CN103146403A - 能量自给的生物质热解***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量自给的生物质热解***和方法。所述生物质热解***包括：进料装置；热解装置，所述热解装置与进料装置相连以将生物质原料进行热解；分离冷却装置，所述分离冷却装置与热解装置相连以接收并分离热解装置输出的焦炭和热解气；空气烟气组件，所述空气烟气组件与分离冷却装置相连以将所述热解气和预热后的空气燃烧并分别反馈至进料装置和所述热解装置中；发电动力组件，所述发电动力组件与空气烟气组件相连以将所述热解气和预热后的空气燃烧的热量转换成机械能且补充所述热解装置、分离冷却装置的动力源。根据本发明的生物质热解***，梯级利用生物质热解气体产物的能量，具有能量自给、成本低等优点。

Description

能量自给的生物质热解***和方法

技术领域

本发明涉及生物质热解利用技术领域，尤其是涉及一种能量自给的生物质热解***和方法。

背景技术

我国有14.8亿亩盐碱地资源。开发利用荒废的盐碱地种植作物和能源植物，可充分利用现有国土资源，对实现农村经济、社会、生态效益统一发展具有重要的战略意义。在现有的盐碱地治理技术中，利用生物质焦炭进行盐碱地改良和利用台田洗盐结合盐碱水微藻养殖是既可治理盐碱地、又可开发利用生物质能源资源的有效途径。但要实现这两种技术，物质焦炭生产和微藻生长所需的碳营养源是两个亟需解决的主要问题。

生物质热解制取生物质焦炭和生物质油的常规方法。通常情况下，生物质热解是在无氧或缺氧的惰性气氛下加热到一定温度下分解生成气液固态产物如生物质焦炭、生物质油及不冷凝气体等。根据生物质在热解过程中加热速率的不同，可分为慢速热解、快速热解和闪速热解。快速热解和闪速热解因加热速率高而气态中间产物冷凝迅速，是常用的生物质制油方法。虽然快速热解也副产一定量的生物质焦，慢速热解则产生更多的生物质焦炭。在这些热解过程中，生物质油都是在热解产物冷凝后形成的，在高温下则是与不冷凝气混合的中间产物。

目前已开发出多种热解工艺和装置，其中不少用于生产生物质焦炭，如发明专利CN102032553A公开了一种回转式热解炭化和锅炉供热一体化设备，专利CN101967386A公开了一种圆柱形自燃式生物质焦生产炉，专利CN102226092A公开了一种外加热螺旋推进低温热解炭化方法和设备，专利CN101899311A公开了一种由内烟筒加热的旋转炉体炭化炉，等等。现有的生物质热解工艺和装置都需要额外的电力输入以带动设备转动和引风机鼓风机的运转，无法实现能量自给运行，因此不适宜靠近田间地头使用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能量自给的生物质热解***。

本发明的另一个目的在于提出一种采用上述生物质热解***的生物质热解方法。

根据本发明第一方面实施例的生物质热解***，包括：进料装置，所述进料装置用于输入生物质原料；热解装置，所述热解装置与所述进料装置相连以将所述生物质原料进行热解；分离冷却装置，所述分离冷却装置与所述热解装置相连以接收并分离所述热解装置输出的焦炭和热解气；空气烟气组件，所述空气烟气组件与所述分离冷却装置相连以将所述热解气和预热后的空气燃烧并分别反馈至所述进料装置和所述热解装置中；发电动力组件，所述发电动力组件与所述空气烟气组件相连以将所述热解气和预热后的空气燃烧的热量转换成机械能且补充所述热解装置、分离冷却装置的动力源。

根据本发明实施例生物质热解***，梯级利用生物质热解气体产物的能量，具有能量自给、成本低等优点。本发明的装置利用发电动力组件将热解气和预热后的空气燃烧的热量转换成机械能且补充热解装置、分离冷却装置的动力源，效率高，可同时生产出生物质焦炭、电能和含CO₂烟气作为微藻生长的无机碳营养源。

