CN115825351A - 一种光重流化床的分析测试系统及分析测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光重流化床的分析测试系统及分析测试方法，包括：重量原位测量子系统、太阳能模拟器子系统、流化床吸热器子系统、红外测温子系统、集成控制子系统和供气子系统。本发明的太阳能直接辐照下流化改性颗粒的储释热原位测试平台，根据气流组织形式、传热特性和太阳能辐射通量等参数对温度场、流场、化学反应速率空间分布等的影响规律，揭示宏观尺度系统层面传热、传质、化学反应耦合机制；本发明相比于传统的重量流化床，使用高效改性碳酸钙在太阳能直接辐照下进行研究，是实现低碳高效能源利用的重要一步；本发现相比于传统碳酸钙材料性能研究，采用实验室级流化床反应器，拥有多参数原位测量系统，可以更加真实模拟工业化应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能化学储热技术领域，尤其是一种光重流化床的分析测试系统及分析测试方法
背景技术
太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源，分布广泛、且储量丰富，无疑是解决能源环境问题最有效的途径之一。具有储热系统的聚光太阳能发电是一种环境友好型的发电方式，它可以在日照时间储存太阳能，以便在非日照时间使用，从而实现按需供电。与显热和潜热储能相比，热化学储能系统具有储能密度高，反应温度适宜(可以满足下一代高效光热发电的较高工作温度要求),可在常温下长期保存等优势。其中，碳酸钙/氧化钙储热体系是最有前景的高密度低损失储热方法之一。碳酸钙储热与太阳能捕获、热分解蓄热、酸化放热、反应物-工质换热特性息息相关。就目前研究现状而言，相关工作多集中在氧化钙吸附活性的循环稳定性上面，尚未从能量传递与转换的各个因素综合分析热化学储热系统的储释热特性，对影响热能储释热波动性的关键性因素尚不明晰。此外，目前对储热材料的研究主要采用商业热重分析方法和电加热式流化床热重分析方法。电加热式商业热重分析方法主要采用电加热炉膛，将热量间接传递给储热材料。商业热重分析样品在小坩埚以堆积形式反应，存在气固接触不充分，可分析样品量少等缺陷。电加热流化床热重需要消耗大量能量，不符合碳中和方针，且太阳能辐照下的流化床通常是不均匀分布的，然而电加热流化床热重的加热模式使得整个炉膛均匀受热，所以电加热流化床热重无法模拟依靠绿色太阳能储能发电的真实反应条件。因此，太阳能直接辐照下的流化床颗粒研究对提高太阳能储热效率、发展下一代高温高效光热发电技术有着重要的学术意义和应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种光重流化床的分析测试系统及分析测试方法，能够更加真实模拟工业化应用场景。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光重流化床的分析测试系统，包括：重量原位测量子系统、太阳能模拟器子系统、流化床吸热器子系统、红外测温子系统、集成控制子系统和供气子系统；重量原位测量子系统、太阳能模拟器子系统、流化床吸热器子系统、红外测温子系统、集成控制子系统和供气子系统；太阳能直接辐照下的流化床吸热器子系统中布置重量原位测量子系统，用于获取太阳能直接辐照下流化颗粒温度、重量、进口压力原位参数的动态变化；红外测温子系统位于流化床吸热器子系统正上方，测量流化床中上表面温度和流化状态；供气子系统与流化床吸热器子系统通过气路相连；各子系统与集成控制子系统相连。
优选的，重量原位测量子系统包括重量传感器5、辅助气体管路7、冷却单元9和循环冷却水罐10；辅助气体管路7连接重量传感器5，并从双层反应器12中排出；循环冷却水罐10通过气泵将水输送到冷却单元9，辅助气体管路7、冷却单元9和循环冷却水罐10用于保护重量传感器8，使其在合适的温度下满足精度要求；重量传感器5放置在反应器12底部，用于获取太阳能辐照下流化颗粒反应过程中的重量变化。
