CN114704968B - 一种太阳能热化学反应装置及运行模式 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源利用技术领域具体涉及一种太阳能热化学反应装置，包括：外壳，所述外壳内设有用于放置物料的反应腔，所述外壳的顶部设有进光口和进料口，吸收储热芯，所述吸收储热芯设于外壳的内腔中，且吸收储热芯的顶部与进光口连接，所述吸收储热芯内设有相变材料，所述相变材料用于在热源间歇期间为外壳内腔中的物料提供热量，排气口，所述排气口设于外壳的侧壁上。该装置能够使热化学反应稳定进行，避免热源波动而导致的热化学反应产物分布不均、反应效率低，且能够在扩大反应规模的同时保持反应装置尺寸不变，避免反应腔内部热阻增大而导致的热化学反应不充分、反应产物分布不均匀、反应效率低。

Description

一种太阳能热化学反应装置及运行模式

技术领域

本发明涉及新能源利用技术领域，具体而言，涉及一种太阳能热化学反应装置及运行模式。

背景技术

能源消耗量随着经济发展而与日俱增，长久以来，世界能源形势严峻。煤炭等传统能源日渐消耗以及燃烧产生环境污染已然成为人类生存和发展世界性问题，新能源的普及利用势在必行。生物质能分布广泛、可再生、清洁无污染，是传统能源替代的极佳选择。

在各项生物质利用技术中，生物质燃烧自热供能热解、气化反应是一种生物质能利用方式，但其利用率低并且自热燃烧排放依旧会造成一定的污染。利用太阳能对生物质进行热解、气化反应虽然能够避免物料消耗以及燃烧排放污染，但是太阳能热源瞬时性波动会导致生物质热解反应不稳定、产物分布不均匀。

堆积床反应装置是常用的生物质热化学反应装置，这种装置具有结构简单、稳定性强、安全可靠的优点，但是堆积床反应装置在增加装置尺寸以扩大生产规模时，其床层热阻随尺寸扩大而增加，反应装置内部温度难以有效控制在最佳反应区间。

发明内容

为了解决太阳能热源波动导致生物质热解、气化反应的反应效率低以及产物分布不均匀和堆积床反应装置扩大生产规模会导致装置内部热阻上升，从而引起反应效率下降、产物质量的技术问题，本发明提供了一种太阳能热化学反应装置及运行模式，该装置和运行模式能够使生物质热解反应稳定进行，避免热源波动而导致的生物质热解、气化反应效率低以及产物分布不均匀和在不改变反应装置最佳设计尺寸的前提下实现扩大生产规模。

本发明通过以下技术方案实现：

本申请提供一种太阳能热化学反应装置，包括：外壳，所述外壳内设有用于放置物料的反应腔，所述外壳的顶部设有进光口和进料口，吸收储热芯，所述吸收储热芯设于外壳的内腔中，且吸收储热芯的顶部与进光口连接，所述吸收储热芯内设有相变材料，所述相变材料用于在热源间歇期间为外壳内腔中的物料提供热量，排气口，所述排气口设于外壳的侧壁上。

优选的，所述外壳包括上部壳体和下部壳体，上部壳体的底部套设在下部壳体内，上部壳体与下部壳体通过螺栓连接，所述下部壳体的底部设有出料口在反应状态时，所述吸收储热芯的底部与下部壳体的底部相配合使出料口成封闭状态。

优选的，所述吸收储热芯包括：外壁、CPC透镜和导热骨架，所述外壁设于所述外壳9的内腔中，且所述外壁与所述外壳的顶部密封连接，所述外壁为圆筒形，所述CPC透视镜设于外壁的表面，所述导热骨架设于外壁的内腔中。

优选的，所述相变材料完全熔化时的液面低于导热骨架的高度，且导热骨架的底部混有纳米颗粒。

优选的，所述导热骨架的孔隙率与孔隙密度自上而下呈梯级递减，所述导热骨架的孔隙率分布为0.98～0.80，孔隙密度分布为5PPI～40PPI，所述外壳壁厚为2～5mm，所述掺混纳米颗粒与无纳米颗粒体积比例约为：1，所述纳米颗粒粒径为0.01～0.1μm，所述纳米颗粒与所述相变材料的质量比为：1。

