CN110343534B - 一种聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，包括罐体、换热单元、储热相变介质和热解反应单元；其中，所述换热单元包括一个或多个分布于所述罐体内的换热管道，用于热源介质的流通；所述储热相变介质填充在所述罐体内的空隙空间内，用于与所述换热管道内流通的热源介质进行换热，并为所述热解反应单元提供热能；所述热解反应单元包括一个或多个，一个或多个所述热解反应分布于所述罐体内，所述热解反应单元内填充有温控相变介质，用于与所述储热相变介质进行热交换，为生物质的热解提供具备稳定温度的反应场所；解决了相关技术中由于热源波动导致生物质热解反应不稳定的技术问题。

Description

一种聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置
技术领域
本发明涉及新能源利用技术领域，尤其涉及一种聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置。
背景技术
随着经济发展和人口规模扩大，能源消耗量日益增长，世界能源形势严峻。同时煤炭等传统能源燃烧产生环境污染问题已成为影响当前人类生存和发展世界性问题。新型能源的普及利用已经显得势在必行，其中，生物质能清洁无污染，在新能源利用潜力中优势明显。
生物质自燃烧进行热解反应是一种生物质能利用方式，但其利用率低。利用外来热源对生物质进行热解反应，例如，利用太阳能对生物质进行热解，也是生物质能的一种利用形式，但其受制于热源波动，导致生物质热解反应不稳定。
发明内容
本申请实施例通过提供一种聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，解决了相关技术中由于热源波动导致生物质热解效率低的技术问题。
本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：
一种聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，包括罐体、换热单元、储热相变介质和热解反应单元；其中，
所述换热单元包括一个或多个分布于所述罐体内的换热管道，用于热源介质的流通；
所述储热相变介质填充在所述罐体内所述罐体与所述换热单元和热解反应单元之间的空隙空间内，用于与所述换热管道内流通的热源介质进行换热，并为所述热解反应单元提供热能；
所述热解反应单元包括一个或多个，一个或多个所述热解反应单元分布于所述罐体内，所述热解反应单元内填充有温控相变介质，所述温控相变介质用于与所述储热相变介质进行热交换，为所述热解反应单元提供稳定的温度。
可选的，所述热解反应单元还包括热解反应器和传热结构；其中，
所述热解反应器用于提供所述生物质的热解场所；
所述传热结构设置在所述热解反应器的外侧壁，用于在所述储热相变介质与所述热解反应器之间传递热能；
所述温控相变介质填充在所述传热结构内，用于控制所述传热结构的热能传递，以使所述热解反应器壁面温度稳定并满足所述生物质热解需要。
可选的，所述传热结构包括内环金属管道、多个第一金属翅片和外环金属管道；其中，
所述内环金属管道沿所述热解反应器外壁面紧贴设置；
所述多个第一金属翅片以所述内环金属管道为中心向周围辐射分布，且所述多个第一金属翅片与所述内环金属管道连接；
所述外环金属管道与所述内环金属管道同心，且半径大于所述内环金属管道半径，所述外环金属管道与所述多个第一金属翅片连接；
所述温控相变介质填充在所述内环金属管道与所述外环金属管道之间。
可选的，所述多个第一金属翅片以所述内环金属管道为中心呈放射状分布
可选的，所述传热结构还包括第二金属翅片；其中，
所述第二金属翅片分布于相邻两个所述第一金属翅片之间；
所述第二金属翅片与所述外环金属管道连接；
所述第二金属翅片包括位于所述外环金属管道内侧和外侧的传热片。
可选的，所述传热结构延伸到所述罐体外。
可选的，所述传热结构位于所述罐体外的部分覆盖有隔热层。
可选的，所述第一金属翅片和第二金属翅片为铜翅片。
可选的，所述内环金属管道和外环金属管道均为铜管道。
