以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化系统及方法

摘要

本发明公开了以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化系统及方法；以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化系统，包括储料箱、柱塞泵、太阳能集热器、排气阀、发酵装置、油脂提取装置和余热回收换热器；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太阳能集热器；太阳能集热器通过排气阀和管路三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四与发酵装置和/或油脂提取装置连接；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，解决了预处理过程中能量投入大的问题；可广泛应用于环保、能源、生物、化工等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能热化学转化系统及方法，具体涉及以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化系统及方法。

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。因此，对微藻生物质而言，减少能源转化过程中的能量投入，是微藻能源转化过程所亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化系统及方法。

本发明的第一个技术方案,以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化系统，包括储料箱、柱塞泵、太阳能集热器、排气阀、发酵装置、油脂提取装置和余热回收换热器；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太阳能集热器；太阳能集热器通过排气阀和管路三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四与发酵装置和/或油脂提取装置连接。

所述太阳能集热器将太阳能转换成热能，并对藻细胞悬浮液加热；藻细胞悬浮液在太阳能集热器内吸收热量，发生热化学转化并转化成藻细胞水解液。

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；降温后的藻细胞水解液通过管路四流入发酵装置和/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；所述排气阀，用于排除热化学转化过程中产生的气体。

根据本发明所述的以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化系统的优选方案，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二温度传感器、第二压力传感器和安全阀。管路四中设置有背压阀和第三温度传感器。

所述调节阀用于调节生物质悬浮液的流量；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；流量计用于检测生物质悬浮液的流量；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。所述背压阀，用于使管道内压力保持恒定。

根据本发明所述的以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化系统的优选方案，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；真空集热器由玻璃管、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二；不锈钢管的另一端连接管路三。藻细胞悬浮液流入不锈钢管内，热量通过不锈钢管传递给藻细胞悬浮液，藻细胞悬浮液吸收热量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，一种以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化方法，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、太阳能集热器、排气阀和余热回收换热器；藻细胞悬浮液装在储料箱中；其中，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太阳能集热器；太阳能集热器通过排气阀和管路三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背压阀与发酵装置和/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流进太阳能集热器。

第三、所述太阳能集热器将太阳能转换成热能，并对藻细胞悬浮液加热；藻细胞悬浮液在太阳能集热器内吸收热量，发生热化学转化并转化成藻细胞水解液；热化学转化过程中产生的气体从排气阀排出。

第四、藻细胞水解液通过管路三流入余热回收换热器，并在余热回收换热器中与藻细胞悬浮液换热后，流入发酵装置和/或油脂提取装置。

第五、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从藻细胞水解液中提取油脂。

根据本发明所述的以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化方法的优选方案，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二；不锈钢管的另一端连接管路三。

本发明所述的以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化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；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是本发明所述的以生物质浆液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8的结构示意图。

具体实施方式

参见图1至图2,以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化系统，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、太阳能集热器8、安全阀9、排气阀10、背压阀12、发酵装置14、油脂提取装置15和余热回收换热器16；其中：

藻细胞悬浮液11装在储料箱1中；储液箱1通过管路与余热回收换热器16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和管路二连接太阳能集热器8；太阳能集热器8通过排气阀10和管路三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四与发酵装置14和/或油脂提取装置15连接。

所述太阳能集热器8将太阳能转换成热能，并对藻细胞悬浮液加热；藻细胞悬浮液在太阳能集热器8内吸收热量，发生热化学转化并转化成藻细胞水解液；所述太阳能集热器是系统最主要的部分，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。太阳能集热器将太阳能转换成热能传递给藻细胞悬浮液，藻细胞悬浮液吸收热量升温至热化学转化所需要的温度。

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；降温后的藻细胞水解液通过管路四流入发酵装置14和/或油脂提取装置15。

发酵装置14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15用于提取藻细胞水解液中的油脂。

在具体实施例中，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；管路三中设置有第二温度传感器6B、第二压力传感器7B和安全阀9。管路四中设置有第三温度传感器6C和背压阀12。

在具体实施例中，所述太阳能集热器8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的一端连接管路二；不锈钢管25的另一端连接管路三。

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11在柱塞泵2的驱动下流进系统管路，藻细胞悬浮液11流经调节阀3和阻尼器4进入太阳能集热器8；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11的流量、温度和压力；藻细胞悬浮液11在太阳能集热器8中吸收热量后转换成藻细胞水解液13，反应过程中产生的少量气体从排气阀10排出，高温的藻细胞水解液13在余热回收换热器16中与低温藻细胞悬浮液11换热，再经过背压阀12流入发酵装置14和/或油脂提取装置；藻细胞水解液13在发酵装置14中生成氢气、甲烷或乙醇等；或者在油脂提取装置15中提取生物柴油、油脂等生物质油。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。

一种以生物质浆液为集热工质的太阳能热化学转化方法，包括如下步骤：

第一、构建太阳能热化学转化系统；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、太阳能集热器8、安全阀9、排气阀10、背压阀12、发酵装置14、油脂提取装置15和余热回收换热器16。

其中，储液箱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和管路二连接太阳能集热器8；太阳能集热器8通过排气阀10和管路三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四与发酵装置14和/或油脂提取装置15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二温度传感器6B、第二压力传感器7B、和安全阀9。管路四中设置有第三温度传感器6C和背压阀12。

所述太阳能集热器8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的一端连接管路二；不锈钢管25的另一端连接管路三。

第二、将藻细胞悬浮液11装在储料箱1中，启动柱塞泵2，藻细胞悬浮液11在柱塞泵2的驱动下经过余热回收换热器16、调节阀3和阻尼器4流进太阳能集热器8；阻尼器4用于消除柱塞泵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11的流量、温度和压力。

第三、所述太阳能集热器8将太阳能转换成热能，并对藻细胞悬浮液加热；藻细胞悬浮液在太阳能集热器8内吸收热量，发生热化学转化并转化成藻细胞水解液；热化学转化过程中产生的气体从排气阀10排出。

第四、藻细胞水解液13通过管路三流入余热回收换热器16，在段管路内，第二温度传感器6B和第二压力传感器7B测试藻细胞水解液13的温度和压力，如果压力过高，则安全阀14自动打开，降低管路压力，保护系统；藻细胞水解液13在余热回收换热器16中与藻细胞悬浮液11换热后，由第三温度传感器6C测试藻细胞水解液13的温度，通过背压阀12流入发酵装置14和/或油脂提取装置15。

第五、藻细胞水解液13在发酵装置14中生成氢气、甲烷或乙醇；或者通过油脂提取装置15从藻细胞水解液13中提取油脂。