本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)設(shè)備，具體涉及一種基于秸稈間接碳化的土壤改良方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、秸稈是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源，秸稈炭的含碳量達(dá)65％以上，具有很好的固碳減排作用。秸稈還田能有效地改善土壤性狀、優(yōu)化土壤功能、提高耕地質(zhì)量?？茖W(xué)開展農(nóng)作物秸稈循環(huán)利用，對于穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡、改善生態(tài)環(huán)境、緩解資源約束具有重要意義。

2、目前，秸稈還田的方式主要有兩種，一種是將秸稈收集并移出田間進(jìn)行處理后，再將處理后的物質(zhì)加入至土壤中，例如，將秸稈移出田間待其發(fā)酵后返田，又例如，將秸稈碳化處理成生物炭后再加入至土壤中，但這類將秸稈移出田間的處理方式勢必耗費(fèi)更多的人力物力，成本較高，不適用于大面積的秸稈處理。另一種是在田間收集秸稈的同時(shí)處理秸稈，實(shí)現(xiàn)秸稈的原位還田，近年來，將秸稈碳化成生物炭后直接還田成為了關(guān)注的重點(diǎn)，例如專利cn102640617b公開的一種稻麥?zhǔn)崭钆c秸稈碳化還田一體化裝置即可同時(shí)完成稻麥?zhǔn)崭钆c秸稈的碳化還田，節(jié)約了運(yùn)輸成本；專利cn112063401b公開的一種移動(dòng)式秸稈烘焙與碳化處理原位還田方法將秸稈的收集、粉碎、烘焙、碳化及還田融為一體，實(shí)現(xiàn)了秸稈烘焙、碳化原位還田。

3、但是，由于秸稈的中的水分含量較高，直接碳化通常會消耗大量的能量，所以雖然省去搬運(yùn)成本，但其碳化秸稈的時(shí)長和能耗并沒有明顯降低，在應(yīng)用于大面積土壤碳化還田時(shí)仍然面臨能耗高、效率低的問題。同時(shí)，直接碳化還會消耗掉秸稈中的營養(yǎng)物質(zhì)，造成秸稈中營養(yǎng)物質(zhì)的利用率低，不利于土壤改良。不僅如此，若將收集的秸稈全部碳化成生物質(zhì)炭還田，在生物質(zhì)炭超出土壤的承受能力時(shí)，反而會造成不好的影響，所以現(xiàn)有的原位碳化還田通常需要移出部分生物質(zhì)炭。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種基于秸稈間接碳化的土壤改良方法，其通過將收集的秸稈經(jīng)擠壓破壁、微波破壁后得到膨化秸稈顆粒，之后再對膨化秸稈顆粒的表面進(jìn)行碳化，使最終得到的碳化顆粒的內(nèi)部能夠保留秸稈的主要營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)其表面具有一定的炭質(zhì)性質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度，在滿足土壤對生物質(zhì)炭的需求的基礎(chǔ)上，能夠更好地為土壤提供營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而有效地提升土壤改良效果。

2、本發(fā)明的上述目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于秸稈間接碳化的土壤改良方法，包括以下步驟：

4、(a)收集秸稈、將所述秸稈切割成秸稈顆粒；

5、(b)擠壓、破壞所述秸稈顆粒的表皮；

6、(c)利用微波加熱擠壓后的秸稈顆粒，得到膨化秸稈顆粒；

7、(d)碳化所述膨化秸稈顆粒表面，得到用于排放至土壤中的碳化顆粒。

8、本技術(shù)方案中，通過將田間收集到的秸稈直接處理成表面碳化、內(nèi)部保留營養(yǎng)物質(zhì)的碳化顆粒，再將碳化顆粒排放至土壤中以實(shí)現(xiàn)改良土壤的目的。

9、具體地，在步驟(a)中，于田間撿拾、收集秸稈后，對秸稈進(jìn)行粉碎切割處理，得到若干秸稈顆粒。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，秸稈的收集和切割可以采用現(xiàn)有的碳化還田一體化裝置來完成。