优选的，所述下部壳体的底部为倒锥形，所述吸收储热芯的底部为倒锥形，所述下部壳体的底部与吸收储热芯的底部相配合。

优选的，所述下部壳体的底部与吸收储热芯的底部相配合处设有垫圈。

优选的，所述外壳的材质为不锈钢，所述导热骨架的材质为泡沫石墨，所述纳米颗粒的材质纳米氮化钛。

优选的，所述进光口的底部设有通光孔，所述通光孔与吸收储热芯连通，且吸收储热芯的顶部与上部壳体固定连接。

优选的，该运行模式为多个所述热化学反应装置以固定周期轮替置于聚光光源下吸收太阳能。

本发明中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、在太阳能容积式吸收芯内集成潜热储热，聚光太阳能在吸收储热芯内由光向热转换之后，需要先由潜热储热介质吸收与缓冲，吸收储热芯内部的固液相变介质吸热逐渐转化为液态，在此过程中实现了热量的储存并于整个反应过程中持续控制吸收储热芯对反应腔加热温度在相变介质的相变区间附近，当太阳能热源出现瞬时波动时相变介质释放热量，从而使反应腔在太阳能瞬时间歇条件下也可以维持合适的加热温度与升温速率。

2、在运行过程中，存在多个太阳能吸收与潜热储热集成的热化学反应装置聚光集热装置，这些热化学反应装置以固定周期轮替置于聚光太阳能热源下吸收能量。在热化学反应装置周期轮替吸收过程中，相变介质对反应温度的控制效果能够削弱周期轮替引起的人工热源间歇对反应稳定性的影响。在这种运行模式下，可以通过增加热化学反应装置数量实现反应规模扩大，避免了常规堆积床反应装置在扩大反应规模时产生的装置内部热阻增大从而引发反应效率、产物品质下降的问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本发明实施例所述的一种太阳能热化学反应装置及运行模式的三维结构示意图。

图2为本发明实施例所述的一种太阳能热化学反应装置及运行模式的二维剖面结构示意图。

图3为本发明实施例所述的一种太阳能热化学反应装置及运行模式出料口开启的结构示意图。

图4为本发明实施例所述的一种太阳能热化学反应装置及运行模式的吸收储热芯的结构示意图。

图5为本发明实施例所述的一种太阳能热化学反应装置及运行模式的反应过程中吸收储热芯的性能表现示意图。

图6为本发明实施例所述的一种太阳能热化学反应装置及运行模式的反应过程中反应产物性能表现示意图。

图中标记：1-外壳、2-进料口、3-排气口、4-螺栓、5-进光口、6-出料口、7-反应腔、8-进气口、9-吸收储热芯、91-外壁、92-CPC透镜、93-导热骨架、10-垫圈。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种太阳能热化学反应装置及运行模式，包括：外壳1，所述外壳1内设有用于放置物料的反应腔7，所述外壳1的顶部设有进光口5和进料口2，吸收储热芯9，所述吸收储热芯9设于外壳1的内腔中，且吸收储热芯9的顶部与进光口5连接，所述吸收储热芯9内设有相变材料，所述相变材料用于在热源间歇期间为外壳1内腔中的物料提供热量，排气口3，所述排气口3设于外壳1的侧壁上。

其中，在进行生物质热解反应时，先将生物质物料通过进料口2投放进去，进料口2设有两个，能够实现同一时间内投放更多的物料，物料经过进料口2进入到反应腔7内，太阳能通过进光口5进入吸收储热芯9内，在吸收储热芯9的内部均匀渗透有相变材料，太阳能产生的热量穿过吸收储热芯9后对反应腔7进行加热，从而产生热化学反应，将物料分解成为固体和气体，气体通过排气口3排出。在没有太阳能时，相变材料为热化学反应提供热量，对物料进行加热。

相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度变化不大，但吸收或释放的潜热却相当可观。

在本公开的一种具体实施方式中，所述外壳1包括上部壳体和下部壳体，上部壳体的底部套设在下部壳体内，上部壳体与下部壳体通过螺栓4连接，所述下部壳体的底部设有出料口6，在反应状态时，所述吸收储热芯9的底部与下部壳体的底部相配合使出料口6成封闭状态。