另外，根据本发明的生物质热解***还具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述进料装置包括：用于输入生物质原料的进料仓；落料仓，所述落料仓位于所述进料仓的底部，所述落料仓内设有往复推进结构以对所述生物质原料连续给料；和进料室，所述进料室与所述落料仓连接以接收所述落料仓输送的生物质原料，其中所述进料室设有与所述空气烟气组件连通的低温烟气入口。

优选地，所述进料仓和所述落料仓之间具有可枢转的隔板。

根据本发明的一个实施例，所述热解装置包括：内炉筒，所述内炉筒可绕其轴向旋转，所述内炉筒的炉头与所述进料室密封连接；外炉筒，所述外炉筒同轴地套设在所述内炉筒的外部且与内炉筒通过衬环密封，所述外炉筒固定安装，外炉筒炉尾处设有高温烟气入口且炉头处设有废烟气出口。。

可选地，所述内炉筒的炉头通过转动衬环与所述进料室密封连接。

可选地，所述内炉筒被构造成其中心轴线沿从炉头向炉尾的方向向下倾斜延伸。

优选地，所述内炉筒的炉头与炉尾之间的高度差H与所述内炉筒的内径d的关系为：H/d=0.1-1.5。

优选地，所述内炉筒沿其轴向的长度L与其内径d的关系为：L/d=5-15。

进一步地，所述内炉筒的内壁上设有多条沿径向凸出的肋片，所述肋片沿径向凸出的高度h与所述内炉筒的内径d的关系为：h/d=1/15-1/5，且所述肋片的长度延伸方向与所述内炉筒的中心轴线之间的夹角为0-60°。

优选地，所述多条肋片包括沿所述内炉筒内壁的周向均匀布置的3-12条肋片。

优选地，所述外炉筒的内壁与所述内炉筒的外壁之间的间隙s与所述内炉筒的内径d的关系为：s/d=1/12-1/5。

进一步地，所述热解装置还包括：齿轮，所述齿轮套设在所述内炉筒的两端，其中所述内炉筒由齿轮传动驱动旋转。

根据本发明的一个实施例，所述分离冷却装置包括：冷却上段，所述冷却上段内限定出冷却上腔室，所述冷却上腔室与所述内炉筒的炉尾密封连接，且所述冷却上腔室的顶部形成有热解气出口；冷却下段，所述冷却下段设在所述冷却上段的底部且限定出与所述冷却上腔室连通的冷却下腔室，所述冷却下腔室的底部形成有焦炭出口；以及冷却换热器，所述冷却换热器设在所述冷却下腔室内。

可选地，所述冷却上腔室形成为矩形体，所述冷却下腔室的底部的横截面形成为倒截锥形。

根据本发明的一个实施例，所述空气烟气组件包括：第一风机，所述第一风机与所述冷却换热器连通；燃烧室，所述燃烧室通过热解气管道与所述冷却上腔室的热解气出口连通以接收热解气，且所述燃烧室通过第一管道与所述冷却换热器连通；高温换热器，所述高温换热器设在所述燃烧室的下游以接收所述燃烧室燃烧后的高温烟气并对高温烟气进行换热；以及烟气分流器，所述烟气分流器与所述高温换热器连接且将所述高温烟气分流成两路烟气，第一路烟气在高温换热器中换热后温度降低至500-700℃，第二路烟气在高温换热器中换热后温度降低至150-250℃，所述第一路烟气通入所述外炉筒内，且所述第二路烟气通入到所述进料室内。

进一步地，所述空气烟气组件还包括：第二风机，所述第二风机连接在所述高温换热器和所述进料室之间。

进一步地，所述空气烟气组件还包括：第三风机，所述第三风机与所述外炉筒的所述废烟气出口连接以将所述外炉筒和所述内炉筒之间的第一路烟气排出。

根据本发明的一个实施例，所述发电动力组件包括：斯特林发动机，其中所述高温换热器位于所述斯特林发动机的热端，所述斯特林发动机将所述热解气和预热后的空气燃烧的热量转换成机械能；低温换热器，所述低温换热器设在所述斯特林发动机的冷端，所述低温换热器通过第二管道与所述第一风机连通；发电机，所述发电机通过传动机构与所述斯特林发动机相连，且所述发电机对所述第一风机、所述第二风机、所述第二风机以及所述热解装置提供动力。

