CN107034133B - 一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统及方法；一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统，包括储料箱、柱塞泵、换热器、导热油罐、导热油泵太阳能集热器、排气阀和余热回收换热器；其特征在于：藻细胞悬浮液装在储料箱中；储液箱通过管路与余热回收换热器的第一进口连接，余热回收换热器的第一出口通过柱塞泵和管路二连接换热器的第一进口，换热器的第一出口通过管路三连接导热油罐，导热油罐通过导热油泵和管路四连接太阳能集热器；太阳能集热器通过管路五连接换热器的第二进口，换热器的第二出口通过管路六和排气阀连接余热回收换热器的第二进口；本发明可广泛应用于环保、能源、生物、化工等领域。

Description

一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统及方法
技术领域
本发明涉及太阳能间接热化学转化系统及方法，具体涉及一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统及方法。
背景技术
生物质是所有含有内在化学能的非化石有机生物物质的统称，是一种可再生、天然可用、富含能量、污染物质(含硫、氮量较小)少，可以某种程度上缓解能源危机的含碳能源。生物质可以通过热化学转化制备生物燃料。这类生物质包括，微藻，纤维素，餐厨垃圾等。
微藻是一类能实现光能自养的单细胞藻类，其利用光合作用把二氧化碳转化成蛋白质、油脂、糖类等有机物。这些有机物又可以转化成生物燃料，比如生物柴油，生物乙醇、甲烷，氢气等。微藻可以通过水热液化转化成生物柴油；通过水热预处理后，发酵转化成乙醇，甲烷或氢气。但是，水热液化过程和水热预处理过程消耗了大量的能量，导致水热液化制备生物燃料过程，水热预处理发酵耦合制取甲烷氢气过程净能量收益较少。并且水热液化及水热预处理需要的热量大都来自于电能或燃烧热能，不利于节能减排，不利于水热液化、水热预处理过程的工业化。微藻细胞悬浮液为集热工质的槽式太阳能热化学转化系统为微藻热化学转化提供了新的思路。但是，直接以微藻细胞悬浮液为集热工质，存在一些问题，比如，易结焦、堵塞管路、受热不均等。另外，微藻的悬浮液中的无机盐结垢影响集热器的性能；中高压热化学转化条件，对集热器的承压性能提出了更高的要求。因此，有必要对该技术进行改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统及方法。
本发明的第一个技术方案,一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统，包括储料箱、柱塞泵、换热器、导热油罐、导热油泵太阳能集热器、排气阀和余热回收换热器；其特征在于：
藻细胞悬浮液装在储料箱中；储料箱通过管路与余热回收换热器的第一进口连接，余热回收换热器的第一出口通过柱塞泵和管路二连接换热器的第一进口，换热器的第一出口通过管路三连接导热油罐，导热油罐通过导热油泵和管路四连接太阳能集热器；太阳能集热器通过管路五连接换热器的第二进口，换热器的第二出口通过管路六和排气阀连接余热回收换热器的第二进口；余热回收换热器的第二出口通过管路七与发酵装置和/或油脂提取装置连接；
导热油装在导热油罐中，导热油泵驱动导热油通过管路四进入太阳能集热器；
所述太阳能集热器将太阳能转换成热能，并对导热油加热；导热油在太阳能集热器内吸收热量，吸热后的导热油通过管路五进入换热器与藻细胞悬浮液换热；藻细胞悬浮液在换热器中吸收导热油的热量，并转化成藻细胞水解液；藻细胞水解液通过管路六流入余热回收换热器；
所述余热回收换热器将藻细胞水解液与藻细胞悬浮液进行换热；藻细胞水解液通过管路七流入发酵装置和/或油脂提取装置；
发酵装置用于将藻细胞水解液转化成氢气、甲烷或乙醇；
油脂提取装置用于提取藻细胞水解液中的油脂。
所述柱塞泵，用于驱动微藻细胞悬浮液在系统内流动；导热油泵用于驱动导热油在系统内流动；所述排气阀，用于排出热化学转化过程中产生的气体。
