CN104498092B - 一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应的方法及其装置。经过聚焦的太阳光束，透过玻璃盖板照射在双腔式吸热腔的吸光腔内，固体颗粒经固体颗粒入口进入吸光腔的分隔盘面，固体颗粒和分隔盘面同时吸收太阳光，转化为热能，高温固体热颗粒进入吸光腔中央的下降管入口，下降管出口和反应腔通过气动盒连接，经过预处理的含碳物质通过螺旋输送管直接进入反应腔，与由气动盒流出的陶瓷热颗粒相混合，含碳物质吸收陶瓷热颗粒的热量，同时吸收吸光腔分隔盘面的辐射能量，生成裂解气，反应气由反应腔气体出口进入反应气体产物催化处理系统。本发明的方法提高了热量传递速率，同时克服了聚焦光斑不均匀和多变的问题，提高了吸光腔使用寿命。

Description

一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应方法及其装置
技术领域
本发明涉及太阳能热化学领域，尤其涉及一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应的方法及其装置。
背景技术
全球太阳能辐射总量约1.7×1017W，其中我国约占1%（1.8×1015W，相当于1.9万亿吨标煤/年），是我国目前年能耗总量的680倍，太阳能蕴藏着巨大的开发潜力。但是太阳能能流密度比较低，能量波动比较大，储存费用高，如采用光伏并网发电，对电网的冲击又比较大，这些问题一直影响着太阳能的进一步开发利用。而太阳能热化学方法正是通过聚光器聚焦太阳光，提高能流密度，通过热量储存和热化学反应，减小能量输出波动，同时将太阳能以化学能的形式储存起来。
在我国，煤炭、生物质、生活垃圾等含碳物质的直接燃烧造成了利用品位低，空气污染等问题。为了提高含碳物质利用率，含碳物质反应（包括热解和气化）等高效利用技术得到了开发和推广。而含碳物质反应是一个强烈的吸热反应，需要大量的热量来维持反应的进行，太阳能经过聚光器聚焦，可以达到900℃以上的温度，足以满足含碳物质反应对热量的需求。将太阳能与含碳物质反应结合起来，既促进了太阳能的进一步利用，也提高了单位质量含碳物质的反应产物产出率，减少了二氧化碳的排放。太阳能驱动的含碳物质反应方法正是一种高效的太阳能热化学方法。一般的太阳能反应腔需要一个石英玻璃盖板用来密封反应腔，同时保证聚焦的太阳能光能够高效率进入反应腔。然而含碳物质反应需要高温高压隔绝空气等条件，一般的石英玻璃盖板密封很难解决，而且玻璃盖板的污染问题也很难解决，严重影响太阳能反应的安全性和可行性。
发明内容
本发明针对现有的含碳物质反应耗能大，现有的太阳能反应吸热腔玻璃盖板问题，太阳能无法储存等问题，提供了一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应的装置及其方法。
将两者有效地结合起来，并且采用双腔式形式，以固体颗粒作为吸热介质，高效利用太阳能为提供含碳物质反应所需的能量，既可以提高单位质量含碳物质的反应产物产出率，减少二氧化碳排放，又可以将太阳能以化学能形式储存起来，同时保证吸热腔的寿命和安全性。
本发明的具体技术方案如下：
用分隔盘面将反应接收器分为上下两个腔，上腔为吸光腔，下腔为反应腔，经过聚焦后的太阳光束，照射在所述的吸光腔内，固体颗粒经固体颗粒入口进入吸光腔，流经分隔盘面，此时的冷固体颗粒温度在200℃～300℃，固体颗粒和分隔盘面同时吸收太阳光，将太阳光转化为热能，颗粒温度上升到800℃～1000℃，分隔盘面被加热到900℃～1100℃,高温热颗粒进入吸光腔中央的下降管入口，下降管出口和反应腔通过气动盒连接，经过预处理的含碳物质通过螺旋输送管直接进入反应腔，含碳物质的温度在100℃左右，与由气动盒流出的陶瓷热颗粒相混合，含碳物质吸收陶瓷热颗粒所携带的热量，同时吸收分隔盘面向反应腔发射的辐射能量，含碳物质温度上升到500℃～700℃，生成反应气，反应气由反应腔气体出口进入反应产物催化处理系统，经过冷凝的100℃～200℃的部分反应气和水蒸气的混合气经换热器后，混合气温度上升到200℃～300℃，同时通入反应腔气动盒和反应腔气体进口，在气动盒和反应腔气体进口都安装有布风板，在反应腔中形成鼓泡流化床，同时反应后的固体产物和冷固体颗粒经反应腔固体出口流出，此时固体产物和冷固体颗粒的温度为300℃～400℃，进入燃烧室燃烧，固体产物燃烧完毕后，将固体颗粒通入换热器，固体颗粒被冷却到200℃～300℃，冷却的固体颗粒进入提升管，到达吸光腔的固体颗粒入口，完成固体颗粒循环。