优选的，太阳能模拟器子系统包括13个10千瓦氙气短弧灯和反射器，氙气短弧灯和反射器相耦合，用于提供高倍聚光的太阳能辐射能量，直接辐照加热流化下的颗粒。
优选的，流化床吸热器子系统包括压力传感器6、流化气体管路8、布风板11、反应器12、反射腔体13、聚光装置14和热电偶16；压力传感器6位于流化气体管路8进口；布风板11位于双层反应器12中，用于流化颗粒；热电偶16位于双层反应器12中；双层反应器12位于反射腔体13正中央；聚光装置14的辐射能量通过入光口进入反射腔体13中；流化床吸热器子系统直接吸收太阳能辐射，加热床层颗粒。
优选的，布风板11厚度为4mm，目数为60-80目，产生均匀布风，使得颗粒发生无序碰撞；流化床吸热器子系统为石英管流化床，外径30mm，流化颗粒为高吸收率的改性碳酸钙颗粒，改性碳酸钙颗粒重量为5-30g，具有太阳能全光谱吸收率高、循环稳定性好、反应速率快的优点；热电偶16布置在布风板11正中间上方1.5mm、3mm、4.5mm处，用于测量床层不同高度的温度；压力传感器6布置在气体进口处，用于测量反应器底部的压力；聚光装置14进口直径150厘米，出口50厘米，其用于收集来自太阳能模拟器的辐射光线，并将其聚焦至石英管流化床和反射腔中。反射腔体13内部为球状，直径为100厘米，用于将没有被颗粒吸收的能量再次反射到流化床中。
优选的，红外测温子系统包括一维滑台17、二维滑台18和红外热成像仪19；红外热成像仪19连接到一维滑台17和二维滑台18上，并且可以进行二维移动；红外测温子系统在床层正上方测试流化床中的流动状态和颗粒温度。
优选的，集成控制子系统将质量流量计2、流量控制面板3、重量传感器5、压力传感器6、太阳能模拟器15、热电偶16、一维滑台17和二维滑台18的信号传递至计算机4中，从而对整个太阳能热化学储热系统进行原位分析和控制。
优选的，供气子系统包括气瓶1、质量流量计2、辅助气体管路7和流化气体管路8；气瓶1的气体输出至质量流量计2进行流量控制，并且分两路流经辅助气体管路7和流化气体管路8；用于实现为重量传感器5提供冷却气体和为流化床提供反应气体和流化气体。
相应的，一种光重流化床的分析测试方法，包括如下步骤：
步骤1、在进行反应前，将气瓶、质量流量计、计算机、辅助气体管路、流化气体管路、压力传感器依次连接，将石英反应器放置在质量传感器上，并将反射腔体、聚光装置连接到一维滑台上，调整一维滑台，将反射腔体、聚光装置放置在太阳能辐照的光斑中心，将三个热电偶放置在流化床中不同高度，将红外热成像仪垂直向下安装在二维滑台上，移动二维滑台使得红外热成像仪的中心与反应器的中心一致，连接太阳能模拟器电源线路，设置好太阳能模拟器温度控制程序，连接各个数据采集线路至计算机中，等待采集数据；
步骤2、在流化床中添加合适量的改性碳酸钙颗粒，打开红外热成像仪，对其进行聚焦，使得流化床中的颗粒清晰呈现；打开气瓶阀门通入流化气体，等待重量信号稳定；通过远程开启太阳能模拟器光源，确定其温度达到设定温度，在计算机上观察各项参数并且记录，切换气体为惰性气体，让其分解完全；利用远程控制切换反应气体，使其吸附二氧化碳成为碳酸钙。
优选的，原位参数包括流化床中温度，重量，进口压力以及床层上表面颗粒的移动和温度。
本发明的有益效果为：本发明的太阳能直接辐照下流化改性颗粒的储释热原位测试平台，根据气流组织形式、传热特性和太阳能辐射通量等参数对温度场、流场、化学反应速率空间分布等的影响规律，揭示宏观尺度系统层面传热、传质、化学反应耦合机制；本发明相比于传统的重量流化床，使用高效改性碳酸钙在太阳能直接辐照下进行研究，是实现低碳高效能源利用的重要一步；本发现相比于传统碳酸钙材料性能研究，采用实验室级流化床反应器，拥有多参数原位测量系统，可以更加真实模拟工业化应用场景。
附图说明
图1为本发明的分析测试系统结构示意图。
图2为本发明聚光太阳能直接辐照下改性流化颗粒的重量变化随时间的变化趋势图。