进一步地，所述发电动力组件还包括：蓄电池，所述蓄电池与所述发电机相连用于储存富余电能。

根据本发明的生物质热解***，具有以下优点：

1、可以梯级利用生物质热解气燃烧后释放的能量，提高工艺***的热利用率和热功转换效率。具体地，利用斯特林发动机回收高温烟气且其中的高品位热能用于发电，从而使生物质热解无需依靠外部能量输入；高温烟气的中品位热能用于生物质热解的加热，而热解生成的焦炭余热和斯特林发动机冷端释放的低品位热能用于预热空气。

2．热解装置由内外炉筒构成，生物质既通过外炉筒内的高温烟气逆流加热,同时在进料室和内炉筒内又有低温烟气起到顺流携带和加热作用，低温烟气一方面可在热解过程中作为保护气；另一方面，少量的氧气可在中高温段与热解产物发生氧化反应，进一步提高热解温度。

3．经过热解，生物质中含有的灰分基本上都富集在生物质焦炭中，热解气态中间产物燃烧产生的烟气基本上没有污染物，因其含有适量的二氧化碳，适当净化后即可用作盐碱地台田水面的微藻养殖的碳营养源。

根据本发明第二方面实施例的能量自给的生物质热解方法，采用根据本发明第一方面实施例所述的能量自给的生物质热解***，其中，所述生物质热解方法包括以下步骤：

S1、将生物质原料加入进料装置内；

S2、所述生物质原料在含2-3%氧气的150-250℃低温烟气顺流携带保护下进入热解装置，在500-700℃高温烟气外部逆流加热下、升温至400-600℃温度下热解以形成焦炭和含焦油气态产物；

S3、步骤S2中得到的所述焦炭与空气间接换热后冷却收集；

S4、步骤S3中的换热后的空气与所述步骤S2中的热解气反应并完全燃烧，形成高温烟气；

S5、步骤S5中的高温烟气分流成第一路和第二路烟气，分别在高温换热器中冷却至500-700℃和150-250℃，所述第一路烟气和所述第二路烟气返回用于步骤S2中。

步骤S2中，所述生物质原料在热解装置内停留时间30s-5min。

步骤S3中，所述焦炭与所述空气间接换热后冷却至40-80℃并收集。

步骤S3中，所述换热后的空气温度为100-200℃。

步骤S2和S3之间，还包括步骤S21：500-700℃高温烟气在逆流加热后温度降低至120-150℃，净化冷却。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明第一方面实施例的生物质热解***的示意图；

图2是图1中A-A向剖视图；

图3是图2中B-B向剖视图；

图4是根据本发明第二方面实施例的生物质热解方法的示意图。

附图标记：

100、进料装置；

110、进料仓；120、落料仓；121、往复推进机构；

130、进料室；131、低温烟气入口；140、隔板；

200、热解装置；

210、内炉筒；211、肋片；220、外炉筒；230、齿轮；

300、分离冷却装置；

310、冷却上段；311、冷却上腔室；3111、热解气出口；

320、冷却下段；321、冷却下腔室；3211、焦炭出口；

330、冷却换热器

400、空气烟气组件；

410、第一风机；420、燃烧室；421、热解气管道；422、第一管道；

430、高温换热器；440、烟气分流器；450、第二风机；460、第三风机；

500、发电动力组件；

510、斯特林发动机；520、低温换热器；521、第二管道；

530、发电机；540、传动机构

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1-图3描述根据本发明第一方面实施例的生物质热解***。

如图1所示，根据本发明实施例的能量自给的生物质热解***，包括：进料装置100、热解装置200、分离冷却装置300、空气烟气组件400和发电动力组件500。

进料装置100用于输入生物质原料，生物质原料为生物质经收集和简单处理，得到的尺寸在5-10cm以下的原料，其中，生物质可以包括能源植物（如柳枝稷、紫穗槐、沙柳和茅草等）、农业剩余物（如作物秸秆、果壳果皮等）以及林业剩余物（锯末、枝叶、树皮等）。

