CN108485717A - 一种全天候运行的太阳能气化反应器 - Google Patents

一种全天候运行的太阳能气化反应器 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种全天候运行的太阳能气化反应器，其气化反应装置采用一体化分级气化反应结构，其内部形成有反应腔体和灰渣及燃烧腔体；在太阳能资源充足时段，太阳能气化反应器工作于太阳能气化反应模式，太阳能集热镜场用于提供反应热；在反应热的驱动下反应物在反应腔体中发生气化反应，灰渣及燃烧腔体用于收集气化反应的固体灰渣；在无充足太阳能辐射时段，太阳能气化反应器工作于常规气化反应模式，空气与固体灰渣在灰渣及燃烧腔体中燃烧产生高温燃烧热，在高温燃烧热的驱动下反应物在反应腔体中发生气化反应，灰渣及燃烧腔体用于收集气化反应的固体灰渣。

Description

一种全天候运行的太阳能气化反应器
技术领域
本公开涉及高温太阳能热化学利用技术领域，尤其是一种全天候运行的太阳能气化反应器。
背景技术
能源是人类文明与社会经济发展的重要基础，化石能源也成为当前社会发展与现代工业的主要能源，随着人类的不断开采，化石能源的枯竭己不可避免，而其使用过程中产生的大量温室气体和一些有毒有害物质也会威胁全球生态环境与人类健康。人类赖以生存的生态环境己受到严重威胁。我国的能源结构以煤炭等化石能源为主，同时石油和天然气等优质能源仍然严重依赖进口。一次能源消耗量由2000年的14.6亿吨标准煤增长至2015年43亿吨标准煤。2015年，我国的煤炭消费比重高达64％，而水电、风电、核电、天然气等清洁能源消费量仅占能源消费总量的17.9％。面对当前能源短缺和环境污染等制约我国经济社会健康发展的瓶颈问题，大力开发利用太阳能、生物质能等可再生能源以逐步替代煤炭等化石能源己经成为我国和世界其他各国促进节能减排和实现能源可持续发展的共同选择。
太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源，在缓解日益严重的环境污染问题和实现能源供应多元化的过程中发挥着重要作用。我国是太阳能资源非常丰富的国家之一，从地理分布上看，西北地区太阳能资源开发潜力最大，占全国总量的35％。根据我国各地区太阳能资源、可开发资源、可利用面积等指标，估算全国符合太阳能集热发电基本条件的太阳能热发电可装机潜力约为1.6×1010～1.8×1010kW·h。综合考虑太阳能集热发电条件好的地区的水资源条件、电力输送条件等因素，中国太阳能热发电理论可开发量约为8×109kW·h。目前，太阳能的发电形式主要包括太阳能热发电和太阳能光伏发电等，然而，太阳能因能量密度低、不连续性和不稳定性等固有特性导致太阳能热利用和太阳能热发电技术的效率偏低。另一方面，太阳能与生物质、煤炭和天然气等常规能源系统进行整合的利用方法将成为解决上述问题的重要技术手段，这种多能源互补的利用模式现己得到了广泛关注。通过与成熟的发电技术进行集成，能够有效地解决太阳能利用温度和效率较低等问题，同时也能降低太阳能热利用的技术和经济风险，另外利用太阳能替代部分常规能源，能够有效地降低常规能源的使用率，也被作为是减少化石能源消耗的重要技术手段。
太阳能与生物质、煤炭和天然气等能源的互补形式主要包括热互补和热化学互补(即太阳能热化学)。具体而言，太阳能热化学是指利用太阳能驱动吸热型热化学反应，是实现与其他能源互补的重要技术手段，首先将借助聚光集热装置将太阳能转变为高温太阳热能，进而以反应热的形式驱动吸热型化学反应，实现以高密度化学能形式收集和存储太阳能，再通过热力循环完成热功转换或作其他用途。
针对太阳能与生物质的热化学互补形式，可以利用高温聚焦的太阳热能为生物质的气化热解反应提供高温反应热，并生成富含H2和CO的高品质合成气。
由此将间歇性、不连续性太阳能转化为高品质的燃料化学能，实现了太阳能能量品位提升，另外也实现了太阳能的低成本、高密度化学储能，以解决当前太阳能热利用技术所存在的不稳定不连续等技术难题；同时产生的太阳能燃料可实现远距离输送，实现太阳能资源的地区性转移；另外，将太阳能转化为高品位的太阳能燃料后，可作为燃气-蒸汽联合循环等先进作功设备的气体燃料直接用于燃烧发电，还可作为原料用于合成各种类型液体燃料和化工产品，这对于迎合当前多元化能源消费体系的正常需求有着非常重要的意义。
