CN102115030B - 多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，包括腔式太阳能吸收反应器以及第一、二冷却器，腔式太阳能吸收反应器由吸热反应腔和预热水加热腔组成，吸热反应腔和预热水加热腔的内腔壁均设有保温层；吸热反应腔的上端敞口处由石英玻璃密封，在吸热反应腔内设有管流反应器，吸热反应腔的底部设有物料预热器；预热水加热腔内设有预热水加热器，采用履带式电加热器加热，腔内可填充蓄热介质；预热水加热腔外盘绕有螺旋套管式高压换热器。该反应器具有太阳能吸收腔内温度波动小、生物质超临界水气化率高、能量综合利用效率高等优势，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。

Description

多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器

技术领域

本发明属于太阳能热利用及生物质及有机废弃物的可再生洁净转化利用技术领域，涉及一种生物质超临界水气化制氢技术，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吸热反应器。

背景技术

随着人类对能源需求的日益剧增，传统化石能源的枯竭及相应的环境污染问题日益严重，可再生能源如太阳能、生物质能的开发和利用，对于人类的可持续发展具有十分重要的意义。太阳能取之不尽、用之不竭，是理想的清洁能源，但其能量密度低，空间分布不断变化、间歇性等特点也给太阳热能的收集和利用提出了很高的要求。太阳能聚光集热器的使用使太阳能的中高温规模、高效利用成为可能。目前太阳能聚光集热器主要有槽式太阳能聚光器、碟式太阳能聚光器、塔式太阳能聚光器和复合抛物面式聚光器四种。由于腔体的黑体效应，能够充分吸收利用聚焦后的太阳光，其优点为：经聚焦的辐射热流几乎均匀分布在腔体内壁，可以避免局部热流密度过大导致爆管，所以腔体式吸收器是聚焦太阳能吸收器中负责吸收太阳辐射并将其转化为热能的关键部件，可用于为太阳能热化学制氢提供热源。

生物质能是可再生能源的重要组成部分，是直接或间接地通过绿色植物、藻类和光合细菌的光合作用，把太阳能转化为化学能的形式固定和贮藏在生物体内的能量，其生长和利用过程可实现CO₂的“零”排放，有利于缓解温室气体的排放压力。

太阳能的收集以及向化学能载体如氢能的有效转化已经成为技术研究的热点。目前利用太阳能制氢有三种主要途径：电化学制氢、光化学制氢、热化学制氢。其中热化学制氢主要是利用聚焦太阳能作为高温热源驱动化石或非化石燃料通过不同途径如水热分解（制氢气和氧气）、天然气蒸汽重整（制合成气）、裂解(制氢和炭黑纳米颗粒)及以水和金属氧化物为原料的热化学循环制氢等。热化学气化被认为是最具商业前景的生物质利用技术，然而传统的生物质热化学气化技术需要对生物质进行干燥，这一过程需要消耗大量的能量。超临界水气化技术可以直接处理高含湿量的生物质，无需高能耗的干燥过程，而且具有气化率高、气体产物中氢气含量高等特点，是最具潜力的生物质制氢技术之一。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。

目前国内外太阳能热化学制氢的研究主要在太阳能聚焦高温驱动金属及金属氧化物的热化学循环法制氢及石油焦、碳氢化合物、有机生物质、煤的热裂解气化和蒸汽重整气化制氢方面，然而这些太阳能热化学转化方法需要高温热源（大于1000℃）来驱动，这无疑提高了太阳能集热器及反应器的成本，如A.Steinfeld等研制了一系列涡旋流反应器用于天然气热裂解、蒸汽重整及金属氧化物两步法制氢，该方法需要较高的反应温度。生物质超临界水气化制氢只需要在600℃以上就有很好的气化效果，添加催化剂可以进一步降低反应温度，实现相对较低温度的太阳能耦合生物质热化学气化制氢，因此与国际上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，该方法具有一定优势。专利CN 101551169中提出一种三角形腔体式太阳能吸收器，入射窗装有玻璃片，有利于减少热损失。东南大学专利CN101216220A提出一种异形模块式空腔太阳能高温接收器，具有较高的光热转换效率，但工作环境是常压或低压。哈尔滨工业大学专利CN1766460A提出了一种梨形的太阳能接收器，可以实现腔式吸收器内部壁面上安装的管道表面热流等值分布。专利WO 2006/079246提出一种容积式太阳能接收器，具有蓄热功能，采用双层内凹状中空玻璃窗口。专利WO 2010/055439提出一种可用于800℃的高温太阳能吸收反应器，采用金属或陶瓷泡沫材料作为吸热反应场所。美国专利US2010/0242352A1提出一种多窗口太阳能热吸收器，内部根据热流分布布置多管热化学反应器用于生物质颗粒热裂解气化制取合成气。专利CN 101597025A中展示了一种用于轮胎面定日镜的塔式太阳能热驱动生物质超临界水气化制氢反应器，反应器中预热水加热器与反应器均布置在太阳能吸收反应腔内，腔体入射口完全敞开与大气相通，存在温度波动较大的问题。