其中，下部壳体的直径大于上部壳体的直径，上部壳体的底部套设在下部壳体上，使得上部壳体能够在下部壳体的内腔中进行滑动，在进行热化学反应时，吸收储热芯9的底部与下部壳体的底部相配合，使得出料口6成封闭的状态，物料在反应腔7中进行反应，在物料反应完成之后，会产生固体和气体的物质，此时，气体通过排气口3排出，进行再次利用，产生的固体物质能够通过出料口6排出去，在出料口6需要排料时，通过拧动螺栓4，将上部壳体沿下部壳体的竖直方向进行向上滑动，吸收储热芯9的顶部固设于上部壳体的顶部，在上部壳体向上滑动时，带动吸收储热芯9向上进行滑动，使得吸收储热芯9的底部与下部壳体的底部分开，此时，出料口6处于开启状态，反应腔7内产生的固体，通过出料口6排出。

在本公开的一种具体实施方式中，所述吸收储热芯9包括：外壁91、CPC透镜92和导热骨架93，所述外壁91设于所述外壳91的内腔中，且所述外壁91与所述外壳1的顶部密封连接，所述外壁91为圆筒形，所述CPC透视镜92设于外壁91的表面，所述导热骨架93设于外壁91的内腔中。

其中，吸收储热芯9为中空圆筒形，在外壁91的表面包裹有CPC透视镜92，在吸收储热芯9的中空腔室内设有导热骨架93，太阳能产生的热量通过进光口5进入到吸收储热芯9内，此时，导热骨架93开始导热产生大量的热量，对反应腔7进行加热。CPC透视镜92是一种非成像低聚焦度的器件，它能够将指定接收角范围内的光线收集汇聚到吸收储热芯9上。

在本公开的一种具体实施方式中，所述相变材料完全熔化时的液面低于导热骨架93的高度，且导热骨架93的底部混有纳米颗粒。

其中，变相材料熔化时液面的高度低于导热骨架93的高度，使得太阳光充分穿透导热骨架93以形成黑体效应提高太阳辐射吸收效率。导热骨架93的底部混有纳米颗粒，以在相变介质熔化后提高吸收储热芯9底部区域对太阳辐射的吸收效果，同时让保证上半部分相变材料内部几乎没有纳米颗粒以保证太阳辐射在相变介质熔化后能够充分穿透至吸收储热芯9底部。

在本公开的一种具体实施方式中，所述导热骨架93的孔隙率与孔隙密度自上而下呈梯级递减，所述导热骨架93的孔隙率分布为0.98～0.80，孔隙密度分布为5PPI～40PPI，所述外壳1壁厚为2～5mm，所述掺混纳米颗粒与无纳米颗粒体积比例约为0.3～0.6：1，所述纳米颗粒粒径为0.01～0.1μm，所述纳米颗粒与所述相变材料的质量比为0.01～0.02：1。

其中，孔隙率与孔隙密度自上而下呈梯级递减，保证太阳辐射充分穿透至吸收储热芯底部9的同时，提高吸收储热芯9底部高热阻区域的导热系数使得物料在反应腔7内充分均匀地发生分解。导热骨架93的孔隙率和空隙密度、外壳1壁厚、掺混纳米颗粒与无纳米颗粒体积、纳米颗粒粒径、纳米颗粒与所述相变材料的质量均有一定的比例要求，使得导热骨架93在孔隙率和孔隙密度的变化下，实现对物料的充分加热，得到所需要的气体物质，外壳1的壁厚在2～5mm之间，使得装置内的物料充分反应完全之后，在需要将分解得到的固体物质从排料口排出时，上部壳体和下部壳体能够很方便的实现滑动的作用，在排气口3的管口封闭时，导热骨架93内的相变材料开始自主产生热量，在产热的同时产生大量的气体，此时，气体在排气口3的管口封闭的情况下，气体向下部壳体进行移动，移动的时候，由于上部壳体套设在下部壳体上，在气体的移动下，带动上部壳体沿竖直方向向上移动，导热骨架93与上部壳体固定连接，使得导热骨架93跟随上部壳体向上移动，此时导热骨架93的底部与下部壳体的底部分离，从而固体物质通过下部壳体的出料口排出。掺混纳米颗粒与无纳米颗粒体积存在一定的比例，使得相变材料在太阳能的作用实现充分的加热与反应。

