本发明涉及热解干馏技术及能源环保技术领域，具体涉及一种自维持式生物质热解干馏装置及方法。
背景技术：
随着经济的发展，人们在生产和劳动中不可避免的制造了大量的农林废弃物，如木屑、树叶、农作物秸秆等，如果放任不管势必会造成资源的极大浪费，同时也会对环境带来负担。生物质热解是指将生物质（一般指农林废弃物）在隔绝空气的条件下加热到一定的温度，使生物质热解成木炭、热解油和热解气的过程。生物质热解作为一种高效化、高值化处理农林废弃物的有效方式，最初的目的是将废弃的生物质资源更好地利用并转化为有用物质。目前对于热解产物中木炭以及热解油中木醋液的应用研究十分广泛，其中，木炭可用作生物质颗粒燃料、改良活性炭等；同时，木醋液对促进农作物生长及抑菌杀菌方面效果显著。然而，尽管热解气中含有大量的一氧化碳（co）、氢气（h2）、甲烷（ch4）和不饱和碳氢化合物（cnhm）等可燃组分，且具有热值高、绿色环保无污染等优点，是一种极具前景的生物质燃气，但目前对热解气的应用研究仍较少。一方面，由于不同原料热解过程中产生的热解气成分复杂，分离提纯困难，利用范围不广泛；另一方面，对于小型的间歇式热解干馏装置，产生的热解气总量相对较少，利用率不高。
目前，大多数的热解干馏装置的热源主要来自电能或者燃料燃烧所获得的热量，这一方面加剧目前能源紧张的局势，另一方面煤炭等燃料的燃烧对环境造成一定的污染。因此，充分利用生物质热解的热解气作为热源燃料，来缓解现有不可再生能源或高品质能源的消耗以及对开发利用一些潜在绿色低碳的新能源具有积极意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种自维持式生物质热解干馏装置及方法，该装置具有结构简单、可操作性强及进出料方便快捷等优点，同时对热解过程中产生的固体炭、热解油以及热解气分别独立收集，通过将热解气导入气体燃烧室燃烧为热解干馏过程提供热源，实现了热解气的高效化利用。
本发明的技术方案：
一种自维持式生物质热解干馏装置，包括进料装置、热解筒、加热装置、气液分离装置和出料装置；
所述进料装置包括进料斗、进料筒和旋转进料阀，所述进料筒的上端安装在进料斗的底部，下端安装在热解筒的顶部，所述旋转进料阀安装在进料筒的中间；
所述热解筒顶端连接进料筒、第一管道和n2排出管道；
所述加热装置包括气体燃烧室和气体燃烧器，所述气体燃烧室围绕在热解筒周围，且外壁设有防火层，所述气体燃烧器安装在气体燃烧室的右下方，同时，在气体燃烧室顶部上安装热电偶；
所述气液分离装置包括冷凝装置、液体收集装置和热解气收集装置，所述冷凝装置由冷凝器、冷水进口管和热水出口管组成，所述液体收集装置包括排油孔和热解油收集装置，所述排油孔位于冷凝器的下方，所述热解油收集装置位于排油孔下方，且在底部设有热解油出料管和第三阀门；
所述热解气收集装置包括热解挥发产物进口、热解气出口和储气罐，所述热解挥发产物进口位于气液分离装置的上端，另一端通过第一三通阀门、热解挥发产物管道与热解筒上端的热解挥发产物出口连接，其中，所述热解挥发产物管道由第一管道和第二管道组成，所述热解气出口位于气液分离装置的左上端，所述储气罐的上端与热解气出口通过第二三通阀门、第三管道和第四管道连接，且第二三通阀门的另一管道接可燃气进口和第二阀门，下端通过第五关管道和第四阀门与气体燃烧器连接；
所述出料装置包括旋转卸料阀、出料斗、固体收集装置和出料口，所述旋转卸料阀位于热解筒的下端，所述出料斗上下端分别连接热解筒和固体收集装置，且固体收集装置底部设有固体出料口，方便出料。
所述热解筒的内径小于气体燃烧室的内径，作为优选，内径差取1~3cm；