10、在步驟(b)中，通過對秸稈顆粒的表皮進(jìn)行擠壓，例如采用螺桿式擠出機(jī)，使得秸稈顆粒與秸稈顆粒之間、秸稈顆粒與螺桿或擠出機(jī)內(nèi)壁之間持續(xù)擠壓，進(jìn)而破壞秸稈顆粒表皮的完整結(jié)構(gòu)。

11、在步驟(c)中，利用微波對表皮被破壞的秸稈顆粒進(jìn)行加熱，使得秸稈顆粒的表面和內(nèi)部的水分不斷變?yōu)樗魵猓捎诒砻娴乃终舭l(fā)得更快，內(nèi)部的水分則不斷積累，表皮內(nèi)外所形成的壓差達(dá)到一定程度時(shí)，蒸汽將使得秸稈顆粒的表皮破壁、膨化，得到表皮被破壞且內(nèi)部形成有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膨化秸稈顆粒。同時(shí)，在膨化過程中，秸稈顆粒內(nèi)部的糖分、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)逐漸釋放，可溶性蛋白質(zhì)、膳食纖維溶解度增加，而有害微生物的活性降低。

12、在步驟(d)中，對膨化秸稈顆粒的表面進(jìn)行碳化，得到的碳化顆粒的表面在碳化作用下形成了含有較高灰分的炭質(zhì)結(jié)構(gòu)，在保留了秸稈原有特點(diǎn)的基礎(chǔ)上獲得了一定的炭質(zhì)性質(zhì)；同時(shí)，碳化顆粒的內(nèi)部沒有被碳化，仍然保持著蓬松的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)物質(zhì)不受碳化的影響。

13、相較于現(xiàn)有技術(shù)中將秸稈粉碎后全部碳化的直接碳化方式，本技術(shù)方案中先破壁膨化再碳化表面的間接碳化方式能夠顯著地降低碳化時(shí)所消耗的能量、縮短秸稈的處理時(shí)間，有利于大面積土壤的秸稈碳化還田處理。不僅如此，表面碳化的碳化顆粒一方面能夠?yàn)橥寥捞峁┳銐虻纳镔|(zhì)炭，不必因生物質(zhì)炭超出土壤承載能力而運(yùn)出田間部分碳化顆粒，另一方面，碳化顆粒還很好地保留了秸稈中的營養(yǎng)物質(zhì)，膨化形成的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)還有利于被微生物分解，為提高秸稈的利用率和加速秸稈在田間的分解創(chuàng)造了條件。

14、進(jìn)一步地，所述步驟(b)中，先于40～80℃的溫度下對切割后的秸稈顆粒進(jìn)行加濕，再進(jìn)行擠壓、破壞秸稈顆粒的表皮。本技術(shù)方案中，在秸稈顆粒進(jìn)行擠壓破壁之前，先對其進(jìn)行加熱和加濕。通過對秸稈顆粒加熱，能夠使秸稈顆粒在擠壓破壁工序中更易被破壞，并且在微波破壁過程中由于已具備一定的初始溫度，可以有效地提高微波破壁的處理效率，減少微波破壁的能耗。通過對秸稈顆粒加濕，使秸稈顆粒表面和內(nèi)部的含水量進(jìn)一步提高，例如達(dá)到40％以上。水分含量更高的秸稈顆粒表皮在后續(xù)的擠壓破壁工序中更容易被破壞，進(jìn)而有利于微波破壁工序中秸稈顆粒的膨化，同時(shí)，秸稈顆粒內(nèi)部的水分增加將有效地加強(qiáng)微波破壁工序中秸稈顆粒內(nèi)外的泵送效應(yīng)，使得秸稈顆粒更易膨化，進(jìn)一步提高膨化秸稈顆粒的處理效率。