图3为本发明聚光太阳能直接辐照下流化床中(位于布风板上方1.5厘米)温度变化随时间的变化趋势图。
图4为本发明聚光太阳能直接辐照下流化床进口压力随时间的变化趋势图。
其中，1-气瓶；2-质量流量计；3-流量控制面板；4-计算机；5-重量传感器；6-压力传感器；7-辅助气体管路；8-流化气体管路；9-冷却单元；10-循环冷却水罐；11-布风板；12-反应器；13-反射腔体；14-聚光装置；15-太阳能模拟器；16-热电偶；17-一维滑台；18-二维滑台；19-红外热成像仪。
具体实施方式
如图1所示，一种光重流化床的分析测试系统，包括：重量原位测量子系统、太阳能模拟器子系统、流化床吸热器子系统、红外测温子系统、集成控制子系统和供气子系统；重量原位测量子系统、太阳能模拟器子系统、流化床吸热器子系统、红外测温子系统、集成控制子系统和供气子系统；太阳能直接辐照下的流化床吸热器子系统中布置重量原位测量子系统，用于获取太阳能直接辐照下流化颗粒温度、重量、进口压力原位参数的动态变化；红外测温子系统位于流化床吸热器子系统正上方，测量流化床中上表面温度和流化状态；供气子系统与流化床吸热器子系统通过气路相连；各子系统与集成控制子系统相连。
重量原位测量子系统包括重量传感器5、辅助气体管路7、冷却单元9和循环冷却水罐10；辅助气体管路7连接重量传感器5，并从双层反应器12中排出；循环冷却水罐10通过气泵将水输送到冷却单元9，辅助气体管路7、冷却单元9和循环冷却水罐10用于保护重量传感器8，使其在合适的温度下满足精度要求；重量传感器5放置在反应器12底部，用于获取太阳能辐照下流化颗粒反应过程中的重量变化。
太阳能模拟器子系统包括13个10千瓦氙气短弧灯和反射器，氙气短弧灯和反射器相耦合，用于提供高倍聚光的太阳能辐射能量，直接辐照加热流化下的颗粒。
流化床吸热器子系统包括压力传感器6、流化气体管路8、布风板11、反应器12、反射腔体13、聚光装置14和热电偶16；压力传感器6位于流化气体管路8进口；布风板11位于双层反应器12中，用于流化颗粒；热电偶16位于双层反应器12中；双层反应器12位于反射腔体13正中央；聚光装置14的辐射能量通过入光口进入反射腔体13中；流化床吸热器子系统直接吸收太阳能辐射，加热床层颗粒。
布风板11厚度为4mm，目数为60-80目，产生均匀布风，使得颗粒发生无序碰撞；流化床吸热器子系统为石英管流化床，外径30mm，流化颗粒为高吸收率的改性碳酸钙颗粒，改性碳酸钙颗粒重量为5-30g，具有太阳能全光谱吸收率高、循环稳定性好、反应速率快的优点；热电偶16布置在布风板11正中间上方1.5mm、3mm、4.5mm处，用于测量床层不同高度的温度；压力传感器6布置在气体进口处，用于测量反应器底部的压力；聚光装置14进口直径150厘米，出口50厘米，其用于收集来自太阳能模拟器的辐射光线，并将其聚焦至石英管流化床和反射腔中。反射腔体13内部为球状，直径为100厘米，用于将没有被颗粒吸收的能量再次反射到流化床中。
红外测温子系统包括一维滑台17、二维滑台18和红外热成像仪19；红外热成像仪19连接到一维滑台17和二维滑台18上，并且可以进行二维移动；红外测温子系统在床层正上方测试流化床中的流动状态和颗粒温度。
集成控制子系统将质量流量计2、流量控制面板3、重量传感器5、压力传感器6、太阳能模拟器15、热电偶16、一维滑台17和二维滑台18的信号传递至计算机4中，从而对整个太阳能热化学储热系统进行原位分析和控制。
供气子系统包括气瓶1、质量流量计2、辅助气体管路7和流化气体管路8；气瓶1的气体输出至质量流量计2进行流量控制，并且分两路流经辅助气体管路7和流化气体管路8；用于实现为重量传感器5提供冷却气体和为流化床提供反应气体和流化气体。
相应的，一种光重流化床的分析测试方法，包括如下步骤：