发明内容

本发明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吸热反应器，该反应器具有太阳能吸收腔内温度波动小、生物质超临界水气化率高、能量综合利用效率高等优势，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。

本发明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吸热反应器，包括有腔式太阳能吸收反应器以及第一、二冷却器，所述腔式太阳能吸收反应器由处于上部的吸热反应腔和处于下部的预热水加热腔组成，所述吸热反应腔和预热水加热腔的内腔壁均设有保温层；所述吸热反应腔的上端敞口处由石英玻璃密封，在吸热反应腔内设有管流反应器，所述吸热反应腔的底部设有物料预热器；所述预热水加热腔采用履带式电加热器加热，腔内可填充蓄热介质；在所述预热水加热腔内还设有预热水加热器；所述预热水加热腔外盘绕有螺旋套管式高压换热器；所述管流反应器的出口端与螺旋套管式高压换热器的内管入口连通，螺旋套管式高压换热器的外管出口端与预热水加热器的入口端连通，螺旋套管式高压换热器的内管出口端与第一冷却器连通，物料预热器和预热水加热器的出口与管流反应器的入口连通，第二冷却器的出口与物料预热器连接，第二冷却器的入口与高压软管连接用以进物料。

上述石英玻璃是JGS3红外光学石英玻璃。

上述螺旋套管式高压换热器采用逆流换热方式布置在预热水加热腔侧壁的保温层内；所述螺旋套管式高压换热器的外管入口端通过高压软管通入预热水。

上述保温层为毛细玻璃保温棉；所述吸热反应腔和预热水加热腔为一体式结构，两个腔体之间填充毛细玻璃保温棉。

上述管流反应器采用合金螺旋盘管构成腔体式结构布置在所述吸热反应腔的侧壁面上。

上述物料预热器采用蛇形管布置在所述吸热反应腔的底部。

上述预热水加热器采用螺旋盘管布置在所述预热水加热腔的腔体内。

上述物料预热器、吸热反应器和吸热反应腔内不锈钢冲孔网内衬的表面均涂有太阳能吸收涂料高温漆。

进一步，在以上所述的吸热反应腔内通入温室气体以提高吸热和换热效率。另外为了刚好的控制，在物料预热器的出口，预热水加热器的出口，管流反应器的入口及出口，螺旋套管式高压换热器的内、外管出口分别布置有K型铠装热电偶用以实时监控各个测点流体温度。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的吸热反应器入射窗采用透光性能好的石英玻璃密封既可以极大地减少腔体内部与外部环境的自然对流换热损失，又可以在密闭的腔体内部通入温室气体如CO₂，增强吸热换热效果，达到减少热损失的目的，另外还可以减少腔内温度波动。

（2）本发明的吸热反应器腔内侧面采用螺旋盘管紧凑布置作为吸热反应器，可以极大降低腔体内壁面温度，从而减少腔体壁面导热损失及重辐射损失。

（3）物料通过物料预热器预热后再与通过预热水加热器的高温预热水按一定比例在吸热反应器的入口混合，实现物料快速升温至超临界状态进行高温气化，有效减少了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。

（4）本发明的螺旋套管式高压换热器结构紧凑、换热高效，实现了内部热量循环、能量梯级利用和余热回收，热量损失小、热利用率高，极大地提高整个系统的能量效率。

（5）本发明具有很强的原料适应性，生物质废弃物通过本发明转化为高品质的氢气，分离提纯的副产品CO₂可以进行集中化处理，有效减少了温室气体排放以及环境污染，从而利用太阳能实现了制氢治污的双重目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实验工况1条件下太阳能吸收反应器对应的太阳直接辐照度与炉体平均温度、物料预热出口温度、反应器出口温度的变化曲线。

