CN110407171A - 一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法 - Google Patents

一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法 Download PDF

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Abstract

基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法，包括原料输入部分，蒸发器/预加热器，微型多通道反应器，冷凝器，色谱仪，流量管道系统及太阳能聚光模拟器；原料输入部分包括液体输入部分以及气体输入部分，所述液体输入部分与气体输入部分在蒸发器/预加热器前汇聚；蒸发器/预加热器为电加热或太阳能加热的大腔室罐体，其内部设有喷雾装置；预加热器同时对气体进行初步加热；微型多通道反应器与蒸发器/预加热器以及冷凝器之间通过管道连接；色谱仪用于检测生成的混合气体成分；所述太阳能聚光模拟器包括高功率氙灯光源，椭圆形的高反射率反射罩。

Description

一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统 及方法
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域及能源储存领域，涉及一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统，涉及一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估方法。
背景技术
太阳能是重要的可再生能源，目前，太阳能光伏发电已成为第三大可再生能源利用方式，但是一方面太阳能光伏发电的效率不高，另一方面，太阳能光伏发电受天气影响，其发电能力波动较大。热化学储热技术近年来因其超高的能量密度，广泛的应用场景备受关注，理论上来说，化学反应的种类与数量决定了热化学储热技术的种类与数量，从200℃到1000℃都有相应的化学反应可以应用于热化学储热技术。热化学储热技术与太阳能光伏发电结合，通过改变太阳能光伏电池板的形状，形成聚光结构，一部分太阳光用于太阳能光伏发电，另一部分无法通过光伏发电的太阳光通过汇聚集热，为热化学反应提供热量，从而实现太阳光的分光谱利用，大大提高太阳能的利用效率。
催化剂在制氢及其他热化学反应中对有着举足轻重的作用，正确的催化剂可以大大降低制氢或者其他热化学反应的反应温度，提高反应效率，提高产物生成速率，催化剂通常为固体，而在太阳能集热器的高温环境下，大部分反应物处于气态，本发明搭建了一套通用的基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法，本发明适用于评估200℃至1000℃的热化学制氢反应，包括但不限于甲醇重整，甲烷重整，乙醇重整，钙钛矿储能。
在工业领域与实验室中，成套的高效热化学制氢系统并不多，集成太阳能集热器的系统更少，国外文献Real D,Dumanyan I,Hotz N.Renewable hydrogen production bysolar-powered methanol reforming[J].International Journal of Hydrogen Energy,2016,41(28):11914-11924.搭建了一种集成小型太阳能聚光模拟器的甲醇重整制氢系统，但是该系统使用的聚光模拟器温度极低，只适配甲醇重整这类中低温热化学反应。本发明适用于中低温甲醇重整，高温甲烷重整，乙醇重整，钙钛矿储能等反应。