步骤1、在进行反应前，将气瓶、质量流量计、计算机、辅助气体管路、流化气体管路、压力传感器依次连接，将石英反应器放置在质量传感器上，并将反射腔体、聚光装置连接到一维滑台上，调整一维滑台，将反射腔体、聚光装置放置在太阳能辐照的光斑中心，将三个热电偶放置在流化床中不同高度，将红外热成像仪垂直向下安装在二维滑台上，移动二维滑台使得红外热成像仪的中心与反应器的中心一致，连接太阳能模拟器电源线路，设置好太阳能模拟器温度控制程序，连接各个数据采集线路至计算机中，等待采集数据；
步骤2、在流化床中添加合适量的改性碳酸钙颗粒，打开红外热成像仪，对其进行聚焦，使得流化床中的颗粒清晰呈现；打开气瓶阀门通入流化气体，等待重量信号稳定；通过远程开启太阳能模拟器光源，确定其温度达到设定温度，在计算机上观察各项参数并且记录，切换气体为惰性气体，让其分解完全；利用远程控制切换反应气体，使其吸附二氧化碳成为碳酸钙。原位参数包括流化床中温度，重量，进口压力以及床层上表面颗粒的移动和温度。
图2为切换反应气体时改性碳酸钙的重量变化，改性碳酸钙的分解时间设置为20分钟，吸附时间设置为10分钟。图3为流化床(距离布风板1.5厘米处)颗粒温度随时间的变化，由图中可以看出床层温度为750度左右。图4为气体进口处压力随时间的变化图，由于床层中的重量在循环过程发生变化，所以导致流化状态发生改变。
本发明适用于各类太阳能直接辐照下流化颗粒参数的测试，包括但不限于太阳能直接辐照下的甲烷干重整、颗粒热化学储能、水泥煅烧、干法脱硫等反应过程。
Claims (10)
1.一种光重流化床的分析测试系统，其特征在于，包括：重量原位测量子系统、太阳能模拟器子系统、流化床吸热器子系统、红外测温子系统、集成控制子系统和供气子系统；太阳能直接辐照下的流化床吸热器子系统中布置重量原位测量子系统，用于获取太阳能直接辐照下流化颗粒温度、重量、进口压力原位参数的动态变化；红外测温子系统位于流化床吸热器子系统正上方，测量流化床中上表面温度和流化状态；供气子系统与流化床吸热器子系统通过气路相连；各子系统与集成控制子系统相连。
2.如权利要求1所述的光重流化床的分析测试系统，其特征在于，重量原位测量子系统包括重量传感器(5)、辅助气体管路(7)、冷却单元(9)和循环冷却水罐(10)；辅助气体管路(7)连接重量传感器(5)，并从双层反应器(12)中排出；循环冷却水罐(10)通过气泵将水输送到冷却单元(9)，辅助气体管路(7)、冷却单元(9)和循环冷却水罐(10)用于保护重量传感器(8)，使其在合适的温度下满足精度要求；重量传感器(5)放置在反应器(12)底部，用于获取太阳能辐照下流化颗粒反应过程中的重量变化。
3.如权利要求1所述的光重流化床的分析测试系统，其特征在于，太阳能模拟器子系统包括13个10千瓦氙气短弧灯和反射器，氙气短弧灯和反射器相耦合，用于提供高倍聚光的太阳能辐射能量，直接辐照加热流化下的颗粒。
4.如权利要求1所述的光重流化床的分析测试系统，其特征在于，流化床吸热器子系统包括压力传感器(6)、流化气体管路(8)、布风板(11)、反应器(12)、反射腔体(13)、聚光装置(14)和热电偶(16)；压力传感器(6)位于流化气体管路(8)进口；布风板(11)位于双层反应器(12)中，用于流化颗粒；热电偶(16)位于双层反应器(12)中；双层反应器(12)位于反射腔体(13)正中央；聚光装置(14)的辐射能量通过入光口进入反射腔体(13)中；流化床吸热器子系统直接吸收太阳能辐射，加热床层颗粒。
5.如权利要求4所述的光重流化床的分析测试系统，其特征在于，布风板(11)厚度为4mm，目数为60-80目；流化床吸热器子系统为石英管流化床，外径30mm，流化颗粒为高吸收率的改性碳酸钙颗粒，改性碳酸钙颗粒重量为5-30g；热电偶(16)布置在布风板(11)正中间上方1.5mm、3mm、4.5mm处，用于测量床层不同高度的温度；压力传感器(6)布置在气体进口处，用于测量反应器底部的压力；聚光装置(14)进口直径150厘米，出口50厘米，其用于收集来自太阳能模拟器的辐射光线，并将其聚焦至石英管流化床和反射腔中；反射腔体(13)内部为球状，直径为100厘米，用于将没有被颗粒吸收的能量再次反射到流化床中。
