CN111019677A - 一种太阳能光化学生物质热解装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳能光化学生物质热解装置，用于减少化石能源的消耗，提高生物质资源的产品价值，其技术方案是，所述装置中包括透射型聚光系统和吸热热解单元，所述透射型聚光系统包括菲涅尔透镜和透镜支架，所述菲涅尔透镜安装在透镜支架上部，所述吸热热解单元安装在透镜支架内并与菲涅尔透镜的焦点相对应。本发明利用太阳能对生物质资源进行光化学热解，该装置开拓了太阳能利用的新途径，降低了传统生物质热解过程中的自身能量损耗以及加热用化石能源的额外消耗，进一步提升了生物质资源的整体产品转化价值。

Description

一种太阳能光化学生物质热解装置

技术领域

本发明涉及太阳能技术领域，特别是一种利用太阳能对生物质燃料进行处理的装置。

背景技术

生物质热解是生物质资源利用的有效途径之一，可同时获取低碳燃料气和油质化学品，而且还可副产多孔吸附材料生物炭这种自然界稳定无害的碳存在形式。然而，传统的生物质热解时，一般采用化石能源加热或二次能源-电能加热，最终源头消耗的仍然多为化石能源。此举不仅助长了化石能源的消耗，而且存在额外的环境污染问题。如果用太阳能代替化石能源来进行生物质热解，不仅开拓了可再生能源的利用途径，而且可提高生物质资源的整体产品价值。

目前，生物质热解温度一般都在300℃以上。而太阳光透过大气层入射到地球表面的辐射能热流密度较低，直接利用无法满足生物质热解的一般温度要求，影响热解产品的经济性。因此，当采用太阳能进行生物质热解时，需将低热流密度的辐射能通过聚光装置聚集转化为高热流密度的辐射能，以满足生物质热解所需加热功率的要求。截至目前为止，太阳能聚光装置主要有反射式和透射式两种。其中，反射式太阳能聚光装置包含了抛物型槽式聚光的反射镜面装置、带中央接收器的塔式镜面反射装置和球柱面状的碟式聚光反射装置等，被广泛应用于太阳能热发电、太阳能制冷和太阳能聚光光伏发电领域。然而，利用反射式太阳能聚光装置的槽式集热器温度只能达到200-300℃，相对较低，满足不了生物质热解的温度需求，而塔式集热器虽然在发电行业表现十分突出，集热效率也较高，工质熔融盐的温度也是达到了1000℃，但是其造价十分昂贵，且占地面积很大，不适用于小型实验研究及小规模化工产品生产。透射型聚光装置主要是菲涅尔透镜。菲涅耳透镜表面通常有槽状同心圆，同时又分为点聚焦式和线聚焦式两种结构设计。菲涅尔透镜可以根据实际需求，做成平板形和小球面形等形式。菲涅尔透镜具有良好的聚光特性和光学属性，多用于太阳能聚光集热，诸如太阳能热水器等，由于其具有投射聚光瞬间高温的特点，有时也用于金属表面的冶炼。而且BoyD早在1976年就提出了菲涅耳透镜和圆柱环形腔体吸收器组成的中高温太阳能集热器。因此，利用基于菲涅尔透镜的透射型聚光装置进行太阳能加热装置设计，以实现生物质的光化学热解，在理论和实践方面都是可行的。此外，基于菲涅尔透镜设计的太阳能光化学生物质热解装置，其结构相对于反射式太阳能聚光装置来讲相对简单，造价成本也相对较低，对生物质热解过程来讲是比较适用的。然而到目前为止，人们还没有开发出利用太阳能对生物质资源进行热解的装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种太阳能光化学生物质热解装置，以减少化石能源的消耗，提高生物质资源的产品价值。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种太阳能光化学生物质热解装置，装置中包括透射型聚光系统和吸热热解单元，所述透射型聚光系统包括菲涅尔透镜和透镜支架，所述菲涅尔透镜安装在透镜支架上部，所述吸热热解单元安装在透镜支架内并与菲涅尔透镜的焦点相对应。

上述太阳能光化学生物质热解装置，所述吸热热解单元包括石英管、气体流量计、压力阀和产品回收单元，所述石英管横放在透镜支架内并与菲涅尔透镜的焦点相对应，石英管的下部管壁上设有吸热涂层，内部放置生物质样品池，首端和尾端均设有法兰，首端法兰的中心孔依次经压力阀、气体流量计和进气阀与进气管连接，尾端法兰的中心孔通过排气阀与产品回收单元连接，在尾端法兰上还设有温度测量单元。

