CN104785185B - 一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器 - Google Patents

一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器 Download PDF

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Abstract

一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器，属于太阳能热利用技术领域。本发明为了解决现有的悬浮粒子系反应器化学反应速率低，光学玻璃窗口产生热变形和破碎的问题。具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器还包括倒置平顶锥形布风板，所述倒置平顶锥形布风板包括平板型布风板段和锥形布风板段，平板型布风板段设置在反应容器外壳的下端口下方，并通过锥形布风板段与反应容器外壳的下端口连接，平板型布风板段上开设有平板型布风板段进气口，锥形布风板段上开设有锥形布风板段进气口。本发明有效防止光学窗口热变形和破碎，提高系统的光化学转换效率。

Description

一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器
技术领域
本发明属于太阳能热利用技术领域；涉及一种悬浮粒子系太阳能热化学反应器，具体涉及一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器。
背景技术
发展高效、低成本太阳能利用技术是能源科技领域的紧迫任务。太阳能热化学转换是利用太阳能为化学反应提供热量，将太阳能存储在生成物中，并在制氢、CO2捕集等领域得到广泛研究与应用。太阳能热化学转换过程包括：①光热转换―反应器将聚集器汇聚后的太阳光吸收并转化为高温热能；②化学反应―高温下利用金属氧化物进行热化学循环反应将太阳能储存在生成物中。与传统多孔吸收体反应器相比，悬浮粒子系反应器具有比表面积大、不存在气孔堵塞等优点，并已进入中试阶段。
由于太阳光的照射具有显著的间断性，一方面受到昼夜、季节和地域等规律性因素的制约，另一方面又受到晴朗、阴云和雨雪天气等随机因素的影响，因而太阳能的热利用具有不均匀性。受粒子系气固两相流动特性的影响，反应区域内能量分布不均、温度梯度较大，进而降低化学反应速率，光学玻璃窗口产生热变形。此外，随着温度的变化，由于悬浮粒子反应器与光学玻璃窗的热膨胀系数及热膨胀程度不同，而容易导致光学玻璃窗发生破碎。另外，在太阳能的热转换过程中，反应器中的悬浮粒子也易随着气体流动而撞击光学窗口并粘附在光学窗口而降低光热吸收及光化学转换效率。因此，研发高效、稳定的太阳能热化学反应器是目前本学科亟待解决的问题。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供了一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器，以至少解决现有的悬浮粒子系反应器化学反应速率低，光学玻璃窗口产生热变形和破碎的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器，该装置包括出气口、光学窗口、金属氧化物粒子和反应容器外壳；所述反应容器外壳侧壁上开设有安装口，光学窗口安装在安装口内，反应容器外壳的顶部设置有出气口，反应容器外壳的内部设置有金属氧化物粒子；
所述一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器还包括倒置平顶锥形布风板，所述倒置平顶锥形布风板包括平板型布风板段和锥形布风板段，平板型布风板段设置在反应容器外壳的下端口下方，并通过锥形布风板段与反应容器外壳的下端口连接，平板型布风板段上开设有平板型布风板段进气口，锥形布风板段上开设有锥形布风板段进气口。
进一步地，一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器还可以包括吹扫二次风管；光学窗口的厚度小于反应容器外壳的壁厚，反应容器外壳的侧壁上由其下端向上穿设有吹扫二次风管，吹扫二次风管的出口端正对光学窗口的内表面。
进一步地，所述光学窗口的布置方向与锥形布风板段进气口、平板型布风板段进气口和吹扫二次风管的气体混合物入射方向一致。
进一步地，所述出气口可以为狭长出气口。
本发明提出的一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器所达到的效果如下：
1)防止粒子撞击光学窗口而降低光学窗口的可靠性；
2)防止粒子粘附在光学窗口上；
3)防止光学窗口的大温度梯度而引起热变形、降低光学窗口的可靠性；
4)防止粒子随着气体流出反应器；
5)克服常规粒子系反应器内气固流动的不均匀性，消除环核流动结构，有效提高气固混合及接触，防止颗粒的返混，提高系统的光化学转换效率。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的悬浮粒子系太阳能热化学反应器的结构示意图。
图中：1-出气口；2-光学窗口；3-金属氧化物粒子；4-吹扫二次风管；5-锥形布风板段进气口；6-平板型布风板段进气口；7-平板型布风板段；8-反应容器外壳；9-锥形布风板段。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器，该装置包括出气口1、光学窗口2、金属氧化物粒子3和反应容器外壳8；所述反应容器外壳8侧壁上开设有安装口，光学窗口2安装在安装口内，反应容器外壳8的顶部设置有出气口1，反应容器外壳8的内部设置有金属氧化物粒子3；所述一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器还包括倒置平顶锥形布风板，所述倒置平顶锥形布风板包括平板型布风板段7和锥形布风板段9，平板型布风板段7设置在反应容器外壳8的下端口下方，并通过锥形布风板段9与反应容器外壳8的下端口连接，平板型布风板段7上开设有平板型布风板段进气口6，锥形布风板段9上开设有锥形布风板段进气口5。
太阳光束通过光学窗口进入本发明的一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器的腔体内。气体混合物经过倒置平顶锥形布风板吹入容器内部将具有催化作用的金属氧化物粒子吹起来形成悬浮态，继而使得粒子分成两个路径分别流向两边容器边壁，保证粒子在两边呈稠密气固相流动。布风板采用倒平顶锥形结构，可以有效的克服常规反应器内的气固流动不均匀性，消除环核流动，提高气固混合及接触，从而可以有效的提高气固化学反应速率。气体混合物在太阳能的加热以及具有催化作用的金属氧化物粒子的综合作用下，发生热化学反应而产生生成物。
金属氧化物粒子的直径大小可以选择10μm至10mm；
金属氧化物粒子可以是Ru/Al2O3或Ni/SiO2；气体混合物可以为CH4和H2O；产生生成物为H2，CO，CO2。
此外，根据一种实现方式，一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器还可以包括吹扫二次风管4；光学窗口2的厚度小于反应容器外壳8的壁厚，反应容器外壳8的侧壁上由其下端向上穿设有吹扫二次风管4，吹扫二次风管4的出口端正对光学窗口2的内表面。
通过布置吹扫二次风来实现光学窗口降温冷却的目的，防止光学窗口因大温度梯度引起大热变形而破裂；同时吹扫二次风还可以将粘附在光学窗口上的金属氧化物粒子吹扫掉，提高太阳光束进入粒子系反应器内的比例，进而提高系统的光化学转换效率。
另外，根据一种实现方式，所述光学窗口的布置方向与锥形布风板段进气口5、平板型布风板段进气口6和吹扫二次风管4的气体混合物入射方向一致。
与传统反应器的光学窗口与气体混合物入射方向相垂直布置方式相比，本发明采用光学窗口布置方向与空气入射方向相一致的方式可以有效的防止悬浮态金属氧化物粒子冲击光学窗口而造成光学窗口因撞击而破裂并降低金属氧化物粒子粘附光学窗口的概率。
再者，根据一种实现方式，所述出气口1可以为狭长出气口。
反应器的上方布置狭长出气口，利用粒子重力的作用来克服其容易随气体从容器中泄漏的问题，防止粒子随着高温气体流出反应器。
通过以上描述可知，上述根据本发明的实施例的一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器，防止粒子撞击光学窗口而降低光学窗口的可靠性；防止粒子粘附在光学窗口上；防止光学窗口的大温度梯度而引起热变形、降低光学窗口的可靠性；防止粒子随着气体流出反应器；克服常规粒子系反应器内气固流动的不均匀性，消除环核流动结构，有效提高气固混合及接触，防止颗粒的返混，提高系统的光化学转换效率。

