CN115093882A - 多用途太阳能热化学反应测试系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种多用途太阳能热化学反应测试系统，包括：高能流太阳模拟装置，用于模拟高能流太阳能光线并将高能流太阳能光线射入热化学反应装置。蒸汽发生装置，用于产生高温水蒸气并将高温水蒸气输入热化学反应装置。第一载气存储装置，用于将存储的烷烃气体输入热化学反应装置。第二载气存储装置，用于利用存储的惰性气体将碳氢固体燃料输入热化学反应装置；进料装置，用于投入碳氢固体燃料并控制进料速度；热化学反应装置，基于高能流太阳能光线提供的热量驱动高温水蒸气和碳氢固体燃料进行碳氢固体燃料气化反应产生气化合成气或驱动高温水蒸气和烷烃气体进行烷烃气体重整热化学反应产生重整合成气；气体分析装置，用于对合成气进行成分分析。

Description

多用途太阳能热化学反应测试系统
技术领域
本公开涉及高温太阳能热化学利用技术领域，尤其涉及一种多用途太阳能热化学反应测试系统。
背景技术
能源是经济社会发展的重要物质基础，随着各类化石能源的大规模开发利用，世界范围内的能源短缺问题日益突出，各国对环境保护的日益重视，开发和探索可再生能源来代替过度开发的化石能源，成为各国在能源转型上的共同发展方向。
太阳能是一种极具发展潜力的可再生能源，其资源量巨大，且分布广泛，清洁无污染，目前主要的太阳能利用技术有光伏发电和光热利用等。其中，太阳能光热转化是通过大规模集热镜场汇聚太阳光线，将太阳能转换为热能，而后通过热机转化为电能或者应用于其他工农业生产生活领域，世界范围内已有多类型的聚光太阳能发电厂投产运行。此外，太阳能聚光集热也能充分应用在热化学转化等前沿领域，利用聚焦的中高温太阳热能驱动吸热型热化学反应，并实现将太阳能转化为碳氢燃料化学能，例如太阳能气化、太阳能重整制氢等技术。太阳能热化学技术将能够有效提高太阳能的利用以及存储效率，在将太阳能转化为更高品位化学能的同时也提高了其他化学燃料的利用效率，是太阳能热利用中最具应用前景的先进技术之一。
基于太阳能气化和太阳能重整制氢的反应体系具有提高能量利用效率以及清洁环保等诸多优势，将进行碳氢固体燃料气化技术和烷烃气体水蒸气重整技术与太阳能聚光集热技术联合系统的构建。碳氢固体燃料种类丰富，例如生物质，其作为人类最早主动利用的能源，具有可再生性及环境友好等优势，热解或者气化是生物质的主要热化学转化技术，其是指在高温条件下，生物质与气化剂(氧气、空气、水蒸气等)发生一系列复杂反应，进而生成固体、液体、以及气体产物的过程，是一种极具发展潜力的生物质热化学转化技术。烷烃是最简单的一类有机化合物，例如甲烷气体，其在所有碳氢燃料中含氢比例最高，是最清洁的化石能源，通过干/湿重整技术将甲烷转化生成以CO和H2为主要成分的重整合成气是目前甲烷热化学转化的主要方式，甲烷重整制氢亦是目前全球最主要的氢气来源。利用太阳能驱动碳氢固体燃料或烷烃气体进行热化学转化，输入燃料的热值将得到有效提升，其所得合成气可用于燃烧发电，也可以通过相关技术手段将其进一步转化为其他多种化学产品(甲醇、二甲醚等)，从而显著提高碳氢固体燃料或烷烃气体的利用效率，并满足多元化的能源需求。
但由于太阳能自身的不稳定性以及间歇性等特性，在实际太阳辐照下开展实验研究将受到较多限制，难以开展多类型的可控太阳能热化学反应等实验及测试等工作。因此迫切需要开发先进的太阳能热化学转化反应及测试系统，以深入开展理论和实验等相关研究及测试工作。
