專利名稱：：生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于可再生資源以及廢棄物的能源化潔凈利用領(lǐng)域，特別涉及一種生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫裝置及方法。
背景技術(shù)：
：隨著化石能源的逐漸消耗和日益走向枯竭，尋找新的替代能源已經(jīng)迫在眉睫。生物質(zhì)作為地球上一種豐富的資源在其利用過程中對環(huán)境的co2凈排放量為"零"，因此，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用引起人們的廣泛關(guān)注。熱化學氣化被認為是最具商業(yè)前景的生物質(zhì)利用技術(shù)，然而傳統(tǒng)的生物質(zhì)熱化學氣化技術(shù)需要對生物質(zhì)進行干燥，這一過程需要消耗大量的能量。超臨界水氣化制氫技術(shù)可以直接處理高含濕量的生物質(zhì)，無需高能耗的干燥過程，而且具有氣化率高、氣體產(chǎn)物中氫氣含量高等特點，是最具潛力的生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)之一，近二三十年，生物質(zhì)超臨界水氣化制氫技術(shù)得到快速發(fā)展。生物質(zhì)超臨界氣化制氫總體上是一吸熱反應(yīng)，需加入大量的熱，可以將中低品位的熱能轉(zhuǎn)化成氫儲存的化學能，而熱能的供給是制約制氫成本的關(guān)鍵因素之一。在已有的實驗系統(tǒng)中反應(yīng)器大部分采用電加熱方式，這僅能用于實驗研究。有的還利用天然氣燃燒供熱，但不僅成本高而且系統(tǒng)不可再生。美國GA公司將超臨界水氣化與超臨界水氧化結(jié)合形成超臨界水部分氧化氣化制氫的新路徑，系統(tǒng)熱量全部由廢棄燃料氧化提供，但這樣做大大地降低了產(chǎn)氫率。將太陽能作為生物質(zhì)超臨界氣化的熱源可利用太陽全光譜區(qū)的能量,有有望降低該生物質(zhì)超臨界水氣化制氫的技術(shù)成本，實現(xiàn)完全可再生的能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。IEA的SolarPACES計劃使用聚焦太陽能高溫供熱進行化石燃料重整制取富氫氣體，德國、以色列、澳大利亞等國先后開展相關(guān)研究并取得了一定的研究成果。這些成果也展示了生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟太陽能聚焦供熱耦合制氫的美好前景。國內(nèi)外研究機構(gòu)在生物質(zhì)廢棄物的超臨界水氣化制氫裝置與方法方面進行了一系列開發(fā)。MIT的Moddl最先開展生物質(zhì)超臨界水氣化制氫研究，并對此種制氫方法申請了專利(US4113446)。夏威夷大學的Antal教授在管流反應(yīng)器中對高濃度生物質(zhì)以及有機廢棄物進行研究，實現(xiàn)了生物質(zhì)及其有機物的完全氣化。在國內(nèi)，西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，長期從事生物質(zhì)超臨界水氣化制氫實驗與理論研究，發(fā)明了"有機固態(tài)物質(zhì)的連續(xù)式超臨界水氣化制氫方法和裝置"并申請了專利，該發(fā)明專利(ZL02114529.6)解決了生物質(zhì)等有機固態(tài)原料的高壓多相連續(xù)管流混輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)問題，在管流式反應(yīng)器中實現(xiàn)了生物質(zhì)等有機固態(tài)原料的超臨界水連續(xù)氣化制氫。在此基礎(chǔ)上，通過進一步改進提高，該課題組又發(fā)明了"煤與生物質(zhì)共超臨界水催化氣化制氫裝置及方法"并申請了專利，該發(fā)明專利(ZL200510041633.8)部分解決了反應(yīng)原料快速升溫和產(chǎn)物氣體部分富集等難題，實現(xiàn)了煤與生物質(zhì)共超臨界水催化氣化制氫。