可选的，所述热解反应器为涡旋烧蚀反应器。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明的装置包括罐体、换热单元、储热相变介质和热解反应单元；其中，所述换热单元包括一个或多个分布于所述罐体内的换热管道，用于热源介质的流通，从而为装置提供热源；所述储热相变介质填充在所述罐体内所述罐体与所述换热单元和热解反应单元之间的空隙空间内，用于与所述换热管道内流通的热源介质进行换热，并为所述热解反应单元提供热能；所述热解反应单元包括一个或多个，一个或多个所述热解反应单元分布于所述罐体内，所述热解反应单元内填充有温控相变介质，所述温控相变介质用于与所述储热相变介质进行热交换，为所述热解反应单元提供稳定的温度；在装置预热后，根据相变介质的特性，由于储热相变介质与温控相变介质的两层相变介质对热源波动皆有缓冲作用，并且呈二级缓冲，当热源波动时，位于外层的储热相变介质首先对温度变化进行较大幅度的缓冲，而后由内部的温控相变介质进行第二级缓冲，此时温度变化已经缩小到可以忽略不计，使热解反应单元中的温度几乎恒定不变，而其具体的温度可根据生物质热解的需要选择合适相变温度的相变介质，从而保证了热源剧烈波动时热解反应装置的热解反应单元有稳定供热，解决生物质热解时由于热源波动导致热解效率低的问题，因此，可利用不稳定的太阳能作为热源为生物质热解提供热源，提高生物质热解效率的同时，实现了完全清洁能源的利用，经济环保。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一种实施例中的热解反应装置的截面结构示意图；
图2是图1中的热解反应单元的结构示意图；
图3是图2中的热解反应单元的俯视图；
图4是本发明另一种实施例中的带散热结构的热解反应装置截面结构示意图；
图5是本发明另一种实施例中热解反应装置运行时的温度分布图；
图中：1、罐体，2、换热单元，3、热解反应单元，31、热解反应器，32、第一金属翅片，33、内环金属管道，34、外环金属管道，35、温控相变介质，36、第二金属翅片，4、储热相变介质，5、散热结构。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，解决了现有技术中由于热源波动导致生物质能利用率低的技术问题。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，包括罐体1、换热单元2、储热相变介质4和热解反应单元3；其中，所述换热单元2包括一个或多个分布于所述罐体1内的换热管道，用于热源介质的流通；所述储热相变介质4填充在所述罐体1内所述罐体1与所述换热单元2和热解反应单元3之间的空隙空间内，用于与所述换热管道内流通的热源介质进行换热，并为所述热解反应单元3提供热能；所述热解反应单元3包括一个或多个，一个或多个所述热解反应单元3分布于所述罐体1内，所述热解反应单元3内填充有温控相变介质35，所述温控相变介质35用于与所述储热相变介质4进行热交换，为所述热解反应单元3提供稳定的温度。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
参见图1，本实施例提供一种聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，包括罐体1、换热单元2、储热相变介质4和热解反应单元3；其中，
所述换热单元2包括一个或多个分布于所述罐体1内的换热管道，用于热源介质的流通；
所述储热相变介质4填充在所述罐体1内所述罐体1与所述换热单元2和热解反应单元3之间的空隙空间内，用于与所述换热管道内流通的热源介质进行换热，并为所述热解反应单元3提供热能；
所述热解反应单元3包括一个或多个，一个或多个所述热解反应单元3分布于所述罐体1内，所述热解反应单元3内填充有温控相变介质35，所述温控相变介质35用于与所述储热相变介质4进行热交换，为所述热解反应单元3提供稳定的温度。
需要说明的是，生物质能的利用包括自燃烧供热进行热解，利用外来热源进行热解，例如传统的煤炭燃烧以及新型的清洁能源太阳能，但传统能源污染严重，而太阳能由于受制于光照的瞬息变化，其提供的热源并不稳定，波动较大，并不适合于对于要求热源稳定的生物质热解。
当然，本发明中所指的不稳定热源不仅仅指太阳能提供的热源，一切不稳定的热源，都是本发明的保护范围。
作为一种可选的实施方式，参见图2和3，所述热解反应单元3还包括热解反应器31和传热结构；其中，
所述热解反应器31用于提供所述生物质的热解场所；
所述传热结构设置在所述热解反应器31的外侧壁，用于在所述储热相变介质4与所述热解反应器31之间传递热能；