热解装置200与进料装置100相连以将生物质原料进行热解，分离冷却装置300与热解装置200相连以接收并分离热解装置200输出的焦炭和热解气。空气烟气组件400与分离冷却装置300相连以将热解气和预热后的空气燃烧并分别反馈至进料装置100和热解装置200中。发电动力组件500与空气烟气组件400相连以将热解气和预热后的空气燃烧的热量转换成机械能且补充热解装置200、分离冷却装置300的动力源。

根据本发明实施例生物质热解***，梯级利用生物质热解气体产物的能量，具有能量自给、成本低等优点。本发明的装置利用发电动力组件500将热解气和预热后的空气燃烧的热量转换成机械能且补充热解装置200、分离冷却装置300的动力源，效率高，可同时生产出生物质焦炭和电能。

根据本发明的一个实施例，进料装置100包括：进料仓110、落料仓120和进料室130。进料仓110用于输入生物质原料，例如进料仓110可被构造成从上到下横截面逐渐减小的漏斗形状，以便生物质原料可容易地进入。可选地，如图1所示，进料仓110的横截面形成为矩形形状。落料仓120位于进料仓110的底部，落料仓120内设有往复推进结构121以对生物质原料连续给料，其中本领域内普通技术人员对用于连续给料的往复推进结构121的结构已经熟知，在此不再详细描述。优选地，进料仓110和落料仓120之间具有可枢转的隔板140。由此可防止烟气从进料仓110反窜出。

进料室130与落料仓120连接以接收落料仓120输送的生物质原料，其中进料室130设有与空气烟气组件400连通的低温烟气入口131，由此，可以将空气烟气组件400中的一部分低温烟气从进料室130通入热解装置200中作为生物质原料热解时的保护气。可选地，低温烟气入口131的数量可以为1-6个。

由于在落料仓120内装有往复推进机构121，因此生物质原料无需粉碎，只需粗略切割，即可放入进料仓110内，在重力作用下进入落料仓120后即由往复推进机构121送入进料室130内。

如图1所示，热解装置200包括：内炉筒210和外炉筒220，内炉筒210可绕其轴向旋转，内炉筒210的炉头与进料室130密封连接，外炉筒220同轴地套设在内炉筒210的外部且与内炉筒210通过衬环（图未示出）密封，外炉筒220固定安装，外炉筒220的炉尾处设有高温烟气入口且炉头处设有废烟气出口。其中内炉筒210的炉头（即在如图1中的右端位置）通过转动衬环与进料室130密封连接。在本发明一些可选实施例中，内炉筒210被构造成其中心轴线沿从炉头向炉尾的方向向下倾斜延伸，也就是说，内炉筒210的炉头高于其炉尾（即在如图1中的左端位置）。优选地，内炉筒210的炉头与炉尾之间的高度差H与内炉筒210的内径d的关系为：H/d=0.1-1.5。另外，在一些优选的示例中，内炉筒210沿其轴向的长度L与其内径d的关系为：L/d=5-15。

根据本发明的一些示例，如图2和图3所示，内炉筒210的内壁上设有多条沿径向凸出的肋片211，肋片211沿径向凸出的高度h与内炉筒210的内径d的关系为：h/d=1/15-1/5，且肋片211的长度延伸方向与内炉筒210的中心轴线之间的夹角θ为0-60°。优选地，多条肋片211包括沿内炉筒210内壁的周向均匀布置的3-12条肋片211。进一步地，在如图1所示的示例中，外炉筒220的内壁与内炉筒210的外壁之间的间隙s与内炉筒210的内径d的关系为：s/d=1/12-1/5。