发明内容
鉴于上述技术问题，本公开提供一种多用途太阳能热化学反应测试系统，包括：高能流太阳模拟装置、蒸汽发生装置、第一载气存储装置、第二载气存储装置、进料装置和热化学反应装置，其中：高能流太阳模拟装置，用于模拟产生高能流太阳能光线，并将该高能流太阳能光线射入热化学反应装置；蒸汽发生装置，用于产生高温水蒸气，并将该高温水蒸气输入至热化学反应装置；第一载气存储装置，用于存储烷烃气体，并将该烷烃气体输入至热化学反应装置；第二载气存储装置，用于存储惰性气体，并通过惰性气体将碳氢固体燃料连续地吹入热化学反应装置；进料装置，用于投入碳氢固体燃料，并控制碳氢固体燃料的进料速度；热化学反应装置，基于高能流太阳能光线提供的热量，驱动输入的高温水蒸气和碳氢固体燃料进行碳氢固体燃料气化反应产生气化合成气，或者驱动输入的高温水蒸气和烷烃气体进行烷烃气体重整热化学反应产生重整合成气；气体分析装置，用于对气化合成气或重整合成气进行气体成分分析。
根据本公开的实施例，其中，热化学反应装置至少包括反应腔和多孔床层结构，其中：高能流太阳能光线射入反应腔内，反应腔上设有进气管道和进料口，进气管道连接蒸汽发生装置的出口以及第一载气存储装置的出口，用于向反应腔连续地输入高温水蒸气或输入高温水蒸气和烷烃气体，进料口连接第二载气存储装置的出口以及进料装置的出口，利用惰性气体向反应腔连续地输入碳氢固体燃料；多孔床层结构设于反应腔内部，且位于进料口的出口处，多孔床层结构用于使经进料口输入的碳氢固体燃料均匀分布在多孔床层结构的各个孔内，并将太阳能光线提供的热量均匀传导至各个孔内的碳氢固体燃料，多孔床层结构还可以作为烷烃气体重整热化学反应催化剂的多孔基材载体，用以提高烷烃气体重整热化学反应的反应动力学和反应转化率。
根据本公开的实施例，其中，热化学反应装置还包括：加热炉，设于反应腔周围，用于向反应腔提供热量；多孔床层结构还用于将加热炉提供的热量均匀传导至各个孔内的碳氢固体燃料。其中，反应腔为一锥形中空反应腔，锥形中空反应腔的开口面向高能流太阳能光线，锥形中空反应腔的形状贴合高能流太阳能光线的入射光路，降低再辐射造成的损失。其中，多孔床层结构由高导热率材料制作而成。
根据本公开的实施例，其中，热化学反应装置还包括：测温装置，设置在进气管道的入口处、高能流太阳能光线的聚焦点以及多孔床层结构中部；测温装置用于获取进气管道的入口处的第一温度、太阳能光线的聚焦点的第二温度以及反应腔内的第三温度。
根据本公开的实施例，热化学反应装置的高度可以整体上下调节，使高能流太阳能光线聚焦在反应腔内不同点位，实现配合聚焦以及调整反应区域的光斑面积和能流密度分布的作用。
根据本公开的实施例，其中，热化学反应装置还包括：盖板，覆盖在反应腔的开口处，盖板由石英玻璃板构成，用于使高能流太阳能光线射入反应腔以及密封反应腔。
根据本公开的实施例，其中，高能流太阳模拟装置包括多组氙灯，用于将高能流太阳能光线均匀投射至反应腔内；氙灯的灯头上还设有透镜，高能流太阳能光线通过透镜折射后聚焦在反应腔内部的多孔床层结构的中心处。
根据本公开的实施例，其中，进气管道与第一载气存储装置的出口之间设有第一阀门，第一阀门用于控制是否向反应腔中输入烷烃气体；进料口连接第二载气存储装置的出口以及进料装置的出口之间设有第二阀门，第二阀门用于控制是否利用惰性气体向反应腔中输入碳氢固体燃料。