然而，太阳能的不稳定性和间接性特性也将影响太阳能驱动生物质气化等反应特性，尤其是在夜间需要关闭系统并停止运行，难以保障能源的持续性稳定产出。为了进一步提高太阳能与生物质气化等热化学反应的耦合特性，降低在互补利用过程的不可逆损失，同时减少太阳能资源波动性对反应过程的不利影响，并力争实现反应过程的连续稳定运行，迫切需求高性能的太阳能热化学气化反应装置。基于此，本发明从实际需求出发，通过提出了一种新型全天候运行的太阳能气化反应器，用于实现太阳能与生物质能等的高效互补利用。
公开内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种全天候运行的太阳能气化反应器，以实现生物质等固体燃料的高效气化，提高聚光集热和反应等过程的热力学性能，同时保障生物质等固体燃料能够在全天候条件下进行连续稳定反应。
(二)技术方案
本公开提供了一种全天候运行的太阳能气化反应器，包括：气化反应装置和太阳能集热镜场；所述气化反应装置采用一体化分级气化反应结构，其内部形成有反应腔体和灰渣及燃烧腔体；在太阳能资源充足时段，太阳能气化反应器工作于太阳能气化反应模式，所述太阳能集热镜场用于提供反应热；在所述反应热的驱动下反应物在所述反应腔体中发生气化反应，所述灰渣及燃烧腔体用于收集气化反应的固体灰渣；在无充足太阳能辐射时段，太阳能气化反应器工作于常规气化反应模式，空气与固体灰渣在所述灰渣及燃烧腔体中燃烧产生高温燃烧热，在高温燃烧热的驱动下反应物在所述反应腔体中发生气化反应，所述灰渣及燃烧腔体用于收集气化反应的固体灰渣。
在本公开的一些实施例中，所述气化反应装置包括：中空的圆柱形的壳体；上盖板，固定于所述壳体顶端；下底板，固定于所述壳体底端；隔热板，固定于所述壳体内部，位于所述上盖板与下底板之间；返料槽，安装于所述壳体内部，位于所述上盖板与隔热板之间；灰渣隔离板，固定于所述壳体内部，位于所述隔热板与返料槽之间；所述返料槽与上盖板、以及壳体形成反应腔体，所述返料槽与隔热板、以及壳体形成中间腔体，所述灰渣隔离板设置于所述中间腔体内，将所述中间腔体分为受光腔体和灰渣及燃烧腔体。
在本公开的一些实施例中，所述壳体内设置有提升管反应段，所述提升管反应段贯穿所述隔热板，其上端与所述反应腔体连通；所述灰渣隔离板设置于所述提升管反应段与壳体内壁之间；形成灰渣及燃烧腔体的壳体设置有烟气出口和灰渣出口；所述上盖板设置有合成气出口；所述壳体内设置有返料下降管，其上端出口与返料槽底部连接，下端出口设置于所述灰渣及燃烧腔体内，连通所述反应腔体与灰渣及燃烧腔体。
在本公开的一些实施例中，形成受光腔体的壳体设置有上部入射光孔，其与所述返料槽位置对应；所述壳体还设置有下部入射光孔；所述下底板底部设有反应物入料口，所述提升管反应段下端与反应物入料口连通；所述太阳能集热镜场包括：第一定日镜场14和第二定日镜场15。
在本公开的一些实施例中，当太阳能气化反应器工作于太阳能气化反应模式时，所述第二定日镜场所聚焦的光线通过下部入射光孔加热提升管反应段，对反应物进行初级加热并驱动其进行热解反应；热解反应产物通过所述提升管反应段送入反应腔体，所述第一定日镜场将所聚焦的光线通过上部入射光孔进入受光腔体，将高温热源传递至反应腔体，并驱动热解反应产物进一步进行气化反应，产生的合成气通过合成气出口排出并收集，产生的固体灰渣通过返料槽收集，并通过返料下降管落入灰渣及燃烧腔体中，通过灰渣出口排出。
在本公开的一些实施例中，所述气化反应装置内部还形成有储热腔体，用于存储部分高温太阳能以维持稳定的气化反应条件；所述隔热板与下底板、以及壳体形成所述储热腔体，所述储热腔体内填充蓄热材料。
在本公开的一些实施例中，还包括：外置式蓄热工质罐，其填充有蓄热材料，通过管道和工质泵与所述储热腔体闭合连接，以提高储热容量。