可选地，热解装置200还包括齿轮230，齿轮230套设在内炉筒210的两端，其中内炉筒210由齿轮传动驱动旋转，由此外炉筒210也会随之旋转。

如图1所示，分离冷却装置300包括冷却上段310、冷却下段320和冷却换热器330。具体地，冷却上段310内限定出冷却上腔室3211，冷却上腔室3211与内炉筒210的炉尾密封连接，可选地，如图1所示，冷却上腔室3211形成为矩形体。冷却上腔室3211的顶部形成有热解气出口3111，以将从内炉筒210的炉尾输出的热解气排出。冷却下段320设在冷却上段310的底部且限定出与冷却上腔室3211连通的冷却下腔室321，可选地，冷却下腔室321的底部的横截面形成为倒截锥形。冷却下腔室321的底部形成有焦炭出口3211。冷却换热器330设在冷却下腔室321内。

在工作时，内炉筒210的炉尾输出反应后的包含生物质焦炭和热解气的含焦油气态产物，其中生物质焦炭在重力作用下落入到冷却下腔室321内，与冷却换热器330接触换热，将热量传递给冷却换热器330内的冷却空气，焦炭温度降低至40-90℃后从焦炭出口3211排出收集。而在内炉筒210的炉尾处的表压为-20Pa至-100Pa，热解气在负压作用下从热解气出口3111排出。

根据本发明的一些实施例中，空气烟气组件400包括：第一风机410、燃烧室420、高温换热器430和烟气分流器440。如图1所示，第一风机410与冷却换热器330连通。燃烧室420通过热解气管道421与冷却上腔室3211的热解气出口3111连通以接收热解气，且燃烧室420通过第一管道422与冷却换热器330连通以接收从冷热换热器330换热后的空气。高温换热器430设在燃烧室420的下游以接收燃烧室420燃烧后的高温烟气并对高温烟气进行换热。烟气分流器440与高温换热器430连接且将高温烟气分流成两路烟气，第一路在换热器中降温至500-700℃，第二路在换热器中降温至150-250℃，第一路烟气通入外炉筒220内，且第二路烟气通入到进料室130内。进一步地，空气烟气组件400还包括：第二风机450和第三风机460，第二风机450连接在高温换热器430和进料室130之间，第三风机460与外炉筒220的废烟气出口连接以向外炉筒220和内炉筒210之间的第一路烟气排出。

具体地，在工作时，从热解气管道421通入的热解气和第一管道422通入的预热空气在燃烧室420内完全燃烧，形成700-900℃的高温烟气（过量氧气量为2-3%）。高温烟气随后进入高温换热器430内，其中50-80%的烟气即第一路烟气从700-900℃降温到500-700℃后由烟气分流器440分流，进入热解装置200的外炉筒220内，通过逆流换热加热内炉筒210，在第三风机460的作用下离开热解装置。其余20-50%的烟气即第二路烟气在高温换热器430内降温至150-250℃后经第二风机450进入与热解装置200相连的进料室130内，以用作生物质原料热解时的保护气。

在本发明的进一步的实施例中，发电动力组件500包括：斯特林发动机510、低温换热器520和发电机530。其中高温换热器430位于斯特林发动机510的热端，斯特林发动机510将热解气和预热后的空气燃烧的热量转换成机械能，低温换热器520设在斯特林发动机510的冷端，低温换热器520通过第二管道521与第一风机410连通，发电机530通过传动机构540与斯特林发动机510相连，且发电机530对第一风机410、第二风机450、第三风机460以及热解装置200的齿轮230提供动力。可选地，发电动力组件500还包括蓄电池（图未示出），蓄电池与发电机530相连。具体地，斯特林发动机510采用氦气或空气为工质，通过高温换热器430吸收高温烟气的热量，将高温烟气的热能转换为机械能，通过传动机构540推动发电机530将机械能转换为电能，为多个风机和热解装置200的内炉筒210的齿轮230提供动力，而富余的电能储存在蓄电池中。

下面将参考图1描述根据本发明实施例的能量自给的生物质热解***的工作过程。

首先，生物质原料加入进料仓110后，进料仓110的隔板140打开，生物质原料在重力作用下进入落料仓I2后隔板关闭，在往复推进机构121的推动下进入进料室130。在进料室130中，生物质原料在含2-3%氧气的150-250℃低温烟气的加热干燥和携带下进入热解装置的内炉筒210的炉头。

