專利名稱：把水葫蘆變成能源的一種方法
技術領域：
生物質能源。
背景技術：
水葫蘆即“鳳眼蓮”為外來品種，20世紀70年代作為飼料引入我國，但其侵占力巨 大，引進數珠水葫蘆幾個月后他就密布水面，許多湖泊如滇池、洞庭湖、微山湖深受其害。國 家曾投資40億元處理水葫蘆污染。收效卻不大。水葫蘆生長力旺盛，可以用來處理水污染，但成品的水葫蘆含水量巨大，很難大批 儲藏和應用。在能源利用方面可以水解、熱解、氣化、燃燒、厭氧發酵等方法，但水葫蘆含水 量巨大，約占總質量的90%，粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、無氮浸出物約占干重的78. 68%，灰 分占干重的21. 32%，其中灰分部分為無機鹽類幾乎不能氣化，且水葫蘆干品燃燒值較低， 在含水量只有10%的情況下，熱值不超過1. 3GJ/m3，與木材的9. 8GJ/m3相比其熱值較低，能 源化利用的路途較遠。
發明內容
把水葫蘆變成能源的一種方法屬于生物質能和太陽能領域，其主要涉及把生長力 旺盛的“水葫蘆”在通過壓縮縮水并在有一定含水量的情況下后經太陽能聚光加熱轉變為 “燃氣”的一種方法。具體方法是在水源地(如湖泊、沼澤等)內或附近建立大型氣化爐， 把水葫蘆通過壓縮縮水后在具有一定含水量情況下加入大型氣化爐的生物質倉抽出空氣、 加蓋封閉隔絕氧氣，同時把太陽光聚集后通過“轉光頭”把聚集光送入氣化爐內產生高溫， 在高溫(700°以上)的氣化爐內，碳、氫、氧、氮化合物和少量水在高溫下裂解反應生成氫 氣、一氧化碳、甲烷、氨氣等可燃氣體，冷卻后的燃氣含有生物質能和太陽能，燃氣經過管道 通入居民家使用，未冷卻的燃氣也可直接用于燃燒發電，壓縮形成的汁液濃縮后經分層萃 取各種營養成分可用于食品加工。
圖1為太陽能氣化爐示意圖。在圖1中(1)為氣化爐基礎，(2)為吸光加熱倉和 加熱裝置，(3)為生物質倉內的加熱爐管，(4)為生物質倉兼容氣倉。(5)為聚光后的反射 光線，6)為聚光轉光頭，(7)為太陽光線，⑶為拋物面反射鏡，(9)為氣倉出口，(10)為液 體流出口。圖2為拋物鏡反射和聚光系統。在圖2中，⑴為拋物面反射鏡，(2)為聚光焦點， (3)為二分之一轉光頭，(4)為聚光后的反射光線，(5)為太陽直射光線
具體實施例方式分析在背景技術中可以看到水葫蘆在10%含水量的情況下熱值只有木材的 15%左右，所以認為把水葫蘆用于“能源”材料一般會“得不償失”，許多研究單位對含水量 巨大的水葫蘆作為能源利用會感到非常棘手。但有必要對水葫蘆的的熱值在含水量10%的情況下只有1. 3MJ/m3做一個具體分析水葫蘆含水率較高，即使上文所說的10%的情況下是指原水葫蘆(含水)重量的10%，與干重相比水葫蘆含水量依然超過50%，所以燃燒 時會消耗大量熱用于水蒸發，因而導致水葫蘆“熱值”較低。并且水葫蘆含金屬元素較多， 燃燒時會形成無機鹽類即“灰分”，由于灰分中大多是“碳酸鹽”類，碳酸根的存在消耗了水 葫蘆中的“碳”元素成分，使熱解時碳原子變成“二氧化碳”的能力降低。所以導致“熱量降 低”，而碳酸鹽類極不穩定，遇水放熱分解，導致熱量散失，所以用燃燒方法處理水葫蘆熱能 損失較大，很不劃算。還有一種熱解方法就是把水葫蘆中溫“液化”(350° -450° )，但液化水葫蘆包 括液化各類生物質相應配套措施還沒有跟上，因為生物質內約含有40%的碳和含有幾乎接 近50%質量的“氧”，氧含量的提高導致了生物質能源的熱值永遠比不上現存的化石類能源 (煤、油等)，液化雖然將生物質液化類似于“生物油”，但目前僅僅通過液化并不能提高生 物質的“熱值”，加氫去氧勢必會造成成本增加和裂解時能量的進一步消耗。生物質的汽化法由于消耗一部分能量來提高氣化爐的溫度，同時厭氧氣化法多是 吸熱反應因而消耗更多能量并把消耗的能量儲存在已經氣化的“氣體”中，如果不采取利用 太陽能的方式而改用煤炭等資源加熱或用自身燃燒加熱，只能是能量的不斷轉移，并且熱 效率不會太高會使能量進一步損失，而改用太陽能聚光加熱會使生物質在氣化時吸收“太 陽能”，將部分太陽能儲存在“氣體”中，使裂解“氣體”具有生物質能和太陽能的綜合，因而 可以說即熱解了生物質又儲存了太陽能，可謂一舉兩得。