为减少吸光腔对外的对流损失，在吸光腔入口增加玻璃盖板，此时的玻璃盖板不承压，也不存在被反应污染的问题。为保证足够大的聚光比，在太阳光进入吸光腔前，增设复合抛物面聚光器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用了双腔式结构，将反应腔和吸光腔用分隔盘面隔离，既可以避免玻璃盖板高温密封和易受污染等问题，提高系统安全性、可行性和可靠性，又可以利用高温的分隔盘面，将吸收的热能以辐射形式传递给含碳物质。
2、本发明的方法将含碳物质反应和太阳能高温热利用结合起来，利用高聚光比的太阳能提供含碳物质反应所需的热量，提高单位质量含碳物质的反应产物产出率，减少二氧化碳排放，减少了反应产物的污染，为反应产物的后续处理和收集储存提供便利，同时又可以将太阳能以化学能储存起来。
3、本发明的方法采用固体颗粒作为吸光腔和反应腔热量传递的主要工质，提高了热量传递速率，同时克服了聚焦光斑不均匀和多变的问题，提高了吸光腔使用寿命。
附图说明
图1是一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应装置的结构示意图；
图中： 复合抛物面聚光器1、玻璃盖板2、吸光腔3、分隔盘面4、气体出口5、反应腔6、固体出口7、反应气体产物催化处理系统8、燃烧室9、换热器10、气体进口11、布风板12、螺旋给料管13、气动盒14、下降管出口15、下降管进口16、提升管17、吸光腔颗粒入口18。
具体实施方式
如图1，一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应装置由复合抛物面聚光器1、玻璃盖板2、吸光腔3、分隔盘面4、气体出口5、反应腔6、固体出口7、反应气体产物催化处理系统8、燃烧室9、换热器10、气体进口11、布风板12、螺旋给料管13、气动盒14、下降管出口15、下降管进口16、提升管17、吸光腔颗粒入口18组成。其中经过聚焦分光后的光束再经复合抛物面聚光器1聚焦后，经过玻璃盖板2进入吸光腔3，吸光腔3和反应腔6由分隔盘面4隔开，分隔盘面4中央与下降管进口16相连，下降管出口15经气动盒14与反应腔6相连，反应腔固体产物出口7与燃烧室9入口相连，燃烧室9出口与换热器10入口相连，换热器10出口经提升管17与吸光腔固体颗粒入口18相连。反应腔含碳物质进口与螺旋给料管13相连，反应腔气体出口5与反应气体产物催化处理系统8相连，反应气体产物催化处理系统8的另一端经换热器10和反应腔气体进口11相连，气体进口11处均布置有布风板12。
一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应方法是：经过聚焦后的太阳光束，再经过复合抛物面聚光器聚焦后，透过玻璃盖板照射在双腔式吸热腔的吸光腔内，固体颗粒经固体颗粒入口进入吸光腔的分隔盘面，此时的冷固体颗粒温度在200℃～300℃，固体颗粒和分隔盘面同时吸收太阳光，将太阳光转化为热能，颗粒温度上升到800℃～1000℃，分隔盘面被加热到900℃～1100℃,高温热颗粒进入吸光腔中央的下降管入口，下降管出口和反应腔通过气动盒链接，经过预处理的含碳物质通过螺旋输送管直接进入反应腔，含碳物质的温度在100℃左右，与由气动盒流出的陶瓷热颗粒相混合，含碳物质吸收陶瓷热颗粒的热量，同时吸收吸光腔分隔盘面的辐射能量，含碳物质温度上升到500℃～700℃，生成反应气，反应气由反应腔气体出口进入反应产物催化处理系统，经过冷凝的100℃～200℃的部分反应气和水蒸气的混合气经换热器后，混合气温度上升到200℃～300℃，同时通入反应腔气动盒和反应腔气体进口，在气动盒和反应腔气体进口都安装有布风板，在反应腔中形成鼓泡流化床。