内炉筒由齿轮230带动旋转，筒内不锈钢肋片211一方面抬升生物质，一方面将热量从内炉筒210的内壁传递给生物质原料进行加热，由于炉头高于炉尾，使得生物质原料在重力作用下，随着烟气携带和肋片211搅动向炉尾运动。500-700℃的高温烟气从炉尾进入在热解装置外炉筒220和内炉筒210之间的空隙，通过对流换热加热内炉筒壁，温度降至120-150°后，在第三风机460的作用下从炉头排出。生物质原料在此高温烟气的逆流外加热作用下，温度上升并热解释放挥发分生成焦炭。在内炉筒210的炉尾附近，生物质焦炭的温度可达400-600℃。

内炉筒210的炉尾输出反应后的包含生物质焦炭和热解气的含焦油气态产物，其中生物质焦炭在重力作用下落入到冷却下腔室321内，与冷却换热器330接触换热，将热量传递给冷却换热器330内的冷却空气，焦炭温度降低至40-90℃后从焦炭出口3211排出收集。而在内炉筒210的炉尾处的表压为-20Pa至-100Pa，热解气在负压作用下从热解气出口3111排出。

燃烧所需的空气在第一风机410的作用下，首先通过位于斯特林发动机510的冷端的低温换热器520冷却从斯特林发动机输出的工质后得到第一次预热，随后在冷却换热器330内得到第二次预热，温度升至100-200℃，通过第一管道422进入燃烧室420。

然后，从热解气管道421通入的热解气和第一管道422通入的预热空气在燃烧室420内完全燃烧，形成700-900℃的高温烟气（过量氧气量为2-3%）。高温烟气随后进入高温换热器430内，其中50-80%的烟气即第一路烟气从700-900℃降温到500-700℃后由烟气分流器440分流，进入热解装置200的外炉筒220内，通过逆流换热加热内炉筒210，在第三风机460的作用下离开热解装置。其余20-50%的烟气即第二路烟气在高温换热器430内降温至150-250℃后经第二风机450进入与热解装置200相连的进料室130内，以用作生物质原料热解时的保护气。

斯特林发动机510将高温换热器430的高温烟气的热量转换为机械能，通过传动机构540推动发电机530将机械能转换为电能，为多个风机和热解装置200的内炉筒210的齿轮230提供动力，而富余的电能储存在蓄电池中。

根据本发明的生物质热解***，具有以下优点：

1、可以梯级利用生物质热解气燃烧后释放的能量，提高工艺***的热利用率和热功转换效率，具体地。利用斯特林发动机回收高温烟气且其中的高品位热能用于发电，从而使生物质热解无需依靠外部能量输入；高温烟气的中品位热能用于生物质热解的加热，而热解生成的焦炭余热和斯特林发动机510冷端释放的低品位热能用于预热空气。

2．热解装置由内外炉筒构成，生物质既通过外炉筒220内的高温烟气逆流加热,同时在进料室130和内炉筒210内又有低温烟气起到顺流携带和加热作用，低温烟气一方面可在热解过程中作为保护气；另一方面，少量的氧气可在中高温段与热解产物发生氧化反应，进一步提高热解温度。

3．经过热解，生物质中含有的灰分基本上都富集在生物质焦炭中，热解气态中间产物燃烧产生的烟气基本上没有污染物，因其含有适量的二氧化碳，适当净化后即可用作盐碱地台田水面的微藻养殖的碳营养源。

根据本发明第二方面实施例的一种能量自给的生物质热解方法，采用根据本发明第一方面实施例的生物质热解***，其中，生物质热解方法包括以下步骤：

S1、将生物质原料通入进料装置100内。

S2、生物质原料在含2-3%氧气的150-250℃低温烟气顺流携带保护下进入热解装置200，在500-700℃高温烟气外部逆流加热下、升温至400-600℃温度下热解以形成焦炭和含焦油气态产物；可选地，生物质原料在热解装置200内停留时间30s-5min。

S3、步骤S2中得到的焦炭与空气间接换热后冷却收集。其中，焦炭与空气换热后冷却至40-80℃并收集，收集冷却后生物质焦炭可以用于土壤改良。换热后的空气温度为100-200℃。

