CN104877709B - 一种太阳能高温热化学气化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能高温热化学气化反应器，该反应器主要包括黑体空腔、反应腔室、导流柱、气体导管、固体导管和伺服电机等。利用本发明，能够更加高效利用太阳能驱动煤炭和生物质等固体碳氢燃料进行气化反应，并独立完成气化反应所包含的预热、热解和气化等过程，由此可实现太阳能向高品质合成气的转化，以解决了当前太阳能的储能难度大和可再生能源输送稳定性差等问题。

Description

一种太阳能高温热化学气化反应器

技术领域

本发明涉及高温太阳能热化学利用技术领域，尤其是一种太阳能高温热化学气化反应器。

背景技术

为应对高速的经济发展和社会进步，能源需求量逐年增大，能源短缺以及因大量燃用化石能源所产生的环境污染等问题与日凸显。为此太阳能和生物质等可再生清洁能源将在未来扮演越来越重要的角色。

太阳能作为一种清洁的可再生能源，以辐射的形式投射至地球表面，是人类可以利用的最丰富的能源，具有一些普通能源无法比拟的优点，如清洁、资源量巨大等。目前太阳能的利用技术主要包括太阳能光伏利用技术和太阳能光热利用技术。其中太阳能光伏利用技术，是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种发电技术，发电系统主要由太阳电池板组件、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，核心部件为太阳能电池。截止2014年底，中国光伏发电累计装机容量2805万千瓦，其中光伏电站2338万千瓦，分布式467万千瓦，年发电量约250亿千瓦时。而太阳能光热技术，是利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，并获得一定温度热能的应用技术，常规的太阳能光热发电技术则将通过换热装置生产蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，最终生产电能。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本，同时太阳能的利用效率也将有所提高。而且，太阳能光热利用技术能够借助储热装置来延长太阳能利用系统的工作时间。

常用的太阳能集热装置可分为线聚焦和点聚焦两大类，其中线聚焦太阳能集热装置主要包括抛物槽式和线性菲涅尔式，而点聚焦太阳能集热装置则主要包括塔式和碟式。因聚光装置的结构有所差异，不同类型集热器的聚光比和与之对应的集热温度也将有所区别，其中抛物槽式和线性菲涅尔式的集热温度一般在450℃以下，而塔式和碟式集热装置的集热温度甚至能超过1000℃。

传统的太阳能热发电技术，通过太阳能集热装置获取高温热能，并生产作为做功工质的高温高压蒸汽。通常抛物槽式集热装置以合成油作为导热介质，受导热油热稳定性的影响，蒸汽温度一般为370℃，而以熔盐作为导热介质的塔式太阳能热发电站的蒸汽温度也仅为500℃左右，利用较低温度的蒸汽难以提高太阳能热发电系统的整体性能，而且太阳能还具有间歇性和周期性的变化特性，如何实现发电装置的连续稳定运转仍然是该类发电技术的难点之一。为此，太阳能热化学利用技术逐渐被重视，通过利用高温太阳能驱动某些吸热型的热化学反应，例如利用中温太阳能驱动甲醇重整/裂解反应，以及利用高温太阳能驱动H₂O分解制氢等。通过将太阳能转变为化学能，不仅实现了太阳能的能量形式转化，有利于太阳能的长期稳定存储，同时将太阳能转化为高品质的化学能，也有助于实现能量的高效利用并拓展太阳能的利用途径。

相对而言，高温太阳能水分解制氢作为太阳能热化学利用技术的长远目标，目前仍存在效率低且技术要求苛刻等问题，为此利用太阳能驱动煤炭、石油焦和生物质等燃料进行气化的利用技术将作为太阳能热化学的近中期发展目标。这种多能源相集成的利用方式具有较高的能源利用效率，同时反应所需的温度等条件会有所降低。

煤炭和生物质等化石燃料的气化过程主要包括热解和残炭气化这两部分，现有的常规气化方式通常将这两组主反应置于一体，如果利用太阳能驱动固体燃料的气化过程仍采用这种技术方式，不仅降低太阳能的有效利用率，增加集热过程的不可逆损失，同时产生的合成气中的焦油含量也会偏高。为此本发明将提出一种更加高效，且适用于太阳能热化学利用技术的气化反应装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种太阳能高温热化学气化反应器，以实现煤炭和生物质等固体燃料的高效气化，减少聚光和反应过程的不可逆损失，并降低气化合成气中的焦油含量。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种太阳能高温热化学气化反应器，该太阳能高温热化学气化反应器为柱形回转式反应装置，包括黑体空腔1、反应腔室2、光线入射孔3、导流柱4、气态气化剂导管5、固态原料导管6、合成气输出导管7、导流柱支撑结构8、驱动轴9、支撑轴承10、闭锁装置11和第一至第三伺服电机(12、13、14)，其中：