15、進(jìn)一步地，所述步驟(c)中，微波加熱秸稈顆粒的溫度為90～160℃，加熱時(shí)間為3～10分鐘。本技術(shù)方案中，微波加熱的溫度不宜過低，否則不僅無法有效地影響秸稈內(nèi)的有害微生物活性，而且秸稈自身的水分或者預(yù)處理步驟加濕的水分將不利于后續(xù)膨化秸稈顆粒的碳化；同時(shí)，微波加熱的溫度不宜過高，否則秸稈內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)容易隨水蒸氣而流失或者在高溫下反應(yīng)、失去營養(yǎng)。因此，本技術(shù)方案中，優(yōu)選地，將微波加熱秸稈顆粒的溫度控制在90～160℃，在實(shí)現(xiàn)秸稈顆粒更好地膨化的同時(shí)，排出的氣體還具備一定的溫度，后續(xù)可將排出的氣體重復(fù)利用至預(yù)處理裝置中加熱收集的秸稈顆粒，降低處理工藝的整體能耗。

16、進(jìn)一步地，所述步驟(d)中，所述膨化秸稈顆粒滾動(dòng)經(jīng)過火焰，所述火焰灼燒膨化秸稈顆粒的表面，使所述膨化秸稈顆粒的表面均勻碳化。本技術(shù)方案中，膨化秸稈顆粒翻滾著經(jīng)過火焰，以使得火焰能夠快速地灼燒到膨化秸稈顆粒表面的各處，同時(shí)避免灼燒膨化秸稈顆粒的內(nèi)部，從而使膨化秸稈顆粒的表面快速、均勻地碳化。在部分優(yōu)選的實(shí)施例中，火焰對膨化秸稈顆粒表面的灼燒時(shí)間不大于5秒。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，采用陶瓷微孔板作為膨化秸稈顆粒滾動(dòng)的平臺，并在陶瓷微孔板下方設(shè)置火焰，火焰透過陶瓷微孔板上的各微孔均勻地灼燒滾動(dòng)的膨化秸稈顆粒，使其表面碳化。

17、進(jìn)一步地，所述步驟(d)中，在碳化所述膨化秸稈顆粒表面前，利用氣流吹掃所述膨化秸稈顆粒。本技術(shù)方案中，膨化秸稈顆粒經(jīng)微波破壁后采用氣流吹掃膨化秸稈顆粒，以去除掉膨化秸稈顆粒上的殘?jiān)?，并且，更重要的是，氣流能夠進(jìn)一步減少膨化秸稈顆粒的水分，尤其是膨化秸稈顆粒表面的水分，進(jìn)而使得在后續(xù)的火焰碳化過程中，膨化秸稈顆粒的表面能夠更易被碳化，碳化的能耗更低；不僅如此，氣流能夠?qū)⒁徊糠炙衷俅窝h(huán)至預(yù)處理裝置，以利用這部分水分加濕收集的秸稈顆粒，降低處理工藝的整體能耗。

18、進(jìn)一步地，所述步驟(d)中，對得到的碳化顆粒進(jìn)行降溫，并向降溫后的碳化顆粒上噴淋菌劑。碳化顆粒經(jīng)灼燒后表面溫度較高，因此，為了在其上噴淋菌劑，首先需要對碳化顆粒進(jìn)行降溫。碳化顆粒降溫的方式有多種，例如采用氣流或者水流降低其溫度。在部分優(yōu)選的實(shí)施例中，向碳化顆粒噴淋水流以降低其溫度，同時(shí)增加其濕度，以有利于菌劑存活。之后，向降溫后的碳化顆粒上噴淋菌劑，碳化顆粒表面碳化的多孔結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部膨化的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠?yàn)榫荷L繁殖提供庇護(hù)所，有利于菌群的固定化，進(jìn)而能夠在碳化顆粒排入土壤后發(fā)揮菌群的優(yōu)勢，提高土壤的改良效果。