S4、步骤S3中的换热后的空气与步骤S2中的热解气反应并完全燃烧，形成高温烟气。

S5、步骤S4中的高温烟气经高温换热器后分流成500-700℃的第一路烟气和150-250℃的第二路烟气，第一路烟气和第二路烟气返回用于步骤S2中。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2和S3之间，还包括步骤S21：500-700℃高温烟气在逆流加热后温度降低至120-150℃，净化冷却，然后可以用作微藻养殖的无机碳营养源。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (24)

1.一种能量自给的生物质热解***，其特征在于，包括：

进料装置，所述进料装置用于输入生物质原料；

热解装置，所述热解装置与所述进料装置相连以将所述生物质原料进行热解；

分离冷却装置，所述分离冷却装置与所述热解装置相连以接收并分离所述热解装置输出的焦炭和热解气；

空气烟气组件，所述空气烟气组件与所述分离冷却装置相连以将所述热解气和预热后的空气燃烧并分别反馈至所述进料装置和所述热解装置中；

发电动力组件，所述发电动力组件与所述空气烟气组件相连以将所述热解气和预热后的空气燃烧的热量转换成机械能且补充所述热解装置、分离冷却装置的动力源。

2.根据权利要求1所述的生物质热解***，其特征在于，所述进料装置包括：

用于输入生物质原料的进料仓；

落料仓，所述落料仓位于所述进料仓的底部，所述落料仓内设有往复推进结构以对所述生物质原料连续给料；和

进料室，所述进料室与所述落料仓连接以接收所述落料仓输送的生物质原料，其中所述进料室设有与所述空气烟气组件连通的低温烟气入口。

3.根据权利要求2所述的生物质热解***，其特征在于，所述进料仓和所述落料仓之间具有可枢转的隔板。

4.根据权利要求2所述的生物质热解***，其特征在于，所述热解装置包括：

内炉筒，所述内炉筒可绕其轴向旋转，所述内炉筒的炉头与所述进料室密封连接；

外炉筒，所述外炉筒同轴地套设在所述内炉筒的外部且与内炉筒通过衬环密封，所述外炉筒固定安装，所述外炉筒炉尾处设有高温烟气入口且炉头处设有废烟气出口。

5.根据权利要求4所述的生物质热解***，其特征在于，所述内炉筒的炉头通过转动衬环与所述进料室密封连接。

6.根据权利要求4所述的生物质热解***，其特征在于，所述内炉筒被构造成其中心轴线沿从炉头向炉尾的方向向下倾斜延伸。

7.根据权利要求6所述的生物质热解***，其特征在于，所述内炉筒的炉头与炉尾之间的高度差H与所述内炉筒的内径d的关系为：H/d=0.1-1.5。

8.根据权利要求6所述的生物质热解***，其特征在于，所述内炉筒沿其轴向的长度L与其内径d的关系为：L/d=5-15。

9.根据权利要求6所述的生物质热解***，其特征在于，所述内炉筒的内壁上设有多条沿径向凸出的肋片，所述肋片沿径向凸出的高度h与所述内炉筒的内径d的关系为：h/d=1/15-1/5，且所述肋片的长度延伸方向与所述内炉筒的中心轴线之间的夹角为0-60°。

