CN101812328B

CN101812328B - 把水葫芦变成能源的一种方法

Info

Publication number: CN101812328B
Application number: CN2010101652095A
Authority: CN
Inventors: 冯益安
Original assignee: 冯益安
Current assignee: Qidong Tianfen Electric Tool Technology Innovation Center
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: CN101812328A

Abstract

把水葫芦变成能源的一种方法属于生物质能和太阳能转化领域，其主要涉及把生长力旺盛的“水葫芦”在含水量较大的情况下通过太阳能加热气化转变为“燃气”的一种方法。具体方法是：在水源地(如湖泊、沼泽等)内或附近建立大型气化炉，把水葫芦通过压缩缩水后在具有一定含水量情况下加入大型气化炉的生物质仓抽出空气、加盖封闭隔绝氧气，同时把太阳光聚集后通过“转光头”把聚集光送入气化炉内产生高温(700℃以上)，在高温气化炉内，碳、氢、氧、氮化合物和少量水在高温下裂解反应生成氢气、一氧化碳、甲烷、氨气等可燃气体，冷却后的燃气含有生物质能和太阳能，燃气经过管道通入居民家使用，未冷却的燃气也可直接用于燃烧发电，压缩形成的汁液浓缩后经分层萃取各种营养成分可用于食品加工。

Description

把水葫芦变成能源的一种方法

技术领域：生物质能源

背景技术：

水葫芦即“凤眼莲”为外来品种，20世纪70年代作为饲料引入我国，但其侵占力巨大，引进数珠水葫芦几个月后他就密布水面，许多湖泊如滇池、洞庭湖、微山湖深受其害。国家曾投资40亿元处理水葫芦污染。收效却不大。

水葫芦生长力旺盛，可以用来处理水污染，但成品的水葫芦含水量巨大，很难大批储藏和应用。在能源利用方面可以水解、热解、气化、燃烧、厌氧发酵等方法，但水葫芦含水量巨大，约占总质量的90％，粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、无氮浸出物约占干重的78.68％，灰分占干重的21.32％，其中灰分部分为无机盐类几乎不能气化，且水葫芦干品燃烧值较低，在含水量只有10％的情况下，热值不超过1.3GJ/m³，与木材的9.8GJ/m³相比其热值较低，能源化利用的路途较远。

发明内容：

把水葫芦变成能源的一种方法属于生物质能和太阳能领域，其主要涉及把生长力旺盛的“水葫芦”在通过压缩缩水并在有一定含水量的情况下后经太阳能聚光加热转变为“燃气”的一种方法。具体方法是：在水源地(如湖泊、沼泽等)内或附近建立大型气化炉，把水葫芦通过压缩缩水后在具有一定含水量情况下加入大型气化炉的生物质仓抽出空气、加盖封闭隔绝氧气，同时把太阳光聚集后通过“转光头”把聚集光送入气化炉内产生高温，在高温(700°以上)的气化炉内，碳、氢、氧、氮化合物和少量水在高温下裂解反应生成氢气、一氧化碳、甲烷、氨气等可燃气体，冷却后的燃气含有生物质能和太阳能，燃气经过管道通入居民家使用，未冷却的燃气也可直接用于燃烧发电，压缩形成的汁液浓缩后经分层萃取各种营养成分可用于食品加工。

附图说明：

图1为太阳能气化炉示意图。在图1中：(1)为气化炉基础，(2)为吸光加热仓和加热装置，(3)为生物质仓内的加热炉管，(4)为生物质仓兼容气仓。(5)为聚光后的反射光线，6)为聚光转光头，(7)为太阳光线，(8)为抛物面反射镜，(9)为气仓出口，(10)为液体流出口。

图2为抛物镜反射和聚光系统。在图2中，(1)为抛物面反射镜，(2)为聚光焦点，(3)为二分之一转光头，(4)为聚光后的反射光线，(5)为太阳直射光线

具体实施方式：

分析：在背景技术中可以看到水葫芦在10％含水量的情况下热值只有木材的15％左右，所以认为把水葫芦用于“能源”材料一般会“得不偿失”，许多研究单位对含水量巨大的水葫芦作为能源利用会感到非常棘手。但有必要对水葫芦的的热值在含水量10％的情况下只有1.3MJ/m³做一个具体分析：水葫芦含水率较高，即使上文所说的10％的情况下是指原水葫芦(含水)重量的10％，与干重相比水葫芦含水量依然超过50％，所以燃烧时会消耗大量热用于水蒸发，因而导致水葫芦“热值”较低。并且水葫芦含金属元素较多，燃烧时会形成无机盐类即“灰分”，由于灰分中大多是“碳酸盐”类，碳酸根的存在消耗了水葫芦中的“碳”元素成分，使热解时碳原子变成“二氧化碳”的能力降低。所以导致“热量降低”，而碳酸盐类极不稳定，遇水放热分解，导致热量散失，所以用燃烧方法处理水葫芦热能损失较大，很不划算。