所述黑体空腔1为圆柱空腔结构，在其顶部设置有光线入射光孔3，以保证照射的太阳光顺利进入腔体内，黑体空腔1底部安装于驱动轴9上，驱动轴9连接有第三伺服电机14，黑体空腔1通过第三伺服电机14和驱动轴9进行转动；

所述反应腔室2为圆柱空腔结构，安装于黑体空腔1内，左右两侧分别与气态气化剂导管5和合成气输出导管7连接，气态气化剂导管5和合成气输出导管7通过支撑轴承10固接于黑体空腔1，气态气化剂导管5的入口侧安装有第一伺服电机12，合成气输出导管7出口侧安装有第二伺服电机13，第一和第二伺服电机(12、13)驱动并实现反应腔室2的回转式转动；

所述导流柱4为圆柱空腔结构，安装于反应腔室2内，通过导流柱支撑结构8与反应腔室2固定连接并实现同步转动；导流柱4一端连接有固态原料导管6，固态原料导管6设置于合成气输出导管7内。

上述方案中，所述导流柱4与反应腔室2同步转动，用于实现固体反应物与油气产物的分层隔离；反应腔室2内部划分为气化段、热解段和预热段，反应产生的高温合成气由导流柱4外侧的通道送出，并利用送出的高温合成气显热为热解和预热段提供热量，实现固体燃料的分级独立转化。

上述方案中，所述黑体空腔1顶部设置的光线入射光孔3，用于将大部分聚光太阳能投射至气化段，并借助黑体空腔内1表面和反应腔室2外表面的反射作用将少量的聚光太阳能投射至热解段，以保证固体燃料热解反应的顺利进行。

上述方案中，该太阳能高温热化学气化反应器采用回转式的反应器结构，改善反应腔室2内所输入固体燃料的传热传质和反应动力学特性，由此提高燃料的气化反应速率。

上述方案中，所述黑体空腔1借助伺服电机14驱动实现小幅转动，调整光线入射光孔3的位置，从而能与太阳能聚光装置相互配合以高效利用不同时段和光照条件下的太阳能。

上述方案中，所述固态原料导管6中还设置闭锁装置11，用于防止气体产物从该通道逸出并阻碍固态原料的送入。

(三)有益效果

从上述技术方案可看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的太阳能高温热化学气化反应器，基于“温度对口，梯级利用”的能源利用原理，充分利用设备结构使用不同品位的太阳能，提高系统能的利用效率，降低系统的不可逆损失。

2、本发明提供的太阳能高温热化学气化反应器，通过合理的结构设计，在不同腔室内分别实现煤炭和生物质等固体燃料的热解和气化反应，以提高固体燃料的转换效率。

3、本发明提供的太阳能高温热化学气化反应器，主要利用高温聚光太阳能提供气化部分所需的热量，而固体燃料热解部分的反应热则主要来自于气化产物的高温显热，同时也以聚光太阳能作为辅助热源，这实现了热能利用过程的合理匹配，并减少高温聚光太阳能的设备容量，降低设备初投资。

4、本发明提供的太阳能高温热化学气化反应器，实现了在单一设备内独立完成固体燃料的热解和气化反应过程，能够简化系统流程结构，提供系统运行的安全可靠性。

5、本发明提供的太阳能高温热化学气化反应器，独立地完成固体燃料的热解和气化反应过程，即可在气化段中充分分解在干馏段所产生的焦油，由此可降低合成气中的焦油含量。

6、本发明提供的太阳能高温热化学气化反应器，采用回转式的反应器结构，能改善反应腔室内所固体燃料与气化剂之间的的传热传质特性和动力学反应特性，由此提高燃料的气化反应速率。