在本公开的一些实施例中，所述第二定日镜场聚焦的部分光线通过下部入射光孔加热储热腔体；在太阳不稳定的运行时段，所述储热腔体释放所存储的高温热能以维持稳定的气化反应条件。
在本公开的一些实施例中，所述壳体内设置有空气管，下底板底部设有空气入口，空气管贯穿隔热板并与空气入口连接，连通外界与灰渣及燃烧腔体。
在本公开的一些实施例中，当太阳能气化反应器工作于常规气化反应模式时，打开空气入口，将空气通入灰渣及燃烧腔体，空气与固体灰渣发生燃烧反应产生高温热能，通过加热提升管反应段和返料槽驱动反应物进行热解和气化反应，产生的灰渣通过灰渣出口排出，产生的烟气通过烟气出口排出。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：
(1)本公开提供的新型全天候运行的太阳能气化反应器，实现生物质等固体燃料的分解转化，提高燃料的利用效率，改善热化学转化的反应特性。
(2)本公开提供的新型全天候运行的太阳能气化反应器，通过合理调节定日镜场，将优化气化过程中的聚光集热特性，提高太阳能集热性能并提升太阳能的热化学转化效率。
(3)本公开提供的新型全天候运行的太阳能气化反应器，能够借助储热装置来补充太阳能在瞬态变化时的热能不足，以维持稳定的反应条件，并保障生物质等固体燃料进行稳定和高效转化。
(4)本公开提供的新型全天候运行的太阳能气化反应器，集成了太阳能驱动气化和进行常规气化两种运行供能，可以在夜间等时段继续保障生物质等固体燃料进行气化反应，由此可实现在全天候条件下装置的连续稳定运转。
附图说明
图1是本公开实施例的全天候运行的太阳能气化反应器的结构示意图；
图2是本公开实施例的气化反应装置的结构示意图。
【符号说明】
A-气化反应装置；B-太阳能集热镜场；
1-反应腔体；2-灰渣及燃烧腔体；3-储热腔体；4-受光腔体；5-上部入射光孔；6-下部入射光孔；7-提升管反应段；8-隔热板；9-灰渣隔离板；10-返料下降管；11-返料槽；12-反应物入料口；13-合成气出口；14-灰渣出口；15-空气管；16-空气入口；17-烟气出口；18-第一定日镜场；19-第二定日镜场。
具体实施方式
下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
如图1所示，图1为依据本公开实施例的一种全天候运行的太阳能气化反应器的结构示意图。
太阳能气化反应器包括：气化反应装置A和太阳能集热镜场B。气化反应装置A采用一体化分级气化反应结构。太阳能集热镜场B包括：第一定日镜场18和第二定日镜场19。
图2为气化反应装置A的详细结构图。气化反应装置A包括：中空的圆柱形的壳体、上盖板、隔热板、下底板、提升管反应段7、返料下降管10、返料槽11。
上盖板固定于壳体顶端；下底板固定于壳体底端；隔热板固定于壳体内部，位于上盖板与下底板之间。
返料槽11安装于壳体内部，底部无开口，位于上盖板与隔热板之间。返料槽11与上盖板、以及二者之间的壳体形成反应腔体1，上盖板设置有连通反应腔体1与外界的合成气出口13。
返料槽11与隔热板、以及二者之间的壳体形成中间腔体。壳体内设置有提升管反应段7，提升管反应段7贯穿返料槽11底部和隔热板8，通过提升管反应段7壁面与返料槽11底部连接，并与隔热板8固定，与反应腔体1连通。提升管反应段7穿过储热腔体3，并与储热腔体3中的蓄热材料进行紧密间壁式连接。下底板底部设有反应物入料口12，反应物入料口12与提升管反应段7连通。
提升管反应段7与壳体内壁之间设置有灰渣隔离板9，将中间腔体分为灰渣及燃烧腔体2和受光腔体4。所形成灰渣及燃烧腔体2的壳体设置有烟气出口17和灰渣出口14，其中，烟气出口17更靠近返料槽11，灰渣出口14更靠近隔热板。形成受光腔体的壳体设置有上部入射光孔5，其与返料槽11位置对应。
隔热板与下底板、以及二者之间的壳体形成储热腔体3。壳体还设置有下部入射光孔6，位于比上部入射光孔5更靠近下底板的位置，且该下部入射光孔6的上部对应受光腔体4，下部对应储热腔体3。储热腔体3内部填充熔盐或相变材料等蓄热材料等，用于存储部分高温太阳能以维持稳定的热化学反应条件。根据实际需求，还可增设外置式蓄热工质罐，蓄热工质罐内填充熔盐或相变材料等蓄热材料，并通过管道和工质泵与所述储热腔体3闭合连接，以提高储热容量。隔热板8用于在常规气化阶段，减少灰渣及燃烧腔体2向储热腔体3的热能传递，并促进固体残碳在灰渣及燃烧腔体2内进行稳定燃烧。