根据本公开的实施例，其中，气体分析装置对气化合成气或重整合成气进行气体成分分析，具体包括：气体分析装置分别对基于高能流太阳能光线、所述加热炉或所述加热炉辅助高能流太阳能光线提供的热量所反应产生的合成气进行气体成分分析，得到第一分析结果、第二分析结果和第三分析结果，并对比第一分析结果、第二分析结果和第三分析结果，得到结果信息，其中，结果信息用于优化高能流太阳能光线驱动碳氢固体燃料气化反应和烷烃气体重整热化学反应在热化学反应装置的反应特性。
根据本公开的实施例，还包括：流量控制装置，用于监测及控制高温水蒸气、烷烃气体以及携带有碳氢固体燃料的惰性气体的流量；气体冷却装置，用于将热化学反应装置内产生的气化合成气或重整合成气进行冷却和过滤后输入气体分析装置。
根据本公开实施例提供的多用途太阳能热化学反应测试系统，至少能够实现以下技术效果：
通过合理设计热化学反应装置的结构，利用惰性气体携带碳氢固体燃料喷入反应腔的方式，能够连续地将碳氢固体燃料输入反应腔中，结合高能流太阳模拟装置模拟的高能流太阳能光线，可以利用太阳能驱动高温水蒸气和惰性气体携带的碳氢固体燃料进行连续的碳氢固体燃料气化反应以产生合成气，或驱动高温水蒸气和烷烃气体进行连续的烷烃气体重整热化学反应以产生合成气，并对合成气进行气体成分分析，以获得利用太阳能进行碳氢固体燃料的热分解、气化以及烷烃气体水蒸气重整过程的热力学过程以及动力学过程的分析结果，实现太阳能多用途的热化学反应测试。
进一步地，多用途太阳能热化学反应测试系统可实现高能流太阳能光线的加热、常规加热炉加热以及常规加热炉辅助高能流太阳能光线加热三种加热方式，能够用于满足不同温度条件、调控反应状态等各类需求，并且，对三种加热方式对应的合成气分析结果进行对比，可得到能够优化太阳能光线驱动碳氢固体燃料气化反应和烷烃气体重整热化学反应在热化学领域的反应特性对应的结果信息。
更进一步地，通过将反应腔设置为锥形中空腔体，能够减小腔体的体积，为加热腔内气体减少了热量需求，从而降低反应器的热负荷需求，增加反应器的使用寿命以及安全性。同时，通过在反应腔内设置多孔导热材料构成的多孔床层结构，可以实现喷入的碳氢固体燃料在反应腔内中均匀分布在各个孔内，避免传统的碳氢固体燃料在固定床内的堆积情况。同时由于该多孔床层结构的良好导热性，使得聚集的高能流光线产生的高温聚集热可通过多孔床层结构进行高效均匀地传导，实现碳氢固体燃料在固定床反应器内的均匀受热，保证反应的质量。通过在反应腔内的光线汇聚点处，多孔床层结构中部以及反应床层的进气口处布设热电偶，以实时监测反应腔内的温度，以此判断当前太阳能光线强度能够满足测试要求，以便及时进行调整光线强度，保证测试的准确性。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的多用途太阳能热化学反应测试系统的结构框图。
【附图标记说明】
A-高能流太阳模拟装置，B-蒸汽发生装置，C-第一载气存储装置，D-第二载气存储装置，E-进料装置，F-热化学反应装置，G-气体分析装置，H-流量控制装置，I-气体冷却装置，1-反应腔，11-进气管道，12-进料口，2-加热炉，3-多孔床层结构，4-测温装置，5-盖板，6-透镜，7-第一阀门，8-第二阀门，9-流量计。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例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。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本公开中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本公开的限制。
