本發(fā)明涉及太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及方法，具體涉及以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

生物質(zhì)是所有含有內(nèi)在化學(xué)能的非化石有機(jī)生物物質(zhì)的統(tǒng)稱，是一種可再生、天然可用、富含能量、污染物質(zhì)(含硫、氮量較小)少，可以某種程度上緩解能源危機(jī)的含碳能源。生物質(zhì)可以通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制備生物燃料。這類生物質(zhì)包括，微藻，纖維素，餐廚垃圾等。

微藻是一類能實(shí)現(xiàn)光能自養(yǎng)的單細(xì)胞藻類，其利用光合作用把二氧化碳轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)、油脂、糖類等有機(jī)物。這些有機(jī)物又可以轉(zhuǎn)化成生物燃料，比如生物柴油，生物乙醇、甲烷，氫氣等。微藻可以通過水熱液化轉(zhuǎn)化成生物柴油；通過水熱預(yù)處理后，發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乙醇，甲烷或氫氣。但是，水熱液化過程和水熱預(yù)處理過程消耗了大量的能量，導(dǎo)致水熱液化制備生物燃料過程，水熱預(yù)處理發(fā)酵耦合制取甲烷氫氣過程凈能量收益較少。并且水熱液化及水熱預(yù)處理需要的熱量大都來自于電能或燃燒熱能，不利于節(jié)能減排，不利于水熱液化、水熱預(yù)處理過程的工業(yè)化。因此，對(duì)微藻生物質(zhì)而言，減少能源轉(zhuǎn)化過程中的能量投入，是微藻能源轉(zhuǎn)化過程所亟待解決的重要問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的第一個(gè)技術(shù)方案,以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，包括儲(chǔ)料箱、柱塞泵、太陽能集熱器、排氣閥、發(fā)酵裝置、油脂提取裝置和余熱回收換熱器；其特征在于：

藻細(xì)胞懸浮液裝在儲(chǔ)料箱中；儲(chǔ)液箱通過管路與余熱回收換熱器的第一進(jìn)口連接，余熱回收換熱器的第一出口通過柱塞泵和管路二連接太陽能集熱器；太陽能集熱器通過排氣閥和管路三連接余熱回收換熱器的第二進(jìn)口；余熱回收換熱器的第二出口通過管路四與發(fā)酵裝置和/或油脂提取裝置連接。

所述太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，并對(duì)藻細(xì)胞懸浮液加熱；藻細(xì)胞懸浮液在太陽能集熱器內(nèi)吸收熱量，發(fā)生熱化學(xué)轉(zhuǎn)化并轉(zhuǎn)化成藻細(xì)胞水解液。

所述余熱回收換熱器將藻細(xì)胞水解液與藻細(xì)胞懸浮液進(jìn)行換熱；降溫后的藻細(xì)胞水解液通過管路四流入發(fā)酵裝置和/或油脂提取裝置。

發(fā)酵裝置用于將藻細(xì)胞水解液轉(zhuǎn)化成氫氣、甲烷或乙醇。

油脂提取裝置用于提取藻細(xì)胞水解液中的油脂。

所述柱塞泵，用于驅(qū)動(dòng)微藻細(xì)胞懸浮液在系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)；所述排氣閥，用于排除熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的氣體。

根據(jù)本發(fā)明所述的以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的優(yōu)選方案，在管路二中設(shè)置有調(diào)節(jié)閥、阻尼器、流量計(jì)、第一溫度傳感器和第一壓力傳感器。

在管路三中設(shè)置有第二溫度傳感器、第二壓力傳感器和安全閥。管路四中設(shè)置有背壓閥和第三溫度傳感器。

所述調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)生物質(zhì)懸浮液的流量；所述阻尼器用于減少柱塞泵出口壓力、流量的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成的損害；流量計(jì)用于檢測生物質(zhì)懸浮液的流量；溫度傳感器和壓力傳感器用于檢測管道內(nèi)流體的溫度和壓力。所述背壓閥，用于使管道內(nèi)壓力保持恒定。