图3是实验工况2条件下太阳能吸收反应器对应的太阳直接辐照度与炉体平均温度、反应器入口及出口温度、换热器出口温度的变化曲线。

图4是实验工况2条件下在多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器气化实验结果。

其中：1、6、7、10、13、15均为K型铠装热电偶；2为石英玻璃；3为选择性吸收材料筛板内衬骨架；4为腔式太阳能吸收反应器；5为管流反应器；8为预热水加热器；9为履带式电加热器；11为第一冷却器；12为第二冷却器；14为螺旋套管式高压换热器；16为蛇形管物料预热器；17为保温层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，主要包括有腔式太阳能吸收反应器4以及第一、二冷却器11、12。其中腔式太阳能吸收反应器4由处于上部的吸热反应腔和处于下部的预热水加热腔组成，吸热反应腔和预热水加热腔的内腔壁均设有保温层17。吸热反应腔的上端敞口处（即入射窗）由石英玻璃2密封，本发明的较佳实施例中，石英玻璃2采用的是透光性能良好的JGS3红外光学石英玻璃，可以极大避免腔体内外的对流换热损失、减少腔内温度波动。在吸热反应腔内设有管流反应器5，该管流反应器5采用合金螺旋盘管构成腔体式结构布置在所述吸热反应腔的侧壁面上，入口在入射窗附近，实现物料快速升温。该种管流反应器5的结构紧凑，而且可以极大降低腔体内部壁面温度，从而减少腔体通过入射窗辐射损失和腔体壁面的导热损失，提高了腔式吸热器4的热效率。吸热反应腔的底部设有物料预热器16，该物料预热器16采用蛇形管布置在吸热反应腔的底部。

预热水加热腔采用履带式电加热器9加热，腔内可填充蓄热介质；在预热水加热腔内还设有预热水加热器8，该预热水加热器8采用螺旋盘管布置在所述预热水加热腔的腔体内。预热水加热腔外盘绕有螺旋套管式高压换热器14，螺旋套管式高压换热器14采用逆流换热方式布置在预热水加热腔侧壁的保温层17内。本发明的保温层17为毛细玻璃保温棉。吸热反应腔和预热水加热腔为一体式结构，两个腔体之间填充毛细玻璃保温棉。

由于选择性吸收面具有高的太阳吸收比和低的发射比，吸收太阳辐射的性能好，且辐射热损失小，是比较理想的太阳能吸收面，所以本发明的较佳实施例中，可以在以上的物料预热器4、吸热反应器5和吸热反应腔内不锈钢冲孔网内衬3的表面均涂有太阳能吸收涂料高温漆。以实现极低之反射率及高达0.95之太阳能吸收率；采用不锈钢冲孔网内衬3可以防止高温变形。太阳能吸热反应腔内可以通入温室气体提高吸热、换热效率。

以上各部分之间的连接关系如下：

管流反应器5的出口端与螺旋套管式高压换热器14的内管入口连通，螺旋套管式高压换热器14的外管出口端与预热水加热器8的入口端连通，螺旋套管式高压换热器14的内管出口端与第一冷却器11连通，物料预热器16和预热水加热器8的出口与管流反应器5的入口连通，第二冷却器12的出口与物料预热器16连接，第二冷却器12的入口与高压软管连接用以进物料。所述螺旋套管式高压换热器14的外管入口端通过高压软管通入预热水。

本发明中，在物料预热器16的出口，预热水加热器8的出口，管流反应器5的入口及出口，螺旋套管式高压换热器14的内、外管出口分别布置有K型铠装热电偶6、13、1、7、10、15用以实时监控各个测点流体温度。另外为了提高吸热和换热效率，可以在吸热反应腔内通入温室气体。

在本发明的最佳实施例中，腔式太阳能吸收反应器4采用圆柱双腔体式结构，太阳能吸收腔理论最佳长径比范围为1.2~1.5；预热水加热腔中可填充大比热容的蓄热介质（如熔融盐），可实现部分太阳能热储存在蓄热介质中，减少整个腔式太阳能吸收反应器4的温度波动。入射窗（即吸热反应腔上端敞口）采用透光性能良好的JGS3红外光学石英玻璃2密封，在本发明较佳实施例中，可以利用多碟自动跟踪太阳聚光器或塔式太阳能聚光器聚焦高温提供热源驱动生物质超临界水气化制氢。当使用多碟自动跟踪太阳聚光器时，入射窗处于多碟聚光器焦斑位置，利用聚焦太阳能高温提供热源驱动生物质超临界水气化制氢反应。

综上所述，本发明的腔式太阳能吸热反应器4高效整合了物料预热器16、预热水加热器8、吸热反应器5、螺旋套管式高压换热器14、第一冷却器11、第二冷却器12，并且使整个装置随自动跟踪太阳多碟聚光器转动，实现各高温部件的高效、紧凑集成。