类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
针对现有技术中由于太阳能自身的不稳定性以及间歇性等特性，使得实验研究工程实践难以在实际太阳辐照下开展实验研究的问题，本公开实施例提供一种多用途太阳能热化学反应测试系统，用于室内太阳能驱动碳氢固体燃料气化反应和烷烃气体重整热化学反应的测试实验，验证太阳能驱动碳氢固体燃料气化的可行性，同时可实现高温聚集太阳能驱动烷烃气体水蒸气重整的实验操作。下面结合具体实施例进行详细介绍。
图1示意性示出了根据本公开实施例的多用途太阳能热化学反应测试系统的结构框图。
如图1所示，该多用途太阳能热化学反应测试系统例如可以包括高能流太阳模拟装置A、蒸汽发生装置B、第一载气存储装置C、第二载气存储装置D、进料装置E和热化学反应装置F。具体地：
高能流太阳模拟装置A，用于模拟产生高能流太阳能光线，并将该高能流太阳能光线射入热化学反应装置F。
蒸汽发生装置B，用于产生高温水蒸气，并将该高温水蒸气输入至热化学反应装置F。
第一载气存储装置C，用于存储烷烃气体，并将该烷烃气体输入至热化学反应装置F。
第二载气存储装置D，用于存储惰性气体，并通过惰性气体将碳氢固体燃料连续地吹入热化学反应装置F。
进料装置E，用于投入碳氢固体燃料，并控制碳氢固体燃料的进料速度。
热化学反应装置F，基于高能流太阳能光线提供的热量，驱动输入的高温水蒸气和碳氢固体燃料进行碳氢固体燃料气化反应产生气化合成气，或者驱动输入的高温水蒸气和烷烃气体进行烷烃气体重整热化学反应产生重整合成气。
气体分析装置G，用于对气化合成气或重整合成气进行气体成分分析。
在本公开的一些实施例中，高能流太阳模拟装置A可以由多组氙灯光源构成，用于将高能流太阳能光线均匀投射至热化学反应装置F内部。例如，高能流太阳模拟装置A由三个氙灯光源构成，三个氙灯以互成120°的角度布置，以使得模拟的高能流太阳能光线能够均匀投射，保证反应效果。
进一步地，氙灯的灯头上还可以设置透镜6，高能流太阳能光线通过透镜6折射后聚焦在热化学反应装置F内部，产生高温，为热化学反应装置F内部发生的高温热化学反应提供反应所需热量。
在本公开的一些实施例中，热化学反应装置F例如可以包括反应腔1和多孔床层结构3。
具体地，高能流太阳能光线射入反应腔1内，反应腔1上可以设有进气管道11和进料口12，进气管道11连接蒸汽发生装置B的出口以及第一载气存储装置C的出口，用于向反应腔1连续地输入高温水蒸气或输入高温水蒸气和烷烃气体，进料口12连接第二载气存储装置D的出口以及进料装置E的出口，利用惰性气体向反应腔1连续地输入碳氢固体燃料。
多孔床层结构3可以设于反应腔1内部且位于进料口12的出口处，多孔床层结构3用于使进料口12输入的碳氢固体燃料均匀分布在多孔床层结构3的各个孔内并将高能流太阳能光线提供的热量均匀传导至各个孔内的碳氢固体燃料。反应腔内1设置多孔床层结构3的情况下，高能流太阳能光线可以通过透镜6折射后聚焦在反应腔1内部的多孔床层结构3中心处。多孔床层结构3还可以作为烷烃气体重整热化学反应重整反应催化剂的多孔基材载体，用以提高烷烃气体重整热化学反应的反应动力学和反应转化率。其中，多孔床层结构3可以由高导热率的多孔材料制作而成。