根據(jù)本發(fā)明所述的以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的優(yōu)選方案，所述太陽能集熱器包括太陽能聚光板和真空集熱管；所述太陽能聚光板用于聚集太陽光，并把反射后的太陽光匯聚到位于焦點(diǎn)處的真空集熱管上；真空集熱器由玻璃管、不銹鋼管和光熱轉(zhuǎn)換涂層組成；不銹鋼管設(shè)置在玻璃管內(nèi)，玻璃管與不銹鋼管之間的夾層設(shè)置為真空，防止因?qū)α髟斐蔁釗p失；不銹鋼管外表面涂有光熱轉(zhuǎn)化涂層；不銹鋼管的一端連接管路二；不銹鋼管的另一端連接管路三。藻細(xì)胞懸浮液流入不銹鋼管內(nèi)，熱量通過不銹鋼管傳遞給藻細(xì)胞懸浮液，藻細(xì)胞懸浮液吸收熱量升溫至熱化學(xué)轉(zhuǎn)化所需要的溫度。

本發(fā)明的第二個(gè)技術(shù)方案是，一種以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方法，其特征在于：包括如下步驟：

第一、構(gòu)建太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)；該系統(tǒng)包括儲(chǔ)料箱、柱塞泵、太陽能集熱器、排氣閥和余熱回收換熱器；藻細(xì)胞懸浮液裝在儲(chǔ)料箱中；其中，儲(chǔ)液箱通過管路與余熱回收換熱器的第一進(jìn)口連接，余熱回收換熱器的第一出口通過柱塞泵和管路二連接太陽能集熱器；太陽能集熱器通過排氣閥和管路三連接余熱回收換熱器的第二進(jìn)口；余熱回收換熱器的第二出口通過背壓閥與發(fā)酵裝置和/或油脂提取裝置連接。

第二、將藻細(xì)胞懸浮液裝在儲(chǔ)料箱中，啟動(dòng)柱塞泵，藻細(xì)胞懸浮液在柱塞泵的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過余熱回收換熱器流進(jìn)太陽能集熱器。

第三、所述太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，并對(duì)藻細(xì)胞懸浮液加熱；藻細(xì)胞懸浮液在太陽能集熱器內(nèi)吸收熱量，發(fā)生熱化學(xué)轉(zhuǎn)化并轉(zhuǎn)化成藻細(xì)胞水解液；熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的氣體從排氣閥排出。

第四、藻細(xì)胞水解液通過管路三流入余熱回收換熱器，并在余熱回收換熱器中與藻細(xì)胞懸浮液換熱后，流入發(fā)酵裝置和/或油脂提取裝置。

第五、藻細(xì)胞水解液在發(fā)酵裝置中生成氫氣、甲烷或乙醇；或者通過油脂提取裝置從藻細(xì)胞水解液中提取油脂。

根據(jù)本發(fā)明所述的以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方法的優(yōu)選方案，所述太陽能集熱器包括太陽能聚光板和真空集熱管；真空集熱管由玻璃管、不銹鋼管和光熱轉(zhuǎn)換涂層組成；不銹鋼管設(shè)置在玻璃管內(nèi)，玻璃管與不銹鋼管之間的夾層設(shè)置為真空，不銹鋼管外表面涂有光熱轉(zhuǎn)化涂層；不銹鋼管的一端連接管路二；不銹鋼管的另一端連接管路三。

本發(fā)明所述的以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及方法的有益效果是:本發(fā)明通過使用太陽能集熱器，充分利用了綠色可再生能源，解決了熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中能量投入大的問題,減少了能源轉(zhuǎn)化過程中的能量投入；本發(fā)明成本低，節(jié)約能源，效率高，較現(xiàn)有的水熱預(yù)處理方式具有明顯的優(yōu)勢；可廣泛應(yīng)用于環(huán)保、能源、生物、化工等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是太陽能集熱器8的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1至圖2,以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，包括儲(chǔ)料箱1、柱塞泵2、調(diào)節(jié)閥3、阻尼器4、流量計(jì)5、溫度傳感器、壓力傳感器、太陽能集熱器8、安全閥9、排氣閥10、背壓閥12、發(fā)酵裝置14、油脂提取裝置15和余熱回收換熱器16；其中：