根据本发明所述的一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统的优选方案，在管路二中设置有调节阀、阻尼器、流量计、第一温度传感器和第一压力传感器；
在管路三中设置有第三温度传感器；
在管路四中设置有导热油调节阀和导热油流量计；
在管路五中设置有第四温度传感器；
在管路六中设置有第二压力传感器、第二温度传感器和安全阀；
在管路七中设置有第五温度传感器和背压阀。
所述调节阀用于调节微藻细胞悬浮液的流量；所述阻尼器用于减少柱塞泵出口压力、流量的波动对系统设备造成的损害；流量计用于检测微藻细胞悬浮液的流量；温度传感器和压力传感器用于检测管道内流体的温度和压力。导热油调节阀和导热油流量计分别用于调节和检测导热油的流量。所述背压阀，用于使管道内压力保持恒定。
根据本发明所述的一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统的优选方案，所述太阳能集热器包括太阳能聚光板和真空集热管；所述太阳能聚光板用于聚集太阳光，并把反射后的太阳光汇聚到位于焦点处的真空集热管上；真空集热管由玻璃管、不锈钢管和光热转换涂层组成；不锈钢管设置在玻璃管内，玻璃管与不锈钢管之间的夹层设置为真空，防止因对流造成热损失；不锈钢管外表面涂有光热转化涂层；不锈钢管的一端连接管路四；不锈钢管的另一端连接管路五。导热油流入不锈钢管内，热量通过不锈钢管传递给导热油，导热油通过换热器把热量传递给藻细胞悬浮液，使微藻细胞悬浮液升温至热化学转化所需要的温度。
本发明的第二个技术方案是，一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一、构建太阳能热化学转化系统；该系统包括储料箱、柱塞泵、换热器、导热油罐、导热油泵太阳能集热器、排气阀和余热回收换热器；储料箱通过管路与余热回收换热器的第一进口连接，余热回收换热器的第一出口通过柱塞泵和管路二连接换热器的第一进口，换热器的第二出口通过管路三连接导热油罐，导热油罐通过导热油泵和管路四连接太阳能集热器；太阳能集热器通过管路五连接换热器的第二进口，换热器的第一出口通过管路六和排气阀连接余热回收换热器的第二进口；余热回收换热器的第二出口通过管路七与发酵装置和/或油脂提取装置连接；
第二、将藻细胞悬浮液装在储料箱中，启动柱塞泵，藻细胞悬浮液在柱塞泵的驱动下经过余热回收换热器和管路二流进换热器；
第三、将导热油装在导热油罐中，启动导热油泵，导热油在导热油泵驱动下通过管路四进入太阳能集热器
第四、所述太阳能集热器将太阳能转换成热能，并对导热油加热；导热油在太阳能集热器内吸收热量后，通过管路五流入换热器，并在换热器中与藻细胞悬浮液换热后，流入导热油罐；
第五、藻细胞悬浮液在换热器中吸收导热油的热量，并转化成藻细胞水解液；反应过程中产生的气体从排气阀排出；藻细胞水解液通过管路六流入余热回收换热器；
第六、所述余热回收换热器将藻细胞水解液与藻细胞悬浮液进行换热；藻细胞水解液通过管路七流入发酵装置和/或油脂提取装置；
第七、藻细胞水解液在发酵装置中生成氢气、甲烷或乙醇；或者通过油脂提取装置提取藻细胞水解液中的油脂。
根据本发明所述的一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的方法的优选方案，所述太阳能集热器包括太阳能聚光板和真空集热管；真空集热管由玻璃管、不锈钢管和光热转换涂层组成；不锈钢管设置在玻璃管内，玻璃管与不锈钢管之间的夹层设置为真空，不锈钢管外表面涂有光热转化涂层；不锈钢管的一端连接管路四；不锈钢管的另一端连接管路五。
本发明所述的一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统及方法的有益效果是:本发明通过使用太阳能集热器，充分利用了绿色可再生能源，解决了热化学转化过程中能量投入大的问题,减少了能源转化过程中的能量投入；同时，避免了微藻细胞悬浮液为集热工质的槽式太阳能热化学转化系统中可能出现的问题；本发明成本低，节约能源，效率高，较现有的水热预处理方式具有明显的优势；可广泛应用于环保、能源、生物、化工等领域。