所述热解筒的筒高大于气体燃烧室的筒高，且在筒顶对齐，作为优选，筒底差取5~8cm；
所述储气罐中的气体通过第五管道和第四阀门经气体燃烧器进入气体燃烧室，当热解装置产生的热解气不足以维持热解装置的正常运行时，应将第二三通阀门连接第四管道与可燃气进口，开启第二阀门，通过补充适量的可燃气来维持系统正常运行；
进一步，所有阀门及管口连接处均密封；
作为优选，所述热解筒、气体燃烧室、气液分离装置和一系列管道，均采用不锈钢板。
一种利用所述自维持式生物质热解干馏装置的生物质热解干馏方法：
所述方法主要分为三个阶段，下面分别进行说明：
（一）启动阶段：开启旋转进料阀，关闭旋转卸料阀，将风干并切碎至5cm左右的农林废弃枝条从进料装置的进料斗通过进料筒送入热解筒，待热解筒装满时关闭旋转进料阀；随后开启第一阀门，通过第一三通阀门连接第一管道和n2进口管道，从n2进口通入氮气，以便排出热解筒中的空气，氮气从n2排出管道排出；氮气通入2min后，关闭第一阀门，并将第一三通阀门切换至第一管道和第二管道；接下来，通过第二三通阀门连接第四管道和可燃气进口管道，从可燃气进口向储气罐通入适量的可燃气，然后开启第四阀门，启动气体燃烧器，可燃气在气体燃烧室内燃烧为热解筒提供热量，热解装置正式启动，实验期间，每隔10min记录热电偶的温度，方便实时观测热解过程中温度及其变化速率。
（二）运行阶段：待热电偶指示温度达90℃左右时，表明已完成启动并进入运行阶段，此时，将第二三通阀门切换至连接第三管道和第四管道，同时，向进料筒中装入少量的农林废弃枝条，利用热解过程中产生的余热对农林废弃枝条进行预热；随后，农林废弃枝条通过热解干馏过程开始产生热解挥发蒸汽，热解挥发蒸汽从热解筒上的热解挥发产物出口通过热解挥发产物管道从热解挥发产物进口进入气液分离装置中，与冷凝器进行换热，其中，冷水从冷水进口进入冷凝器后从热水出口流出。同时，可冷凝的气体液化形成的热解油通过排油孔进入热解油收集装置，不可冷凝的气体即热解气通过热解气出口进入储气罐中，从而和剩余的可燃气混合后通过气体燃烧器进入气体燃烧室内燃烧为热解筒热解干馏提供热量。
（三）结束阶段：当热解温度达到预期设定的温度时，关闭第四阀门，暂停气体燃烧器，待热解筒温度冷却至一定温度时，开启旋转卸料阀，将固体产物通过固体出料斗排卸至固体收集装置中，待冷却彻底后从固体出料口取出。同时，热解过程中获得的热解油收集在热解油收集装置中，可以通过开启第三阀门，将热解油从热解油出料口取出。此外，关闭第二阀门，通过第二三通阀门连接第四管道和可燃气进口管道，将剩余的热解气存储在储气罐中，可供下一次实验使用，从而大大减少最初可燃气的使用量，提高热解气的利用率。
所述储气罐中的气体通过第五管道和第四阀门经气体燃烧器进入气体燃烧室，当热解装置产生的热解气不足以维持热解装置的正常运行时，应将第二三通阀门连接第四管道与可燃气进口管道，通过补充适量的可燃气来维持系统正常运行；
至此，一种自维持式生物质热解干馏装置的热解方法就此完成。
本发明的有益效果：
(1)本发明实现了热解装置的自维持运行和热解气的高效利用。装置开始运行前期，将第二三通阀门连接第四管道与可燃气进口管道，从可燃气进口向储气罐中注入适量的可燃气体，装置开始运行后，当有热解气产生时，将第二三通阀门切换至第四管道与第三管道，由热解装置本身产生的热解气在气体燃烧室内燃烧为热解装置的运行提供热量，实现了热解气的高效化利用，提供一种自维持的生物质热解装置及方法。同时，气液分离装置的设计，使热解气和热解油分开收集，有利于进一步研究两者在不同工艺参数条件下的差异，对生物质热解过程的参数优化有着重大意义，从而更好地实现生物质的高效和高值化利用。
