CN113578209A - 一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器 - Google Patents
一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，包有机玻璃壳体，所述有机玻璃壳体上下两端经弯管后分别设有进气口与出气口，所述有机玻璃壳体内部中放置有催化剂颗粒，在有机玻璃壳体中催化剂颗粒分布的区域与下部区域垂直布置有布风板。本发明能够实现太阳能的有效利用，减少对其他能源的消耗达到对污染物的降解效果，同时能保证反应过程可全天候进行。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，特别涉及一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器。
背景技术
在当下热门的氢能开发以及环境治理领域，减少传统能源的利用，提高太阳能催化反应的效率成为了核心问题之一。目前，气体污染物治理领域常见的处理有害气体的方法有吸附法，吸收法和催化转化法，其中催化转化法采用的固定床的方式催化反应进行，而与流化床相比，这种催化方式的效率较低。市面常见的流化床为了保证设备的生产强度，常希望利用尽可能大的流化速度，而较大的流化速度使得催化剂颗粒容易随气流离开反应体系。为了避免流化床颗粒被气流带出体系而造成的管路堵塞和催化剂回收等问题，需要在流化床后面设计旋风分离器用以分离气体和催化剂颗粒，增加了系统的设计成本。另一方面，受制于太阳光在时间上分布的不均匀性，传统的用于太阳能利用领域的流化床具有无法连续工作的特点，难以直接高效利用。
发明内容
为了实现在流化床中利用外加磁场控制催化剂颗粒运动且引入来自太阳光的光能和热能激活催化反应，耦合流场、磁场、光场和热源进行反应催化空气污染物降解，本发明提出一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，以解决利用太阳能启动二氧化钛催化剂催化气体污染物降解的问题，本装置利用直流线圈产生的磁场控制催化剂的运动与分离，催化剂在反应器内充分分布，透光有机玻璃壳体机构确保光线对反应气体与催化剂的照射，附加的太阳能蓄热器能够吸收太阳光中的热能，并在无太阳光环境下通过反应器中换热器向催化剂和反应气体供热，利用该装置能够实现太阳能的有效利用，减少对其他能源的消耗达到对污染物的降解效果，同时能保证反应过程可昼夜连续运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，包有机玻璃壳体3，所述有机玻璃壳体3上下两端经弯管后分别设有进气口与出气口，所述有机玻璃壳体3内部中放置有催化剂颗粒9，在有机玻璃壳体3中催化剂颗粒9分布的区域与下部区域垂直布置有布风板11。
所述有机玻璃壳体3中段为反应区域腔体，在有机玻璃壳体3表面有增透膜，用于提高太阳光的透过率，所述有机玻璃壳体3内部设置换热器10，所述换热器10表面涂有反光涂料，能够把将要透过有机玻璃壳体3的太阳光反射回反应区域，提高太阳光的利用率。
所述有机玻璃壳体3之外布置有槽式聚光器7和蓄热器8，所述槽式聚光器7在有太阳光照射时用于使换热工质吸收太阳光的热能并将其输送至蓄热器8中储存。
所述有机玻璃壳体3中央安装有换热器10，换热器10通过密封软管接收来自蓄热器8的高温工质，并将工质中热量传递给反应器中的反应气体以及催化剂颗粒9。
所述有机玻璃壳体3进气口处安装有气体压缩机，用于从前端设备吸入反应气体以及将反应气体泵入该反应器的反应区域。
所述有机玻璃壳体3上部区域外侧设置用于产生磁场的控制线圈6，控制线圈6缠绕于机玻璃壳体3上部区域外侧，所述控制线圈6与稳恒电源4相连，所述控制线圈6布置时其中心轴线与有机玻璃壳体3中心轴线重合。
所述催化剂颗粒9整体呈球状外形，内部为铁磁性材料构成的铁磁性基芯12，以保证催化剂颗粒9能够受磁场的作用力牵引，外部包裹催化剂材料13和反应气体充分接触以催化反应进行。
所述有机玻璃壳体3在出气口处布置有气体检测计5，用于监测流入气体的各种参数便于实现对气体流速、控制线圈6中电流大小等的控制。
所述有机玻璃壳体3在进气口处安装有安全阀门2，在紧急情况下需停止气体输入和反应以及正常情况下反应器暂停使用时，用于隔离前端设备与有机玻璃壳体3内部主体，防止气体泄露与通过。
所述布风板11固定于有机玻璃壳体3反应区域的下方，布风板11上均匀分布的多个相同孔径通孔，反应气体从通孔中流过从而使得反应气体能均匀稳定流过反应区域。
本发明的有益效果：
本发明采用的气力输送床结构，处在反应器中的催化剂颗粒能够被反应气体吹起，使得催化剂颗粒能够分散分布于反应器的气流中。这增大了催化剂颗粒与反应气体的接触面积，反应气体与催化剂颗粒的有效接触更均匀，提高了反应效率。
本发明中控制线圈能够产生磁场，以牵引内部为铁磁性基材的催化剂颗粒达到使其在反应器内均匀分布的效果，提高反应效率。同时也能防止催化剂颗粒被反应气体吹出出气口进入后续设备造成分离困难的情况。