上述太阳能光化学生物质热解装置，所述透镜支架的下部设有光追踪系统，所述光追踪系统包括底板、合页、液压伸缩杆和升降旋转机构，所述底板的每个角下部设有带制动片的角动轮，所述升降旋转机构位于底板的中部下方，所述透镜支架为上部开口且上大下小的四角棱台箱式结构，其一个侧壁的下端通过合页与底板连接，该侧壁与底板之间通过液压伸缩杆连接,液压伸缩杆由电机驱动。

上述太阳能光化学生物质热解装置，所述升降旋转机构包括上转动接头、转轴、下转动接头和三个可折叠支架，所述转轴的上端通过上转动接头与底板连接，下端与下转动接头连接，三个可折叠支架安装在下转动接头的下部。

上述太阳能光化学生物质热解装置，所述产品回收单元连接包括油质冷却回收器、热解气分离处理器和热解气收集器，所述油质冷却回收器的进气端与石英管尾端的排气阀连接，所述热解气分离处理器的进气端通过处理器进口阀与油质冷却回收器的排气端连接，出气端通过处理器出口阀与热解气收集器连接，热解气分离处理器的进气端与出气端之间通过处理器旁路阀连接。

上述太阳能光化学生物质热解装置，所述石英管安装在透镜支架内部的升降台上，所述升降台由升降液压杆支撑，石英管的两端通过限位夹与升降台连接。

上述太阳能光化学生物质热解装置，所述石英管的下部管壁上的吸热涂层的涂敷面积占管壁总面积的1/4～1/2。

上述太阳能光化学生物质热解装置，所述石英管的首端和尾端均设有单向逆止阀。

上述太阳能光化学生物质热解装置，所述菲涅尔透镜的上部和下部均设有保护镜片。

本发明利用太阳能对生物质资源进行光化学热解，该装置开拓了太阳能利用的新途径，降低了传统生物质热解过程中的自身能量损耗以及加热用化石能源的额外消耗，进一步提升了生物质资源的整体产品转化价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是透射型聚光系统结构示意图；

图3-图5是光追踪系统各部分的结构示意图。

图中各标号分别表示为：1-1、进气管口，1-2、排气管口，2-1、进气阀，2-2、排气阀，3、气体流量计，4-1、进气端单向逆止阀，4-2、排气端单向逆止阀，5、压力阀，6-1、首端法兰，6-2、尾端法兰，7、温度测量单元，8、石英管，9、样品池，10、吸热涂层，11、油质冷却回收器，12-1、处理器进口阀，12-3、处理器出口阀，12-2、处理器旁路阀，13、处理器旁路管，14、热解气分离处理器，15、热解气收集器，16-1、下保护镜片，16-2、上保护镜片，17、菲涅尔透镜，18、限位元件，19、透镜支架，20、升降台，21、升降液压杆，22、限位夹，23、合页，24、液压伸缩杆，25、角动轮，26、制动片，27、升降旋转机构，27-1、上转动接头，27-2、转轴，27-3、下转动接头，27-4、可折叠支架，28、底板，29、电机驱动液压单元。

具体实施方式

参看图1～图3，本发明由透射型聚光系统、吸热热解系统、光追踪系统组成。透射型聚光系统包括菲涅尔透镜17、保护镜片(包括下保护镜片16-1和上保护镜片16-2)、透镜支架19。菲涅尔透镜17为一种透明的薄镜状体，采用聚烯烃材或玻璃材料制成，其聚焦侧表面刻录规则排列同心圆，另一侧较为光滑。保护镜片具有较好的透光性，一般采用双层的钢化玻璃。菲涅尔透镜17置于双层保护镜片中间，形成夹心饼状结构。其中，下保护镜片16-1对菲涅尔透镜17起支撑作用，防止菲涅尔透镜17受重力作用下凹；上保护镜片16-2起防尘、防外来污染腐蚀的作用。透镜支架19采用不锈钢制成，为上部开口的四角棱台箱式结构，上大下小，棱台侧壁与水平面夹角大于30°。周围棱角及上下面边缘为钢支架支撑。菲涅尔透镜17、保护镜片夹心饼状结构位于棱台结构的顶部，棱台上边缘尺寸与镜片尺寸相匹配，且采用限位元件18如卡箍或限位螺丝等固定。