藻細(xì)胞懸浮液11裝在儲(chǔ)料箱1中；儲(chǔ)液箱1通過管路與余熱回收換熱器16第一進(jìn)口連接，余熱回收換熱器16的第一出口通過柱塞泵2和管路二連接太陽能集熱器8；太陽能集熱器8通過排氣閥10和管路三連接余熱回收換熱器16的第二進(jìn)口；余熱回收換熱器16的第二出口通過管路四與發(fā)酵裝置14和/或油脂提取裝置15連接。

所述太陽能集熱器8將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，并對(duì)藻細(xì)胞懸浮液加熱；藻細(xì)胞懸浮液在太陽能集熱器8內(nèi)吸收熱量，發(fā)生熱化學(xué)轉(zhuǎn)化并轉(zhuǎn)化成藻細(xì)胞水解液；所述太陽能集熱器是系統(tǒng)最主要的部分，長度和寬度由集熱工質(zhì)流量和所要達(dá)到的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化溫度等因素決定。太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能傳遞給藻細(xì)胞懸浮液，藻細(xì)胞懸浮液吸收熱量升溫至熱化學(xué)轉(zhuǎn)化所需要的溫度。

所述余熱回收換熱器16將藻細(xì)胞水解液與藻細(xì)胞懸浮液進(jìn)行換熱；降溫后的藻細(xì)胞水解液通過管路四流入發(fā)酵裝置14和/或油脂提取裝置15。

發(fā)酵裝置14用于將藻細(xì)胞水解液轉(zhuǎn)化成氫氣、甲烷或乙醇。

油脂提取裝置15用于提取藻細(xì)胞水解液中的油脂。

在具體實(shí)施例中，管路二中設(shè)置有調(diào)節(jié)閥3、阻尼器4、流量計(jì)5、第一溫度傳感器6a和第一壓力傳感器7a；管路三中設(shè)置有第二溫度傳感器6b、第二壓力傳感器7b和安全閥9。管路四中設(shè)置有第三溫度傳感器6c和背壓閥12。

在具體實(shí)施例中，所述太陽能集熱器8包括太陽能聚光板22和真空集熱管；真空集熱管由玻璃管23、不銹鋼管25和光熱轉(zhuǎn)換涂層24組成；不銹鋼管25設(shè)置在玻璃管23內(nèi)，玻璃管23與不銹鋼管25之間的夾層設(shè)置為真空，不銹鋼管25外表面涂有光熱轉(zhuǎn)化涂層；不銹鋼管25的一端連接管路二；不銹鋼管25的另一端連接管路三。

該系統(tǒng)工作流程如下：系統(tǒng)安裝完成后，啟動(dòng)柱塞泵2，一定濃度的藻細(xì)胞懸浮液11在柱塞泵2的驅(qū)動(dòng)下流進(jìn)系統(tǒng)管路，藻細(xì)胞懸浮液11流經(jīng)調(diào)節(jié)閥3和阻尼器4進(jìn)入太陽能集熱器8；阻尼器4消除柱塞泵2出口壓力、流量的波動(dòng)；在此段管路內(nèi)，由流量計(jì)5、第一溫度傳感器6a、第一壓力傳感器7a測試藻細(xì)胞懸浮液11的流量、溫度和壓力；藻細(xì)胞懸浮液11在太陽能集熱器8中吸收熱量后轉(zhuǎn)換成藻細(xì)胞水解液13，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的少量氣體從排氣閥10排出，高溫的藻細(xì)胞水解液13在余熱回收換熱器16中與低溫藻細(xì)胞懸浮液11換熱，再經(jīng)過背壓閥12流入發(fā)酵裝置14和/或油脂提取裝置；藻細(xì)胞水解液13在發(fā)酵裝置14中生成氫氣、甲烷或乙醇等；或者在油脂提取裝置15中提取生物柴油、油脂等生物質(zhì)油。如果系統(tǒng)由于某些不可預(yù)知的情況導(dǎo)致壓力過高，則安全閥14自動(dòng)打開，降低管路壓力，保護(hù)系統(tǒng)。