在热化学反应时，需要对热化学反应装置内的温度进行检测，使得相变材料能够充分进行反应，在所有测温点在温度上升至吸收储热芯9内渗入相变材料的相变温度区间后，温度会稳定在相变温度区间(991K附近)维持较长时间不变。其中，相对高度为1和0.9的测温点在反应装置开始加热后第9000s与第12000s左右温度开始快速上升，而相对高度为0.8的测温点虽然在第19000s后温度开始上升，但是上升幅度在可接受范围内。这表明本实施例中，吸收储热芯9在吸收太阳能对热化学反应装置加热期间(反应总时长6h)，至少有80％以上加热面积实现了特定温度(991K)有效控制。

相变材料优选使用MgCl₂相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度变化不大，但吸收或释放的潜热却相当可观。

在本公开的一种具体实施方式中，所述下部壳体的底部为倒锥形，所述吸收储热芯9的底部为倒锥形，所述下部壳体的底部与吸收储热芯9的底部相配合。

其中，下部壳体和吸收储热芯9的底部均采用倒锥形，使得物料在反应之后，所产生的固体物质能够完全从热化学反应装置的出料口2排出，在不需要排放分解的固体物质时，能够使下部壳体的底部与吸收储热芯9的底部完全形成封闭的状态，使得太阳能在与相变材料进行反应时，不会存在热量的泄露，热量完全存在于热化学反应装置中，充分实现对物料进行加热和分解，提高物料的转化效率。

在热化学反应装置进行热化学反应时，会分解产生碳产物、焦油和热解气，在碳产物生成与物料分解的过程中会存在一定的速率关系，碳产物生成与物料分解速率在整个反应过程中维持较为稳定的速率。其中，物料密度曲线在16000s下降幅度增加，这意味着在16000s后焦油裂解等放热反应强度有所增加，与16000s时刻相对高度0.9的测温点温度失控较为严重相对应。但是总体而言物料分解速率并没有大幅度提升，这表明在此阶段吸收储热芯9依旧能够对热化学反应装置内部反应进行较为有效的控制。

在本公开的一种具体实施方式中，所述下部壳体的底部与吸收储热芯9的底部相配合处设有垫圈10。

其中，垫圈10能够使下部壳体的底部与吸收储热芯9的底部完全处于封闭的状态，在热化学反应装置进行热化学反应时，能够充分让太阳能与相变材料进行反应，防止热量的挥发，热量完全存在于热化学反应装置中，充分实现对物料进行加热和分解。垫圈10优选采用金属垫片，金属垫片是由高精密度，高硬度的片状材料精制而成，能够更好地进行导热，使得物料进行充分的加热反应。

在本公开的一种具体实施方式中，所述外壳1的材质为不锈钢，所述导热骨架93的材质为泡沫石墨，所述纳米颗粒的材质为纳米氮化钛。

其中，外壳1的材质采用不锈钢，具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及强韧性等系列特点，通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢，淬火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合。外壳1的材质也可选用Incoloy 800H，Incoloy 800H是一种广泛应用于高温承压结构件的奥氏体耐热合金，800H/HT的高强度主要是由于添加了碳,铝,钛元素,并且在最低1149℃温度下退火以达到晶粒度ASTM5等级或者更粗。800H为面心立方晶格结构。极低的碳含量和提高了的Ti:C比率增加了结构的稳定性和最大的抗敏化性以及抗晶间腐蚀性。950℃左右的低温退火保证了细晶结构。800H能耐很多腐蚀介质腐蚀。其较高的镍含量使其在水性腐蚀条件具有很好的抗应力腐蚀开裂性能。高铬含量使之具有更好的耐点腐蚀和缝隙腐蚀开裂性能。该合金具有很好的耐硝酸、有机酸腐蚀性，但是在硫酸和盐酸中的耐腐蚀性有限。除了在卤化物有可能发生点腐蚀外，在氧化性和非氧化性盐中有很好的耐腐蚀性。在水、蒸气以及蒸汽、空气、二氧化碳的混合物中也具有很好的耐腐蚀性。

导热骨架93的材质可以为泡沫石墨，也可以采用多孔陶瓷，多孔陶瓷材料是以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料、经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种具有开孔孔径、高开口气孔率的一种多孔性陶瓷材料、具有耐高温，高压、抗酸、碱和有机介质腐蚀，良好的生物惰性、可控的孔结构及高的开口孔隙率、使用寿命长、产品再生性能好等优点，可以对相变材料进行的精密过滤与分离。