壳体内还设置有返料下降管10和空气管15。返料下降管10的上端出口贯穿返料槽11底部并与返料槽11底部进行连接，下端出口设置于灰渣及燃烧腔体2内，连通反应腔体1与灰渣及燃烧腔体2。下底板底部设有空气入口16，空气管15贯穿隔热板并与空气入口16连接，连通外界与灰渣及燃烧腔体2。
太阳能集热镜场B包括：第一定日镜场18和第二定日镜场19，二者的镜场结构和集热面积等都将进行单独设计，能够提供不同温度等级的太阳热能。太阳能集热镜场B还包括控制装置，用于对第一定日镜场18和第二定日镜场19进行独立控制，并分别通过上部入射光孔5和下部入射光孔6将第一定日镜场18和第二定日镜场19聚焦的太阳光线投射至气化反应装置A中。
反应物入料口12外接反应物供应源，反应物可以是固体燃料和气化剂的混合物，固体燃料可以是生物质，气化剂可以是水蒸气。生物质和水蒸气通过反应物入料口12送入提升管反应段7，并进入反应腔体1发生反应。优选地，反应物供应源带有调节装置，用于调节反应物的流速、流量等参数。通过调节反应物的通入速度和流量等参数控制反应物在反应腔体1中的喷动扰动状态，以提高反应动力学特性。
请再次参照图1及图2，本公开实施例提供的全天候运行的太阳能气化反应器可以工作于两种工作模式，能够根据太阳能辐射量对气化反应装置A的运行方式进行调整，具体如下：
在白天等太阳能资源充足时段，太阳能气化反应器工作于太阳能气化反应模式，采用太阳能提供驱动固体燃料气化所需的反应热。
在夜间等无充足太阳能辐射时段，太阳能气化反应器工作于常规气化反应模式，借助气化反应产生的残碳进行燃烧所产生的热量，作为驱动固体燃料气化所需的反应热，由此实现气化反应装置A的全天候稳定运行。
当工作于太阳能气化反应模式时，锁闭空气入口16，调节第一定日镜场18和第二定日镜场19的聚焦位置，第二定日镜场19所聚焦的光线通过下部入射光孔6加热提升管反应段7和储热腔体3，由此对送入的生物质等固体燃料进行初级加热并驱动其进行热解反应，另外通过储热腔体3储存部分高温太阳能；热解反应所产生的焦油和焦炭等热解反应产物继续通过提升管反应段7送入反应腔体1，同时第一定日镜场18将所聚焦的光线通过上部入射光孔5加热反应腔体1，并驱动热解反应产物进一步进行气化反应，最终产生的合成气等气体产物通过合成气出口13排出并收集，产生的残碳等固体废弃物通过返料槽11收集，并通过返料下降管10落入灰渣及燃烧腔体2中，最后通过灰渣出口14排出。
当太阳不稳定的运行时段，储热腔体3将释放所存储的高温热能以维持生物质等固体燃料进行稳定的气化反应。另外，还可调整第二定日镜场19的聚焦位置，使其聚焦的部分光线通过上部入射光孔5为反应腔体1提供部分热能，以保证较高温度的气化反应条件。
当工作于常规气化反应模式时，关闭太阳能集热镜场B、上部入射光孔5和下部入射光孔6，打开空气入口16，并将空气通入灰渣及燃烧腔体2，空气与残碳等固体废弃物发生燃烧反应产生高温热能，通过加热提升管反应段7和返料槽11来驱动生物质等固体燃料进行热解和气化反应，燃烧所产生的灰渣通过灰渣出口14排出，所产生的烟气通过烟气出口17排出。
由此可见，本公开提供的全天候运行的太阳能气化反应器，实现生物质等固体燃料的分解转化，提高燃料的利用效率，改善热化学转化的反应特性。通过合理调节定日镜场，将优化气化过程中的聚光集热特性，提高太阳能集热性能并提升太阳能的热化学转化效率。本公开能够借助储热装置来补充太阳能在瞬态变化时的热能不足，以维持稳定的反应条件，并保障生物质等固体燃料进行稳定和高效转化。本公开集成了太阳能驱动气化和进行常规气化两种运行供能，可以在夜间等时段继续保障生物质等固体燃料进行气化反应，由此可实现在全天候条件下装置的连续稳定运转。