进一步地，反应腔1例如可以为一锥形中空反应腔，锥形中空反应腔的开口面向高能流太阳能光线，锥形中空反应腔的形状贴合高能流太阳能光线的入射光路，能够降低再辐射造成的损失，能够避免高能流太阳能光线损坏反应装置的情况。同时，锥形中空反应腔相较于圆柱形腔体减小了腔体的体积，使得加热反应腔1内气体的热量需求减少，从而降低反应器的热负荷需求，增加热化学反应装置E的使用寿命以及安全性。
进一步地，进气管道11上可以设有两个进气口，一个进气口连接蒸汽发生装置B的出口，用于高温蒸汽的入口，另一个进气口连接第一载气存储装置C的出口，用于烷烃气体的入口。进气管道11与第一载气存储装置C的出口之间以及进气管道11与蒸汽发生装置B的出口之间均可以设有第一阀门7，第一阀门7用于控制是否向反应腔1中输入烷烃气体或高温蒸汽。
进料口12可以通过进料管道连接第二载气存储装置D的出口以及进料装置E的出口，进料管道可以由载气管道与碳氢固体燃料进料管道汇合形成，进料口12连接第二载气存储装置D的出口以及进料装置E的出口之间设有第二阀门8，第二阀门8用于控制是否向反应腔1中输入携带碳氢固体燃料的惰性气体。其中，碳氢固体燃料进料通过将碳氢固体燃料投放入进料装置E内，通过进料装置E实现碳氢固体燃料进料速度的调节，然后通过第二阀门8控制碳氢固体燃料向下落入进料管道中。当碳氢固体燃料进入管道中，第二载气存储装置D的惰性气体(例如氮气)将以一定流速喷入，与碳氢固体燃料在管道中混合并携带碳氢固体燃料喷入反应腔1内。通过这种连续的进料方式，实现在反应腔1中的连续气化反应过程。
在本公开一些实施例中，热化学反应装置F例如还可以包括加热炉2。加热炉2可以设于反应腔1周围，用于向反应腔1提供热量。多孔床层结构3还用于将加热炉2提供的热量均匀传导至各个孔内的碳氢固体燃料。通过设置加热炉2，能够满足不同温度条件、调控反应状态等各类需求。
在本公开一些实施例中，热化学反应装置F例如还可以包括测温装置4。测温装置4可以设置在进气管道11的入口处、高能流太阳能光线的聚焦点以及多孔床层结构3中部。测温装置4用于获取进气管道11的入口处的第一温度、太阳能光线的聚焦点的第二温度以及反应腔1内的第三温度(反应腔1内的平均温度)，进而可以根据第一温度、第二温度以及第三温度及时判断该光照强度下的光照能否满足实验的要求。测温装置4例如可以是热电偶，具体类型本公开不做限制。
在本公开的一些实施例中，热化学反应装置F例如还可以包括盖板5，其覆盖在锥形中空反应腔1的开口处，盖板5用于使高能流太阳能光线以较低的损失射入反应腔1以及密封反应腔1。盖板5例如可以是石英玻璃盖板，石英玻璃的耐高温特性使得其可在高能流太阳能光线的照射下具有良好的使用寿命，且其良好的透光性，可以保证高能流太阳能光线在尽量低的光损失下照射进反应腔内。同时其作为反应腔的上盖板，防止气体从上方的溢出。
在本公开的一些实施例中，热化学反应装置F的高度可以整体上下调节，使高能流太阳能光线聚焦在反应腔1内不同点位，实现配合聚焦以及调整反应部分的光斑面积和能流密度分布的作用。
在本公开一些实施例中，气体分析装置G分别对基于高能流太阳能光线、所述加热炉2或所述加热炉2辅助高能流太阳能光线提供的热量进行气体成分分析，得到第一分析结果、第二分析结果和第三分析结果，并对比第一分析结果、第二分析结果和第三分析结果，得到结果信息，其中，该结果信息用于优化高能流太阳能光线驱动碳氢固体燃料气化反应和烷烃气体重整热化学反应在热化学反应装置的反应特性。
