加热隔板的俯视图(从左至右依次为5目筛网、10目筛网、加热隔板)；

图中：1-盖子；2-炉体；3-物料入口；4-排烟管；5-不锈钢外层；6-高温炭化区；7-隔热保温层；8-固定件；9-固定圈；10-温度传感器；11-5目筛网；12-10目筛网；13-加热隔板；14-限气流滑盖；15-通风口；16-进料口；17-导热管；18-加热区；19-冷凝管；20-废气收集室；21-单向通气阀；22-尾气导管；23-破碎扇；24-升降架；25-不闭合的固定半套管；26-镶块；27-螺栓；28-螺帽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

实施例1

一种野外便携式农业废弃物原位资源化利用分级制备生物炭的炭化炉，如图1、2、3、4、5、6，包括盖子1、炉体2、物料入口3、排烟管4、不锈钢外层5、炭化区6、隔热保温层7、固定件8、固定圈9、三个温度传感器10、5目筛网11、10目筛网12、加热隔板13、限气流滑盖14、通风口15、进料口16、三根导热管17、加热区18、冷凝管19、废气收集室20、单向通气阀21、尾气导管22、破碎扇23、升降架24、不闭合的固定半套管25、镶块26、螺栓27、螺帽28；

盖子1设置在炉体2顶部，盖子1通过固定圈9固定设置在炉体2顶部，固定圈9包括不闭合的固定半套管25、镶块26、螺栓27、螺帽28，不闭合的固定半套管25的接口处两端均设有镶块26，镶块26内设置内螺纹，螺栓27依次穿过两个镶块26，将两个镶块26固定连接，再用螺帽28紧固，盖子1上设有物料入口3，物料入口3上设有入口盖，入口盖与盖子1之间铰链连接，加热隔板13通过固定件8固定在炉体2内壁上，固定件8是炉体2内壁上的一圈环状凸起结构，加热隔板13放置在环状凸起结构上进行固定，加热隔板13外径与炉体2内径相同，加热隔板13将炉体2分为炭化区6和加热区18，加热隔板13下方为加热区18，加热区18的炉体2底部设置通风口15、进料口16，通风口15、进料口16对称设置在炉体2两侧；通风口15两侧设有两根把手，把手与炉体2的不锈钢外层5形成条形孔，限气流滑盖14穿过条形孔，滑动限气流滑盖14用于调节通风口15的大小；

加热隔板13上方为炭化区6，加热隔板13上面焊接设置四根导热管17，导热管17从上到下逐渐***，两个筛网(5目筛网11、10目筛网12)穿在导热管17上进入炭化区6，5目筛网11和10目筛网12外径与炉体2内径相同，5目筛网11在上，10目筛网12在下，炭化区6分成三部分，分别是5目筛网11与盖子1之间形成的第一炭化区，5目筛网11与10目筛网12之间形成的第二炭化区，10目筛网12与加热隔板13之间形成的第三炭化区，第一炭化区、第二炭化区、第三炭化区分别设置温度传感器10，温度传感器10读数端位于炭化炉外面，感应端穿过不锈钢外层5、隔热保温层7、炉体2后位于炉体2内部，穿过部分为螺纹结构，当不设置温度传感器10时，可以用螺栓封闭；三个炭化区6侧面开孔分别用管道与排烟管4一端联通，排烟管4另一端连接冷凝管19，冷凝管19，选用扁管，增大与空气的接触面积来冷凝炭化产生的废气；冷凝管19另一端连接废气收集室20，废气收集室20通过尾气导管22与加热区18联通，尾气导管22上设置单向通气阀21；

炉体2外设置隔热保温层7，隔热保温层7为耐高温硅酸铝陶瓷纤维毯制成，隔热保温层7外设置不锈钢外层5；

升降架24位于盖子1上，破碎扇23设置在炉体2内的炭化区6(第一炭化区)，破碎扇23的扇叶上带有刀口，可以切碎物料，破碎扇23与物料入口间隔一段距离防止物料从入口弹出，破碎扇23连接杆穿过盖子1后与小型电机的输出端连接，破碎扇23连接杆端部设置内螺纹孔，小型电机的输出端设有外螺纹，破碎扇23连接杆端部内螺纹孔与小型电机的输出端外螺纹相配合，小型电机自带蓄电池，破碎扇23连接杆与小型电机整体设置在升降架24上，扭动升降架24上的螺栓手柄，可以实现破碎扇23在炭化区6内升降，破碎扇23降低，破碎物料，炭化时升高破碎扇，产生向下的气流防止破碎物在最上层过滤网的堆积，同时引导气流进入冷凝管19。

本实施例的炭化炉在使用时，具体步骤如下：

(1)加热前准备阶段：将5目筛网11和10目筛网12通过导热管17放入炭化区6，5目筛网11和10目筛网12上分别开有与导热管17上某一段直径相同的孔，5目筛网11上的孔小，10目筛网12上的孔大，筛网从上往下放的过程中，卡上导热管17上，5目筛网11在上，10目筛网12在下，炭化区6分成三部分，分别是5目筛网11与盖子1之间形成的第一炭化区，5目筛网11与10目筛网12之间形成的第二炭化区，10目筛网12与加热隔板13之间形成的第三炭化区，盖上盖子1，并将固定圈9箍紧在盖子1与隔热保温层7接口的位置，将破碎扇23通过升降架24下降到最低，但是破碎扇23不会碰到导热管17，启动破碎扇23，将自然干燥的农林废弃物通过物料入口3，破碎扇23将物料切碎，物料投放完毕，盖上物料入口3处的入口盖，并打开单向通气阀21；

