多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢系统及方法，包括：腔式太阳能吸收反应器用于吸收太阳能热量驱动生物质超临界水气化制氢反应；预热器用于太阳能辐照度不够或波动较大时为预热水提供热量；换热器回收热量，提高系统能量转化效率。采用多碟聚光器跟踪聚焦太阳能为反应提供热源。高压生物质物料预热至180～240℃与经换热器回收反应后高温流体热量进入预热器的高温高压预热水在太阳能吸收反应器入口按一定比例混合实现物料快速升温至超临界状态气化制氢，本发明专利技术有利于高效、低成本、规模化聚焦太阳能热耦合生物质超临界水气化制氢的实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能热利用及生物质热化学转化气化制氢的可再生能源规模制备 领域，涉及一种多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢系统，特别涉及一种多碟太 阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢方法。
技术介绍
目前，人类正面临着两大相关挑战日益增长的能量需求加剧碳氢燃料耗竭，化石 燃料燃烧引起的(X)2大量排放导致全球气候变化。为了维持现在的生活标准和建立一个环 境友好、可持续发展的能量供应体系，这些挑战的解决必须与CO2 “零”排放系统的发展和实 施结合起来，可再生的太阳能及生物质能的开发利用是一个可行的解决途径。太阳能和生物质能都是优质的可再生能源，而氢能则被视为最理想的能量载体。 目前工业上使用的氢气约96%来源于天然气、石油和煤等化石能源，化石能源制氢虽然生 产技术与工艺成熟、成本较低，但资源有限、不可再生、且排放大量CO2，只能作为过渡性的 制氢技术，需要大力开发可再生能源制氢技术。利用太阳能、生物质能等可再生能源规模制 氢，可以从根本上解决能源短缺问题，减少环境污染，提高人民生活与健康水平，具有巨大 的经济、环境和社会效益。目前利用太阳能制氢的方法包括光伏电池电解水制氢、太阳能热 化学分解水或生物质制氢、太阳能光电化学或光催化分解水制氢与光生物制氢等。技术经 济分析表明，利用热化学方法分解水或生物质制氢是近中期最有可能实现工业化的可再生 能源制氢途径。生物质超临界水气化制氢是近年来发展起来的新型制氢工艺，以超临界水(P。= 22. IMPa,Tc = 374. 2V )为介质进行生物质气化可直接生成富氢气体，气化率高，气态产物 中不含焦油，不产生二次污染，反应速率快，反应器体积小等优点。超临界水在反应过程中 既作为有机溶剂为反应提供均相条件，又充当反应物进行气化反应，同时是传输媒介。由于 气化温度相对于常规热解气化要低，基本不产生NOx等污染物，气化过程比较清洁，而且因 为以水为反应介质，对于含水量高的湿生物质可以直接气化，不需要高能耗的干燥过程，具 有很好的发展前景和经济优势，被认为是最有潜力的生物质制氢技术。生物质在超临界水 中发生复杂的化学反应，包括水解反应、热裂解、蒸汽重整、加氢反应、甲烷化反应、水-气 变换反应等。Hashaiken等认为238 250°C的葡萄糖-水体系为均相反应体系，反应过程 中葡萄糖脱水形成5-羟甲基糠醛和乙酸等，5-羟甲基糠醛上的呋喃环与酸性介质发生接 枝反应导致高聚合度的低聚物形成，因此发生沉淀反应，造成反应器堵塞并使催化剂中毒， 验证了 Kruse et al等提出的在亚临界条件下，较高的离子积会导致形成大量糠醛类化合 物，而在超临界情况下，水的密度较低，离子积和介电常数也相对较低，离子型反应受到抑 制，以自由基反应为主，而自由基反应正是生成气体的必要反应，当温度高于700°C时，生物 质在超临界水中接近完全气化，生成气体产物的主要成分是H2、CH4、C0、a)2以及少量的C2H4 和C2H6，气化产物中的H2含量可以超过50%。Divilio etal.研究发现，生物质反应途径 如下在反应物开始加热后，生物质中的半纤维素和木质素开始水解，当温度到180°C，这个反应速率很高。随着温度升高，半纤维素开始分解，并且与木质素生成木炭。随着温度 再进一步升高，纤维素开始分解为葡萄糖，然后在进一步分解为分子量更小的物质，反应机 理由离子反应转换为自由基反应，氢气、二氧化碳和一氧化碳以接近等摩尔的速率产生，在 500°C，自由基反应开始占主导反应机理，氢气和二氧化碳开始以2 1的摩尔比形成，而这 时一氧化碳则减少。