雖然太陽能的聚光技術雖已經成熟，但仍未在生產中得以運用。其中2007年中報 的“轉光頭”技術，具有把太陽光聚集并定向的功能，與定日鏡相比具有聚光比大、占地面積 小、操作靈活、適用工農業生產等優點，適合在太陽能氣化爐中運用。下邊將方法具體介紹如圖1所示，太陽能氣化爐首先表現為“大型氣化爐”，其結構與傳統的大型氣化 爐相似，圖1所示為太陽能氣化爐的基本結構。(1)為氣化爐的基礎部分能夠承擔足夠的設 計負荷，(2)為吸光加熱倉和加熱裝置，其內部主要是管狀或層狀結構，材料為耐高溫金屬 或金屬合金(熔點在1500°以上)(3)為生物質倉內的加熱爐管，爐管細而密集，主要起到 爐腔內熱量及時與生物質倉的生物質進行熱量交換的作用(4)為生物質倉兼容氣倉，壓榨 后的水葫蘆失水后裝入生物質倉進行加熱。(5)為聚光后的反射光線，能量密集，為平行光 線，聚光倍率50倍以上。(6)為聚光轉光頭，為高反射率的拋物面裝置，主要功能是反射聚 集起來的反射光，其焦點與拋物面的焦點在空間部位重合。(7)為太陽光線，是太陽的平行 光線(8)為拋物面反射鏡，圍繞太陽跟蹤旋轉，在定日鏡技術中其跟蹤角度為太陽仰角變 化角度的二分之一。其中在圖1中所示僅僅畫出了三個聚光鏡，在實際運用中根據需求能 量的多少其聚光鏡可以有很多個以滿足氣化爐的溫度和熱量需求。其按裝位置避免穿過人 行道，以防高倍聚光的太陽能給人造成灼傷。(9)為氣倉出口，當氣體達到一定壓力后自然 沖破壓力閥門流入氣體冷卻倉或者通入燃燒倉發電，(10)為液體流出口，主要是高溫反應 后形成的堿性溶液。水葫蘆也是“生物質”的一種，具有“生物質”的一些共同特征，生物質除了富含 “碳”之外，“氧”元素的質量比例較大，質量比例大于碳元素含量。氫原子的數量較多，因為 氫元素單個原子的質量只有氧元素的八分之一，即使生物質中氫元素“原子個數”的含量大于氧元素，但氫元素的質量比例較小。其中生物質中的碳和氫可以作為“能源”元素，而“氧” 元素的存在對于“能量”的貢獻少到忽略不計，所以生物質氣化時可以“厭氧氣化”。即隔絕 空氣“氣化”，這是因為生物質內的氧元素可以與碳元素化合生成CO和C02，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，但氧元素和氫元素如果太少，其數量不 夠形成C0、C02、CH4等氣體時，可以加入H20，H20中即含有氧又含有氫，所以可以做“碳”元 素的氧化劑2H20+C = C02+2H2 H20+C0 = C02+H2 C02+C = 2C0這三個反應在生物質氣化 時為最普通的反應，比如水煤氣加入水就是煤炭中含氧元素太少，但如果氧元素含量過大， 在高溫時又會促其燃燒，所以作為能源的氣體如果含“熱值”較高。就盡可能減少“氧元素” 含量，所以水葫蘆(或生物質)氣化時應厭氧氣化即將氣化爐中的空氣抽出來，所需要的氧 元素從“水”中 獲得即可，但水葫蘆中含水量巨大，氣化時的碳雖然需要被“氧化”，但水過多 遠遠超過對“氧元素”的需求，所以還要對水葫蘆進行壓榨縮水，縮水量也有一個范圍，水葫 蘆中的氧原子(以化合態存在)數量過多時就形成過多的C02，不足時C元素結晶過多，合 適時CO含量最多而其它“C02和C”含量最少，具體還要測一下水葫蘆中氧元素的具體含量， 還有水葫蘆所含金屬元素量是個變值，金屬元素跟氧化合，形成金屬氧化物，金屬氧化物與 水化合形成堿性溶液，與C02化合則形成碳酸鹽類，所以要保證氣化爐中水含量較高，避免 形成過多的C02，保持氣化爐中“堿性環境”，這就需要在氣化時根據不同地區的水葫蘆含金 屬元素的多少合理確定“H20”應有的含量，實踐中應該先少加水，正好將C元素不再結晶即 形成黑色“C”時即是所需要水分的最低含量，按理說水多一點對氣化氣體的能量影響不大， 但水過多會導致氣化時吸收過多的熱量，不利于太陽能的利用和轉化。這個數值的確定需 要測定水葫蘆中碳、氫、氧、氮和金屬元素的原子個數含量，取近似值，最終確定加入水的比 例，當然水葫蘆富含水，只是將水葫蘆壓榨縮水含有一部分水即可。