(2)加热炭化阶段：从进料口16加入农林废弃物并将其点燃作为热源，将破碎扇23升到最高但是依然转动，在炭化过程中可使炉内气流流动，进入排烟管4；热量从加热区18传入三个炭化区6中，加热隔板13、导热管17及两个筛网都加热，通过三个温度传感器10测定三个炭化区6中的温度，当温度达到一定程度时保持加热时间4h，在加热过程中监控炉内温度，使用限气流滑盖14控制燃烧时空气的进入量，以此来控制温度，当温度升高时，推动限气流滑盖14关小通风口15，反之温度降低时，拉动限气流滑盖14开大通风口15；

炭化区6内加热产生的副产物(木焦油等)将通过排烟管4排入冷凝管19冷凝，炭化产生的可燃性气体又可通过尾气导管22通入加热区18作为燃料，将副产物充分利用；

(3)自然冷却阶段：副产物焦油等经冷凝液化后在废气收集室20中收集，待炉温自然冷却以后，取下固定圈9上的螺帽28，拧下螺栓27，固定圈9松开后，移开盖子1，从炭化区6的5目筛网11、10目筛网12和加热隔板13取出不同粒径的生物炭。

本实施例中的破碎扇可以采用手拉式捣碎机的结构(类似网红捣蒜机的结构，手工实现破碎扇转动)进行手拉，或采用直角齿轮传动件人工转动破碎扇，在小型电机的蓄电池没有电的时候采用人工实现破碎扇的功能。

实施例2

一种野外便携式农业废弃物原位资源化利用分级制备生物炭的炭化炉，包括盖子1、炉体2、物料入口3、排烟管4、不锈钢外层5、炭化区6、隔热保温层7、固定圈9、一个温度传感器10、加热隔板13、限气流滑盖14、通风口15、进料口16、三根导热管17、加热区18、冷凝管19、废气收集室20、单向通气阀21、尾气导管22、一个筛网、不闭合的固定半套管25、镶块26、螺栓27、螺帽28；

盖子1设置在炉体2顶部，盖子1通过固定圈9设置在炉体2顶部，固定圈9包括不闭合的固定半套管25、镶块26、螺栓27、螺帽28，不闭合的固定半套管25的接口处两端均设有镶块26，镶块26内设置内螺纹，螺栓27依次穿过两个镶块26，将两个镶块26固定连接，再用螺帽28紧固，盖子1上设有物料入口3，物料入口3上设有入口盖，入口盖与盖子1之间铰链连接，加热隔板13焊接在炉体2内壁，将炉体2分为炭化区6和加热区18，加热隔板13下方为加热区18，加热区18的炉体2底部设置通风口15、进料口16，通风口15、进料口16对称设置在炉体2两侧；通风口15两侧设有两根把手，把手与炉体2的不锈钢外层5形成条形孔，限气流滑盖14穿过条形孔，滑动限气流滑盖14用于调节通风口15的大小；

加热隔板13上方为炭化区6，加热隔板13上面焊接设置三根导热管17，导热管17从上到下逐渐***，一个筛网穿在导热管17上进入炭化区6，筛网上有与导热管17某处直径相同的孔，在穿过导热管17的过程中，被卡住，外径与炉体2内径相同，筛网内外圈同时被卡住，炭化区6设置一个温度传感器10，温度传感器10读数端位于炭化炉外面，感应端穿过不锈钢外层5、隔热保温层7、炉体2后位于炉体2内部，穿过部分为螺纹结构，当不设置温度传感器10时，可以用螺栓封闭；炭化区6侧面开孔与排烟管4一端联通，排烟管4另一端连接冷凝管19，冷凝管19，选用扁管，增大与空气的接触面积来冷凝炭化产生的废气；冷凝管19另一端连接废气收集室20，废气收集室20通过尾气导管22与加热区18联通，尾气导管22上设置单向通气阀21；

炉体2外设置隔热保温层7，隔热保温层7为耐高温硅酸铝陶瓷纤维毯制成，隔热保温层7外设置不锈钢外层5。

本实施例的炭化炉在使用时，具体步骤如下：

(1)加热前准备阶段：将筛网通过导热管17放入炭化区6，筛网上开有与导热管17上某一段直径相同的孔，筛网从上往下放的过程中，卡上导热管17上，盖上盖子1并将固定圈9箍紧在盖子1与隔热保温层7接口的位置，将小块自然干燥的农林废弃物通过物料入口3，物料投放完毕，盖上物料入口3处的入口盖，并打开单向通气阀21；

(2)加热炭化阶段：从进料口16加入农林废弃物并将其点燃作为热源，热量从加热区18传入炭化区6中，加热隔板13、导热管17及筛网都加热，通过温度传感器10测定炭化区6中的温度，当温度达到一定程度时保持加热时间4h，在加热过程中监控炉内温度，使用限气流滑盖14控制燃烧时空气的进入量，以此来控制温度，当温度升高时，推动限气流滑盖14关小通风口15，反之温度降低时，拉动限气流滑盖14开大通风口15；

炭化区6内加热产生的副产物(木焦油等)将通过排烟管4排入冷凝管19冷凝，炭化产生的可燃性气体又可通过尾气导管22通入加热区18作为燃料，将副产物充分利用；

(3)自然冷却阶段：副产物焦油等经冷凝液化后在废气收集室20中收集，待炉温自然冷却以后，取下固定圈9上的螺帽28，拧下螺栓27，固定圈9松开后，移开盖子1，从炭化区6筛网和加热隔板13取出不同粒径的生物炭。