在本公开一些实施例中，多用途太阳能热化学反应测试系统例如还可以包括：流量控制装置H和气体冷却装置I。
流量控制装置H用于监测及控制高温水蒸气、烷烃气体以及携带的碳氢固体燃料的惰性气体的流量。具体地，流量控制装置H例如可以包括流量计9和流量控制器10，蒸汽发生装置B与热化学反应装置F连通的路径上、第一载气存储装置与热化学反应装置F连通的路径上以及第二载气存储装置D与热化学反应装置F连通的路径上均可以没置流量计9，流量控制器10例如可以连接第一阀门7、第二阀门8及流量计9，流量计9实时显示高温水蒸气、烷烃气体和惰性气体的流量，流量控制器10根据实际试验测试需求结合实时流量调节第一阀门7和/或第二阀门8的开度。
气体冷却装置I，用于将反应腔1内产生的合成气进行冷却和过滤后输入气体分析装置G。
基于上述的多用途太阳能热化学反应测试系统，可以实现两种反应体系在三种环境下的反应测试实验，具体如下：
一种测试实验为碳氢固体燃料气化反应也即碳氢固体燃料在高能流太阳模拟光线下的气化反应。
具体地，碳氢固体燃料通过进料口12被惰性气体携带喷入反应腔1内，并均匀分布在多孔床层结构3的孔内，同时，下方进气通道关闭烷烃气体对应的第一进气阀7，开启高温蒸汽对应的第一进气阀7以通入高温蒸汽，在反应腔1内与碳氢固体燃料接触。高能流太阳模拟装置A通过氙灯发射出高能流太阳能光线，并通过透镜6聚焦在反应腔1内，其产生的高温通过多孔床层结构3进行传导，使进入的碳氢固体燃料颗粒均匀受热并在此热量下进行气化反应，产生的合成气通过后续处理并进行结果分析。
在关闭高能流太阳模拟装置A时，打开加热炉2，通过加热炉2为碳氢固体燃料气化反应提供所需热量，完成常规电加热下的碳氢固体燃料气化反应过程。产生的合成气通过处理分析，其数据可用来与高能流太阳模拟光线下的气化反应结果进行对比分析。
在打开高能流太阳模拟装置A时，模拟的高能流太阳能光线为碳氢固体燃料气化反应提供部分所需热量，同时打开加热炉2，通过加热炉2为碳氢固体燃料气化反应提供剩余所需热量，完成常规电加热辅助高能流太阳能光线下的碳氢固体燃料气化反应过程。产生的合成气通过处理分析，其数据可用来与高能流太阳能光线下的气化反应结果以及常规电加热下的气化反应结果进行对比分析。
另一种测试实验为烷烃气体重整热化学反应，也即烷烃气体与水蒸气在高能流太阳模拟光线下的重整反应。
具体地，在进行反应时，关闭上方的进料口12，同时打开高温蒸汽和烷烃气体对应的第一阀门7，并将其同时送入反应腔1内。高能流太阳模拟装置通过氙灯发射出高能流太阳能光线，并通过透镜6聚焦在反应腔1内，为重整反应提供反应所需热量，得到的结果通过后续处理并进行结果分析。
在高能流太阳模拟装置A关闭时进行打开加热炉2，通过加热炉2为烷烃气体重整热化学反应提供热量，使其进行常规电加热下的烷烃气体重整热化学反应，结果可与高能流太阳模拟光线下的烷烃气体重整热化学反应结果进行对比分析。
在打开高能流太阳模拟装置A时，模拟的高能流太阳能光线为烷烃气体重整热化学反应提供部分所需热量，同时打开加热炉2，通过加热炉2为烷烃气体重整热化学反应提供剩余所需热量，完成常规电加热辅助高能流太阳能光线下的烷烃气体重整热化学反应过程。产生的合成气通过处理分析，其数据可用来与高能流太阳能光线下的重整热化学反应结果以及常规电加热下的重整热化学反应结果进行对比分析。