此外，现有技术，如中国专利申请(申请号：CN201110006991)公开一种多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢系统及方法，该系统，包括用于生物质浆料高压连续输送的物料高压输送系统，用于吸收聚集太阳能热量驱动生物质超临界水气化制氢反应的腔式太阳能吸收超临界水反应器，用于为所述腔式太阳能吸收超临界水反应器提供热源的多碟自动跟踪太阳能聚光集热器(30)以及气水分离装置；所述物料高压输送系统的物料输出端连接至腔式太阳能吸收超临界水反应器的物料输入端，所述腔式太阳能吸收超临界水反应器的输出端连接至气水分离装置的输入端；所述腔式太阳能吸收超临界水反应器置于多碟聚光器焦点位置，其腔口入射窗与太阳光焦斑平面同轴重合布置；所述腔式太阳能吸收超临界水反应器还连接有去离子水供给装置；物料高压输送系统的物料出口和去离子水供给装置的出水端之间还通过管道和截止阀(28)连接；所述腔式太阳能吸收超临界水反应器包括有腔式太阳能吸收反应器以及第一、二冷却器(8、9)，所述腔式太阳能吸收反应器由处于上部的吸热反应腔和处于下部的预热水加热腔组成，两个腔体内壁均采用不锈钢冲孔网内衬(203)；所述吸热反应腔和预热水加热腔的内腔壁均设有保温层(217)；所述吸热反应腔的上端敞口处由石英玻璃(202)密封，在吸热反应腔内设有吸热反应器(5)，所述吸热反应腔的底部设有物料预热器(4)；所述预热水加热腔采用履带式电加热器(209)加热；在所述预热水加热腔内还设有预热水加热器(7)；所述预热水加热腔外盘绕有螺旋套管式的高压换热器(6)；所述物料预热器(4)的物料进口通过第一冷却器(8)与所述物料高压输送系统的物料输出端连接，物料预热器(4)的物料出口端和预热水电加热器(7)的预热水出口端分别连接至所述吸热反应器(5)的入口端，所述吸热反应器(5)的出口端与高压换热器(6)的内管入口连通，高压换热器(6)的内管出口端与第二冷却器(9)的入口端连通，高压换热器(6)的外管出口端与预热水电加热器(7)的入口端连通，高压换热器(6)的外管进口端与所述去离子水供给装置的出口端连接；所述第二冷却器(9)的出口端连接至气水分离装置的气水混合物入口端。
然而，该系统主要目的在于高效制取氢气，虽然存在一定的反应性能评估功能，但是该系统需要的反应热量源自太阳能聚光，太阳光的辐照存在不稳定性，无法对某一温度区间或某一温度点的反应性能进行详细评估，而本发明采用的太阳能聚光模拟器拥有功率控制功能，可以对200℃至1000℃所有温度点及温度区间的性能进行详细评估。另一方面，该发明采用的反应物仅囊括甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、乙酸、葡萄糖、山梨糖醇、苯酚、纤维素、半纤维素或木质素这些有机物，本发明除了可以对这些有机物的制氢性能进行评估外，还可以对涉及甲烷，乙烷及钙钛矿(如CaMnO3)等物质的热化学制氢反应进行性能评估。
目前，评估一种热化学制氢反应的性能的方法通常是在工业太阳能光热电厂的基础上，设计一整套热化学制氢反应系统，藉由该系统再对热化学制氢反应进行性能评估，这种方案有以下几个缺点：
(1)成本大，过程繁琐。太阳能光热电厂的集光设备规模体积较大，热化学制氢反应系统体量也会随之变大，成本提高；在搭建系统过程中，考虑到发电生产与白天集光设备温度极高等因素，施工过程非常繁琐。
(2)太阳日照时间与强度不稳定，受天气影响严重，通常无法保证热化学制氢反应所需的稳定热量供应，从而无法评价热化学制氢反应在某一温度点或温度区间的性能。
(3)太阳能光热电厂的聚光温度一般较高，仅能测试一些高温热化学制氢反应，存在一定局限性。
发明内容
本发明提出一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法。其目的在于，克服上述技术的缺点，为200℃至1000℃的热化学制氢反应提供一个通用系统，同时对反应剩余产物成分及生成的混合气体成分进行精确分析，全方位评估热化学制氢系统的性能。具体的技术方案如下：