19、本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種土壤改良系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用擠壓破壁裝置、微波破壁裝置和間接碳化裝置原位處理采集到的秸稈，進(jìn)而得到的表面碳化、內(nèi)部具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的間接碳化的顆粒，不僅能夠滿足土壤對生物質(zhì)炭的需求，而且還能夠?yàn)橥寥捞峁└嘟斩挼臓I養(yǎng)物質(zhì)，改良土壤結(jié)構(gòu)。

20、本發(fā)明的上述目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

21、一種基于秸稈間接碳化的土壤改良系統(tǒng)，包括機(jī)架，所述機(jī)架上設(shè)置有行走裝置，所述機(jī)架上還設(shè)置有：

22、收集切割裝置，用于收集秸稈，并將所述秸稈切割成秸稈顆粒；

23、預(yù)處理裝置，經(jīng)第一傳送裝置連接至所述收集切割裝置，所述預(yù)處理裝置用于加熱、加濕所述秸稈顆粒；

24、擠壓破壁裝置，與所述預(yù)處理裝置連接，所述擠壓破壁裝置用于擠壓所述秸稈顆粒、破壞所述秸稈顆粒的表皮；

25、一個(gè)或多個(gè)微波破壁裝置，與所述擠壓破壁裝置連接，所述微波破壁裝置用于微波加熱擠壓后的秸稈顆粒，得到膨化秸稈顆粒；

26、間接碳化裝置，經(jīng)第二傳送裝置連接至所述微波破壁裝置，所述間接碳化裝置用于碳化所述膨化秸稈顆粒表面，得到用于排放至土壤中的碳化顆粒。

27、與現(xiàn)有的秸稈碳化裝置相同的是，本技術(shù)方案中提供的土壤改良系統(tǒng)也包括機(jī)架和行走裝置，以實(shí)現(xiàn)在田間的移動(dòng)、收集并原位碳化處理秸稈。

28、與現(xiàn)有的秸稈碳化裝置不同的是，本技術(shù)方案中的土壤改良系統(tǒng)采用了收集切割裝置、預(yù)處理裝置、擠壓破壁裝置、微波破壁裝置和間接碳化裝置，將收集得到的秸稈處理成表面碳化、內(nèi)部具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳化顆粒。

29、具體地，本技術(shù)方案中，收集切割裝置在收集到秸稈后，將秸稈進(jìn)行粉碎切割處理得到一段一段的秸稈顆粒。收集切割裝置的輸出端連接至第一傳送裝置的輸入端，第一傳送裝置的輸出端連接至預(yù)處理裝置。因此，切割得到的秸稈顆粒經(jīng)第一傳送裝置轉(zhuǎn)移至預(yù)處理裝置中進(jìn)行預(yù)處理。

30、本技術(shù)方案中，預(yù)處理裝置用于加熱、加濕秸稈顆粒，經(jīng)過處理的秸稈顆粒溫度和濕度增加，從而有利于后續(xù)擠壓破壁裝置和微波破壁裝置對秸稈顆粒進(jìn)行處理，加強(qiáng)秸稈顆粒的表皮破壞程度、增強(qiáng)微波加熱的膨化效果。在部分優(yōu)選的實(shí)施例中，預(yù)處理裝置上設(shè)置有攪拌機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)和加濕機(jī)構(gòu)，在秸稈顆粒進(jìn)入到預(yù)處理裝置后，通過加濕機(jī)構(gòu)向秸稈顆粒引入水分，加熱機(jī)構(gòu)提高秸稈顆粒的溫度，再利用攪拌機(jī)構(gòu)使得秸稈顆粒被充分地加熱、加濕，最后經(jīng)排料口排出、進(jìn)入擠壓破壁裝置。

