[發明專利]聚焦太陽能熱驅動的生物質超臨界水氣化制氫系統與方法

有效

• 申請號: 200910023189.5
• 申請日: 2009-07-03
• 公開（公告）號: CN101597026A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: 郭烈錦;陳敬煒;張西民;呂友軍;肖鵬
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C01B3/04
• 分類號: C01B3/04;C01B3/32
• 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

本發明屬于太陽能利用技術以及生物質及有機廢棄物的潔凈轉化利用領域，特別涉及一種聚焦太陽能熱驅動的生物質超臨界水氣化制氫系統與方法。

背景技術

當今化石能源供應形勢日益嚴重，化石能源的利用迫使生態環境不斷惡化，開發和利用可再生能源已成為我國實現能源的可持續發展的必由之路。太陽能資源清潔、無污染且儲量巨大，但是具有分散性、不穩定、不連續的特點。將太陽能轉化為化學能源可以解決太陽能儲存、運輸、受時空限制的難題。

氫能作為一種清潔的能源，被認為是最理想的化石能源與可再生能源的連接橋梁。開發高效、低成本的太陽能制氫技術已成為國際上的研究熱點。目前國際上存在熱化學、光化學和光生物等多種太陽能制氫方法，而利用熱化學方法分解水和生物質制取氫氣是目前最具工業化前景的技術。

太陽能熱化學轉化制氫方法分為幾種。1、太陽能直接分解水制氫。但是水的直接分解需要2500K以上的高溫，其在高溫反應器材料的選取、太陽能聚集裝置高溫的獲取、產物的分離上存在諸多困難。2、熱化學循環分解水制氫。自從上世紀六十年代，Funk等人提出了熱化學循環分解水制氫的方法以后，GA提出了碘硫(IS)循環，東京大學提出了UT-3循環等。目前比較熱門的是利用金屬氧化物氧化還原反應的兩步法分解水制氫方法，如關于鐵氧化物兩步循環法的專利(JP54009189-A)。兩步法依然存在對反應器材料的要求高，成本高，效率低的問題。3、太陽能化石燃料脫碳制氫。其主要是利用甲烷和碳氫化合物作為原料，一般要求1500K的高溫，系統效率較低，對聚光系統要求高。4、太陽能化石燃料蒸汽重整制氫。需要對化石燃料進行預處理，產物成分也比較復雜，需要凈化、提純處理，如Steinfeld等人關于重油和石油焦碳的專利(EP1520901-A1)。

本發明采用的生物質超臨界水氣化制氫技術是近幾年來發展起來、最具商業前景的生物質熱化學轉化技術。西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室長期從事超臨界水氣化技術研究，在專利ZL02114529.6中解決了生物質等有機固態原料的高壓多相連續混輸問題，專利200710017691.6解決了管流反應器的結渣堵塞等關鍵技術問題。該技術利用水在臨界點附近的特殊性質，氣化率高、流程簡單、只需600℃左右的溫度就可使生物質高效氣化，生物質無需干燥，成本遠遠低于傳統的傳統熱氣化方法。將生物質超臨界水氣化制氫技術與太陽能利用技術相結合，就使高效、低成本的利用太陽能成為可能。經查文獻，未見關于聚焦太陽能供熱與生物質超臨界水氣化耦合制氫系統與方法的相關報道。

發明內容

本發明的一個目的是提供了一種聚焦太陽能熱驅動的生物質超臨界水氣化制氫系統。該系統具有高效、低成本利用太陽能制取氫能的功能，具有規模化工業應用的良好前景。

本發明的另一個目的是提供一種聚焦太陽能熱驅動的生物質超臨界水氣化制氫方法，直接利用聚焦太陽能為生物質超臨界水氣化制氫反應供熱，整個能量轉化過程清潔無污染，實現了可再生能源的可持續利用。

為了達到以上目的，本發明采用的技術方案是：

生物質超臨界水氣化與自旋-俯仰輪胎面定日鏡聚焦太陽能供熱耦合制氫系統，該系統包括氮氣瓶、儲料罐、加料器、太陽能吸收反應器、換熱器、冷卻器、過濾器、背壓閥、氣液分離器、濕式氣體流量計、安全閥、第一質量流量計、第二質量流量計、第一高壓柱塞泵、第二高壓柱塞泵、水箱、自旋俯仰輪胎面定日鏡、圓錐面二次聚光器以及若干截止閥、壓力、溫度監測控制系統。

加料器有兩個入口端，一個入口端通過第一質量流量計與第一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，所述儲料罐設置一個氣體入口端和一個物料入口端；太陽能吸收反應器的采光口與圓錐面太陽能二次聚光器相連接；自旋俯仰輪胎面定日鏡將太陽光聚集于圓錐面太陽能二次聚光器，再由其將太陽光二次聚焦于太陽能吸收反應器腔體內；太陽能吸收反應器腔體內設置有蛇形管流反應器，其有兩個入口端和一個出口端，其中一個入口端與加料器出口端連通；換熱器有兩個入口端和兩個出口端，太陽能吸收反應器出口端與換熱器一個入口端連通，換熱器的另一入口端與第二高壓柱塞泵出口端連通；換熱器的一個出口端與蛇形管流反應器的一個入口端連通，換熱器的另一出口端與冷卻器入口端連通；冷卻器出口端與背壓閥的入口端連通；背壓閥的出口端與氣液分離器入口端連通；氣液分離器出口端與濕式氣體流量計連通；第一高壓柱塞泵與第二高壓柱塞泵之間連接水箱。

該耦合制氫系統采用的太陽能聚光方式為自旋-俯仰輪胎面定日鏡一次反射與二次聚光器再聚光相結合的方式。