一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法，包括原料输入部分，蒸发器/预加热器，微型多通道反应器，冷凝器，色谱仪，流量管道系统及太阳能聚光模拟器，其特征为：
所述原料输入部分包括两部分：液体输入部分以及气体输入部分；所述液体输入部分与气体输入部分在蒸发器/预加热器前汇聚；
所述蒸发器/预加热器,为电加热或太阳能加热的大腔室罐体，其内部设有喷雾装置，所述液体输入部分输出的液体通过喷雾装置形成细小液滴；预加热器同时对气体进行初步加热；
所述微型多通道反应器24与蒸发器/预加热器之间通过耐高温不锈钢管连接；
所述冷凝器6入口与微型多通道反应器24出口之间通过耐高温不锈钢管连接，钢管用保温棉作保温处理，钢管上配置有逆止阀防止倒流，逆止阀与冷凝器之间配置有耐高温流量计；冷凝器上半部分为耐高温管道，下半部分为储液罐，管道深入储液罐中，储液罐底面为漏斗型设计，底部设有阀门与管道；
所述色谱仪9用于检测生成的混合气体成分，对系统的整体性能进行评估，同时配备计算机控制中心接收色谱仪，流量计数据，并对色谱仪与太阳能聚光模拟器进行实时控制；
所述流量管道系统包括每个设备之间的连接管道与上面的逆止阀及流量计；
所述太阳能聚光模拟器包括高功率氙灯光源，椭圆形的高反射率反射罩；所述高功率氙灯光源位于高反射率反射罩椭圆的第一焦点，微型多通道反应器位于第二焦点。
本发明还公开一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估方法，包括以下步骤：
步骤1：确保所有阀门与开关状态正确，向微型多通道反应器中填充反应所需的固体颗粒，填充完毕后调整反应器与太阳能聚光模拟器反射罩第二焦点的距离，以得到合适大小的光斑与能量，打开载气瓶，利用减压阀与流量计调整载气流量，对整个系统各个部件及管道进行吹扫；
步骤2：打开太阳能聚光模拟器，调整至合适功率，验证光斑大小，确认无误后打开蒸发器/预加热器，等待蒸发器/预加热器与反应器温度达到要求温度；
步骤3：反应器及蒸发器/预加热器温度达标后，利用系统的原料输入部分打入原料，原料通过蒸发器/预加热器初步加热后进入反应器中，以太阳能聚光模拟器为热源，进行热化学制氢反应。
步骤4：未反应的高温反应物，反应生成的氢气及一氧化碳、二氧化碳、甲烷，在载气的推动下，离开反应器进入冷凝器中，在冷凝器中得以冷却，常温下为液态反应物(如有)储存在冷凝器下端的储液罐中，待反应结束后收集进行分析检测，储液罐中可以在实验开始前填充不影响整体性能评估的洗涤剂，洗去生成的混合气体中不需要的成分。
步骤5：经过冷凝器的常温混合气体进入气相色谱仪中，对其详细成分进行检测分析，所得数据用于评价该热化学制氢反应的制氢效率与性能。
其中载气的种类根据所评估的热化学制氢反应而定，包括但不限于氮气，氩气；原料常温下可以是气体反应物与液体反应物，气体反应物包括但不限于甲烷，乙烷，氧气及其混合物，液体反应物包括但不限于甲醇，乙醇，水及其混合物；所述生成混合气体中为氢气，一氧化碳，二氧化碳，气态有机物等混合物；所述蒸发器/预加热器与反应器的温度区间为200摄氏度至1000摄氏度。
有益效果：
本发明搭建的一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法适用温度广泛，从200℃至1000℃的热化学制氢反应都可以采用本发明进行性能评估，例如有机物重整制氢反应，钙钛矿氧化还原制氢储能。
本发明的创新点体现在以下几个方面：
1)相对于传统的热化学反应系统，重新设计了蒸发器/预加热器，一方面，反应物在进入反应器之前已经达到一定温度，在反应器中吸热量更少，达到设定反应温度的时间更短，反应更加充分；另一方面，传统的热化学反应系统，液体的汽化过程被集成在反应器中，通常会导致较大的压力变化，使得反应不稳定，蒸发器的加入使得液体反应物能够在一个大腔室内先汽化再跟随载气进入反应器中，保证系统内部的压力平衡。
