[發明專利]生物質超臨界水氣化與多碟聚焦供熱耦合制氫裝置及方法

有效

• 申請號: 200910023187.6
• 申請日: 2009-07-03
• 公開（公告）號: CN101597027A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: 郭烈錦;呂友軍;張西民
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C01B3/32
• 分類號: C01B3/32;F24J2/38
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 陳翠蘭

技術領域

本發明屬于可再生資源以及廢棄物的能源化潔凈利用領域，特別涉及一種生 物質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

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迫 在眉睫。生物質作為地球上一種豐富的資源在其利用過程中對環境的CO₂凈排放量為“零”，因此，生物質轉化利用引起人們的廣泛關注。

熱化學氣化被認為是最具商業前景的生物質利用技術，然而傳統的生 物質熱化學氣化技術需要對生物質進行干燥，這一過程需要消耗大量的能 量。超臨界水氣化制氫技術可以直接處理高含濕量的生物質，無需高能耗 的干燥過程，而且具有氣化率高、氣體產物中氫氣含量高等特點，是最具 潛力的生物質氣化制氫技術之一，近二三十年，生物質超臨界水氣化制氫 技術得到快速發展。

生物質超臨界氣化制氫總體上是一吸熱反應，需加入大量的熱，可以 將中低品位的熱能轉化成氫儲存的化學能，而熱能的供給是制約制氫成本 的關鍵因素之一。在已有的實驗系統中反應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 不可再生。美國GA公司將超臨界水氣化與超臨界水氧化結合形成超臨界 水部分氧化氣化制氫的新路徑，系統熱量全部由廢棄燃料氧化提供，但這 樣做大大地降低了產氫率。

將太陽能作為生物質超臨界氣化的熱源可利用太陽全光譜區的能量，有 有望降低該生物質超臨界水氣化制氫的技術成本，實現完全可再生的能源 轉化系統。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研究并取 得了一定的研究成果。這些成果也展示了生物質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。

國內外研究機構在生物質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。MIT的Modell最先開展生物質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 管流反應器中對高濃度生物質以及有機廢棄物進行研究，實現了生物質及 其有機物的完全氣化。在國內，西安交通大學動力工程多相流國家重點實 驗室，長期從事生物質超臨界水氣化制氫實驗與理論研究，發明了“有機 固態物質的連續式超臨界水氣化制氫方法和裝置”并申請了專利，該發明 專利(ZL02114529.6)解決了生物質等有機固態原料的高壓多相連續管流 混輸等關鍵技術問題，在管流式反應器中實現了生物質等有機固態原料的 超臨界水連續氣化制氫。在此基礎上，通過進一步改進提高，該課題組又 發明了“煤與生物質共超臨界水催化氣化制氫裝置及方法”并申請了專利， 該發明專利(ZL2005?10041633.8)部分解決了反應原料快速升溫和產物氣 體部分富集等難題，實現了煤與生物質共超臨界水催化氣化制氫。最近， 為解決管流反應器中結渣堵塞難題，該課題組發明了“生物質廢棄物超臨 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，國內外已有多個關于太陽能熱化學 循環儲能、制氫方面的專利申請(US?873993，DE?2836179，JP?10279955)。 傳統的太陽能熱化學循環制氫反應溫度高，一般大于1500℃，因此，高溫 反應過程中存在的材料腐蝕和產物分離等難題無法解決，使制氫的技術難 度大和成本高。

目前為止，還未見關于生物質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。

發明內容

本發明的一個目的在于提供一種生物質超臨界水氣化與多碟聚焦供熱 耦合制氫裝置。該裝置結構緊湊、簡單，操作方便。裝置采用了腔式吸收器 實現對太陽能的高效吸收，采用螺旋管式布置使反應器結構緊湊，同時強化 反應器內的傳熱傳質，采用多碟太陽能聚光器實現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。

本發明的另一個目的是提供一種生物質超臨界水氣化與多碟聚焦供熱 耦合制氫的方法，實現直接太陽能熱解水和生物質制氫，降低太陽能熱化學 制氫反應溫度，降低系統運行成本，提高系統獨立性；利用水在超臨界狀態 下具有高溶解性、高擴散性等性質，實現生物質完全高效氣化生成富氫氣體。