纳米颗粒的材质为纳米氮化钛，也可以使用纳米铜，采用纳米氮化钛或纳米铜的材质具有良好的导热性，使得导热骨架93能够在太阳能的作用下，产生大量的热量。

在本公开的一种具体实施方式中，所述进光口12的底部设有通光孔，所述通光孔与吸收储热芯9连通，且吸收储热芯9的顶部与上部壳体固定连接。

其中，太阳能通过通光孔将光源引入到热化学反应装置内，对相变材料进行加热。

在本公开的一种具体实施方式中，该运行模式为多个所述热化学反应装置以固定周期轮替置于聚光光源下吸收太阳能。

其中，在运行过程中，存在多个太阳能吸收与潜热储热集成的热化学反应装置聚光集热装置，这些热化学反应装置以固定周期轮替置于聚光太阳能热源下吸收能量。在热化学反应装置周期轮替吸收过程中，相变材料对反应温度的控制效果能够削弱周期轮替引起的人工热源间歇对反应稳定性的影响。在这种运行模式下，可以通过增加热化学反应装置数量实现反应规模扩大，避免了常规堆积床反应装置在扩大反应规模时产生的装置内部热阻增大从而引发反应效率、产物品质下降的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种太阳能热化学反应装置，其特征在于，包括：

外壳(1)，所述外壳(1)内设有用于放置物料的反应腔(7)，所述外壳(1)的顶部设有进光口(5)和进料口(2)；

吸收储热芯(9)，所述吸收储热芯(9)设于外壳(1)的内腔中，且吸收储热芯(9)的顶部与进光口(5)连接，所述吸收储热芯(9)内设有相变材料，所述相变材料用于在热源间歇期间为外壳(1)内腔中的物料提供热量；

排气口(3)，所述排气口(3)设于外壳(1)的侧壁上；

所述外壳(1)包括上部壳体和下部壳体，上部壳体的底部套设在下部壳体内，上部壳体与下部壳体通过螺栓(4)连接，所述下部壳体的底部设有出料口(6)，在反应状态时，所述吸收储热芯(9)的底部与下部壳体的底部相配合使出料口(6)成封闭状态；

所述吸收储热芯(9)包括：外壁(91)、CPC透镜(92)和导热骨架(93)，所述外壁(91)设于所述外壳(1)的内腔中，且所述外壁(91)与所述外壳(1)的顶部密封连接，所述外壁(91)为圆筒形，所述CPC透视镜(92)设于外壁(91)的表面，所述导热骨架(93)设于外壁(91)的内腔中。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能热化学反应装置，其特征在于，所述相变材料完全熔化时的液面低于导热骨架(93)的高度，且导热骨架(93)的底部混有纳米颗粒。

3.根据权利要求2所述的一种太阳能热化学反应装置，其特征在于，所述导热骨架(93)的孔隙率与孔隙密度自上而下呈梯级递减，所述导热骨架(93)的孔隙率分布为0.98～0.80，孔隙密度分布为5PPI～40PPI，所述外壳(1)壁厚为2～5mm，所述纳米颗粒粒径为0.01～0.1μm，所述纳米颗粒与所述相变材料的质量比为(0.01～0.02)：1。

4.根据权利要求2所述的一种太阳能热化学反应装置，其特征在于，所述外壳(1)的材质为不锈钢，所述导热骨架(93)的材质为泡沫石墨，所述纳米颗粒的材质纳米氮化钛。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能热化学反应装置，其特征在于，所述下部壳体的底部为倒锥形，所述吸收储热芯(9)的底部为倒锥形，所述下部壳体的底部与吸收储热芯(9)的底部相配合。

6.根据权利要求5所述的一种太阳能热化学反应装置，其特征在于，所述下部壳体的底部与吸收储热芯(9)的底部相配合处设有垫圈(10)。

7.根据权利要求1所述的一种太阳能热化学反应装置，其特征在于，所述进光口(5)的底部设有通光孔，所述通光孔与吸收储热芯(9)连通，且吸收储热芯(9)的顶部与上部壳体固定连接。

8.一种太阳能热化学反应装置的运行模式，其特征在于，该运行模式为多个权利要求1-7任一项所述的太阳能热化学反应装置以固定周期轮替置于聚光光源下吸收太阳能。

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