最近，為解決管流反應(yīng)器中結(jié)渣堵塞難題，該課題組發(fā)明了"生物質(zhì)廢棄物超臨界水流化床部分氧化氣化制氫裝置及方法"(CN101058404)。在太陽能與熱化學耦合制氫方面，國內(nèi)外已有多個關(guān)于太陽能熱化學循環(huán)儲能、制氫方面的專利申請(US873993，DE2836179，JP10279955)。傳統(tǒng)的太陽能熱化學循環(huán)制氫反應(yīng)溫度高，一般大于150(TC，因此，高溫反應(yīng)過程中存在的材料腐蝕和產(chǎn)物分離等難題無法解決，使制氫的技術(shù)難度大和成本高。目前為止，還未見關(guān)于生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟太陽能聚焦供熱耦合制氫的專利申請與研究報道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的在于提供一種生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫裝置。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，操作方便。裝置采用了腔式吸收器實現(xiàn)對太陽能的高效吸收，采用螺旋管式布置使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，同時強化反應(yīng)器內(nèi)的傳熱傳質(zhì)，采用多碟太陽能聚光器實現(xiàn)對太陽的高精度自動跟蹤，同時可提供大聚焦比、高能流密度的太陽能熱源。本發(fā)明的另一個目的是提供一種生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫的方法，實現(xiàn)直接太陽能熱解水和生物質(zhì)制氫，降低太陽能熱化學制氫反應(yīng)溫度，降低系統(tǒng)運行成本，提高系統(tǒng)獨立性；利用水在超臨界狀態(tài)下具有高溶解性、高擴散性等性質(zhì)，實現(xiàn)生物質(zhì)完全高效氣化生成富氫氣體。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫裝置，包括水箱、第一高壓柱塞泵、第二高壓柱塞泵、儲料罐、第一加料器、第二加料器、第一高壓金屬軟管、第二高壓金屬軟管、第一冷卻器、第二冷卻器、反應(yīng)器、吸收器、多碟太陽能聚光器、過濾器、背壓閥、氣液分離器、濕式氣體流量計、多個閥門以及溫度、壓力測控系統(tǒng)，所述的第一加料器和第二加料器通過管路相互連接，它們各有兩個入口端，其中一個入口端與第一高壓柱塞泵和第二高壓柱塞泵的出口端連通，另一個入口端與儲料罐出口端連通，所述的儲料罐設(shè)置有一個氣體入口端和一個物料入口端；第一高壓柱塞泵和第二高壓柱塞泵的入口均與水箱連通；第一加料器和第二加料器的出口端均與第一高壓金屬軟管和第一冷卻器入口連接；吸收器內(nèi)設(shè)置有反應(yīng)器，第一冷卻器出口與反應(yīng)器入口連接；反應(yīng)器出口與第二冷卻器入口連接；第二冷卻器出口通過第二高壓金屬軟管與過濾器入口連接；過濾器出口與背壓閥入口連接；背壓閥出口與氣液分離器入口連接；所述氣液分離器有一個入口和兩個出口；氣液分離器的一個出口與濕式氣體流量計連通。吸收器的開口平面與多碟太陽能聚光器的焦平面重合，反應(yīng)器、吸收器固定在在多碟太陽能聚光器上并隨多碟太陽能聚光器一起轉(zhuǎn)動跟蹤太陽；第一冷卻器、第二冷卻器固定在吸收器外部也隨多碟太陽能聚光器一起轉(zhuǎn)動；采用高壓金屬軟管實現(xiàn)生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟太陽能聚焦供熱耦合制氫裝置中轉(zhuǎn)動部件與固定部件的高壓動態(tài)連接。