附图说明
图1是本发明所述的以导热油为集热工质的太阳能热化学转化系统结构示意图。
图2是太阳能集热器12的结构示意图。
具体实施方式
参见图1至图2,一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统，包括储料箱1、柱塞泵2、调节阀3、阻尼器4、流量计5、温度传感器、压力传感器、导热油罐8、导热油泵9、导热油调节阀10、导热油流量计11、太阳能集热器12、换热器13、安全阀14、排气阀15、余热回收换热器16和背压阀17以及发酵装置20和/或油脂提取装置21；其中：
藻细胞悬浮液19装在储料箱1中；储料箱1通过管路与余热回收换热器16的第一进口连接，余热回收换热器16的第一出口通过柱塞泵2和管路二连接换热器13的第一进口，换热器13的第一出口通过管路三连接导热油罐8，导热油罐8通过导热油泵9和管路四连接太阳能集热器12；太阳能集热器12通过管路五连接换热器13的第二进口，换热器13的第二出口通过管路六和排气阀15连接余热回收换热器16的第二进口；余热回收换热器16的第二出口通过管路七与发酵装置20和/或油脂提取装置21连接。
导热油26装在导热油罐8中，导热油泵9驱动导热油26通过管路四进入太阳能集热器12。
所述太阳能集热器12将太阳能转换成热能，并对导热油26加热；导热油26在太阳能集热器12内吸收热量，吸热后的导热油26通过管路五进入换热器13与藻细胞悬浮液19换热；藻细胞悬浮液19在换热器13中吸收导热油的热量，并转化成藻细胞水解液18；藻细胞水解液18通过管路六流入余热回收换热器16。
所述余热回收换热器16将藻细胞水解液与藻细胞悬浮液进行换热；藻细胞水解液通过管路七流入发酵装置20和/或油脂提取装置21。
发酵装置20用于将藻细胞水解液转化成氢气、甲烷或乙醇。
油脂提取装置21用于提取藻细胞水解液中的油脂。
所述太阳能集热器是系统的关键部分，长度和宽度由集热工质流量和所要达到的热化学转化温度等因素决定。
在具体实施例中，在管路二中设置有调节阀3、阻尼器4、流量计5、第一温度传感器6A和第一压力传感器7A。
在管路三中设置有第三温度传感器6C。
在管路四中设置有导热油调节阀10和导热油流量计11。
在管路五中设置有第四温度传感器6D。
在管路六中设置有第二压力传感器7B、第二温度传感器6B和安全阀14。
在管路七中设置有第五温度传感器6E和背压阀17。
在具体实施例中，所述太阳能集热器12包括太阳能聚光板22和真空集热管；真空集热管由玻璃管23、不锈钢管25和光热转换涂层24组成；不锈钢管25设置在玻璃管23内，玻璃管23与不锈钢管25之间的夹层设置为真空，不锈钢管25外表面涂有光热转化涂层；不锈钢管25的一端连接管路四；不锈钢管25的另一端连接管路五。
该系统工作流程如下：系统安装完成后，启动柱塞泵2，一定浓度的藻细胞悬浮液19在柱塞泵2的驱动下通过余热回收换热器16流进管路二，藻细胞悬浮液19流经调节阀3和阻尼器4进入换热器13；阻尼器4消除柱塞泵2出口压力、流量的波动；在此段管路内，由流量计5、第一温度传感器6A、第一压力传感器7A测试藻细胞悬浮液19的流量、温度和压力；同时；启动导热油泵9，导热油26在导热油泵9驱动下通过管路四进入不锈钢管25；管路四中导热油调节阀10和导热油流量计11分别调节和检测导热油26的流量；导热油26在不锈钢管25中吸收热量，通过管路五流入换热器13，并在换热器13中与藻细胞悬浮液19换热后，流入导热油罐8；在管路五中第四温度传感器6D检测导热油的温度；藻细胞悬浮液19在换热器13中吸收导热油26的热量，并转化成藻细胞水解液；反应过程中产生的气体从排气阀15排出；藻细胞水解液通过管路六流入余热回收换热器16；高温的藻细胞水解液在余热回收换热器16中与低温藻细胞悬浮液19换热，再经过背压阀17流入发酵装置20和/或油脂提取装置21；藻细胞水解液18在发酵装置20中生成氢气、甲烷或乙醇等；或者通过油脂提取装置21提取油脂。如果系统由于某些不可预知的情况导致压力过高，则安全阀14自动打开，降低管路压力，保护系统。
