CN115318095A - 一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器及方法 - Google Patents

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周莹
陈尧林
黄泽皑
饶志强
伍俊道
王俊卜
冯芊玥
刘浩洋
张瑞阳
张云熙
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Abstract

本发明涉及一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器及方法，反应器由传热介质水道、耐热密封圈槽、石英管孔道、复合抛物面聚光器、滤波片、反应器上部、反应器下部和刨除部分组成。传热介质水道由反应器的侧面进出，在反应器中部环绕；石英管孔道由反应器的侧面进入，下部出口；石英管中部反应腔位于反应器中心，反应器上部石英管槽和滤波片以上部分被刨除，通过螺钉和铆钉固定。本发明利用太阳能并将其转化为热能和光能，用来加热反应器，以提供多种气固相光热催化反应所需的能量，实现利用太阳能催化转化制高附加值产物的目的。

Description

一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器及方法
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，具体一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器及方法。
背景技术
太阳能是储量丰富的可再生能源，被认为是可替代化石能源的清洁能源。目前，太阳能利用技术多以将太阳能转化为热能或电能直接利用，但太阳能的利用率较低。目前有研究提出可以利用太阳能催化转化二氧化碳高附加值利用，既可以将太阳能转化为化学能储存，又能将温室气体二氧化碳转化为其他高附加值的产品，减少碳排放。
然而目前对太阳能催化转化的研究还处于初期发展阶段，特别是对反应器的研究阻碍了其发展的速度。目前所研究的反应器有多种，例如：氢透膜反应器、腔式反应器、流化床反应器等等，但都存在一定的缺陷；在实际的使用中，反应器应当适应多种类型的太阳能催化反应，其反应过程中温度也应当可控，同时需要对催化剂进行更换操作。因此，非常有必要开发一种能够实现在恒温条件下应用于不同催化类型的太阳能光热催化反应器，从而进一步提高反应器的实用性和太阳能的利用率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种适用于多种催化反应、恒温气固相的太阳能光热催化转化的反应器，以解决现有反应器无法控制温度、无法更换反应器的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器，其特征在于：包括传热介质水道1、耐热密封圈槽2、石英管孔道3、复合抛物面聚光器4和滤波片5；所述反应器主体由反应器上部6、反应器下部7和刨除部分8组成；所述反应器由螺钉9和铆钉10固定；所述的传热介质水道1，由反应器的侧面进出，在反应器中部环绕；进出口有配合尺寸的水头螺纹；所述的耐热密封槽，分别环绕在传热介质水道1的内圈和外圈，耐热密封槽配有耐热聚四氟乙烯法兰垫片；所述的石英管孔道3，由反应器的侧面进入，由反应器下部7出口，配有相应尺寸的石英管，石英管中部反应腔位于反应器中心；所述的复合抛物面聚光器4位于反应器上部6，由环形抛物面反射镜构成，入射口面积大于出射口；所述的滤波片5由截止波长 2400nm玻片构成，位于反应器上部6台阶。
本发明的光热催化转化反应器工作前，先将所需要使用的催化剂造粒后，筛选30-70目的颗粒填入直角石英管中，以耐热石英棉将管口与反应腔之间的位置填满以固定催化剂；在将石英管垂直插入反应器中部后，随后依次将耐热聚四氟乙烯法兰垫片置于耐热密封槽中，复合抛物面聚光器4置于反应器上部6，滤波片5置于复合抛物面聚光器4上台阶中；最后再将铆钉10插入铆钉10孔中将上下部固定后，用螺丝固定；
反应器主体安装就绪后，将接入反应气体的管路以石英管密封螺头接入石英管侧面入口，将接到气体收集器的管路石英管密封螺头接入石英管下部出口；随后将连接至储盐罐的管路连接至反应器中部传热介质水道1，通入气体，将对应镜场置于阳光充足的室外，从而实现利用太阳能实现恒温下气固相光热催化转化。
进一步的，所述反应器的材质为316L钢。
进一步的，所述的反应器上下部由三根铆钉和三颗长杆螺钉固定。
进一步的，传热介质水道1和耐热密封槽都为马蹄状位于反应器中部。
进一步的，传热介质水道1在上下部分分别有一半，通过螺钉9和耐热聚四氟乙烯法兰垫片固定和密封。
进一步的，反应器中部有与
Figure RE-GDA0003851035040000021
直角石英管尺寸匹配的空腔。
进一步的，反应器上部6有上底为
Figure RE-GDA0003851035040000022
下底为
Figure RE-GDA0003851035040000023
的通孔，使复合抛物面聚光器4固定于反应器通孔内。
进一步的，反应器上部6设有高度为3mm的台阶，使滤波片5可以固定在台阶内。
进一步的，石英管槽上部刨除了一部分工件，使石英管可以垂直于反应器从上部取出，刨除的工件由七颗短杆螺钉固定于反应器上部6。
进一步的，反应器有对应的石英管、镜场、反应气体和气体收集检测装置。
附图说明
图1为本发明提出的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器示意图。
图2为本发明提出的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器透视图。
图3为本发明提出的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器上半部分三视图。
图4为本发明提出的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器下半部分三视图。
图5为本发明提出的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器上半部分刨除的部分三视图。
图6为为本发明提出的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器一天中的活性产物H2和CO的活性图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
实施例1
具体为：首先将反应器所有螺钉9和铆钉10取下，将反应器上下部分、石英管上部、复合抛物面聚光器4和滤波片5分离后，称取200mg质量的30-70目的Ni/CeO2填入石英管中，以耐热石英棉将反应腔进出口填充，随后垂直插入反应器中部，然后依次将反应器上部 6、复合抛物面聚光器4、滤波片5安装好后，将铆钉10插入反应器上部6，使上下部分对齐吻合后通过三颗长杆螺钉固定。最后将石英管上部刨除部分8垂直插入反应器，通过七颗短杆螺钉将复合抛物面聚光器4、石英管和滤波片5固定。
反应器主体安装就绪后，将接入99.99％甲烷和99.99％CO2的管路以石英管密封螺头接入石英管侧面入口，气体总流速为30mL/min，将连接到GC-7900色谱检测的管路石英管密封螺头接入石英管下部出口；随后将连接至储盐罐的管路连接至反应器中部传热介质水道 1，冷却介质为低温熔融金属，稳定温度为600℃，实际流速为5-20mL/min，具体流速以反应器实际温度为主，通过系统调节实际流速，反应器主体温度稳定在550℃-650℃。通入气体，将对应镜场置于阳光充足的室外，镜场配有自动追光功能，抛物面口径为150cm，采光面积为1.5m，焦点晴天温度大于1600℃。对反应器的每一个时间节点测定产物，通过气相色谱检测产物并记录数据。
如图6、表1，图6为为实施例1使用的Ni1/CeO2在一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器一天中的活性产物H2和CO的活性图。表1为以实施例1使用的一种利用太阳能实现恒温下光热催化的反应器用于多种催化反应的实际温度和产物的产率对比。
表1一种利用太阳能实现恒温下光热催化的反应器用于多种催化反应的实际温度和产物的产率对比
Figure RE-GDA0003851035040000041
可以发现：使用本发明实施例使用的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器中，可以实现利用太阳能在恒温下催化转化多种气固相光热催化反应的反应器，实现了太阳能的高效利用。
本发明各实施例中未提及的过程、方法及设备均为已知技术。在此不进行详述。
以上的具体实施方式，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，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (9)