所述的第一高壓柱塞泵、第二高壓柱塞泵、第一加料器、第二加料器以及儲料罐通過管路及閥門相互連通，組成加料系統(tǒng)；所述的吸收器開口與多碟太陽能聚光器焦平面重合并固定在多碟太陽能聚光器上一起隨太陽轉(zhuǎn)動，反應(yīng)器置于吸收器中，多碟太陽能聚光器、吸收器以及反應(yīng)器組成太陽能的跟蹤、聚焦以及吸收系統(tǒng)；所述的反應(yīng)器進出口分別于與第一冷卻器出口、第二冷卻器入口連接；加料系統(tǒng)通過第一高壓金屬軟管與第一冷卻器入口連接；第二冷卻器出口通過第二高壓金屬軟管與過濾器入口連接，過濾器出口與背壓閥入口連接；背壓閥出口與氣液分離器入口連接，氣液分離器的一個出口與濕式氣體流量計連通。本發(fā)明采用生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫方法，利用太陽能聚焦供熱為生物質(zhì)超臨界水氣化制氫提供熱量，實現(xiàn)直接太陽能熱解超臨界水和生物質(zhì)制氫，使太陽能熱化學循環(huán)制氫所需的反應(yīng)溫度從先前普遍在150(TC以上降至60(TC以下，大大降低了直接太陽能制氫成本，實現(xiàn)了一個完全可再生能源制氫的系統(tǒng)。具體按照以下方法進行(1)將生物質(zhì)模型化合物或羧甲基纖維素鈉(CMC)及原生生物質(zhì)配制成質(zhì)量濃度小于24%的均勻物料并放入儲料罐中，然后通過具有0.1~0.5Mpa壓力的N2將物料輸送至第一加料器中，通過第一高壓柱塞泵和第二高壓柱塞泵加壓至預(yù)定壓力(20~35Mpa),然后被輸送至反應(yīng)器；所述的生物質(zhì)模型化合物是葡萄糖、纖維素、木質(zhì)素，原生生物質(zhì)是農(nóng)作物秸稈或有機廢棄物。(2)啟動多碟太陽能聚光器，聚光器自動跟蹤太陽轉(zhuǎn)動并將太陽能聚集于吸熱器開口處，吸熱器內(nèi)反應(yīng)器吸收太陽能為生物質(zhì)氣化反應(yīng)提供熱量；物料在反應(yīng)器中反應(yīng)，生成的產(chǎn)物通過冷卻器冷卻至常溫，然后通過背壓閥調(diào)節(jié)壓力后進入氣液分離器中與水分離。本發(fā)明的技術(shù)特點是-(1)采用太陽能聚焦供熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)電加熱等方式為生物質(zhì)超臨界水氣化反應(yīng)提供熱量，可實現(xiàn)完全的可再生能源制氫，增強系統(tǒng)的獨立性。(2)利用生物質(zhì)超臨界水氣化反應(yīng)代替太陽能熱化學循環(huán)制氫中二步或多步循環(huán)化學反應(yīng)，大大降低了太陽能熱化學制氫的反應(yīng)溫度，從原理上克服了高溫條件下二步或多步熱化學循環(huán)制氫中存在的材料腐蝕和產(chǎn)物分離等難題，使制氫的技術(shù)難度和成本大大降低。(3)利用多碟拋物面聚光器實現(xiàn)對太陽的高精度跟蹤，同時多碟拋物面聚光器聚焦比大，可提供反應(yīng)所需的高溫環(huán)境；采用高壓金屬軟管實現(xiàn)系統(tǒng)中的動連接。圖1是本發(fā)明生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫裝置。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。具體實施例方式本發(fā)明中采用氣化原料可以是生物質(zhì)模型化合物(葡萄糖、纖維素或木質(zhì)素等)、原生生物質(zhì)廢棄物(農(nóng)作物秸稈或各種廢棄物等)也可以是工業(yè)有機廢棄物。以下以生物質(zhì)模型化合物葡萄糖為例進行說明。參照附圖1，本發(fā)明的裝置中第一、第二加料器5，6、第一、第二高壓柱塞泵2，3、儲料罐4通過管路及閥門相互連通，組成加料系統(tǒng)；第一加料器5、第二加料器6出口與第一金屬軟管入口連通；第一金屬軟管8出口與反應(yīng)器入口連通；反應(yīng)器9出口與第二冷卻器12入口連通；第二冷卻器12出口與第二金屬軟管13入口連通；第二金屬軟管13出口與過濾器14入口連通；過濾器14出口與背壓閥15入口連通；背壓閥15出口與氣液分離器16入口連通；氣液分離器16有兩個出口，分別與濕式氣體流量計17和閥門連通，閥門用于氣液分離器16液體收集與排空，濕式氣體流量計17出口直接與大氣連通；多碟太陽能聚光器11將太陽能聚集于吸熱器10的開口處，太陽能熱量被放置于吸熱器10中的反應(yīng)器9利用。