本发明专利技术公开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与方法，该系统主要包括自旋－俯仰轮胎面定日镜与圆锥面太阳能二次聚光器组成的聚光系统、内部设置有蛇形管流反应器的太阳能腔式吸收反应器、生物质及水的输送、产物收集与分析、系统参数采集系统。生物质与超临界水在蛇形管流反应器内吸收聚焦太阳能辐射并发生气化制氢反应。该系统与碟式耦合制氢系统相比，具有系统简化，成本更低，稳定性更强，利于工业放大的特点。本发明专利技术提出的太阳能制氢方法实现了利用太阳能供热将低品味的生物质能通过超临界水气化制氢的方式转化为高品质的氢能，整个过程对环境友好无污染，充分利用可再生能源，有利于太阳能制氢的大规模推广和应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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己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Steinfdd 等人关于重油和石油焦碳的专利(EP1520901-A1)。本专利技术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20071001769L6 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60(TC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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。太阳能吸收反应器为方形腔式吸收器，腔体内部设置有蛇形管流反应 器，并被分为预热段和反应段。其中，氮气瓶、储料罐、加料器、第一高压柱塞泵通过管路和阀门连 接组成加料系统。太阳能吸收反应器的一个入口与加料系统连通；太阳能吸收反应器的 另一个入口，即内置蛇形管流反应器预热段入口与换热器出口相连通；换 热器入口与第二质量流量计、第二高压柱塞泵出口相连通，组成预热水供 应系统。太阳能吸收反应器的出口与换热器入口相连通；换热器出口与冷却器 入口相连通，背压阀、气液分离器，湿式气体流量计组成产物采集、计量 系统。所述自旋一俯仰轮胎面定日镜，其特点是将光斑汇集于固定焦平面， 与圆锥面二次聚光器组成聚光系统。其与碟式聚光系统相比，可避免耦合 制氢系统中采用动态连接，使制氢系统大为简化，提高系统稳定性。采用 该聚光系统可利于生物质超临界水气化与太阳能聚焦供热耦合制氢系统的 工业放大，今后还可增加二次反射镜，组成太阳炉聚光方式，进一步提高 系统聚光比。所述换热器中，第二高压柱塞泵出口端的常温高压水回收太阳能吸收 反应器出口高温流体的部分能量，以提高整个系统的能量转化效率。所述的气液分离器为低压分离器，可以是实现气体和液体的有效分离。需要说明的是自旋-俯仰轮胎面定日镜与圆锥面太阳能二次聚光器均 为采购设备。本专利技术提供的聚焦太阳能热驱动的生物质超临界水气化制氢方法，成 功的实现太阳能直接供热和生物质超临界水气化制氢技术的耦合。该方法 利用了生物质超临界水气化的方法，将太阳能转化成氢能，不仅达到了太 阳能的利用、存储的目的，而且综合了生物质转化过程二氧化碳"零排放"、 高品质氢气的制取、太阳能的高效利用、生物质超临界水气化制氢方法的 诸多优点。具体可按以下方法实施(1) 将原生生物质及质量浓度为1一3%羧甲基纤维素钠(CMC)或模型 化合物配制成质量浓度小于24%的均匀物料放入储料罐中，然后通过具有 0.1 0.5Mpa压力的N2将物料输送至加料器中，通过第一、第二高压柱塞泵 加压至预定压力，压力范屈为20 35Mpa。(2) 纯水通过第二高压柱塞泵加压至预定压力(20 35Mpa)，然后通过 换热器回收反应后高温流体部分热量，即进入太阳能吸收反应器的预热段、 吸收聚焦太阳能使其加热至水的临界点温度以上的高温，随后进入太阳能 吸收反应器的反应段。(3) 生物质原料与高温预热水在反应器混合点混合、快速升温并发生气 化反应，产出富含氢气混合气。(4) 物料及超临界水在反应器中生成的反应产物通过换热器以及冷却器 冷却至常温，然后通过背压阀调节压力后进入气液本文档来自技高网...
【技术保护点】
聚焦太阳能热驱动的生物质超临界水气化制氢系统，包括氮气瓶（１）、储料罐（２）、加料器（３）、太阳能吸收反应器（４）、换热器（５）、冷却器（６）、过滤器（７）、背压阀（８）、气液分离器（９）、湿式气体流量计（１０）、安全阀（１１）、第一质量流量计（１２）、第二质量流量计（１３）、第一高压柱塞泵（１４）、第二高压柱塞泵（１５）、水箱（１６）、自旋－俯仰轮胎面定日镜（１７）、圆锥面太阳能二次聚光器（１８）、阀门以及温度、压力测控系统，其特征在于：加料器（３）有两个入口端，一个入口端通过第一质量流量计（１２）与第一高压柱塞泵（１４）的出口端连通，另一个入口端与储料罐（２）出口端连通，所述储料罐（２）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（４）的采光口与圆锥面太阳能二次聚光器（１８）相连接；自旋俯仰轮胎面定日镜（１７）将太阳光聚集于圆锥面太阳能二次聚光器（１８），再由其将太阳光二次聚焦于太阳能吸收反应器（４）腔体内；太阳能吸收反应器（４）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（３）出口端连通；换热器（５）有两个入口端和两个出口端，太阳能吸收反应器（４）出口端与换热器（５）一个入口端连通，换热器（５）的另一入口端与第二高压柱塞泵（１５）出口端连通；换热器（５）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（５）的另一出口端与冷却器（６）入口端连通；冷却器（７）出口端与背压阀（８）的入口端连通；背压阀（８）的出口端与气液分离器（９）入口端连通；气液分离器（９）出口端与湿式气体流量计（１０）连通；第一高压柱塞泵（１４）与第二高压柱塞泵（１５）之间连接水箱（１６）。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭烈锦，陈敬炜，张西民，吕友军，肖鹏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]
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