所述温控相变介质35填充在所述传热结构内，用于控制所述传热结构的热能传递，以使所述热解反应器31壁面温度稳定并满足所述生物质热解需要。
作为一种可选的实施方式，所述传热结构包括内环金属管道33、多个第一金属翅片32和外环金属管道34；其中，
所述内环金属管道33沿所述热解反应器31外壁面紧贴设置；
所述多个第一金属翅片32以所述内环金属管道33为中心向周围辐射分布，且所述多个第一金属翅片32与所述内环金属管道33连接；
所述外环金属管道34与所述内环金属管道33同心，且半径大于所述内环金属管道33半径，所述外环金属管道34与所述多个第一金属翅片32连接；
所述多个为两个或两个以上。
所述温控相变介质35填充在所述内环金属管道33与所述外环金属管道34之间。
作为一种可选的实施方式，为了达到较好的热传递效率，参见图3，所述第一金属翅片32以所述内环金属管道33为中心呈放射状分布。
作为一种可选的实施方式，为了是两层相变介质之间达到更好的热传递效果，所述传热结构还包括第二金属翅片36；其中，
所述第二金属翅片36分布于相邻两个所述第一金属翅片32之间；
所述第二金属翅片36与所述外环金属管道34连接；
所述第二金属翅片36包括位于所述外环金属管道34内侧和外侧的传热片。
作为一种可选的实施方式，参见图4，所述传热结构延伸到所述罐体外，作为散热结构5。
具体的，本发明的装置可以根据一种生物质的热解需要，设计一个满负荷运行时满足该生物质热解需要的，但当无需其满负荷运行时，可通过对散热结构5采取降温措施，例如吹风、通入冷气等进行降温，以实现热解反应器31温度的调节，满足不同温度的需要。
作为一种可选的实施方式，所述传热结构位于所述罐体外的部分覆盖有隔热层。在满负荷运行时，可保证温度不散失。
作为一种可选的实施方式，所述第一金属翅片32和第二金属翅片36为铜翅片。
作为一种可选的实施方式，所述内环金属管道33和外环金属管道34均为铜管道。
作为一种可选的实施方式，所述热解反应器31为涡旋烧蚀反应器。
作为一种可选的实施方式，所述温控相变介质35包含Al Si 12与MgC l2。特定相变温度可通过参混与实验获得。
具体的，在经过预热后，外环金属管道34外的储热相变介质4与换热单元2中的热源介质换热后，储存热量，并将热能一方面通过传热结构将传递给反应器，另一方面通过传热结构内的温控相变介质35传递并控制热能的稳定，具体原理如下：
热源波动造成的响应会引起热源介质(HTF)和相变介质的温度变化。对于本发明的装置中的热解反应单元3来说，相变介质有两层，外层的储热相变介质4和内层(铜管之间的夹层)的温控相变介质35。由于相变介质本身的特性(热解反应器31工作时，相变介质处于液相比在0.5左右，即相变介质平均熔化了一半的状态。在相变介质熔化阶段，相变介质温度会维持在相变介质的相变温度附近几乎不变，位于液相比0.5的状态必须先吸收大量的热完全熔化或者释放出大量的热完全凝固之后相变介质脱离熔化阶段，其温度才会产生剧烈变化，这是相变介质对温度变化的缓冲作用的原理)，两层相变介质对热源波动皆有缓冲作用，并且呈二级缓冲。热源波动时，位于外层的储热相变介质4首先对温度变化进行较大幅度的缓冲，根据本领域的一般经验和模拟结果，第一层缓冲之后，温度变化可以缩小至10K的数量级。而后由内部的温控相变介质35进行第二级缓冲，此时温度变化已经缩小到可以忽略不计了。
本实施例中的装置，可将热解反应器31壁面温度恒定在625℃左右。温控相变介质35为AlSi12与MgCl2参混的温控相变介质35，相变温度为625℃。
满负荷运行条件下，装置靠近热解反应器31部分的温度分布如图5所示，热解反应器31壁面温度维持在625℃附近，热源出现波动时，对反应器壁面温度几乎没有影响。
当然，需要说明的是，为了特定的恒定热解温度，可通过参混与实验获得特定的相变温度，从而获得适合的装置。