同时反应后的固体产物和冷固体颗粒经反应腔固体出口流出，此时固体产物和冷固体颗粒的温度为300℃～400℃，进入燃烧室燃烧，固体产物燃烧完毕后，将固体颗粒通入换热器，固体颗粒被冷却到200℃～300℃，冷却的固体颗粒进入提升管，到达吸光腔的固体颗粒入口，完成固体颗粒循环。
所述的太阳能驱动含碳物质反应的方法是，可以由太阳能通过固体颗粒和分隔盘面提供含碳物质反应所需要的能量。高能流密度的太阳光将固体颗粒加热到800℃～900℃，同时将分隔盘面加热到900℃～1100℃，高温的固体颗粒通过和煤颗粒混合，直接将热量传给含碳物质，分隔盘面再通过辐射换热将另一部分热量传递给含碳物质，含碳物质被加热到500℃～700℃，反应成固体产物和反应气。通过太阳能提供含碳物质反应所需要的能量，提高了单位质量含碳物质的反应产物产出率，减少二氧化碳排放，同时可以将太阳能以化学能的形式储存下来，解决了太阳能很难储存的问题。
所述的太阳能驱动含碳物质反应的吸热腔为双腔式结构，分为吸光腔和反应腔两个互相隔离的腔室。反应腔与吸光腔通过气动盒和下降管进出口链接，可以使反应腔隔绝空气，进行各种高温高压反应，同时避免了玻璃盖板高温密封和易受污染等问题，提高系统可行性、安全性和可靠性。
所述的固体颗粒循环系统方法是，其特征在于温度为200℃～300℃的固体颗粒在吸光腔中吸收高能流密度的太阳光后，温度上升到800℃～1000℃，然后和含碳物质混合后，将热量传递给含碳物质，并且随着与反应气和水蒸气的混合气换热后，温度下降到300℃～400℃，和反应固体产物一起经反应腔固体出口进入燃烧室，固体产物燃烧后，固体颗粒进入换热器冷却后，温度下降到200℃～300℃，然后冷固体颗粒经过提升管到达吸光腔固体颗粒入口，完成固体颗粒循环系统。固体颗粒起到快速高效吸收高能流密度的太阳光，并将热量快速传递给煤颗粒。而且，固体颗粒吸光腔可以很好的克服了聚焦光斑不均匀和多变的问题，提高吸光腔分隔盘面的使用寿命。
实施例：
本实施例的双腔式太阳能驱动煤反应装置如图1所示，装置由复合抛物面聚光器、玻璃盖板、吸光腔、分隔盘面、气体出口、反应腔、固体出口、反应气体产物催化处理系统、燃烧室、换热器、气体进口、布风板、螺旋给料管、气动盒、下降管出口、下降管进口、提升管、吸光腔颗粒入口组成。其中经过聚焦分光后的光束再经复合抛物面聚光器聚焦后，经过玻璃盖板进入吸光腔，吸光腔和反应腔由分隔盘面隔开，分隔盘面中央与下降管进口相连，下降管出口经气动盒与反应腔相连，反应腔固体产物出口与燃烧室入口相连，燃烧室出口与换热器入口相连，换热器出口经提升管与吸光腔固体颗粒入口相连。反应腔含碳物质进口与螺旋给料管相连，反应腔气体出口与反应气体产物催化处理系统相连，反应气体产物催化处理系统的另一端经换热器和反应腔气体进口相连，气体进口处均布置有布风板。
在阳光充足的晴天，太阳辐射能量为700W/m2，假设聚光镜直径为3m，聚光效率为90%，聚光后的太阳能能流密度为300kW/m2, 太阳能总功率为4KW，其中占96.5%能量的太阳光通过复合抛物面聚光器再次聚焦，穿透透明玻璃盖板照射在吸热腔的分隔盘面上，分隔盘面和固体颗粒吸收太阳光转化为热量，吸热腔的热转换效率为80%。进入吸光腔的颗粒质量流量为13.74Kg/h，冷颗粒温度为200℃，吸收太阳光能量后，温度上升到900℃，分隔盘面温度上升到1000℃，经过和煤颗粒混合换热，然后再与反应气和水蒸气的混合气换热后，温度下降到400℃，同时分隔盘面通过辐射换热将另一部分热量传递给煤颗粒，总共传递给煤颗粒的热量为2.3kW,假设固体颗粒与煤颗粒之间的热交换效率为95%，煤颗粒的质量流量为13.05 Kg/h，温度由100℃上升到500℃，煤颗粒发生反应，反应产物为48.73m3/h，按照一天六个小时的正常运行来算，每天的可反应的煤质量为78Kg/天，产生的反应产物为292.4m3/天。温度下降到400℃的煤半焦和固体颗粒，经过燃烧室燃烧后，热量通过热交换器传递给重新进入反应腔的反应气和水蒸气混合物，固体颗粒温度下降到200℃，经提升管重新回到吸光腔固体颗粒入口，完成固体颗粒循环。