10.根据权利要求9所述的生物质热解***，其特征在于，所述多条肋片包括沿所述内炉筒内壁的周向均匀布置的3-12条肋片。

11.根据权利要求4所述的生物质热解***，其特征在于，所述外炉筒的内壁与所述内炉筒的外壁之间的间隙s与所述内炉筒的内径d的关系为：s/d=1/12-1/5。

12.根据权利要求4所述的生物质热解***，其特征在于，所述热解装置还包括：

齿轮，所述齿轮套设在所述内炉筒的两端，其中所述内炉筒由齿轮传动驱动旋转。

13.根据权利要求4-12中任一项所述的生物质热解***，其特征在于，所述分离冷却装置包括：

冷却上段，所述冷却上段内限定出冷却上腔室，所述冷却上腔室与所述内炉筒的炉尾密封连接，且所述冷却上腔室的顶部形成有热解气出口；

冷却下段，所述冷却下段设在所述冷却上段的底部且限定出与所述冷却上腔室连通的冷却下腔室，所述冷却下腔室的底部形成有焦炭出口；以及

冷却换热器，所述冷却换热器设在所述冷却下腔室内。

14.根据权利要求13所述的生物质热解***，其特征在于，所述冷却上腔室形成为矩形体，所述冷却下腔室的底部的横截面形成为倒截锥形。

15.根据权利要求13所述的生物质热解***，其特征在于，所述空气烟气组件包括：

第一风机，所述第一风机与所述冷却换热器连通；

燃烧室，所述燃烧室通过热解气管道与所述冷却上腔室的热解气出口连通以接收热解气，且所述燃烧室通过第一管道与所述冷却换热器连通；

高温换热器，所述高温换热器设在所述燃烧室的下游以接收所述燃烧室燃烧后的高温烟气并对高温烟气进行换热；以及

烟气分流器，所述烟气分流器与所述高温换热器连接且将所述高温烟气分流成两路烟气，第一路烟气在高温换热器中换热后温度降低至500-700℃，第二路烟气在高温换热器中换热后温度降低至150-250℃，所述第一路烟气通入所述外炉筒内，且所述第二路烟气通入到所述进料室内。

16.根据权利要求15所述的生物质热解***，其特征在于，所述空气烟气组件还包括：

第二风机，所述第二风机连接在所述高温换热器和所述进料室之间。

17.根据权利要求15所述的生物质热解***，其特征在于，所述空气烟气组件还包括：

第三风机，所述第三风机与所述外炉筒的所述废烟气出口连接以将所述外炉筒和所述内炉筒之间的第一路烟气排出。

18.根据权利要求14所述的生物质热解***，其特征在于，所述发电动力组件包括：

斯特林发动机，其中所述高温换热器位于所述斯特林发动机的热端，所述斯特林发动机将所述热解气和预热后的空气燃烧的热量转换成机械能；

低温换热器，所述低温换热器设在所述斯特林发动机的冷端，所述低温换热器通过第二管道与所述第一风机连通；

发电机，所述发电机通过传动机构与所述斯特林发动机相连，且所述发电机对所述第一风机、所述第二风机、所述第三风机以及所述热解装置提供动力。

19.根据权利要求18所述的生物质热解***，其特征在于，所述发电动力组件还包括：

蓄电池，所述蓄电池与所述发电机相连用于储存富余电能。

20.一种能量自给的生物质热解方法，采用根据权利要求1-19中任一项所述的能量自给的生物质热解***，其特征在于，所述生物质热解方法包括以下步骤：

S1、将生物质原料加入进料装置内；

S2、所述生物质原料在含2-3%氧气的150-250℃低温烟气顺流携带保护下进入热解装置，在500-700℃高温烟气外部逆流加热下、升温至400-600℃温度下热解以形成焦炭和含焦油气态产物；

S3、步骤S2中得到的所述焦炭与空气间接换热后冷却收集；

S4、步骤S3中的换热后的空气与所述步骤S2中的热解气反应并完全燃烧，形成高温烟气；

S5、步骤S4中的高温烟气分流成第一路和第二路烟气，分别在高温换热器中冷却至500-700℃和150-250℃后，所述第一路烟气和所述第二路烟气返回用于步骤S2中。

21.根据权利要求20所述的生物质热解方法，其特征在于，步骤S2中，所述生物质原料在热解装置内停留时间30s-5min。

22.根据权利要求20所述的生物质热解方法，其特征在于，步骤S3中，所述焦炭与所述空气间接换热后冷却至40-80℃并收集。

23.根据权利要求20所述的生物质热解方法，其特征在于，步骤S3中，所述换热后的空气温度为100-200℃。

24.根据权利要求20所述的生物质热解方法，其特征在于，步骤S2和S3之间，还包括步骤S21：500-700℃高温烟气在逆流加热后温度降低至120-150℃，净化冷却。

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