本发明的工作过程如下：

物料通过物料预热器16预热后与通过预热水加热器8的高温预热水按一定比例在吸热反应器的入口混合，实现物料快速升温至超临界状态进行气化，运行工作压力为24~30Mpa，反应停留时间为30s以上。在物料预热器16的出口、预热水加热器出口8、吸热反应器5的入口及出口、螺旋套管式高压换热器14的内外管出口布置的K型铠装热电偶6、13、1、7、10、15实时监控各个测点流体温度，在物料预热器16、吸热反应器5、预热水加热器8壁面焊有k型热电偶实时监测温度，以防超温引起爆管。在太阳能吸热反应腔和预热水加热腔中都布置k型热电偶监测双腔中空气温度。预热水加热腔中装有履带式电加热器9，在太阳光辐照度波动较大或有乌云遮挡的情况下可以提供热量，使生物质超临界水气化制氢处在最佳反应条件稳定运行。

本发明人给出以下具体试验方案：

实验地点：西安，东经108°55′，北纬34°15′。

试验一：多碟聚光器聚光面积为16m²，浓度为0.3M的丙三醇溶液，物料与预热水流量比分别为1：3时进行气化制氢实验。

试验二：多碟聚光器聚光面积为16m²，浓度为0.1M的葡萄糖溶液，物料与预热水流量比分别为1：3时进行气化制氢实验。

表1是多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化实验设计工况。

表1

从图2、图3的太阳能吸收反应器在不同实验工况下对应的太阳直接辐照度与炉体平均温度、物料预热温度、反应器入口及出口温度的变化曲线可以看出当太阳能平均辐照度为600w/m²时，太阳炉4腔内空气温度可达700℃，反应器5出口流体温度可达650℃。炉体平均温度、物料预热温度、反应器出口温度主要受到太阳能直接辐照度影响，但短时间的太阳辐照度波动对各部分温度影响不大，可以使生物质超临界水气化稳定进行。图3中经换热器冷却出口流体温度只有100℃左右，换热效率达85%以上。从图4可以看出产气体积百分比受到太阳能直接辐照度的影响，但波动不大，可以稳定气化。

具体实施例用于更好的说明本发明，并不限定该专利的适用范围。

Claims (9)

1.一种多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，包括有腔式太阳能吸收反应器（4）以及第一、二冷却器（11、12），其特征在于：所述腔式太阳能吸收反应器（4）由处于上部的吸热反应腔和处于下部的预热水加热腔组成，两腔体内壁均采用不锈钢冲孔网内衬（3）；所述吸热反应腔和预热水加热腔的内腔壁均设有保温层（17）；所述吸热反应腔的上端敞口处由石英玻璃（2）密封，在吸热反应腔内设有管流反应器（5），所述吸热反应腔的底部设有物料预热器（16）；所述预热水加热腔采用履带式电加热器（9）加热，腔内填充有蓄热介质；在所述预热水加热腔内还设有预热水加热器（8）；所述预热水加热腔外盘绕有螺旋套管式高压换热器（14）；

所述管流反应器（5）的出口端与螺旋套管式高压换热器（14）的内管入口连通，螺旋套管式高压换热器（14）的外管出口端与预热水加热器（8）的入口端连通，螺旋套管式高压换热器（14）的内管出口端与第一冷却器（11）连通，物料预热器（16）和预热水加热器（8）的出口与管流反应器（5）的入口连通，第二冷却器（12）的出口与物料预热器（16）连接，第二冷却器（12）的入口与高压软管连接用以进物料。

2.根据权利要求1所述的多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，其特征在于：所述石英玻璃（2）是JGS3红外光学石英玻璃。

3.根据权利要求1所述的多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，其特征在于：所述螺旋套管式高压换热器（14）采用逆流换热方式布置在预热水加热腔侧壁的保温层（17）内；所述螺旋套管式高压换热器（14）的外管入口端通过高压软管通入预热水。

4.根据权利要求1或3所述的多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，其特征在于：所述保温层（17）为毛细玻璃保温棉；所述吸热反应腔和预热水加热腔为一体式结构，两个腔体之间填充毛细玻璃保温棉。

5.根据权利要求1所述的多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，其特征在于：所述管流反应器（5）采用合金螺旋盘管构成腔体式结构布置在所述吸热反应腔的侧壁面上。

6.根据权利要求1所述的多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，其特征在于：所述物料预热器（16）采用蛇形管布置在所述吸热反应腔的底部。

7.根据权利要求1所述的多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，其特征在于：所述预热水加热器（8）采用螺旋盘管布置在所述预热水加热腔的腔体内侧壁。

8.根据权利要求1-3或5-7任一项所述的多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，其特征在于：在所述吸热反应腔内通入温室气体以提高吸热和换热效率。

9.根据权利要求1-3或5-7任一项所述的多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢吸热反应器，其特征在于：在所述物料预热器（16）的出口，预热水加热器（8）的出口，管流反应器（5）的入口及出口，螺旋套管式高压换热器（14）的内、外管出口分别布置有K型铠装热电偶用以实时监控各个测点流体温度。

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