应当理解，本公开实施例提供多用途热化学反应测试系统碳氢固体燃料例如可以包括生物质原料或煤炭等碳氢固体燃料。本公开实施例提供多用途热化学反应测试系统烷烃气体例如可以包括甲烷等烷烃气体。多用途热化学反应测试系统也不仅适用于高温蒸汽，还可用于二氧化碳、氧气等气化剂。
综上所述，本公开实施例提供的多用途热化学反应测试系统，可以实现模拟的高能流太阳能光线下、常规电加热下以及常规电加热辅助模拟的高能流太阳能光线下的碳氢固体燃料的热分解、气化以及烷烃气体水蒸气重整过程，并以此进行热力学过程以及动力学过程的分析，为实际工业应用中克服太阳能的不稳定性、间歇性、低能源密度提供理论基础。该测试系统的提出，改善了太阳能驱动碳氢固体燃料热解气化和太阳能驱动烷烃气体水蒸气重整在高温热化学领域的反应特性，为更好地分析这一领域的特性提供了更多的可能性。
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)

1.一种多用途太阳能热化学反应测试系统，包括：高能流太阳模拟装置(A)、蒸汽发生装置(B)、第一载气存储装置(C)、第二载气存储装置(D)、进料装置(E)、热化学反应装置(F)和气体分析装置(G)，其中：
所述高能流太阳模拟装置(A)，用于模拟产生高能流太阳能光线，并将该高能流太阳能光线射入所述热化学反应装置(F)；
所述蒸汽发生装置(B)，用于产生高温水蒸气，并将该高温水蒸气输入至所述热化学反应装置(F)；
所述第一载气存储装置(C)，用于存储烷烃气体，并将该烷烃气体输入至所述热化学反应装置(F)；
所述第二载气存储装置(D)，用于存储惰性气体，并通过所述惰性气体将碳氢固体燃料连续地吹入所述热化学反应装置(F)；
所述进料装置(E)，用于投入所述碳氢固体燃料，并控制所述碳氢固体燃料的进料速度；
所述热化学反应装置(F)，基于所述高能流太阳能光线提供的热量，并驱动输入的所述高温水蒸气和所述碳氢固体燃料进行碳氢固体燃料气化反应产生气化合成气，或者驱动输入的所述高温水蒸气和所述烷烃气体进行烷烃气体重整热化学反应产生重整合成气；
气体分析装置(G)，用于对所述气化合成气或所述重整合成气进行气体成分分析。
2.根据权利要求1所述的多用途太阳能热化学反应测试系统，其中，所述热化学反应装置(F)至少包括反应腔(1)和多孔床层结构(3)，其中：
所述高能流太阳能光线射入所述反应腔(1)内，所述反应腔(1)上设有进气管道(11)和进料口(12)，所述进气管道(11)连接所述蒸汽发生装置(B)的出口以及所述第一载气存储装置(C)的出口，用于向所述反应腔(1)连续地输入所述高温水蒸气或输入所述高温水蒸气和所述烷烃气体，所述进料口(12)连接所述第二载气存储装置(D)的出口以及进料装置(E)的出口，利用惰性气体向所述反应腔(1)连续地输入所述碳氢固体燃料；
所述多孔床层结构(3)设于所述反应腔(1)内部，且位于所述进料口(12)的出口处，所述多孔床层结构(3)用于使经所述进料口(12)输入的碳氢固体燃料均匀分布在所述多孔床层结构(3)的各个孔内，并将所述高能流太阳能光线提供的热量均匀传导至各个孔内的碳氢固体燃料；所述多孔床层结构(3)还可以作为烷烃气体重整热化学反应催化剂的多孔基材载体，用以提高烷烃气体重整热化学反应的反应动力学和反应转化率。
