[发明专利]聚焦太阳能热驱动的生物质超临界水气化制氢系统与方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能利用技术以及生物质及有机废弃物的洁净转化利用领域，特别涉及一种聚焦太阳能热驱动的生物质超临界水气化制氢系统与方法。

背景技术

当今化石能源供应形势日益严重，化石能源的利用迫使生态环境不断恶化，开发和利用可再生能源已成为我国实现能源的可持续发展的必由之路。太阳能资源清洁、无污染且储量巨大，但是具有分散性、不稳定、不连续的特点。将太阳能转化为化学能源可以解决太阳能储存、运输、受时空限制的难题。

氢能作为一种清洁的能源，被认为是最理想的化石能源与可再生能源的连接桥梁。开发高效、低成本的太阳能制氢技术已成为国际上的研究热点。目前国际上存在热化学、光化学和光生物等多种太阳能制氢方法，而利用热化学方法分解水和生物质制取氢气是目前最具工业化前景的技术。

太阳能热化学转化制氢方法分为几种。1、太阳能直接分解水制氢。但是水的直接分解需要2500K以上的高温，其在高温反应器材料的选取、太阳能聚集装置高温的获取、产物的分离上存在诸多困难。2、热化学循环分解水制氢。自从上世纪六十年代，Funk等人提出了热化学循环分解水制氢的方法以后，GA提出了碘硫(IS)循环，东京大学提出了UT-3循环等。目前比较热门的是利用金属氧化物氧化还原反应的两步法分解水制氢方法，如关于铁氧化物两步循环法的专利(JP54009189-A)。两步法依然存在对反应器材料的要求高，成本高，效率低的问题。3、太阳能化石燃料脱碳制氢。其主要是利用甲烷和碳氢化合物作为原料，一般要求1500K的高温，系统效率较低，对聚光系统要求高。4、太阳能化石燃料蒸汽重整制氢。需要对化石燃料进行预处理，产物成分也比较复杂，需要净化、提纯处理，如Steinfeld等人关于重油和石油焦碳的专利(EP1520901-A1)。

本发明采用的生物质超临界水气化制氢技术是近几年来发展起来、最具商业前景的生物质热化学转化技术。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室长期从事超临界水气化技术研究，在专利ZL02114529.6中解决了生物质等有机固态原料的高压多相连续混输问题，专利200710017691.6解决了管流反应器的结渣堵塞等关键技术问题。该技术利用水在临界点附近的特殊性质，气化率高、流程简单、只需600℃左右的温度就可使生物质高效气化，生物质无需干燥，成本远远低于传统的传统热气化方法。将生物质超临界水气化制氢技术与太阳能利用技术相结合，就使高效、低成本的利用太阳能成为可能。经查文献，未见关于聚焦太阳能供热与生物质超临界水气化耦合制氢系统与方法的相关报道。

发明内容

本发明的一个目的是提供了一种聚焦太阳能热驱动的生物质超临界水气化制氢系统。该系统具有高效、低成本利用太阳能制取氢能的功能，具有规模化工业应用的良好前景。

本发明的另一个目的是提供一种聚焦太阳能热驱动的生物质超临界水气化制氢方法，直接利用聚焦太阳能为生物质超临界水气化制氢反应供热，整个能量转化过程清洁无污染，实现了可再生能源的可持续利用。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

生物质超临界水气化与自旋-俯仰轮胎面定日镜聚焦太阳能供热耦合制氢系统，该系统包括氮气瓶、储料罐、加料器、太阳能吸收反应器、换热器、冷却器、过滤器、背压阀、气液分离器、湿式气体流量计、安全阀、第一质量流量计、第二质量流量计、第一高压柱塞泵、第二高压柱塞泵、水箱、自旋俯仰轮胎面定日镜、圆锥面二次聚光器以及若干截止阀、压力、温度监测控制系统。

加料器有两个入口端，一个入口端通过第一质量流量计与第一高压柱塞泵的出口端连通，另一个入口端与储料罐出口端连通，所述储料罐设置一个气体入口端和一个物料入口端；太阳能吸收反应器的采光口与圆锥面太阳能二次聚光器相连接；自旋俯仰轮胎面定日镜将太阳光聚集于圆锥面太阳能二次聚光器，再由其将太阳光二次聚焦于太阳能吸收反应器腔体内；太阳能吸收反应器腔体内设置有蛇形管流反应器，其有两个入口端和一个出口端，其中一个入口端与加料器出口端连通；换热器有两个入口端和两个出口端，太阳能吸收反应器出口端与换热器一个入口端连通，换热器的另一入口端与第二高压柱塞泵出口端连通；换热器的一个出口端与蛇形管流反应器的一个入口端连通，换热器的另一出口端与冷却器入口端连通；冷却器出口端与背压阀的入口端连通；背压阀的出口端与气液分离器入口端连通；气液分离器出口端与湿式气体流量计连通；第一高压柱塞泵与第二高压柱塞泵之间连接水箱。

该耦合制氢系统采用的太阳能聚光方式为自旋-俯仰轮胎面定日镜一次反射与二次聚光器再聚光相结合的方式。