31、本技術(shù)方案中，擠壓破壁裝置優(yōu)選采用螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)，利用螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)秸稈顆粒自進(jìn)料口向出料口移動(dòng)。在移動(dòng)的過程中，秸稈顆粒之間、秸稈顆粒與螺桿之間、秸稈顆粒與擠出機(jī)內(nèi)壁之間持續(xù)擠壓，破壞秸稈顆粒表皮的完整性。在一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，擠壓破壁裝置采用螺桿螺距漸變的螺桿擠出機(jī)，螺桿的螺距自進(jìn)料口向出料口的方向逐漸減小，以減小相鄰螺旋葉片之間的空間，加強(qiáng)秸稈顆粒的擠壓，提高秸稈顆粒表皮的損壞程度。

32、本技術(shù)方案中，擠壓破壁裝置的出料口連通有一個(gè)或多個(gè)微波破壁裝置的進(jìn)料口，在部分實(shí)施例中，微波破壁裝置也可以采用螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，在螺桿擠出機(jī)的殼體的外壁上設(shè)置有若干磁控管，磁控管產(chǎn)生的微波自外壁上設(shè)置的通孔、以及位于通孔內(nèi)的云母片進(jìn)入至微波破壁裝置內(nèi)部，對表皮被破壞的秸稈顆粒進(jìn)行加熱，得到內(nèi)部形成有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膨化秸稈顆粒。

33、本技術(shù)方案中，一個(gè)或多個(gè)微波破壁裝置的出料口連接至第二傳送裝置的輸入端，第二傳送裝置的輸出端連接至間接碳化裝置。間接碳化裝置對膨化秸稈顆粒的表面進(jìn)行碳化，得到的碳化顆粒的表面在碳化作用下形成了含有較高灰分的炭質(zhì)結(jié)構(gòu)，在保留了秸稈原有特點(diǎn)的基礎(chǔ)上獲得了一定的炭質(zhì)性質(zhì)，并且，碳化顆粒的內(nèi)部沒有被碳化，仍然保持著蓬松的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)物質(zhì)不受碳化的影響。

34、進(jìn)一步地，所述間接碳化裝置的內(nèi)部從上至下依次設(shè)置有碳化機(jī)構(gòu)、冷卻機(jī)構(gòu)和菌劑添加機(jī)構(gòu)，其中，所述碳化機(jī)構(gòu)用于灼燒所述膨化秸稈顆粒的表面，所述冷卻機(jī)構(gòu)用于向碳化顆粒噴淋冷卻液，所述菌劑添加機(jī)構(gòu)用于向降溫后的碳化顆粒噴淋菌劑。本技術(shù)方案中，間接碳化裝置內(nèi)自上至下傾斜設(shè)置有碳化機(jī)構(gòu)、冷卻機(jī)構(gòu)和菌劑添加機(jī)構(gòu)。在部分優(yōu)選的實(shí)施例中，碳化機(jī)構(gòu)包括碳化板，例如陶瓷微孔板，碳化板的上方用于膨化秸稈顆粒滾動(dòng)，碳化板的下方設(shè)置有噴火頭，以噴出火焰灼燒滾動(dòng)的膨化秸稈顆粒的表面；冷卻機(jī)構(gòu)包括第一引導(dǎo)板，第一引導(dǎo)板上同樣設(shè)置有若干通孔，以使得碳化顆粒在第一引導(dǎo)板上滾動(dòng)時(shí)，第一引導(dǎo)板下方的噴液頭能夠噴出冷卻液以降低碳化顆粒的溫度；菌劑添加機(jī)構(gòu)包括第二引導(dǎo)板，第二引導(dǎo)板與第一引導(dǎo)板的結(jié)構(gòu)類似，當(dāng)降溫后的碳化顆粒在第二引導(dǎo)板上滾動(dòng)時(shí)，第二引導(dǎo)板下方的菌劑噴頭向降溫后的碳化顆粒噴灑菌劑，最終得到負(fù)載有菌劑的碳化顆粒。