还有一种热解方法就是把水葫芦中温“液化”(350°-450°)，但液化水葫芦包括液化各类生物质相应配套措施还没有跟上，因为生物质内约含有40％的碳和含有几乎接近50％质量的“氧”，氧含量的提高导致了生物质能源的热值永远比不上现存的化石类能源(煤、油等)，液化虽然将生物质液化类似于“生物油”，但目前仅仅通过液化并不能提高生物质的“热值”，加氢去氧势必会造成成本增加和裂解时能量的进一步消耗。

生物质的汽化法由于消耗一部分能量来提高气化炉的温度，同时厌氧气化法多是吸热反应因而消耗更多能量并把消耗的能量储存在已经气化的“气体”中，如果不采取利用太阳能的方式而改用煤炭等资源加热或用自身燃烧加热，只能是能量的不断转移，并且热效率不会太高会使能量进一步损失，而改用太阳能聚光加热会使生物质在气化时吸收“太阳能”，将部分太阳能储存在“气体”中，使裂解“气体”具有生物质能和太阳能的综合，因而可以说即热解了生物质又储存了太阳能，可谓一举两得。

虽然太阳能的聚光技术虽已经成熟，但仍未在生产中得以运用。其中2007年中报的“转光头”技术，具有把太阳光聚集并定向的功能，与定日镜相比具有聚光比大、占地面积小、操作灵活、适用工农业生产等优点，适合在太阳能气化炉中运用。

下边将方法具体介绍：

如图1所示，太阳能气化炉首先表现为“大型气化炉”，其结构与传统的大型气化炉相似，图1所示为太阳能气化炉的基本结构。(1)为气化炉的基础部分能够承担足够的设计负荷，(2)为吸光加热仓和加热装置，其内部主要是管状或层状结构，材料为耐高温金属或金属合金(熔点在1500°以上)(3)为生物质仓内的加热炉管，炉管细而密集，主要起到炉腔内热量及时与生物质仓的生物质进行热量交换的作用(4)为生物质仓兼容气仓，压榨后的水葫芦失水后装入生物质仓进行加热。(5)为聚光后的反射光线，能量密集，为平行光线，聚光倍率50倍以上。(6)为聚光转光头，为高反射率的抛物面装置，主要功能是反射聚集起来的反射光，其焦点与抛物面的焦点在空间部位重合。(7)为太阳光线，是太阳的平行光线(8)为抛物面反射镜，围绕太阳跟踪旋转，在定日镜技术中其跟踪角度为太阳仰角变化角度的二分之一。其中在图1中所示仅仅画出了三个聚光镜，在实际运用中根据需求能量的多少其聚光镜可以有很多个以满足气化炉的温度和热量需求。其按装位置避免穿过人行道，以防高倍聚光的太阳能给人造成灼伤。(9)为气仓出口，当气体达到一定压力后自然冲破压力阀门流入气体冷却仓或者通入燃烧仓发电，(10)为液体流出口，主要是高温反应后形成的碱性溶液。