2)本发明采用微型多通道反应器，反应器采用圆盘设计以充分利用太阳能聚光后的圆形光斑上的能量，相较于传统固定床管式反应器，微型多通道反应器的热接受面积更大，热量吸收更充分，同时多通道的构造增加了固体与气体的接触面积，使反应进行更充分，可拆卸的设计使固体颗粒的装卸与反应器的清洗变得更加简单。
3)本发明采用太阳能聚光模拟器作为热源，太阳能聚光模拟器采用氙灯作为光源，其光谱与太阳光光谱最为接近，充分模拟实际太阳能聚光设备的聚光效果，同时模拟器拥有一整套功率控制与冷却装置，可以准确控制整套设备的功率从而达到控制反应温度的目的。采用太阳能聚光模拟器作为热源的出来的实验结果与实际结果相比几乎没有误差。
4)相对于普通的实验室热化学制氢性能评估系统，本发明涵盖了500℃至1000℃的中高温热化学制氢反应，而相对于基于商业太阳能光热发电厂的热化学制氢性能评估系统，本发明可以对200℃至500℃的中低温热化学制氢反应进行性能评估。
附图说明
图1为本发明一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统结构图；
图2为本发明基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统微型多通道反应器结构图；
图3为本发明基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统使用的用于提供热量的太阳能聚光模拟装置；
图4为本发明基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统实施例1中一次甲醇重整热化学制氢反应的氢气浓度变化数据图。
附图标记说明：
1-蠕动泵，2，4，8，10，15，18，19，20，22-逆止阀，3，7，14，16，17-流量计，11，13，25，26-开关，12-储液罐，5-蒸发器/预加热器，6-冷凝器，9-色谱仪，21，23-高压气瓶，24-微型通道反应器，27-太阳能聚光模拟器支架，28-光线出射口。
具体实施方式
本发明公开了一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法，包括原料输入部分，蒸发器/预加热器，微型多通道反应器，冷凝器，色谱仪，流量管道系统及太阳能聚光模拟器。
所述原料输入系统分为两部分，液液体输入部分包括可拆卸储液罐与具备流量控制功能的高精度蠕动泵，实现反应物的更换与流量的精准控制；气体输入部分包括载气与反应气，载气作为高压气源推动整个产氢系统的气体流动，载气一般选择惰性气体如氩气，氮气。液体与气体在蒸发器/预加热器前汇聚，蠕动泵出口与汇聚点之间以及气瓶与汇聚点之间采用耐高温1mm内径，2mm外径不锈钢管，钢管用保温棉做保温处理，钢管上配置有逆止阀，防止蒸发器/预加热器内高温气体意外倒流，损坏管道，逆止阀前设置流量计用于控制气体流量；汇聚点采用三通阀联接。
所述蒸发器/预加热器为电加热或太阳能加热的大腔室罐体，为适应蒸蒸发器/预加热器的高温，汇聚点三通阀与蒸发器/预加热器之间采用耐高温1mm内径，2mm外径不锈钢管，钢管用保温棉作保温处理，钢管上配置有逆止阀防止倒流，钢管末端连接蒸发器/预加热器内部的喷雾装置，液体通过喷雾装置形成细小液滴，减少蒸发时间，而大腔室设计可以尽量减少液体蒸发引起的压强剧烈变化的影响；预加热炉同时对气体进行初步加热，以维持反应物在进入反应器前的温度，有利于提高反应效率。
所述微型多通道反应器是一种可拆卸的高效反应器，反应器与蒸发器/预加热器之间使用内径1mm，外径2mm的耐高温不锈钢管连接，钢管用保温棉作保温处理，钢管上配置有逆止阀防止倒流，逆止阀与反应器之间配有耐高温流量计用于实时监控反应器入口流量，流量计前配置有高温热电偶，实时监控温度；反应器内部为微型多通道设计，增大固体颗粒与设计为圆形以充分接收来自太阳能聚光设备所形成光斑的热量，反应器直径49毫米，厚2毫米，共有24条通道，每条通道宽1毫米，深1毫米，通道中设置有高温热电偶，实时监控反应器温度，通道方向与气体流动方向平行，固体的填充量视光斑大小而定。