1.一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器及方法，其特征在于：包括传热介质水道1、耐热密封圈槽2、石英管孔道3、复合抛物面聚光器4和滤波片5；所述反应器主体由反应器上部6、反应器下部7和刨除部分8组成；所述反应器由螺钉9和铆钉10固定。
2.根据权利要求1所述的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器，其特征在于：所述的传热介质水道1，由反应器的侧面进出，在反应器中部环绕；进出口有配合尺寸的水头螺纹。
3.根据权利要求1所述的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器，其特征在于：所述的耐热密封槽，与权利要求2所述的传热介质水道1相匹配，分别环绕在传热介质水道1的内圈和外圈，耐热密封槽配有耐热聚四氟乙烯法兰垫片。
4.根据权利要求1所述的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器，其特征在于：所述的石英管孔道3，由反应器的侧面进入，由反应器下部7出口，配有相应尺寸的石英管，石英管中部反应腔位于反应器中心。
5.根据权利要求1所述的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器，其特征在于：所述的复合抛物面聚光器4位于反应器上部6，由环形抛物面反射镜构成，入射口面积大于出射口。
6.根据权利要求1所述的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器，其特征在于：所述的滤波片5由截止波长2400nm滤玻片构成，位于反应器上部6台阶。
7.根据权利要求1所述的一种利用太阳能实现恒温下光热催化的反应器，其特征在于：反应器上部6石英管槽和滤波片5以上部分被刨除，通过螺钉9固定。
8.根据权利要求1所述的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的反应器，其特征在于：反应器上下部分以螺钉9和铆钉10进行固定。
9.根据权利要求1所述的一种实现稳定温度下太阳能光热催化的方法，其特征在于：在使用前，将反应器上下部分、石英管上部、复合抛物面聚光器4和滤波片5分离后，称取催化剂填入石英管中，以耐热石英棉将反应腔进出口填充，然后依次将反应器上部6、复合抛物面聚光器4、滤波片5安装好后，将铆钉10插入反应器上部6，使上下部分对齐吻合后通过三颗长杆螺钉固定。最后将石英管上部刨除部分8垂直插入反应器，通过七颗短杆螺钉将复合抛物面聚光器4、石英管和滤波片5固定。
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