7、本发明提供的太阳能高温热化学气化反应器，反应腔室的外壁面能均匀受热，减少热应力产生，并能够延长反应器的使用寿命。

附图说明

图1为依据本发明实施例的太阳能高温热化学气化反应器的结构示意图；

其中：1-黑体空腔、2-反应腔室、3-光线入射孔、4-导流柱、5-气态气化剂导管、6-固态原料导管、7-合成气输出导管、8-导流柱支撑结构、9-驱动轴、10-支撑轴承、11-闭锁装置、12-第一伺服电机、13-第二伺服电机和14-第三伺服电机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为依据本发明实施例的太阳能高温热化学气化反应器的结构示意图，该太阳能高温热化学气化反应器为柱形回转式反应装置，包括黑体空腔1、反应腔室2、光线入射孔3、导流柱4、气态气化剂导管5、固态原料导管6、合成气输出导管7、导流柱支撑结构8、驱动轴9、支撑轴承10、闭锁装置11和第一至第三伺服电机(12、13、14)，其中：

黑体空腔1为圆柱空腔结构，在其顶部设置有光线入射光孔3，以保证照射的太阳光顺利进入腔体内，黑体空腔1底部安装于驱动轴9上，驱动轴9连接有第三伺服电机14，黑体空腔1通过第三伺服电机14和驱动轴9进行转动。

反应腔室2为圆柱空腔结构，安装于黑体空腔1内，左右两侧分别与气态气化剂导管5和合成气输出导管7连接，气态气化剂导管5和合成气输出导管7通过支撑轴承10固接于黑体空腔1，气态气化剂导管5的入口侧安装有第一伺服电机12，合成气输出导管7出口侧安装有第二伺服电机13，第一和第二伺服电机(12、13)驱动并实现反应腔室2的回转式转动。

导流柱4为圆柱空腔结构，安装于反应腔室2内，通过导流柱支撑结构8与反应腔室2固定连接并实现同步转动；导流柱4一端连接有固态原料导管6，固态原料导管6设置于合成气输出导管7内。

图1中，导流柱4与反应腔室2同步转动，用于实现固体反应物与油气产物的分层隔离。反应腔室2内部划分为气化段、热解段和预热段，反应产生的高温合成气由导流柱4外侧的通道送出，并利用送出的高温合成气显热为热解和预热段提供热量，实现固体燃料的分级独立转化。

黑体空腔1顶部设置的光线入射光孔3，用于将大部分聚光太阳能投射至气化段，并借助黑体空腔内1表面和反应腔室2外表面的反射作用将少量的聚光太阳能投射至热解段，以保证固体燃料热解反应的顺利进行。

该太阳能高温热化学气化反应器采用回转式的反应器结构，改善反应腔室2内所输入固体燃料的传热传质和反应动力学特性，由此提高燃料的气化反应速率。黑体空腔1借助伺服电机14驱动实现小幅转动，调整光线入射光孔3的位置，从而能与太阳能聚光装置相互配合以高效利用不同时段和光照条件下的太阳能。固态原料导管6中还设置闭锁装置11，用于防止气体产物从该通道逸出并阻碍固态原料的送入。

请再次参照图1，本发明实施例提供的太阳能高温热化学气化反应器还可以被划分为太阳能辐射集热腔体、反应段和支撑传动结构等部分，其中：

太阳能辐射集热腔体主要为黑体空腔1，在其上部设置了光线入射孔3，经聚焦获得的下射式太阳能光线投向太阳能高温热化学气化反应器，透过光线入射孔照射至反应腔室2的外表面，为其内部的气化反应提供热量。

反应段主要包括反应腔室2、导流柱4、气态气化剂导管5、固态原料导管6和合成气输出导管7。反应腔室的左右两侧分别与气态气化剂导管5和固态原料导管6连接，并借助支撑轴承10进行支撑，同时利用伺服电机12和伺服电机13实现反应腔室2的回转式转动。气态气化剂B和固态碳氢燃料A分别通过气态气化剂导管5和固态原料导管6送至反应腔室2内，在其内部借助高温太阳能实现固体碳氢燃料A的气化反应。在反应腔室内部安装导流柱4，利用导流柱支撑结构8与反应腔室2进行固定，并与反应腔室2同步转动，用于实现固体反应物与油气产物的分层隔离。反应产生的油气产生由导流柱4外侧的通道送出，同时在固态原料导管6中设置闭锁装置11，防止气体从该通道逸出并阻碍固体燃料的送入。反应腔室2内部自左往右依次为气化段、热解段和预热段。由于设置了导流柱4，能够充分利用气化反应产物(合成气)的高温显热，通过导流柱4的外壁将合成气的高温显热传递至内部的固体原料，并驱动原料提前进行热解反应。这种分段式的气化方式不仅充分回收合成气的显热，还将将改善后续的气化反应特性，并降低最终反应产物中的焦油含量，最后气化合成气通过合成气输出导管7排出。