所述冷凝器采用水冷的冷却方式，冷凝器入口与反应器出口之间采用内径1mm，外径2mm的耐高温不锈钢管连接，钢管用保温棉作保温处理，钢管上配置有逆止阀防止倒流，逆止阀与冷凝器之间配置有耐高温流量计，实时监控反应器出口流量，流量计前设置有高温热电偶，实时监控温度；冷凝器上半部分为内径1mm，外径2mm的耐高温管道，管道被流动的水包裹以实现冷却的目的，下半部分为储液罐，冷却管道深入储液罐中，储液罐底面为漏斗型设计，底部设有阀门与管道；对于常温为液态的废弃反应物，在经过冷却水冷却后积蓄在储液罐中，在实验结束后，打开底部的阀门可以收集废液进行检测分析；对于常温下为气态的废弃反应物，如需要洗涤混合气体(吸收废弃反应气与其他气体)，可以在实验开始前通过储液罐底部的管道，打入用于洗涤的液体，液面高于冷却管的末端以保证充分洗涤。
所述色谱仪为检测设备，型号为岛津GC-2014，用于检测生成的混合气体成分，对系统的整体性能进行评估，同时配备计算机控制中心接收色谱仪，流量计数据，并对色谱仪与太阳能聚光模拟器进行实时控制；色谱仪入口与冷凝器之间用内径1mm，外径2mm的钢管连接，并配置有三通逆止阀防止气体倒流，逆止阀与冷凝器之间设置流量计，实时监控色谱仪入口流量；色谱仪出口设置一个逆止阀，该逆止阀为三通逆止阀，与冷凝器出口逆止阀用钢管直接连接，这段管道与色谱仪为并联关系，有效防止色谱仪故障导致气体无法流通。
所述流量管道系统包括每个设备之间的连接管道与上面的逆止阀及流量计，管道材料包括但不限于耐高温的不锈钢钢管。
所述太阳能聚光模拟器由高功率氙灯光源，高反射率反射罩，支架构成，氙灯光源的光谱与太阳能最为接近；高反射率反射罩为椭圆形，氙灯光源位于椭圆的第一焦点，反应器位于第二焦点，光线自第一焦点发出经过反射罩反射汇聚于第二焦点形成高能量密度光斑，光斑的大小可以通过改变反应器与第二焦点之间的距离来调整。
本发明还公开了一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估方法，具体步骤如下：
步骤1：确保所有阀门与开关状态正确，向微型多通道反应器中填充反应所需的固体颗粒，填充完毕后调整反应器与太阳能聚光模拟器反射罩第二焦点的距离，以得到合适大小的光斑与能量，打开载气瓶，利用减压阀与流量计调整载气流量，对整个系统各个部件及管道进行吹扫；
步骤2：打开太阳能聚光模拟器，调整至合适功率，验证光斑大小，确认无误后打开蒸发器/预加热器，等待蒸发器/预加热器与反应器温度达到要求温度；
步骤3：反应器及蒸发器/预加热器温度达标后，利用系统的原料输入部分打入原料，原料通过蒸发器/预加热器初步加热后进入反应器中，以太阳能聚光模拟器为热源，进行热化学制氢反应。
步骤4：未反应的高温反应物，反应生成的氢气及其他气体如一氧化碳、二氧化碳、 甲烷等，在载气的推动下，离开反应器进入冷凝器中，在冷凝器中得以冷却，常温下为液态反应物(如有)储存在冷凝器下端的储液罐中，待反应结束后收集进行分析检测，储液罐中可以在实验开始前填充不影响整体性能评估的洗涤剂，洗去生成的混合气体中不需要的成分。
步骤5：经过冷凝器的常温混合气体进入气相色谱仪中，对其详细成分进行检测分析，所得数据用于评价该热化学制氢反应的制氢效率与性能。
其中载气的种类根据所评估的热化学制氢反应而定，包括但不限于氮气，氩气；原料常温下可以是气体反应物与液体反应物，气体反应物包括但不限于甲烷，乙烷，氧气及其混合物，液体反应物包括但不限于甲醇，乙醇，水及其混合物；所述生成混合气体中为氢气，一氧化碳，二氧化碳，气态有机物等混合物；所述蒸发器/预加热器与反应器的温度区间为200摄氏度至1000摄氏度。
接下来用几个实例来介绍本发明。
实施例一
以水，甲醇为原料，利用基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统制取氢气，并评价反应性能。具体生产方法如下：