其具體工作過程如下-將葡萄糖與和純水混合配置成所需濃度均勻的反應(yīng)物料；將所配置的反應(yīng)物料加入密封儲料罐4，通入0.10.5Mpa壓力的N2，將物料從儲料罐4輸送至第二加料器6中；采用同樣的方法將純水加入密封儲料罐4，通入0.10.5Mpa壓力的N2，將純水從儲料罐4輸送至第一加料器5中；開啟與第一加料器5出口及第一金屬軟管7入口之間的閥門，啟動第二高壓柱塞泵3，將第二高壓柱塞泵3的流量調(diào)節(jié)為設(shè)定值；調(diào)節(jié)背壓閥15使系統(tǒng)達到預(yù)定壓力(2035Mpa);開啟多碟聚光器11使其自動跟蹤太陽將太陽能聚集與吸熱器10的開口處，太陽能開始為反應(yīng)器9加熱，使反應(yīng)器內(nèi)流體溫度逐步達到穩(wěn)定值；開啟第二加料器6出口及第一金屬軟管7入口之間的閥門，同時關(guān)閉第一加料器5出口及第一金屬軟管7入口之間的閥門，物料途經(jīng)第一金屬軟管7和第一冷卻器8輸送至反應(yīng)器9中反應(yīng)；物料在反應(yīng)器9中反應(yīng)后通過第二冷卻器12溫度下降至室溫，通過背壓閥15壓力下降至常壓；氣體體積流量通過濕式氣體流量計17計量；氣體成分分析采用HP6890氣相色譜儀。參見表1和表2。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表l為利用多碟太陽能聚焦供熱葡萄糖溶液連續(xù)氣化制氫實驗結(jié)果。實驗條件為西安當天平均太陽直接輻照強度640w/m2，多碟聚光器聚焦面積16m2，壓力為24Mpa，生物質(zhì)模型化合物為濃度為0.1mol/L的葡萄糖溶液，進行了55min連續(xù)的氣體采集。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2為利用多碟太陽能聚焦供熱丙三醇溶液連續(xù)氣化制氫實驗結(jié)果。實驗條件為西安當天太陽直接輻照強度590w/m2,多碟聚光器聚焦面積為16m2,壓力為24Mpa，生物質(zhì)模型化合物為濃度為0.25mol/L的丙三醇溶液，進行了100min連續(xù)的氣體采集。權(quán)利要求1、一種生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫裝置，包括水箱(1)、第一高壓柱塞泵(2)、第二高壓柱塞泵(3)、儲料罐(4)、第一加料器(5)、第二加料器(6)、第一高壓金屬軟管(7)、第二高壓金屬軟管(13)、第一冷卻器(8)、第二冷卻器(12)、反應(yīng)器(9)、吸收器(10)、多碟太陽能聚光器(11)、過濾器(14)、背壓閥(15)、氣液分離器(16)、濕式氣體流量計(17)、多個閥門以及溫度、壓力測控系統(tǒng)；其特征在于所述的第一加料器(5)和第二加料器(6)通過管路相互連接，它們各有兩個入口端，其中一個入口端與第一高壓柱塞泵(2)和第二高壓柱塞泵(3)的出口端連通，另一個入口端與儲料罐(4)出口端連通，所述的儲料罐(4)設(shè)置有一個氣體入口端和一個物料入口端；第一高壓柱塞泵(2)和第二高壓柱塞泵(3)的入口均與水箱(1)連通；第一加料器(5)和第二加料器(6)的出口端均與第一高壓金屬軟管(7)和第一冷卻器(8)入口連接；吸收器(10)內(nèi)設(shè)置有反應(yīng)器(9)，第一冷卻器(8)出口與反應(yīng)器(9)入口連接；反應(yīng)器(9)出口與第二冷卻器(12)入口連接；第二冷卻器(12)出口通過第二高壓金屬軟管(13)與過濾器(14)入口連接；過濾器(14)出口與背壓閥(15)入口連接；背壓閥(15)出口與氣液分離器(16)入口連接；所述氣液分離器(16)有一個入口和兩個出口；氣液分離器(16)的一個出口與濕式氣體流量計(17)連通。