本公开所适用的固体燃料不限于生物质，还可适用于但不限于煤炭、石油焦、油页岩等各类固体燃料。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全天候运行的太阳能气化反应器，其特征在于，包括：气化反应装置和太阳能集热镜场；所述气化反应装置采用一体化分级气化反应结构，其内部形成有反应腔体和灰渣及燃烧腔体；
在太阳能资源充足时段，太阳能气化反应器工作于太阳能气化反应模式，所述太阳能集热镜场用于提供反应热；在所述反应热的驱动下反应物在所述反应腔体中发生气化反应，所述灰渣及燃烧腔体用于收集气化反应的固体灰渣；
在无充足太阳能辐射时段，太阳能气化反应器工作于常规气化反应模式，空气与固体灰渣在所述灰渣及燃烧腔体中燃烧产生高温燃烧热，在高温燃烧热的驱动下反应物在所述反应腔体中发生气化反应，所述灰渣及燃烧腔体用于收集气化反应的固体灰渣。
2.如权利要求1所述的太阳能气化反应器，其特征在于，所述气化反应装置包括：
中空的圆柱形的壳体；
上盖板，固定于所述壳体顶端；
下底板，固定于所述壳体底端；
隔热板，固定于所述壳体内部，位于所述上盖板与下底板之间；
返料槽，安装于所述壳体内部，位于所述上盖板与隔热板之间；
灰渣隔离板，固定于所述壳体内部，位于所述隔热板与返料槽之间；
所述返料槽与上盖板、以及壳体形成反应腔体，所述返料槽与隔热板、以及壳体形成中间腔体，所述灰渣隔离板设置于所述中间腔体内，将所述中间腔体分为受光腔体和灰渣及燃烧腔体。
3.如权利要求2所述的太阳能气化反应器，其特征在于，所述壳体内设置有提升管反应段，所述提升管反应段贯穿所述隔热板，其上端与所述反应腔体连通；所述灰渣隔离板设置于所述提升管反应段与壳体内壁之间；形成灰渣及燃烧腔体的壳体设置有烟气出口和灰渣出口；所述上盖板设置有合成气出口；所述壳体内设置有返料下降管，其上端出口与返料槽底部连接，下端出口设置于所述灰渣及燃烧腔体内，连通所述反应腔体与灰渣及燃烧腔体。
4.如权利要求3所述的太阳能气化反应器，其特征在于，形成受光腔体的壳体设置有上部入射光孔，其与所述返料槽位置对应；所述壳体还设置有下部入射光孔；所述下底板底部设有反应物入料口，所述提升管反应段下端与反应物入料口连通；
所述太阳能集热镜场包括：第一定日镜场14和第二定日镜场15。
5.如权利要求4所述的太阳能气化反应器，其特征在于，当太阳能气化反应器工作于太阳能气化反应模式时，
所述第二定日镜场所聚焦的光线通过下部入射光孔加热提升管反应段，对反应物进行初级加热并驱动其进行热解反应；热解反应产物通过所述提升管反应段送入反应腔体，所述第一定日镜场将所聚焦的光线通过上部入射光孔进入受光腔体，将高温热源传递至反应腔体，并驱动热解反应产物进一步进行气化反应，产生的合成气通过合成气出口排出并收集，产生的固体灰渣通过返料槽收集，并通过返料下降管落入灰渣及燃烧腔体中，通过灰渣出口排出。
6.如权利要求5所述的太阳能气化反应器，其特征在于，所述气化反应装置内部还形成有储热腔体，用于存储部分高温太阳能以维持稳定的气化反应条件；所述隔热板与下底板、以及壳体形成所述储热腔体，所述储热腔体内填充蓄热材料。
7.如权利要求6所述的太阳能气化反应器，其特征在于，还包括：外置式蓄热工质罐，其填充有蓄热材料，通过管道和工质泵与所述储热腔体闭合连接，以提高储热容量。
8.如权利要求7所述的太阳能气化反应器，其特征在于，所述第二定日镜场聚焦的部分光线通过下部入射光孔加热储热腔体；
在太阳不稳定的运行时段，所述储热腔体释放所存储的高温热能以维持稳定的气化反应条件。
9.如权利要求3所述的太阳能气化反应器，其特征在于，所述壳体内设置有空气管，下底板底部设有空气入口，空气管贯穿隔热板并与空气入口连接，连通外界与灰渣及燃烧腔体。
10.如权利要求9所述的太阳能气化反应器，其特征在于，当太阳能气化反应器工作于常规气化反应模式时，打开空气入口，将空气通入灰渣及燃烧腔体，空气与固体灰渣发生燃烧反应产生高温热能，通过加热提升管反应段和返料槽驱动反应物进行热解和气化反应，产生的灰渣通过灰渣出口排出，产生的烟气通过烟气出口排出。
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