(1)实验前准备：往微型通道反应器24内填充催化剂，由于甲醇蒸汽重整制氢要求温度较低，在200-300摄氏度之间，故太阳能聚光模拟器光斑取最大尺寸5cm以获得较低温度，因此催化剂应将所有通道填满，填充完毕后固定在聚光模拟器支架27上，微型通道反应器与聚光模拟器的光线出射口28平行，校准微型通道反应器位置，确保光斑直径为5cm，完全包裹微型通道反应器24。
(2)进料及预热：检查所有阀门与开关，确保管道畅通，打开装有高纯氩气的气瓶23，调节减压阀使出口压力为0.15MPa，调整流量为15ml/min，吹扫半小时，吹扫时打开太阳能聚光模拟器，调整聚光模拟器的功率，开始预热催化剂，将反应器温度加热至250℃左右。吹扫完毕后，启动蒸发炉/预加热炉5，待温度上升到200℃后，打开蠕动泵1，用蠕动泵1将储液罐12中的甲醇水溶液以0.7ml/min的速率打入蒸发炉(预热炉)5中。
(3)反应：甲醇与水在蒸发炉/预加热炉5中经过雾化装置迅速汽化并升温至200℃，200℃的甲醇蒸汽与水蒸气进入微型多通道反应器24中，以太阳能聚光模拟器产生的光斑为热源，甲醇蒸汽及水蒸气与24条通道内的催化剂发生甲醇蒸汽重整反应，生成氢气，一氧化碳，二氧化碳；得益于提前预热，甲醇蒸汽与水蒸气在反应器内用于升温的热量更少，用于反应的热量更多，反应更加完全。
(4)冷却与废液收集：未反应的甲醇蒸汽与水蒸气在冷凝器6中冷却液化，形成甲醇水溶液滞留在冷凝器6下端的储液罐中，待反应结束后，打开冷凝器下端的阀门，收集废液，对废液进行60℃真空蒸馏，在真空环境下，甲醇的沸点远远低于室温，因此甲醇在蒸馏过程中以气体的形式被真空泵抽走，剩下的水在60摄氏度的温度下先汽化再经过冷却液化收集，通过分馏前后液体的质量差与输入系统的甲醇质量之比即位整个反应的甲醇转换率，第一个性能指标得出。
(5)成分分析：氢气，一氧化碳和二氧化碳在经过冷凝器6后，二氧化碳一部分溶解于储液罐中的废液，另一部分随着氢气，一氧化碳和二氧化碳进入色谱仪中进行成分分析，二氧化碳的实际成分可以通过化学反应中氢气，一氧化碳和二氧化碳的数量关系计算得出，通过电脑收集并处理数据，评估实验结果与反应性能。
如图4所示，是一次甲醇重整热化学制氢反应的氢气浓度变化数据。该图4所示，反应器初始温度设定为240℃，在200分钟左右，输出混合气体中氢气浓度稳定在47％左右，即平台整体的第一次稳定时间在3小时，3小时后开始产出稳定浓度的氢气。在第一次氢气浓度稳定后，调整反应器温度至260℃，90分钟后，输出混合气体中氢气浓度稳定在50％左右，即调整温度反应参数，平台内部稳定时间为90分钟。同理，在氢气浓度稳定在50％左右后，温度调整至280摄氏度，90分钟后，产出混合气体中氢气浓度稳定在53％左右，后续再将温度调整至290摄氏度，90分钟后，产出混合气同中氢气浓度稳定在54％左右。
综上所述，本系统及方法在一天时间内可以产出多组数据，系统平衡时间短，运行稳定，产出数据误差较小，而具有相同功能的改装太阳能光热电站或新建太阳能聚光系统产出数据的时间通常以天为单位，且随天气变化数据波动严重，误差较大，稳定性较差。
实施例二
以二氧化碳与甲烷为原料，利用于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统制取氢气并评估反应性能，详细生产方法如下：
(1)实验前准备：往微型通道反应器24内填充催化剂，由于该热化学反应的反应温度要求较高，故反应器与太阳能聚光模拟器第二焦点之间的距离应当减少，以获得更小的光斑，更高的能量密度，更高的温度，经过测试，光斑直径为1.2cm时，温度可以满足反应要求；催化剂填充时以反应器圆心为中点，填充形成一个直径为1厘米的催化剂圆，填充完毕后固定在聚光模拟器支架27上，微型通道反应器与聚光模拟器的光线出射口28平行，校准微型通道反应器位置，确保光斑直径为1.2cm，完全包裹微型通道反应器24中填充催化剂的部分。