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫裝置，其特征在于，吸收器(10)的開口平面與多碟太陽能聚光器(11)的焦平面重合，反應(yīng)器(9)、吸收器(10)固定在在多碟太陽能聚光器(11)上并隨多碟太陽能聚光器(11)一起轉(zhuǎn)動跟蹤太陽；第一冷卻器(8)、第二冷卻器(12)固定在吸收器(10)外部也隨多碟太陽能聚光器(11)一起轉(zhuǎn)動；采用高壓金屬軟管實現(xiàn)生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟太陽能聚焦供熱耦合制氫裝置中轉(zhuǎn)動部件與固定部件的高壓動態(tài)連接。3、一種采用如權(quán)利要求l所述裝置的生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫方法，其特征在于，按照以下步驟進行1)將生物質(zhì)模型化合物或原生生物質(zhì)及質(zhì)量濃度1_3%羧甲基纖維素鈉CMC配制成質(zhì)量濃度小于24%的均勻物料并放入儲料罐中，然后通過0.l~0.5Mpa壓力的N2將物料輸送至第一加料器中，將純水加入第二加料器中，通過第二高壓柱塞泵將第二加料器中的純水輸送至反應(yīng)器，并通過背壓閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力至預(yù)定壓力，壓力為2035Mpa，開啟多碟太陽能聚光器的自動跟蹤模式，純水在反應(yīng)器中被太陽能逐漸加熱；2)當反應(yīng)器溫度穩(wěn)定后通過第一高壓柱塞泵將第一加料器中的物料壓力升高至預(yù)定壓力，壓力為2035Mpa，純水輸送停止，而物料被輸送至反應(yīng)器并在反應(yīng)器中反應(yīng)生成的氣體產(chǎn)物，反應(yīng)后產(chǎn)物在冷卻器中快速冷卻至常溫，然后通過背壓閥調(diào)節(jié)壓力至常壓，在低壓分離器中氣體產(chǎn)物和液體產(chǎn)物實現(xiàn)分離，氣體產(chǎn)物流量用濕式氣體流量計計量。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫方法，其特征在于，所述的生物質(zhì)模型化合物是葡萄糖、纖維素或木質(zhì)素。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫方法，其特征在于，原生生物質(zhì)是農(nóng)作物秸稈或有機廢棄物。全文摘要本發(fā)明公開一種生物質(zhì)超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫裝置及方法，裝置采用了腔式吸收器實現(xiàn)對太陽能的高效吸收，采用螺旋管式布置使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，同時強化反應(yīng)器內(nèi)的傳熱傳質(zhì)，采用多碟太陽能聚光器實現(xiàn)對太陽的高精度自動跟蹤，同時為生物質(zhì)超臨界水氣化制氫提供大聚焦比、高能流密度的太陽能熱源，實現(xiàn)了直接太陽能熱解超臨界水和生物質(zhì)制氫。本發(fā)明提供的制氫方法利用水在超臨界狀態(tài)下具有高溶解性、高擴散性等性質(zhì)，實現(xiàn)生物質(zhì)完全高效氣化生成富氫氣體；同時使太陽能熱化學循環(huán)制氫所需的反應(yīng)溫度從先前普遍在1500℃以上降至600℃以下，大大降低了直接太陽能制氫成本，實現(xiàn)了一個完全可再生能源制氫的系統(tǒng)。文檔編號C01B3/32GK101597027SQ20091002318公開日2009年12月9日申請日期2009年7月3日優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日發(fā)明者呂友軍,張西民,郭烈錦申請人:西安交通大學