一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的方法，包括如下步骤：
第一、构建太阳能热化学转化系统；该系统包括储料箱1、柱塞泵2、换热器13、导热油罐8、导热油泵9太阳能集热器12、排气阀15和余热回收换热器16；储料箱1通过管路与余热回收换热器16的第一进口连接，余热回收换热器16的第一出口通过柱塞泵2和管路二连接换热器13的第一进口，换热器13的第一出口通过管路三连接导热油罐8，导热油罐8通过导热油泵9和管路四连接太阳能集热器12；太阳能集热器12通过管路五连接换热器13的第二进口，换热器13的第二出口通过管路六和排气阀15连接余热回收换热器16的第二进口；余热回收换热器16的第二出口通过管路七与发酵装置20和/或油脂提取装置21连接。
在管路二中设置有调节阀3、阻尼器4、流量计5、第一温度传感器6A和第一压力传感器7A。
在管路三中设置有第三温度传感器6C。
在管路四中设置有导热油调节阀10和导热油流量计11。
在管路五中设置有第四温度传感器6D。
在管路六中设置有第二压力传感器7B、第二温度传感器6B和安全阀14。
在管路七中设置有第五温度传感器6E和背压阀17。
其中，所述太阳能集热器12包括太阳能聚光板22和真空集热管；真空集热管由玻璃管23、不锈钢管25和光热转换涂层24组成；不锈钢管25设置在玻璃管23内，玻璃管23与不锈钢管25之间的夹层设置为真空，不锈钢管25外表面涂有光热转化涂层24；不锈钢管25的一端连接管路四；不锈钢管25的另一端连接管路五。
第二、将藻细胞悬浮液19装在储料箱1中，启动柱塞泵2，藻细胞悬浮液19在柱塞泵2的驱动下经过余热回收换热器16和管路二流进换热器13。
第三、将导热油装在导热油罐8中，启动导热油泵9，导热油在导热油泵9驱动下通过管路四进入太阳能集热器12。
第四、所述太阳能集热器12将太阳能转换成热能，并对导热油26加热；导热油26在太阳能集热器12内吸收热量后，通过管路五流入换热器13，并在换热器13中与藻细胞悬浮液19换热后，流入导热油罐8。
第五、藻细胞悬浮液19在换热器13中吸收导热油26的热量，发生热化学转化并转化成藻细胞水解液18；热化学转化过程中产生的气体从排气阀15排出；藻细胞水解液18通过管路六流入余热回收换热器16。
第六、所述余热回收换热器16将藻细胞水解液18与藻细胞悬浮液19进行换热；藻细胞水解液通过管路七流入发酵装置20和/或油脂提取装置21。
第七、藻细胞水解液18在发酵装置20中生成氢气、甲烷或乙醇；或者通过油脂提取装置21提取藻细胞水解液18中的油脂。

Claims (5)

1.一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统，包括储料箱(1)、柱塞泵(2)、换热器(13)、导热油罐(8)、导热油泵(9)太阳能集热器(12)、排气阀(15)和余热回收换热器(16)；其特征在于：
藻细胞悬浮液(19)装在储料箱(1)中；储料箱(1)通过管路与余热回收换热器(16)的第一进口连接，余热回收换热器(16)的第一出口通过柱塞泵(2)和管路二连接换热器(13)的第一进口，换热器(13)的第一出口通过管路三连接导热油罐(8)，导热油罐(8)通过导热油泵(9)和管路四连接太阳能集热器(12)；太阳能集热器(12)通过管路五连接换热器(13)的第二进口，换热器(13)的第二出口通过管路六和排气阀(15)连接余热回收换热器(16)的第二进口；余热回收换热器(16)的第二出口通过管路七与发酵装置(20)和/或油脂提取装置(21)连接；
导热油(26)装在导热油罐(8)中，导热油泵(9)驱动导热油(26)通过管路四进入太阳能集热器(12)；
所述太阳能集热器(12)将太阳能转换成热能，并对导热油(26)加热；导热油(26)在太阳能集热器(12)内吸收热量，吸热后的导热油(26)通过管路五进入换热器(13)与藻细胞悬浮液(19)换热；藻细胞悬浮液(19)在换热器(13)中吸收导热油的热量，并转化成藻细胞水解液(18)；藻细胞水解液(18)通过管路六流入余热回收换热器(16)；