3.根据权利要求2所述的多用途太阳能热化学反应测试系统，其中，所述热化学反应装置(F)还包括：
加热炉(2)，设于所述反应腔(1)周围，用于向所述反应腔(1)提供热量；
多孔床层结构(3)，多孔床层结构还用于将所述加热炉(2)提供的热量均匀传导至各个孔内的碳氢固体燃料；
其中，所述反应腔(1)为一锥形中空反应腔，所述锥形中空反应腔的开口面向所述高能流太阳能光线，所述锥形中空反应腔的形状贴合所述高能流太阳能光线的入射光路，所述多孔床层结构(3)由高导热率材料制作而成。
4.根据权利要求2所述的多用途太阳能热化学反应测试系统，其中，所述热化学反应装置(F)还包括：
测温装置(4)，设置在所述进气管道(11)的入口处、所述高能流太阳能光线的聚焦点以及所述多孔床层结构(3)中部；
所述测温装置(4)用于获取所述进气管道(11)的入口处的第一温度、所述太阳能光线的聚焦点的第二温度以及所述反应腔(1)内的第三温度。
5.根据权利要求2所述的多用途太阳能热化学反应测试系统，其中，所述热化学反应装置(F)还包括：
盖板(5)，覆盖在所述反应腔(1)的开口处，所述盖板(5)由石英玻璃板构成，用于使所述高能流太阳能光线射入所述反应腔(1)以及密封所述反应腔(1)。
6.根据权利要求2所述的多用途太阳能热化学反应测试系统，其中，所述热化学反应装置(F)的高度可以整体上下调节，使所述高能流太阳能光线聚焦在反应腔(1)内不同点位，实现配合聚焦以及调整反应区域的光斑面积和能流密度分布的作用。
7.根据权利要求2所述的多用途太阳能热化学反应测试系统，其中，所述高能流太阳模拟装置(A)包括多组氙灯，用于将所述高能流太阳能光线均匀投射至所述反应腔(1)内；
所述氙灯的灯头上还设有透镜(6)，所述高能流太阳能光线通过所述透镜(6)折射后聚焦在所述反应腔(1)内部的多孔床层结构(3)中心处。
8.根据权利要求2所述的多用途太阳能热化学反应测试系统，其中，所述进气管道(11)与所述第一载气存储装置(C)的出口之间设有第一阀门(7)，所述第一阀门(7)用于控制是否向所述反应腔(1)中输入所述烷烃气体；
所述进料口(12)连接所述第二载气存储装置(D)的出口以及进料装置(E)的出口之间设有第二阀门(8)，所述第二阀门(8)用于控制是否利用所述惰性气体向所述反应腔(1)中输入所述碳氢固体燃料。
9.根据权利要求3所述的多用途太阳能热化学反应测试系统，其中，所述气体分析装置(G)对所述气化合成气或所述重整合成气进行气体成分分析，具体包括：
所述气体分析装置(G)分别对基于高能流太阳能光线、所述加热炉(2)或所述加热炉(2)辅助高能流太阳能光线提供的热量所反应产生的合成气进行气体成分分析，得到第一分析结果、第二分析结果以及第三分析结果，并对比所述第一分析结果、所述第二分析结果以及所述第三分析结果，得到结果信息，其中，所述结果信息用于优化所述高能流太阳能光线驱动碳氢固体燃料气化反应和烷烃气体重整热化学反应在热化学反应装置(F)的反应特性。
10.根据权利要求1所述的多用途太阳能热化学反应测试系统，还包括：
流量控制装置(H)，用于监测及控制所述高温水蒸气、所述烷烃气体以及携带有所述碳氢固体燃料的惰性气体的流量；
气体冷却装置(I)，用于将所述热化学反应装置(F)内产生的所述气化合成气或所述重整合成气进行冷却和过滤后输入所述气体分析装置(G)。
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