吸热热解系统包括吸热单元、气路系统、产品回收单元组成。吸热单元核心元件为横放的石英管8，石英管8底部敷吸热涂层10，涂敷截面占1/4-1/2管周长。石英管8采用可耐1300℃高温的石英材料制成，内配样品池9，一般为石英舟或坩埚。石英管8两端采用法兰(首端法兰6-1和尾端法兰6-2)与外界气路相连接，且法兰外侧设置温度测量单元7。石英管8内置于透镜支架19内部靠下位置设置的升降台20上，通过升降台20调整石英管8与菲涅尔透镜17之间的距离来调节其受热强度，控制热流功率，进而实现热解温度的调节。温度测量单元7利用热电偶测温，液压单元29根据温度反馈值控制升降台20的升降，实现温度的自动调节。气路系统中，连接管路上设置气流控制阀(即进气阀和排气阀2-2)控制气流流量，气体流量计3进行气流流量计量显示，单向逆止阀(即进气端单向逆止阀4-1和排气端单向逆止阀4-2)防止气流回流，压力阀5用来测量热解气氛压力。其设置气路系统目的为：(1)通过外接气体来调解生物质热解过程的氛围；(2)通过调节外来气流流量可控制生物质的热解速度。气路系统能够实现生物质在惰性氛围、氧化氛围、还原氛围以及真空氛围下光化学热解。产品回收单元包括油质冷却回收器11、热解气分离处理器14、处理器旁路管13、热解气收集器15及相应阀体(处理器进口阀12-1、处理器出口阀12-3和处理器旁路阀12-2)组成。油质冷却回收器11设置为多级，目的是充分回收热解的油质产物。热解气分离处理器14也由多级元件组成，以对热解气中不同组分进行分离处理。

光追踪系统由位于透镜支架19底端的合页23、液压伸缩杆24、底板28、角动轮25、制动片26和升降旋转机构27组成，可校正菲涅尔透镜17倾斜角度和水平方位。制作设备时，透镜支架19通过合页23与底板28连接，液压伸缩杆24连接在透镜支架19与底板28之间，通过液压伸缩杆24的伸缩可以使整个菲涅尔透镜17平面倾斜一定的角度，以平衡太阳光垂直照射角度。同时，底板28四角设置角动轮25及制动片26，实现热解装置位置移动，底板28底部设置旋转转动结构27(上转动接头27-1、转轴27-2、下转动接头27-3和可折叠支架27-4)，以追踪太阳光水平照射角度。

可折叠支架由一端可向下转动钢管制成，折叠支架在选定热解装置采光位置后向下展开，支架间展开角度为120°，支撑起整个热解装置。整个热解装置被抬升，角动轮脱离地面。热解装置在电机驱动下通过上转动接头、转轴和下转动接头带动发生水平旋转以迎合太阳方位。改变采光位置时，折叠支架向上折起，整个热解装置高度下降，角动轮着地。

与传统热解工艺相比，本发明具有如下优点：菲涅尔太阳能光化学生物质热解装置不仅能实现不同温度下生物质热解，而且可以实现多种氛围下的生物质热解功能；其次，该装置不存在生物质能的内损耗问题，无需额外消耗化石能源和产生额外的空气污染，能够实现生物质产品转化价值的最大化。尤其在当前空气污染严重、化石能源短缺、环境保护要求逐渐严格的大背景下，采用可再生能源太阳能实现生物质的全值热解，其在小型实验研究和小规模生产过程方面拥有较广的应用前景。

以下给出两个具体的结构，用于对本发明结构的进一步描述。

实施例1

太阳能光化学生物质热解装置工作时，石英管8的首一端法兰6-1被打开，一定质量的生物质置于样品池9内后放入热解石英管8的中部。石英管8封端后打开进气阀2-1和排气阀2-2，石英管8内通入所需气氛的气体，通过进气阀2-1、排气阀2-2、进气端单向逆止阀4-1、排气端单向逆止阀4-2、气体流量计3及压力阀5控制气体流量及压力。利用底板28底部角动轮25、制动片26将热解装置移动到光照充分的地方后展开可折叠支架27-4支撑底板28及其上部的透镜支架19，此时，角动轮25被架起。然后利用合页23、液压伸缩杆24调整菲涅尔透镜17倾斜角度并利用升降旋转机构27调整透镜水平方位，控制石英管8内生物质的升温速率。达到所需温度(温度测量单元7)后，启动升降液压杆21调整升降台20高度，使石英管8内温度恒定。热解产物通过排气阀2-2进入油质冷却回收器11，然后通过处理器出口阀12-3和处理器旁路阀12-2(此时处理器进口阀12-1关闭)，经处理器旁路管13进入热解气收集器15进行收集。达到所需热解时间后，调整装置位置或遮盖聚光系统，继续通气降温。当温度低于40℃后，关闭进气阀2-1和排气阀2-2，断开外接气路。打开石英管8的首端法兰6-1，取出热解后生物质。