(2)进料及预热：检查所有阀门与开关，确保管道畅通，由于逆止阀2的存在，气体不会流入蠕动泵与储液罐中。打开装有高纯氩气的气瓶23，调节减压阀使压力为0.15MPa，调节流量计示数至15ml/min，吹扫半小时，吹扫时打开太阳能聚光模拟器，调整聚光模拟器的功率，开始预热催化剂，将含有催化剂的反应器区域加热至900℃。吹扫完毕后，启动蒸发炉/预加热炉5，待温度上升到700℃后，打开装有一定比例的二氧化碳与甲烷混合气的高压气瓶21，调节压力至0.15MPa，调节流量计示数至30ml/min。
(3)反应：甲烷与二氧化碳在蒸发炉/预加热炉5中初步加热至700℃，高温甲烷与二氧化碳在反应器催化剂区域迅速升温至900℃反应，生成氢气与一氧化碳；得益于提前预热，甲烷与二氧化碳在反应器内用于升温的热量更少，用于反应的热量更多，反应更加完全。
(4)冷却与洗涤：反应生成的混合气体以及未反应的甲烷与二氧化碳在冷凝器6中经循环水冷却。
(5)成分分析：氢气，一氧化碳，未反应的二氧化碳，甲烷经过冷凝器6，冷却到室温后进入色谱仪中进行成分分析，通过研究混合气体中的一氧化碳，氢气，二氧化碳，甲烷的浓度，对甲烷与二氧化碳之间这一热化学制氢反应进行全方位评估。
最终实验数据显示，得益于甲烷二氧化碳常温下为气态的性质，本系统及发明在12个小时的时间内，在第六个小时结束时进行了一次催化剂更换，共产出实验数据9组，其中每个反应器每小时平均产出数据0.9组，系统稳定且数据误差微小，性能评估能力远远优于基于太阳能聚光设备的性能评估系统。
本发明所涉及的一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法并不限于以上实施例中所述的结构和步骤。以上仅为发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换或者组合使用，均应属于本发明的保护范围。
本发明热化学反应包括但是不限于以固体颗粒催化剂的催化反应，反应物由其他相态转化为气态的反应；所述各部件之间、冷凝器与环境及色谱仪与环境的连接方式包括但是不限于玻璃管道，不锈钢管道；所述色谱仪的种类包括但不限于气相色谱仪，且色谱仪可以被包括但不限于质谱仪等仪器代替。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统，包括原料输入部分，蒸发器/预加热器，微型多通道反应器，冷凝器，色谱仪，流量管道系统及太阳能聚光模拟器，其特征为：
所述原料输入部分包括两部分：液体输入部分以及气体输入部分；所述液体输入部分与气体输入部分在蒸发器/预加热器前汇聚；
所述蒸发器/预加热器，为电加热或太阳能加热的大腔室罐体，其内部设有喷雾装置，预加热器同时对气体进行初步加热；
所述微型多通道反应器与蒸发器/预加热器、冷凝器之间通过耐高温管道连接；
所述色谱仪用于检测生成的混合气体成分，同时配备计算机控制中心接收色谱仪、流量计检测的数据，并对色谱仪与太阳能聚光模拟器进行实时控制；
所述流量管道系统包括每个设备之间的连接管道与上面的逆止阀及流量计；
所述太阳能聚光模拟器包括高功率氙灯光源，椭圆形的高反射率反射罩；所述高功率氙灯光源位于高反射率反射罩椭圆的第一焦点，微型多通道反应器位于第二焦点附近。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统，其特征为：所述液体输入部分包括可拆卸储液罐与具备流量控制功能的蠕动泵，实现反应物的更换与流量的精准控制；所述气体输入部分包括载气与反应气，载气作为高压气源推动整个产氢系统的气体流动。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统，其特征为：所述微型多通道反应器为可拆卸，所述反应器与蒸发器/预加热器之间使用耐高温不锈钢管连接，钢管用保温棉做保温处理，所述钢管上配置有逆止阀防止倒流，逆止阀与反应器之间配有耐高温流量计用于实时监控反应器入口流量。