(2)本发明提供的装置，结构简单紧凑，操作灵活，进出料方便，改善了传统热解装置存在的能源浪费和连续生产困难等缺点，实现了热解气的高效化利用；同时，在关闭旋转进料阀后，向进料筒和进料斗中装入适量的原料，一方面，有利于热解筒的进一步密封，另一方面，可以利用热解过程中产生的余热对原料进行预热，极大的减少了能源的浪费，对农林废弃物的高效转化有着重要的意义。
附图说明
图1是本发明的自维持式生物质热解干馏装置的结构示意图
图中：1.固体出料口，2.固体收集装置，3.固体出料斗，4.旋转卸料阀，5.热解筒，6.气体燃烧室，7.n2排出管道，8.第一阀门，9.旋转进料阀，10.进料筒，11.进料斗，12.热解挥发产物出口，13.第一管道，14.n2进口，15.第一三通阀门，16.第二管道，17.第四管道，18.可燃气进口，19.第二阀门，20.第二三通阀门，21.第三管道，22.热解气出口，23.热解挥发产物进口，24.冷凝器，25.热水出口，26.气液分离装置，27.冷水进口，28.排油孔，29.热解油收集装置，30.第三阀门，31.热解油出料管，32.储气罐，33.第四阀门，34.气体燃烧器，35.热电偶。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例一：
一种自维持式生物质热解干馏装置，包括进料装置、热解筒（5）、加热装置、气液分离装置（26）和出料装置；
所述进料装置包括进料斗（11）、进料筒（10）和旋转进料阀（9），所述进料筒（10）的上端安装在进料斗（11）的底部，下端安装在热解筒（5）的顶部，所述旋转进料阀（9）安装在进料筒（10）的中间；
所述热解筒（5）顶端连接进料筒（10）、第一管道（13）和n2排出管道（7）；
所述加热装置包括气体燃烧室（6）和气体燃烧器（35），所述气体燃烧室（6）围绕在热解筒（5）周围，且外壁设有防火层，所述气体燃烧器（35）安装在气体燃烧室（6）的右下方，同时，在气体燃烧室（6）顶部上安装热电偶（36）；
所述气液分离装置（26）包括冷凝装置、液体收集装置和热解气收集装置；所述冷凝装置由冷凝器（24）、冷水进口管（27）和热水出口管（25）组成；所述液体收集装置包括排油孔（28）和热解油收集装置（29），所述排油孔（28）位于冷凝器（24）的下方，所述热解油收集装置（29）位于排油孔（28）下方，且在底部设有热解油出料管（31）和第三阀门（30）；
所述热解气收集装置包括热解挥发产物进口（23）、热解气出口（22）和储气罐（32），所述热解挥发产物进口（23）位于气液分离装置（26）的上端，另一端通过第一三通阀门（15）、第一管道（13）和第二管道（16）与热解筒（5）上端的热解挥发产物出口（12）连接，所述热解气出口（22）位于气液分离装置（26）的左上端，所述储气罐（32）的上端与热解气出口（22）通过第二三通阀门（20）、第三管道（21）和第四管道（17）连接，且第二三通阀门（20）的另一管道接可燃气进口（18）和第二阀门（19），下端通过第五管道（34）和第四阀门（33）与气体燃烧器（35）连接；
所述出料装置包括旋转卸料阀（4）、固体出料斗（3）、固体收集装置（3）和固体出料口（1），所述旋转卸料阀（4）位于热解筒（5）的下端，所述固体出料斗（3）上下端分别连接热解筒（5）和固体收集装置（3），且固体收集装置（3）底部设有固体出料口（1），方便出料。
所述热解筒（5）的内径小于气体燃烧室（6）的内径，作为优选，内径差取1~3cm；
所述热解筒（5）的筒高大于气体燃烧室（6）的筒高，且在筒顶对齐，作为优选，筒底差取5~8cm；