实施例2

太阳能光化学生物质热解装置工作时，石英管8的首一端法兰6-1被打开，一定质量的生物质置于样品池9内后放入热解石英管8的中部。石英管8封端后打开进气阀2-1和排气阀2-2，石英管8内通入所需气氛的气体，通过进气阀2-1、排气阀2-2、进气端单向逆止阀4-1、排气端单向逆止阀4-2、气体流量计3及压力阀5控制气体流量及压力。利用底板28底部角动轮25、制动片26将热解装置移动到光照充分的地方后展开可折叠支架27-4支撑底板28及其上部的透镜支架19，此时，角动轮25被架起。然后利用合页23、液压伸缩杆24调整菲涅尔透镜17倾斜角度并利用升降旋转机构27调整透镜水平方位，控制石英管8内生物质的升温速率。达到所需温度(温度测量单元7)后，启动升降液压杆21调整升降台20高度，使石英管8内温度恒定。热解产物通过排气阀2-2进入油质冷却回收器11，然后通过热解气分离处理器14对热解气进行成分分离处理，处理后热解气入热解气收集器15进行收集。达到所需热解时间后，调整装置位置或遮盖聚光系统，继续通气降温。当温度低于40℃后，关闭进气阀2-1和排气阀2-2，断开外接气路。打开石英管8的首端法兰6-1，取出热解后生物质。

Claims (9)

1.一种太阳能光化学生物质热解装置，其特征是，构成中包括透射型聚光系统和吸热热解单元，所述透射型聚光系统包括菲涅尔透镜(17)和透镜支架(19)，所述菲涅尔透镜(17)安装在透镜支架(19)上部，所述吸热热解单元安装在透镜支架(19)内并与菲涅尔透镜(17)的焦点相对应。

2.根据权利要求1所述的太阳能光化学生物质热解装置，其特征是，所述吸热热解单元包括石英管(8)、气体流量计(3)、压力阀(5)和产品回收单元，所述石英管(8)横放在透镜支架(19)内并与菲涅尔透镜(17)的焦点相对应，石英管(8)的下部管壁上设有吸热涂层(10)，内部放置生物质样品池(9)，首端和尾端均设有法兰，首端法兰(6-1)的中心孔依次经压力阀(5)、气体流量计(3)和进气阀(2-1)与进气管连接，尾端法兰(6-2)的中心孔通过排气阀(2-2)与产品回收单元连接，在尾端法兰(6-2)上还设有温度测量单元(7)。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能光化学生物质热解装置，其特征是，所述透镜支架(19)的下部设有光追踪系统，所述光追踪系统包括底板(28)、合页(23)、液压伸缩杆(24)和升降旋转机构(27)，所述底板(28)的每个角下部设有带制动片(26)的角动轮(25)，所述升降旋转机构(27)位于底板(28)的中部下方，所述透镜支架(19)为上部开口且上大下小的四角棱台箱式结构，其一个侧壁的下端通过合页(23)与底板(28)连接，该侧壁与底板(28)之间通过液压伸缩杆(24)连接。

4.根据权利要求3所述的太阳能光化学生物质热解装置，其特征是，所述升降旋转机构(27)包括上转动接头(27-1)、转轴(27-2)、下转动接头(27-3)和三个可折叠支架(27-4)，所述转轴(27-2)的上端通过上转动接头(27-1)与底板(28)连接，下端与下转动接头(27-3)连接，三个可折叠支架(27-4)安装在下转动接头(27-3)的下部。

5.根据权利要求4所述的太阳能光化学生物质热解装置，其特征是，所述产品回收单元连接包括油质冷却回收器(11)、热解气分离处理器(14)和热解气收集器(15)，所述油质冷却回收器(11)的进气端与石英管(8)尾端的排气阀(2-2)连接，所述热解气分离处理器(14)的进气端通过处理器进口阀(12-1)与油质冷却回收器(11)的排气端连接，出气端通过处理器出口阀(12-3)与热解气收集器(15)连接，热解气分离处理器(14)的进气端与出气端之间通过处理器旁路阀(12-2)连接。

6.根据权利要求5所述的太阳能光化学生物质热解装置，其特征是，所述石英管(8)安装在透镜支架(19)内部的升降台(20)上，所述升降台(20)由升降液压杆(21)支撑，石英管(8)的两端通过限位夹(22)与升降台(20)连接。

7.根据权利要求6所述的太阳能光化学生物质热解装置，其特征是，所述石英管(8)的下部管壁上的吸热涂层(10)的涂敷面积占管壁总面积的1/4～1/2。

8.根据权利要求7所述的太阳能光化学生物质热解装置，其特征是，所述石英管(8)的首端和尾端均设有单向逆止阀。

9.根据权利要求8所述的太阳能光化学生物质热解装置，其特征是，所述菲涅尔透镜(17)的上部和下部均设有保护镜片。

Images