35、進(jìn)一步地，所述間接碳化裝置與預(yù)處理裝置之間連接有回流管道。秸稈顆粒在經(jīng)過擠壓破壁裝置、微波破壁裝置處理后，處理過程中產(chǎn)生的高溫氣體攜帶著一定量的水分，最終進(jìn)入至碳化裝置中，本技術(shù)方案中，在間接碳化裝置和預(yù)處理裝置之間設(shè)置回流管道，可以通過鼓風(fēng)機(jī)將間接碳化裝置中的部分高溫氣體經(jīng)回流管道重新引入至預(yù)處理裝置中，對預(yù)處理裝置中的秸稈顆粒進(jìn)行加溫和加濕，提高了熱量和水分的利用效率，有效地降低了系統(tǒng)的能耗。

36、進(jìn)一步地，還包括鼓風(fēng)機(jī)，所述鼓風(fēng)機(jī)用于向所述第二傳送裝置內(nèi)輸送氣流。本技術(shù)方案中，鼓風(fēng)機(jī)通過連通至第二傳送裝置內(nèi)部的管道向第二裝置內(nèi)輸送氣流，利用氣流吹掃在第二傳送裝置內(nèi)移動(dòng)的膨化秸稈顆粒，以減少膨化秸稈顆粒表面的水分和殘?jiān)苊舛嘤嗟乃衷黾犹蓟芎?、延長碳化時(shí)間，有利于提高膨化秸稈顆粒后續(xù)的碳化效果。同時(shí)，這部分水分也可以經(jīng)回流管道再次輸送至預(yù)處理裝置中，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的能耗。

37、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

38、1、本發(fā)明采用先破壁膨化再碳化表面的間接碳化方式能夠顯著地降低碳化時(shí)所消耗的能量、縮短秸稈的處理時(shí)間，有利于大面積土壤的秸稈碳化還田處理；

39、2、本發(fā)明間接碳化得到的碳化顆粒僅表面被碳化，故能夠?yàn)橥寥捞峁┳銐虻纳镔|(zhì)炭，但不必因生物質(zhì)炭超出土壤承載能力而運(yùn)出田間部分碳化顆粒，同時(shí)，碳化顆粒還很好地保留了秸稈中的營養(yǎng)物質(zhì)，膨化形成的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)還有利于被微生物分解，為提高秸稈的利用率和加速秸稈在田間的分解創(chuàng)造了條件；

40、3、本發(fā)明通過對秸稈顆粒進(jìn)行加溫，能夠使秸稈顆粒在擠壓破壁工序中更易被破壞，并且減少微波破壁的能耗，而通過對秸稈顆粒進(jìn)行加濕，有利于秸稈顆粒表皮在后續(xù)的擠壓破壁工序中被破壞，促進(jìn)微波破壁工序中秸稈顆粒的膨化，同時(shí)，秸稈顆粒內(nèi)部的水分增加將有效地加強(qiáng)微波破壁工序中秸稈顆粒內(nèi)外的泵送效應(yīng)，使得秸稈顆粒更易膨化，進(jìn)一步提高膨化秸稈顆粒的處理效率；

41、4、本發(fā)明在碳化所述膨化秸稈顆粒表面前利用氣流吹掃所述膨化秸稈顆粒，能夠進(jìn)一步減少膨化秸稈顆粒的水分和殘?jiān)绕涫桥蚧斩掝w粒表面的水分，進(jìn)而使得在后續(xù)的火焰碳化過程中，膨化秸稈顆粒的表面能夠更易被碳化，碳化的能耗更低；

42、5、本發(fā)明提供了一種土壤改良系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用擠壓破壁裝置、微波破壁裝置和間接碳化裝置原位處理采集到的秸稈，進(jìn)而得到的表面碳化、內(nèi)部具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的間接碳化的顆粒，不僅能夠滿足土壤對生物質(zhì)炭的需求，而且還能夠?yàn)橥寥捞峁└嘟斩挼臓I養(yǎng)物質(zhì)，改良土壤結(jié)構(gòu)。