一種以生物質(zhì)漿液為集熱工質(zhì)的太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方法，包括如下步驟：

第一、構(gòu)建太陽能熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)；儲(chǔ)料箱1、柱塞泵2、調(diào)節(jié)閥3、阻尼器4、流量計(jì)5、溫度傳感器、壓力傳感器、太陽能集熱器8、安全閥9、排氣閥10、背壓閥12、發(fā)酵裝置14、油脂提取裝置15和余熱回收換熱器16。

其中，儲(chǔ)液箱1通過管路與余熱回收換熱器16的第一進(jìn)口連接，余熱回收換熱器16的第一出口通過柱塞泵2和管路二連接太陽能集熱器8；太陽能集熱器8通過排氣閥10和管路三連接余熱回收換熱器16的第二進(jìn)口；余熱回收換熱器16的第二出口通過管路四與發(fā)酵裝置14和/或油脂提取裝置15連接。

在管路二中設(shè)置有調(diào)節(jié)閥3、阻尼器4、流量計(jì)5、第一溫度傳感器6a和第一壓力傳感器7a。

在管路三中設(shè)置有第二溫度傳感器6b、第二壓力傳感器7b、和安全閥9。管路四中設(shè)置有第三溫度傳感器6c和背壓閥12。

所述太陽能集熱器8包括太陽能聚光板22和真空集熱管；真空集熱管由玻璃管23、不銹鋼管25和光熱轉(zhuǎn)換涂層24組成；不銹鋼管25設(shè)置在玻璃管23內(nèi)，玻璃管23與不銹鋼管25之間的夾層設(shè)置為真空，不銹鋼管25外表面涂有光熱轉(zhuǎn)化涂層；不銹鋼管25的一端連接管路二；不銹鋼管25的另一端連接管路三。

第二、將藻細(xì)胞懸浮液11裝在儲(chǔ)料箱1中，啟動(dòng)柱塞泵2，藻細(xì)胞懸浮液11在柱塞泵2的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過余熱回收換熱器16、調(diào)節(jié)閥3和阻尼器4流進(jìn)太陽能集熱器8；阻尼器4用于消除柱塞泵2出口壓力、流量的波動(dòng)；在此段管路內(nèi)，由流量計(jì)5、第一溫度傳感器6a、第一壓力傳感器7a測試藻細(xì)胞懸浮液11的流量、溫度和壓力。

第三、所述太陽能集熱器8將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，并對(duì)藻細(xì)胞懸浮液加熱；藻細(xì)胞懸浮液在太陽能集熱器8內(nèi)吸收熱量，發(fā)生熱化學(xué)轉(zhuǎn)化并轉(zhuǎn)化成藻細(xì)胞水解液；熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的氣體從排氣閥10排出。

第四、藻細(xì)胞水解液13通過管路三流入余熱回收換熱器16，在段管路內(nèi)，第二溫度傳感器6b和第二壓力傳感器7b測試藻細(xì)胞水解液13的溫度和壓力，如果壓力過高，則安全閥14自動(dòng)打開，降低管路壓力，保護(hù)系統(tǒng)；藻細(xì)胞水解液13在余熱回收換熱器16中與藻細(xì)胞懸浮液11換熱后，由第三溫度傳感器6c測試藻細(xì)胞水解液13的溫度，通過背壓閥12流入發(fā)酵裝置14和/或油脂提取裝置15。

第五、藻細(xì)胞水解液13在發(fā)酵裝置14中生成氫氣、甲烷或乙醇；或者通過油脂提取裝置15從藻細(xì)胞水解液13中提取油脂。