支撑传动结构主要包括驱动轴9、支撑轴承10和伺服电机12、伺服电机13和伺服电机14等。黑体空腔1的回转式旋转主要通过伺服电机14和驱动轴9驱动来实现，这主要用于调整光线入射孔的位置，以保证在不同时段和光照条件下都能高效地利用太阳能。反应腔体2的旋转主要由两组对称的伺服电机12和伺服电机13驱动，并经由气态气化剂导管5和固态原料导管6驱动。通过旋转反应段，能够更好地改善固体燃料、气化剂和外部提供太阳能之间的传热特性，由此能提高气化反应动力学性能以及气化反应速率。最终气化反应产生的气化合成气C由合成气输出导管7送出，该导管设置在固态原料导管6的外侧。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太阳能高温热化学气化反应器，其特征在于，该太阳能高温热化学气化反应器为柱形回转式反应装置，包括黑体空腔(1)、反应腔室(2)、光线入射孔(3)、导流柱(4)、气态气化剂导管(5)、固态原料导管(6)、合成气输出导管(7)、导流柱支撑结构(8)、驱动轴(9)、支撑轴承(10)、闭锁装置(11)和第一至第三伺服电机(12、13、14)，其中：

所述黑体空腔(1)为圆柱空腔结构，在其顶部设置有光线入射光孔(3)，以保证照射的太阳光顺利进入腔体内，黑体空腔(1)底部安装于驱动轴(9)上，驱动轴(9)连接有第三伺服电机(14)，黑体空腔(1)通过第三伺服电机(14)和驱动轴(9)进行转动；

所述反应腔室(2)为圆柱空腔结构，安装于黑体空腔(1)内，左右两侧分别与气态气化剂导管(5)和合成气输出导管(7)连接，气态气化剂导管(5)和合成气输出导管(7)通过支撑轴承(10)固接于黑体空腔(1)，气态气化剂导管(5)的入口侧安装有第一伺服电机(12)，合成气输出导管(7)出口侧安装有第二伺服电机(13)，第一和第二伺服电机(12、13)驱动并实现反应腔室(2)的回转式转动；

所述导流柱(4)为圆柱空腔结构，安装于反应腔室(2)内，通过导流柱支撑结构(8)与反应腔室(2)固定连接并实现同步转动；导流柱(4)一端连接有固态原料导管(6)，固态原料导管(6)设置于合成气输出导管(7)内。

2.根据权利要求1所述的太阳能高温热化学气化反应器，其特征在于，所述导流柱(4)与反应腔室(2)同步转动，用于实现固体反应物与油气产物的分层隔离；反应腔室(2)内部划分为气化段、热解段和预热段，反应产生的高温合成气由导流柱(4)外侧的通道送出，并利用送出的高温合成气显热为热解和预热段提供热量，实现固体燃料的分级独立转化。

3.根据权利要求2所述的太阳能高温热化学气化反应器，其特征在于，所述黑体空腔(1)顶部设置的光线入射光孔(3)，用于将大部分聚光太阳能投射至气化段，并借助黑体空腔内(1)表面和反应腔室(2)外表面的反射作用将少量的聚光太阳能投射至热解段，以保证固体燃料热解反应的顺利进行。

4.根据权利要求1所述的太阳能高温热化学气化反应器，其特征在于，该太阳能高温热化学气化反应器采用回转式的反应器结构，改善反应腔室(2)内所输入固体燃料的传热传质和反应动力学特性，由此提高燃料的气化反应速率。

5.根据权利要求1所述的太阳能高温热化学气化反应器，其特征在于，所述黑体空腔(1)借助伺服电机(14)驱动实现小幅转动，调整光线入射光孔(3)的位置，从而能与太阳能聚光装置相互配合以高效利用不同时段和光照条件下的太阳能。

6.根据权利要求1所述的太阳能高温热化学气化反应器，其特征在于，所述固态原料导管(6)中还设置闭锁装置(11)，用于防止气体产物从该通道逸出并阻碍固态原料的送入。