本发明将线圈结构置于反应腔体，避免了对太阳光的遮挡，配合有增透膜与反光涂层的有机玻璃壳体，能够使反应器内反应气体与催化剂颗粒充分接收与利用光线照射以催化反应的进行。同时反应器外部尺寸、催化剂颗粒的材料、用量与反应气体均可随不同的反应以及所需反应效率相匹配，通用性强，成本较低。
本发明具有全天候驱动催化反应的能力。在白天利用太阳能全光谱中的光效应驱动光催化反应，同时利用太阳能蓄热器储存热量；在夜间或太阳辐照不足的条件下能够通过蓄热器向反应器提供热量驱动热催化反应进行。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为本发明装置工作流程示意图。
图3为光照下工作模式图。
图4为无光照下工作模式图。
其中，各部件及相应标记为：1-气体压缩机；2-安全阀门；3-有机玻璃壳体；4-稳恒电源；5-气体检测计；6-控制线圈；7-槽式聚光器；8-蓄热器；9-催化剂颗粒；10-换热器；11-布风板；12-铁磁性基芯；13-催化剂负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为磁约束太阳能光热互补流化床反应器示意图，该装置利用能够通过透光有机玻璃壳体的太阳光照射催化剂颗粒以及利用从太阳能中获取的热能向反应气体以及催化剂颗粒供热，以激活降解气体污染物催化反应，以此实现对太阳能的有效利用。同时通过光场-磁场-气固两相流的多场耦合以及太阳能供热，从而显著提高反应器的性能。该催化反应器主要包含图1磁约束的光催化反应器主体与催化剂颗粒。
其中，磁约束太阳能光热互补流化床反应器包括：气体压缩机1、安全阀门2、有机玻璃壳体3、稳恒电源4、气体检测计5、控制线圈6、槽式聚光器7、蓄热器8、催化剂颗粒9、换热器10、布风板11。控制线圈6工作时其中轴线应与有机玻璃壳体3中轴线重合以保证催化剂颗粒9所受磁力合力方向平行于有机玻璃壳体3中轴线，使得催化剂颗粒9分布更为均匀，也能控制其运动方向。
上述方案中，有机玻璃壳体3，要降低光线损耗，表面覆有增透膜，太阳光的透过率大于97％，同时内部换热器10表面涂有反光涂层，以提高太阳能的利用效率。
槽式聚光器7能够会聚太阳光，使得太阳光能充分照射加热来自蓄热器8的工质。
蓄热器8能够储存已经被槽式聚光器7加热过的高温工质和待加热的工质，并且尽量避免在储存过程中的热量损失。在不同的工作模式下，蓄热器8可将工质由管路输送给槽式聚光器7或换热器10。
换热器10要能够将蓄热器8通过密封软管输送的储蓄有热能的高温工质中的热量充分传递给反应气体以及催化剂颗粒9。
气体检测计5要能检测流出气体的各类参数，便于检测反应器内部反应情况以及为调整气流提供数据反馈。
安全阀门2要能够将前端设备与反应器隔离，以保证该反应器的安全性及可靠性。
布风板11垂直于有机玻璃壳体3中轴线布置，以保证反应气体平稳均匀流过反应区域。
催化剂颗粒9，由铁磁性基体材料构成的铁磁性基芯12与外表包裹的光反应催化剂材料组成，铁磁性基芯12使得催化剂颗粒能够响应磁场，受磁力牵引运动，外表的光反应催化剂材料13在与反应气体直接接触的同时也可对太阳光进行吸收，利用太阳光对气相反应物进行光催化反应，实现一定程度可控的高效催化转化。
本发明考虑到在一般磁场流化床中受壳体以及催化剂用量限制故较少引入太阳能进行催化反应，而普通气固流化床存在效率低下以及催化剂与产物的分离问题，因而开发一种磁约束太阳能光热互补流化床反应器，用磁约束的方式解决传统流化床催化剂与产物的分离问题，同时引入光催化反应与热催化反应互补，有效利用太阳能，实现昼夜连续运行，提高反应效率。
本装置通过光场、流场、磁场以及热源的多场耦合，可以实现利用太阳能进行高效快速的催化反应，达到降解气体污染物或进行生产制氢的目的。磁约束的方式使得催化剂颗粒能够时时处在反应腔内，不随流体离开反应体系，从而有效地避免了由于循环回收催化剂带来的附加成本。本装置利用太阳光所供给的光能以及热能作为催化反应的激活条件，对外部环境的要求不高，因而在白天照光良好的区域具有普适性。太阳能蓄热器能够为本装置提供无光照条件下工作所需的热量，以保证装置可昼夜连续工作。催化剂的重复利用可以使得本装置在提供压缩机和线圈所需电能的基础上持续工作，源源不断地将气体污染物降解。
按照二氧化钛(TiO2)光热协同催化降解乙醛反应，列举具体实施例：
该反应器置于户外环境，以环境太阳光作为光源，二氧化钛作为催化剂，反应为乙醛光催化降解反应。反应器壳体的长度以及轴截面尺寸可依据通入的含乙醛空气反应量进行调节，二氧化钛催化剂颗粒在气体流场及磁场的带动下在气流中运动同时接受透过有机玻璃壳体的太阳光照射。反应气体进入反应器后与二氧化钛催化剂颗粒一齐接受太阳光照射，乙醛发生光催化降解反应，因而有效降低空气中乙醛浓度，将气体多次循环通入反应器后预期乙醛浓度可下降95％。
依照图2所示系统流程图，列举该反应器在不同光照环境下的具体实施例：
在太阳光照充足的条件下，反应器工作于光照下工作模式，如图3所示。反应器中通入反应物气流同时带动催化剂运动使之流化。同时反应物与催化剂颗粒一同接受太阳光照射，此时反应器以光能为动力激活流化态的催化剂使光催化反应进行，可使得反应物得到充分反应。同时蓄热器中的冷工质经由管路进入聚光器受热，而在槽式聚光器中受会聚的太阳光充分加热的热工质经由管路进入蓄热器中妥善储蓄待用。