Claims (4)

1.一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器，该装置包括出气口(1)、光学窗口(2)、金属氧化物粒子(3)和反应容器外壳(8)；所述反应容器外壳(8)侧壁上开设有安装口，光学窗口(2)安装在安装口内，反应容器外壳(8)的顶部设置有出气口(1)，反应容器外壳(8)的内部设置有金属氧化物粒子(3)；
其特征在于：所述一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器还包括倒置平顶锥形布风板，所述倒置平顶锥形布风板包括平板型布风板段(7)和锥形布风板段(9)，平板型布风板段(7)设置在反应容器外壳(8)的下端口下方，并通过锥形布风板段(9)与反应容器外壳(8)的下端口连接，平板型布风板段(7)上开设有平板型布风板段进气口(6)，锥形布风板段(9)上开设有锥形布风板段进气口(5)。
2.根据权利要求1所述的一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器，其特征在于：一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器还包括吹扫二次风管(4)；光学窗口(2)的厚度小于反应容器外壳(8)的壁厚，反应容器外壳(8)的侧壁上由其下端向上穿设有吹扫二次风管(4)，吹扫二次风管(4)的出口端正对光学窗口(2)的内表面。
3.根据权利要求2所述的一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器，其特征在于：所述光学窗口的布置方向与锥形布风板段进气口(5)、平板型布风板段进气口(6)和吹扫二次风管(4)的气体混合物入射方向一致。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种具有防止光学窗口热变形和破碎的悬浮粒子系太阳能热化学反应器，其特征在于：所述出气口(1)为狭长出气口。
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