所述余热回收换热器(16)将藻细胞水解液(18)与藻细胞悬浮液(19)进行换热；藻细胞水解液(19)通过管路七流入发酵装置(20)和/或油脂提取装置(21)；
发酵装置(20)用于将藻细胞水解液(18)转化成氢气、甲烷或乙醇；
油脂提取装置(21)用于提取藻细胞水解液(18)中的油脂。
2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统，其特征在于：在管路二中设置有调节阀(3)、阻尼器(4)、流量计(5)、第一温度传感器(6A)和第一压力传感器(7A)；
在管路三中设置有第三温度传感器(6C)；
在管路四中设置有导热油调节阀(10)和导热油流量计(11)；
在管路五中设置有第四温度传感器(6D)；
在管路六中设置有第二压力传感器(7B)、第二温度传感器(6B)和安全阀(14)；
在管路七中设置有第五温度传感器(6E)和背压阀(17)。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的系统，其特征在于：所述太阳能集热器(12)包括太阳能聚光板(22)和真空集热管；真空集热管由玻璃管(23)、不锈钢管(25)和光热转换涂层(24)组成；不锈钢管25)设置在玻璃管(23)内，玻璃管(23)与不锈钢管(25)之间的夹层设置为真空，不锈钢管(25)外表面涂有光热转化涂层；不锈钢管(25)的一端连接管路四；不锈钢管(25)的另一端连接管路五。
4.一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一、构建太阳能热化学转化系统；该系统包括储料箱(1)、柱塞泵(2)、换热器(13)、导热油罐(8)、导热油泵(9)太阳能集热器(12)、排气阀(15)和余热回收换热器(16)；储料箱(1)通过管路与余热回收换热器(16)的第一进口连接，余热回收换热器(16)的第一出口通过柱塞泵(2)和管路二连接换热器(13)的第一进口，换热器(13)的第一出口通过管路三连接导热油罐(8)，导热油罐(8)通过导热油泵(9)和管路四连接太阳能集热器(12)；太阳能集热器(12)通过管路五连接换热器(13)的第二进口，换热器(13)的第二出口通过管路六和排气阀(15)连接余热回收换热器(16)的第二进口；余热回收换热器(16)的第二出口通过管路七与发酵装置(20)和/或油脂提取装置(21)连接；
第二、将藻细胞悬浮液(19)装在储料箱(1)中，启动柱塞泵(2)，藻细胞悬浮液(19)在柱塞泵(2)的驱动下经过余热回收换热器(16)和管路二流进换热器(13)；
第三、将导热油(26)装在导热油罐(8)中，启动导热油泵(9)，导热油(26)在导热油泵(9)驱动下通过管路四进入太阳能集热器(12)；
第四、所述太阳能集热器(12)将太阳能转换成热能，并对导热油(26)加热；导热油(26)在太阳能集热器(12)内吸收热量后，通过管路五流入换热器(13)，并在换热器(13)中与藻细胞悬浮液(19)换热后，流入导热油罐(8)；
第五、藻细胞悬浮液(19)在换热器(13)中吸收导热油的热量，并转化成藻细胞水解液(18)；反应过程中产生的气体从排气阀(15)排出；藻细胞水解液(18)通过管路六流入余热回收换热器(16)；
第六、所述余热回收换热器(16)将藻细胞水解液(18)与藻细胞悬浮液(19)进行换热；藻细胞水解液(18)通过管路七流入发酵装置(20)和/或油脂提取装置(21)；
第七、藻细胞水解液(18)在发酵装置(20)中生成氢气、甲烷或乙醇；或者藻细胞水解液(18)通过油脂提取装置(21)提取油脂。
5.根据权利要求4所述的一种利用太阳能间接热化学转化生物质浆液的方法，其特征在于：所述太阳能集热器(12)包括太阳能聚光板(22)和真空集热管；真空集热管由玻璃管(23)、不锈钢管(25)和光热转换涂层(24)组成；不锈钢管25)设置在玻璃管(23)内，玻璃管(23)与不锈钢管(25)之间的夹层设置为真空，不锈钢管(25)外表面涂有光热转化涂层(24)；不锈钢管(25)的一端连接管路四；不锈钢管(25)的另一端连接管路五。
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