生物質的氣化通過氣化反應裝置(即氣化爐)完成，其有較大利用價值的反應式 簡化為2H20+2C = 2C0+2H22H20+3C = 2C0+CH4綜上所述，水葫蘆氣化要在隔絕空氣“厭氧”條件下通過壓榨縮水在有部分水參加 氣化反應的情況下通過太陽能聚光加熱達到700°以上進行氣化，并使水含量適量促使其 含金屬元素變成堿性溶液而非碳酸鹽類，這需要水葫蘆氣化時需保證有一定的水含量，最 低水含量的確定是看碳元素是否結晶出“炭黑”，有結晶則證明水含量不夠，需在氣化要求 中增加水的含量比值，通常正常的水含量不要超過最低水含量的100%，S卩如果最低水含量 占干重的15%，則實際運行操作中水含量不能超過干重的30%，超過就需耗費更多的太陽 能。此方法可以簡稱為水葫蘆的厭氧含水太陽能氣化法。太陽能聚光方法屬于太陽能熱利用的范疇，但將太陽能高溫用在水葫蘆或者生物 質的氣化上，由于氣化多是吸熱反應，氣化后的氣體所含能量遠大于生物質或是水葫蘆的 能量，實際上這是太陽能的熱量轉化成可燃氣體的化學能，這種太陽能氣化方法稱為太陽 能熱量轉移儲存法。同時也可稱為太陽能和生物質能的綜合利用方法。
權利要求
把水葫蘆變成能源的一種方法是在水源地(如湖泊、沼澤等)內或附近建立大型氣化爐，把水葫蘆通過壓縮縮水后在具有一定含水量情況下加入大型氣化爐的生物質倉抽出空氣、加蓋封閉隔絕氧氣，同時把太陽光聚集后通過“轉光頭”把聚集光送入氣化爐內產生高溫，在高溫(700°以上)的氣化爐內，碳、氫、氧、氮化合物和少量水在高溫下裂解反應生成氫氣、一氧化碳、甲烷、氨氣等可燃氣體，冷卻后的燃氣含有生物質能和太陽能，燃氣經過管道通入居民家使用，未冷卻的燃氣也可直接用于燃燒發電，壓縮形成的汁液濃縮后經分層萃取各種營養成分可用于食品加工。
2.根據1所述的特征，水葫蘆需要壓縮縮水后在具有一定含水量情況下加入大型氣化 爐的生物質倉抽出空氣、加蓋封閉隔絕氧氣，所述實際為“壓縮縮水厭氧含水氣化法”，其特 征是壓縮后的水葫蘆含水量不能太大，太大損失加熱能量，含水量不能太少，太少則則反應 不完全，含水量的確定要根據不同地區水葫蘆內金屬元素含量的不同，在氣化后用觀察碳 元素是否結晶法確定最低含水量，保證壓縮后的水葫蘆含水量小于“最低含水量的2倍”。
3.根據1所述，太陽能聚光用的轉光頭為二分之一旋轉拋物面轉光頭，其特征是二分 之一旋轉拋物面轉光頭主軸方向對準氣化爐的加熱倉，轉光頭方向不變，其下面的太陽聚 光鏡跟隨太陽旋轉，其跟蹤角度為太陽仰角變化角度的二分之一。
4.根據1所述，氣化后的氣體溫度較高，本氣化裝置對能源綜合利用，其特征是將高溫 氣體進行冷卻，冷卻后的熱水可以應用，如果用于熱發電，則不需要冷卻，直接燃燒推動燃 氣輪機發電或者用于蒸汽輪機發電。
5.根據1所述，本氣化方法為太陽能的厭氧加水氣化法，其特征是加水氣化為吸熱反 應，氣化后的燃氣吸收了太陽能的能量，這實際是太陽能的一種氣體儲存方法，過程是把太 陽能轉變成了化學能，儲存在可燃氣體之中。
6.根據1所述，太陽能氣化爐中的太陽能能夠提供“高溫”熱量，其特征是在氣化爐中 可以利用電能、化石能源、風能等一切可以產生高溫熱能的能源取代太陽能。
全文摘要
把水葫蘆變成能源的一種方法屬于生物質能和太陽能轉化領域，其主要涉及把生長力旺盛的“水葫蘆”在含水量較大的情況下通過太陽能加熱氣化轉變為“燃氣”的一種方法。具體方法是在水源地(如湖泊、沼澤等)內或附近建立大型氣化爐，把水葫蘆通過壓縮縮水后在具有一定含水量情況下加入大型氣化爐的生物質倉抽出空氣、加蓋封閉隔絕氧氣，同時把太陽光聚集后通過“轉光頭”把聚集光送入氣化爐內產生高溫(700°以上)，在高溫氣化爐內，碳、氫、氧、氮化合物和少量水在高溫下裂解反應生成氫氣、一氧化碳、甲烷、氨氣等可燃氣體，冷卻后的燃氣含有生物質能和太陽能，燃氣經過管道通入居民家使用，未冷卻的燃氣也可直接用于燃燒發電，壓縮形成的汁液濃縮后經分層萃取各種營養成分可用于食品加工。
文檔編號C10J3/20GK101812328SQ201010165209
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月21日 優先權日2010年4月21日
發明者馮益安 申請人:馮益安