在太阳光照不足的条件下，反应器工作于无光照下工作模式，如图4所示。反应器中通入反应物气流同时带动催化剂运动使之流化。蓄热器中的热工质经由管路进入列管式换热器，热工质在列管式换热器中充分放热将热量传递给反应物以及催化剂颗粒。此时反应器以热能为动力激活流化态的催化剂使热催化反应进行，可使得反应物在无光照情况下也可反应。放热完全的冷工质经由管路从换热器返回蓄热器等待再次具备光照条件时受热。
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 (10)
1.一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，其特征在于，包有机玻璃壳体(3)，所述有机玻璃壳体(3)上下两端经弯管后分别设有进气口与出气口，所述有机玻璃壳体(3)内部中放置有催化剂颗粒(9)，在有机玻璃壳体(3)中催化剂颗粒(9)分布的区域与下部区域垂直布置有布风板(11)。
2.根据权利要求1所述的一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，其特征在于，所述有机玻璃壳体(3)中段为反应区域腔体，在有机玻璃壳体(3)表面有增透膜，用于提高太阳光的透过率，所述有机玻璃壳体(3)内部设置换热器(10)，所述换热器(10)表面涂有反光涂料，能够把将要透过有机玻璃壳体(3)的太阳光反射回反应区域，提高太阳光的利用率。
3.根据权利要求1所述的一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，其特征在于，所述有机玻璃壳体(3)之外布置有槽式聚光器(7)和蓄热器(8)，所述槽式聚光器(7)在有太阳光照射时用于使换热工质吸收太阳光的热能并将其输送至蓄热器(8)中储存。
4.根据权利要求1所述的一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，其特征在于，所述有机玻璃壳体(3)中央安装有换热器(10)，换热器(10)通过密封软管接收来自蓄热器(8)的高温工质，并将工质中热量传递给反应器中的反应气体以及催化剂颗粒(9)。
5.根据权利要求1所述的一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，其特征在于，所述有机玻璃壳体(3)进气口处安装有气体压缩机，用于从前端设备吸入反应气体以及将反应气体泵入该反应器的反应区域。
6.根据权利要求1所述的一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，其特征在于，所述有机玻璃壳体(3)上部区域外侧设置用于产生磁场的控制线圈(6)，控制线圈(6)缠绕于机玻璃壳体(3)上部区域外侧，所述控制线圈(6)与稳恒电源(4)相连，所述控制线圈(6)布置时其中心轴线与有机玻璃壳体(3)中心轴线重合。
7.根据权利要求1所述的一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，其特征在于，所述催化剂颗粒(9)整体呈球状外形，内部为铁磁性材料构成的铁磁性基芯(12)，以保证催化剂颗粒(9)能够受磁场的作用力牵引，外部包裹催化剂材料(13)和反应气体充分接触以催化反应进行。
8.根据权利要求1所述的一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，其特征在于，所述有机玻璃壳体(3)在出气口处布置有气体检测计(5)，用于监测流入气体的各种参数便于实现对气体流速、控制线圈(6)中电流大小等的控制。
9.根据权利要求1所述的一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，其特征在于，所述有机玻璃壳体(3)在进气口处安装有安全阀门(2)，在紧急情况下需停止气体输入和反应以及正常情况下反应器暂停使用时，用于隔离前端设备与有机玻璃壳体(3)内部主体，防止气体泄露与通过。
10.根据权利要求1所述的一种可昼夜连续运行的磁约束太阳能光热互补流化床反应器，其特征在于，所述布风板(11)固定于有机玻璃壳体(3)反应区域的下方，布风板(11)上均匀分布的多个相同孔径通孔，反应气体从通孔中流过从而使得反应气体能均匀稳定流过反应区域。
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|---|---|---|---|---|
| CN115849303A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-03-28 | 大连理工大学 | 利用甲烷和水蒸气反应制氢装置 |
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