基于以上机理研究，本专利技术采用生物质物料首先预热至180 240°C 再与高温(>600°C)高压预热水混合使物料快速升温至超临界状态，实现反应器入口段的 快速升温以及更高的反应流体温度，尽量缩短或避免生物质物料在亚临界状态下的停留时 间，达到提高自由基反应速率的目的，从而减少焦油及焦炭的形成，提高生物质气化率及氢 气含量，减少或避免反应器结渣和堵塞。利用太阳能中高温聚焦技术为生物质超临界水气化制氢提供热源，可实现太阳能 在全光谱范围内的利用，不仅将能量密度低，分散性强，不稳定、不连续，随时间、季节以及 气候而变化的可再生能源转化为能量密度高、可储存、可运输、无污染的氢能，降低制氢成 本，还能大大提高系统独立性，实现完全可再生的能源转化利用。因此，利用太阳能聚焦高 温耦合生物质超临界水气化制氢是一种新型的能源转化方式，具有技术、经济和环保优势。 专利WCV2010/134077提出一种有机物超临界水催化气化系统，利用太阳能间接换热为系 统提供热量，同时加入各种均相、非均相催化剂降低反应所需的温度。专利CN 101597026A 中提出了一种太阳能轮胎面定日镜聚热驱动生物质超临界水气化制氢系统与方法，该系统 中常温物料直接与高温高压预热水混合快速升温气化。专利CN 101597027中成功实现了 生物质超临界水气化与多碟聚集供热耦合制氢，但该系统能量效率较低，且物料要经过连 续的升温过程，容易产生焦油、焦炭，影响气化效果。本专利技术是在该系统基础上做了一系列 改进，使整个系统能量效率大大提高。因此与国内外已经成功实现的聚焦太阳能供热驱动 热化学循环分解水和天然气、石油和煤等化石燃料制取富氢气体相比，本专利技术提出的新方 法具有反应温度低、系统完全可再生、能量综合利用效率高等优势，具有美好的发展前景。目前太阳能耦合生物质超临界水气化制氢系统及方法仍然存在一下难题亟待解 决(1)太阳能的间歇、分散、低热流密度、不稳定性与生物质气化系统所需稳定操作 条件的矛盾，设计高效的太阳能吸热反应器实现太阳能聚焦热能的高效吸收与生物质超临 界水气化制氢反应器在最佳反应条件的高效耦合。(2)当没有达到反应最佳条件(升温速率、温度、压力、反应停留时间等)时，反应 气化不完全容易生成焦油、焦炭等导致反应器堵塞、结渣、气化率低，从而造成连续气化反 应的失败。(3)采用外部加热很难实现气化反应所需的快速升温条件及大量的热量。(4)没有综合考虑能量的梯级有效回收利用，导致系统能量转化效率低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多碟太阳能聚热耦合生物 质超临界水气化制氢系统及方法，该系统操作方便、安全高效，能够利用多碟太阳聚焦高温 驱动生物质等有机混合物在超临界水条件下快速、连续、高效地转化为洁净、能量密度高的 富氢气体，实现完全可再生、清洁高效的能源转化利用。基于该系统，本专利技术提供的方法将生物质物料首先预热至180 240°C再与高温高压预热水混合使物料快速升温至超临界状 态，减少焦油及焦炭的形成及造成的结渣和堵塞，提高生物质气化率及氢气含量。同时在太 阳能吸热反应器中实现了聚焦太阳能高温热源驱动生物质超临界水气化制氢的高效耦合， 大大提高了整个系统的能量转化效率。本专利技术的目的是通过以下技术方案来解决的这种多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢系统，包括用于生物质浆料高 压连续输送的物料高压输送系统，用于吸收聚集太阳能热量驱动生物质超临界水气化制氢 反应的腔式太阳能吸收超临界水反应器，用于为所述腔式太阳能吸收超临界水反应器提供 热源的多碟自动跟踪太阳聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢系统，包括用于生物质浆料高压连续输送的物料高压输送系统，用于吸收聚集太阳能热量驱动生物质超临界水气化制氢反应的腔式太阳能吸收超临界水反应器，用于为所述腔式太阳能吸收超临界水反应器提供热源的多碟自动跟踪太阳聚光集热器（３０）以及气水分离装置；所述物料高压输送系统的物料输出端连接至腔式太阳能吸收超临界水反应器的物料输入端，所述腔式太阳能吸收超临界水反应器的输出端连接至气水分离装置的输入端；所述腔式太阳能吸收超临界水反应器置于多碟聚光器（３０）焦点位置，其腔口入射窗与太阳光焦斑平面同轴重合布置；所述腔式太阳能吸收超临界水反应器还连接有去离子水供给装置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭烈锦，廖波，张西民，吕友军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87