Claims (7)

1.一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应的方法，其特征在于：吸光腔（3）与反应腔（6）之间由分隔盘面（4）隔开，固体颗粒从吸光腔（3）壁上的固体颗粒入口（18）输入吸光腔（3），流经分隔盘面（4），经过聚焦后的太阳光照射吸光腔（3），同时加热固体颗粒以及分隔盘面（4）,经过加热的固体颗粒从吸光腔（3）流出，再流入反应腔（6）并与含碳物质混合发生反应，反应所需热量来自固体颗粒本身所带热量以及分隔盘面（4）向反应腔（6）中发射的热辐射能量，反应过程中产生的气体产物由反应腔气体出口（5）输出，固体产物以及反应后降温的固体颗粒经反应腔固体出口（7）流出。
2.根据权利要求1所述的一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应方法，其特征在于所述的反应腔气体出口（5）出来的气体产物进入催化处理系统（8），催化处理系统（8）未处理的气体产物进入换热器（10）加热，通入反应腔气动盒（14）和反应腔气体进口（11），从反应腔固体出口（7）流出的固体产物和冷固体颗粒，进入燃烧室（9）燃烧，固体产物中可燃物质燃烧完毕后，将固体颗粒通入换热器（10），固体颗粒被冷却，进入提升管（17），到达吸光腔的固体颗粒入口（18），完成固体颗粒循环。
3.根据权利要求1所述的一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应方法，其特征在于所述的吸光腔（3）的太阳光入射处增加玻璃盖板（2），并在玻璃盖板（2）上设置一个复合抛物面聚光器（1）。
4.根据权利要求2所述的一种双腔式太阳能驱动含碳物质反应方法，其特征在于所述的固体颗粒被太阳光加热后温度从200℃～300℃上升至800℃～900℃，同时分隔盘面（4）被加热到900℃～1000℃，从反应腔固体出口（7）输出的反应固体产物和反应后的冷固体颗粒的温度为300℃～400℃，反应后的冷固体颗粒流经换热器（10）温度变为200℃～300℃，从催化处理系统（8）流出的未处理气体产物的温度为100℃～200℃，流经换热器（10）后，温度变为200℃～300℃。
5.一种实施如权利要求1所述方法的双腔式太阳能驱动含碳物质反应装置，其特征在于包括吸光腔（3）、反应腔（6）两个独立腔室，所述的吸光腔（3）和反应腔（6）由分隔盘面（4）隔离，分隔盘面（4）上表面属于吸光腔（3），分隔盘面（4）下表面属于反应腔（6），吸光腔有固体颗粒入口（18）用于颗粒从外部流到分隔盘面（4）的通道，所述的吸光腔（3）的分隔盘面（4）的中间布置下降管，通过气动盒（14）与反应腔（6）连接，反应腔气体出口（5）通过管道连接到反应气体产物催化处理系统（8），反应气体产物催化处理系统（8）的未处理气体出口连接到换热器（10），再连接到反应腔气动盒（14）和反应腔气体进口（11），反应腔固体出口（7）连接到燃烧室（9），再连接到换热器（10），再通过提升管（17）连接固体颗粒入口（18）。
6.根据权利要求5所述的双腔式太阳能驱动含碳物质反应装置，其特征在于在所述的吸光腔（3）入口处增加玻璃盖板（2），以及在玻璃盖板（2）上面增加复合抛物面聚光器（1）。
7.根据权利要求5所述的双腔式太阳能驱动含碳物质反应装置，其特征在于所述的气动盒（14）和反应腔（6）底部均安装有布风板（12），使反应腔（6）形成鼓泡流化床。
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