所述储气罐（32）中的气体通过第五管道（34）和第四阀门（33）经气体燃烧器（35）进入气体燃烧室（6），当热解装置产生的热解气不足以维持热解装置的正常运行时，应将第二三通阀门（20）连接第四管道（17）与可燃气进口（18）管道，开启第二阀门（19），通过补充适量的可燃气来维持系统正常运行；
进一步，所有阀门及管口连接处均密封；
作为优选，所述热解筒（5）、气体燃烧室（6）、气液分离装置（26）和一系列管道，均采用不锈钢板。
实施例二：
一种利用所述自维持式生物质热解干馏装置的生物质热解干馏方法（以农林废弃枝条为原料）：
（一）启动阶段：开启旋转进料阀（9），关闭旋转卸料阀（4），将风干并切碎至5cm左右的农林废弃枝条从进料装置的进料斗（11）通过进料筒（10）送进热解筒（5），待热解筒（5）装满时关闭旋转进料阀（9）；随后开启第一阀门（8），并将第一三通阀门（15）连接第一管道（13）和n2进口（14）管道，从n2进口（14）通入氮气，以便排出热解筒（5）中的空气，氮气从n2排出管道（7）排出；氮气通入2min后，关闭第一阀门（8），并将第一三通阀门（15）切换至第一管道（13）和第二管道（16）；接下来，通过第二三通阀门（20）连接第四管道（17）和可燃气进口（18）管道，从可燃气进口（18）向储气罐（32）通入适量的可燃气，然后开启第四阀门（33），启动气体燃烧器（35），可燃气在气体燃烧室（6）内燃烧为热解筒（5）提供热量，热解装置正式启动，实验期间，每隔10min记录热电偶（36）的温度，方便实时观测热解过程中温度及其变化速率。
（二）运行阶段：待热电偶指示温度达90℃左右时，表明已完成启动并进入运行阶段，此时，将第二三通阀门（20）切换至连接第三管道（21）和第四管道（17），同时，向进料筒（10）中装入少量的农林废弃枝条，利用热解过程中产生的余热对农林废弃枝条进行预热；随后，农林废弃枝条通过热解干馏过程开始产生热解挥发蒸汽，热解挥发蒸汽从热解筒上的热解挥发产物出口通过热解挥发产物管道从热解挥发产物进口（23）进入气液分离装置（26）中，与冷凝器（24）进行换热，其中，冷水从冷水进口（27）进入冷凝器（24）后从热水出口（25）流出。同时，可冷凝的气体液化形成的热解油通过排油孔（28）进入热解油收集装置（29），不可冷凝的气体即热解气通过热解气出口（22）进入储气罐（32）中，从而和剩余的可燃气混合后通过气体燃烧器（35）进入气体燃烧室（6）内燃烧为热解筒（5）热解干馏提供热量。
（三）结束阶段：当热解温度达到预期设定的温度时，关闭第四阀门（33），暂停气体燃烧器（35），待热解筒（5）温度冷却至一定温度时，开启旋转卸料阀（4），将固体产物通过固体出料斗（3）排卸至固体收集装置（2）中，待冷却彻底后从固体出料口（1）取出。同时，热解过程中获得的热解油收集在热解油收集装置（29）中，可以通过开启第三阀门（30），将热解油从热解油出料管（31）取出。此外，关闭第二阀门（19），通过第二三通阀门（20）连接第四管道（17）和可燃气进口（18）管道，将剩余的热解气存储在储气罐（32）中，可供下一次实验使用，从而大大减少最初可燃气的使用量，提高热解气的利用率。
需注意的是，所述储气罐（32）中的气体通过管道和第四阀门（33）经气体燃烧器（35）进入气体燃烧室（6），当热解装置产生的热解气不足以维持热解装置的正常运行时，应将第二三通阀门（20）连接第四管道（17）与可燃气进口（18）管道，通过补充适量的可燃气来维持系统正常运行。
至此，一种自维持式生物质热解干馏装置的热解方法就此完成。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。