4.根据权利要求3所述的基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统，其特征为：所述微型多通道反应器采用圆盘设计以充分接收来自太阳能聚光设备所形成光斑的热量，所述圆盘直径49毫米，厚2毫米，共有24条通道，每条通道宽1毫米，深1毫米，通道方向与气体流动方向平行。
5.根据权利要求1所述的基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统，其特征为：所述冷凝器采用水冷的冷却方式，冷凝器入口与反应器出口之间采用耐高温不锈钢管连接，钢管用保温棉作保温处理，钢管上配置有逆止阀防止倒流，逆止阀与冷凝器之间配置有耐高温流量计，实时监控反应器出口流量。
6.根据权利要求5所述的基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统，其特征为：所述冷凝器上半部分为内径1mm，外径2mm的耐高温管道，管道被流动的水包裹以实现冷却，下半部分为储液罐，管道深入储液罐中，储液罐底面为漏斗型结构，底部设有阀门与管道。
7.根据权利要求1所述的基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法，其特征为：所述色谱仪的入口与冷凝器之间用管道连接，并配置有三通逆止阀防止气体倒流，逆止阀与冷凝器之间设置流量计，实时监控色谱仪入口流量；色谱仪出口设置一个逆止阀，该逆止阀为三通逆止阀，与冷凝器出口逆止阀用钢管直接连接，这段管道与色谱仪为并联关系，有效防止色谱仪故障导致气体无法流通。
8.根据权利要求7所述的基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统及方法，其特征为：所述色谱仪入口与冷凝器之间用内径1mm，外径2mm的钢管连接。
9.根据权利要求1-8任一所述基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估系统的方法，其特征为：包括如下步骤：
步骤1：确保所有阀门与开关状态正确，向微型多通道反应器中填充反应所需的固体颗粒，填充完毕后调整反应器与太阳能聚光模拟器反射罩第二焦点的距离，以得到合适大小的光斑与能量，打开载气瓶，利用减压阀与流量计调整载气流量，对整个系统各个部件及管道进行吹扫；
步骤2：打开太阳能聚光模拟器，调整至合适功率，验证光斑大小，确认无误后打开蒸发器/预加热器，等待蒸发器/预加热器与反应器温度达到要求温度；
步骤3：反应器及蒸发器/预加热器温度达标后，利用系统的原料输入部分打入原料，原料通过蒸发器/预加热器初步加热后进入反应器中，以太阳能聚光模拟器为热源，进行热化学制氢反应。
步骤4：未反应的高温反应物，反应生成的氢气及其他气体，在载气的推动下，离开反应器进入冷凝器中，在冷凝器中得以冷却，如有常温下有液态反应物，则储存在冷凝器下端的储液罐中，待反应结束后收集进行分析检测，储液罐中可以在实验开始前填充不影响整体性能评估的洗涤剂，洗去生成的混合气体中不需要的成分。
步骤5：经过冷凝器的常温混合气体进入气相色谱仪中，对其详细成分进行检测分析，所得数据用于评价该热化学制氢反应的制氢效率与性能。
10.根据权利要求9所述的一种基于太阳能聚光模拟器的热化学制氢反应性能评估方法，其特征在于，载气的种类根据所评估的热化学制氢反应而定，包括但不限于氮气，氩气；原料常温下可以是气体反应物与液体反应物，气体反应物包括但不限于甲烷，乙烷，氧气及其混合物，液体反应物包括但不限于甲醇，乙醇，水及其混合物；生成混合气体中为氢气，一氧化碳，二氧化碳，气态有机物等混合物；蒸发器/预加热器与反应器的温度区间为200摄氏度至1000摄氏度。
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