水葫芦也是“生物质”的一种，具有“生物质”的一些共同特征，生物质除了富含“碳”之外，“氧”元素的质量比例较大，质量比例大于碳元素含量。氢原子的数量较多，因为氢元素单个原子的质量只有氧元素的八分之一，即使生物质中氢元素“原子个数”的含量大于氧元素，但氢元素的质量比例较小。其中生物质中的碳和氢可以作为“能源”元素，而“氧”元素的存在对于“能量”的贡献少到忽略不计，所以生物质气化时可以“厌氧气化”。即隔绝空气“气化”，这是因为生物质内的氧元素可以与碳元素化合生成CO和CO2，H元素和C化合生成CH4，另外H可以形成H2，所以氧元素不可太多，但氧元素和氢元素如果太少，其数量不够形成CO、CO2、CH4等气体时，可以加入H2O，H2O中即含有氧又含有氢，所以可以做“碳”元素的氧化剂：2H2O+C＝CO2+2H2 H2O+CO＝CO2+H2 CO2+C＝2CO这三个反应在生物质气化时为最普通的反应，比如水煤气加入水就是煤炭中含氧元素太少，但如果氧元素含量过大，在高温时又会促其燃烧，所以作为能源的气体如果含“热值”较高。就尽可能减少“氧元素”含量，所以水葫芦(或生物质)气化时应厌氧气化即将气化炉中的空气抽出来，所需要的氧元素从“水”中获得即可，但水葫芦中含水量巨大，气化时的碳虽然需要被“氧化”，但水过多远远超过对“氧元素”的需求，所以还要对水葫芦进行压榨缩水，缩水量也有一个范围，水葫芦中的氧原子(以化合态存在)数量过多时就形成过多的CO2，不足时C元素结晶过多，合适时CO含量最多而其它“CO2和C”含量最少，具体还要测一下水葫芦中氧元素的具体含量，还有水葫芦所含金属元素量是个变值，金属元素跟氧化合，形成金属氧化物，金属氧化物与水化合形成碱性溶液，与CO2化合则形成碳酸盐类，所以要保证气化炉中水含量较高，避免形成过多的CO2，保持气化炉中“碱性环境”，这就需要在气化时根据不同地区的水葫芦含金属元素的多少合理确定“H2O”应有的含量，实践中应该先少加水，正好将C元素不再结晶即形成黑色“C”时即是所需要水分的最低含量，按理说水多一点对气化气体的能量影响不大，但水过多会导致气化时吸收过多的热量，不利于太阳能的利用和转化。这个数值的确定需要测定水葫芦中碳、氢、氧、氮和金属元素的原子个数含量，取近似值，最终确定加入水的比例，当然水葫芦富含水，只是将水葫芦压榨缩水含有一部分水即可。

生物质的气化通过气化反应装置(即气化炉)完成，其有较大利用价值的反应式简化为

2H2O+2C＝2CO+2H2

2H2O+3C＝2CO+CH4

综上所述，水葫芦气化要在隔绝空气“厌氧”条件下通过压榨缩水在有部分水参加气化反应的情况下通过太阳能聚光加热达到700°以上进行气化，并使水含量适量促使其含金属元素变成碱性溶液而非碳酸盐类，这需要水葫芦气化时需保证有一定的水含量，最低水含量的确定是看碳元素是否结晶出“炭黑”，有结晶则证明水含量不够，需在气化要求中增加水的含量比值，通常正常的水含量不要超过最低水含量的100％，即如果最低水含量占干重的15％，则实际运行操作中水含量不能超过干重的30％，超过就需耗费更多的太阳能。

此方法可以简称为水葫芦的厌氧含水太阳能气化法。

太阳能聚光方法属于太阳能热利用的范畴，但将太阳能高温用在水葫芦或者生物质的气化上，由于气化多是吸热反应，气化后的气体所含能量远大于生物质或是水葫芦的能量，实际上这是太阳能的热量转化成可燃气体的化学能，这种太阳能气化方法称为太阳能热量转移储存法。同时也可称为太阳能和生物质能的综合利用方法。

Claims

1.一种把水葫芦变成能源的方法，其特征是：该方法是一种压缩缩水厌氧含水气化法，在水源地内或附近建立大型气化炉，把水葫芦通过压缩缩水后在具有一定含水量情况下加入大型气化炉的生物质仓并抽出空气、加盖封闭隔绝氧气，同时把太阳光聚集后通过“转光头”把聚集光送入气化炉内产生高温，在高温气化炉内，碳、氢、氧、氮化合物和少量水在高温下裂解反应生成氢气、一氧化碳、甲烷、氨气等可燃气体，冷却后的燃气经过管道通入居民家使用，或未冷却的燃气直接用于燃烧发电，所述“一定含水量”是指压缩后的水葫芦含水量不能太大，太大损失加热能量，含水量不能太少，太少则反应不完全，含水量的确定要根据不同地区水葫芦内金属元素含量的不同，在气化后用观察碳元素是否结晶法确定“最低含水量”，保证压缩后的水葫芦含水量小于“最低含水量”的2倍，所述观察碳元素是否结晶法是指测定水葫芦气化时 “最低含水量”的一种方法，即水葫芦在气化过程中看碳元素是否结晶出“炭黑”，有结晶则证明含水量不够，需在气化中增加水的含量比值。

2.根据权利要求1所述的一种把水葫芦变成能源的方法，其特征是压缩形成的汁液浓缩后经分层萃取各种营养成分用于食品加工。