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本发明的装置包括罐体1、换热单元2、储热相变介质4和热解反应单元3；其中，所述换热单元2包括一个或多个分布于所述罐体1内的换热管道，用于热源介质的流通；所述储热相变介质4填充在所述罐体1内所述罐体1与所述换热单元2和热解反应单元3之间的空隙空间内，用于与所述换热管道内流通的热源介质进行换热，并为所述热解反应单元3提供热能；所述热解反应单元3包括一个或多个，一个或多个所述热解反应单元3分布于所述罐体1内，所述热解反应单元3内填充有温控相变介质35，所述温控相变介质35用于与所述储热相变介质4进行热交换，为所述热解反应单元3提供稳定的温度；在装置预热后，根据相变介质的特性，由于储热相变介质4与温控相变介质35的两层相变介质对热源波动皆有缓冲作用，并且呈二级缓冲，当热源波动时，位于外层的储热相变介质4首先对温度变化进行较大幅度的缓冲，而后由内部的温控相变介质35进行第二级缓冲，此时温度变化已经缩小到可以忽略不计，使热解反应单元3中的温度几乎恒定不变，而其具体的温度可根据生物质热解的需要选择合适相变温度的相变介质，从而保证了热源剧烈波动时热解反应装置的热解反应单元3有稳定供热，解决生物质热解时由于热源波动导致热解效率低的问题，因此，可利用不稳定的太阳能作为热源为生物质热解提供热源，提高生物质热解效率的同时，实现了完全清洁能源的利用，经济环保。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，其特征在于，包括罐体、换热单元、储热相变介质和热解反应单元；其中，
所述换热单元包括一个或多个分布于所述罐体内的换热管道，用于热源介质的流通；
所述储热相变介质填充在所述罐体内所述罐体与所述换热单元和热解反应单元之间的空隙空间内，用于与所述换热管道内流通的热源介质进行换热，并为所述热解反应单元提供热能；
所述热解反应单元包括一个或多个，一个或多个所述热解反应单元分布于所述罐体内，所述热解反应单元内填充有温控相变介质，所述温控相变介质用于与所述储热相变介质进行热交换，为所述热解反应单元提供稳定的温度；
所述热解反应单元还包括热解反应器和传热结构；其中，
所述热解反应器用于提供生物质的热解场所；
所述传热结构设置在所述热解反应器的外侧壁，用于在所述储热相变介质与所述热解反应器之间传递热能；
所述温控相变介质填充在所述传热结构内，用于控制所述传热结构的热能传递，以使所述热解反应器壁面温度稳定并满足生物质热解需要；其中，所述储热相变介质的相变温度高于所述温控相变介质的相变温度；所述温控相变介质包含AlSi12与MgCl2的掺混。
2.如权利要求1所述的聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，其特征在于，所述传热结构包括内环金属管道、多个第一金属翅片和外环金属管道；其中，
所述内环金属管道沿所述热解反应器外壁面紧贴设置；
所述多个第一金属翅片以所述内环金属管道为中心向周围辐射分布，且所述多个第一金属翅片与所述内环金属管道连接；
所述外环金属管道与所述内环金属管道同心，且半径大于所述内环金属管道半径，所述外环金属管道与所述多个第一金属翅片连接；
所述温控相变介质填充在所述内环金属管道与所述外环金属管道之间。
3.如权利要求2所述的聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，其特征在于，所述多个第一金属翅片以所述内环金属管道为中心呈放射状分布。
4.如权利要求3所述的聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，其特征在于，所述传热结构还包括第二金属翅片；其中，
所述第二金属翅片分布于相邻两个所述第一金属翅片之间；
所述第二金属翅片与所述外环金属管道连接；
所述第二金属翅片包括位于所述外环金属管道内侧和外侧的传热片。
5.如权利要求2-4的任一项所述的聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，其特征在于，所述传热结构延伸到所述罐体外。
6.如权利要求5所述的聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，其特征在于，所述传热结构位于所述罐体外的部分覆盖有隔热层。
7.如权利要求6所述的聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，其特征在于，所述第一金属翅片和第二金属翅片为铜翅片。
8.如权利要求7所述的聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，其特征在于，所述内环金属管道和外环金属管道均为铜管道。
9.如权利要求5所述的聚光太阳能驱动含碳物料的热解反应装置，其特征在于，所述热解反应器为涡旋烧蚀反应器。
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