6.如权利要求1所述的光重流化床的分析测试系统，其特征在于，红外测温子系统包括一维滑台(17)、二维滑台(18)和红外热成像仪(19)；红外热成像仪(19)连接到一维滑台(17)和二维滑台(18)上，并且可以进行二维移动；红外测温子系统在床层正上方测试流化床中的流动状态和颗粒温度。
7.如权利要求1所述的光重流化床的分析测试系统，其特征在于，集成控制子系统将质量流量计(2)、流量控制面板(3)、重量传感器(5)、压力传感器(6)、太阳能模拟器(15)、热电偶(16)、一维滑台(17)和二维滑台(18)的信号传递至计算机(4)中，从而对整个太阳能热化学储热系统进行原位分析和控制。
8.如权利要求1所述的光重流化床的分析测试系统，其特征在于，供气子系统包括气瓶(1)、质量流量计(2)、辅助气体管路(7)和流化气体管路(8)；气瓶(1)的气体输出至质量流量计(2)进行流量控制，并且分两路流经辅助气体管路(7)和流化气体管路(8)；用于实现为重量传感器(5)提供冷却气体和为流化床提供反应气体和流化气体。
9.一种使用如权利要求1所述的光重流化床的分析测试系统的分析测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在进行反应前，将气瓶、质量流量计、计算机、辅助气体管路、流化气体管路、压力传感器依次连接，将石英反应器放置在质量传感器上，并将反射腔体、聚光装置连接到一维滑台上，调整一维滑台，将反射腔体、聚光装置放置在太阳能辐照的光斑中心，将三个热电偶放置在流化床中不同高度，将红外热成像仪垂直向下安装在二维滑台上，移动二维滑台使得红外热成像仪的中心与反应器的中心一致，连接太阳能模拟器电源线路，设置好太阳能模拟器温度控制程序，连接各个数据采集线路至计算机中，等待采集数据；
步骤2、在流化床中添加合适量的改性碳酸钙颗粒，打开红外热成像仪，对其进行聚焦，使得流化床中的颗粒清晰呈现；打开气瓶阀门通入流化气体，等待重量信号稳定；通过远程开启太阳能模拟器光源，确定其温度达到设定温度，在计算机上观察各项参数并且记录，切换气体为惰性气体，让其分解完全；利用远程控制切换反应气体，使其吸附二氧化碳成为碳酸钙。
10.如权利要求9所述的光重流化床的分析测试方法，其特征在于，原位参数包括流化床中温度，重量，进口压力以及床层上表面颗粒的移动和温度。
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| CN202211580102.6A CN115825351A (zh) | 2022-12-09 | 2022-12-09 | 一种光重流化床的分析测试系统及分析测试方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115824874A (zh) * | 2022-09-26 | 2023-03-21 | 南京航空航天大学 | 直接光热重高精度分析仪及其工作方法 |
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2022
- 2022-12-09 CN CN202211580102.6A patent/CN115825351A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115824874A (zh) * | 2022-09-26 | 2023-03-21 | 南京航空航天大学 | 直接光热重高精度分析仪及其工作方法 |
| CN115824874B (zh) * | 2022-09-26 | 2023-09-29 | 南京航空航天大学 | 直接光热重高精度分析仪及其工作方法 |
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