CN117680048A - 一种基于太阳能驱动的气体反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体制备技术领域，特别地涉及一种基于太阳能驱动的气体反应器。本发明公开了一种基于太阳能驱动的气体反应器，包括太阳能集热器和气体反应流道，太阳集热器用于为气体反应流道提供加热光斑，加热光斑为温度分布不均匀的加热光斑，气体反应流道具有进料端和出料端，气体反应流道从进料端至出料端依次沿加热光斑的温度低的区域至温度高的区域分布设置，使得气体反应流道的加热温度从进料端至出料端逐渐升高。本发明具有结构简单，易于实现，能源利用率高，环境友好等特点，有效地实现了反应器流场温度与物理预热和化学反应进行之间的深度融合，有效缓解了当前太阳能驱动反应器的加热不均匀的问题，提高了太阳能的利用率。
Description
技术领域
本发明属于气体制备技术领域，具体地涉及一种基于太阳能驱动的气体反应器。
背景技术
沼气的主要成分为甲烷(含量40％～70％)和二氧化碳(含量15％～60％)，目前每天生产约7000万吨氢气，其中76％来产自天然气，剩余的23％大部分来源于石油和碳，一小部分来自于水电解。在氢气的生产技术当中，甲烷蒸汽重整(SMR)是大规模从天然气中生产氢的最广泛的技术。
甲烷蒸汽重整属于强吸热反应，通常需要在800℃甚至更高的温度下进行反应。传统的反应器，往往是采用燃烧化石燃料为反应提供热量，会造成大量的CO2排放。新型的反应器，考虑到化石能源紧缺的情况，同时为减少碳排放，实现碳达峰和碳中和的双碳目标，可以将太阳能与化学反应相耦合，利用太阳能为化学反应提供能量，同时为了达到较高的反应温度，采用碟式聚光器收集太阳能进行反应器集热。
太阳光经过碟式集热器集中后的辐射通量呈现高斯分布，在中心处产生的热通量最高，逐渐向边缘扩散减小，形成光斑为甲烷蒸汽重整反应提供热量。但是经过碟式集热器形成的光斑，其温度分布不均匀，呈现中心温度高，外侧温度逐渐降低的特点，因此在为化学反应提供热量时，往往会出现光斑能量利用不充分以及局部过热等问题，造成反应器因热应力，催化剂烧结等问题而失效，不利于反应的正常进行以及反应器的正常使用，最终降低反应器的使用寿命。
因此如何解决反应器加热不均匀的问题是反应器所面临的难题之一，目前可通过一些技术，在反应器加热面与反应器内部管道中间添加传热性能好的传热介质，来将加热温度均匀化，但此方法会造成反应器结构的复杂化，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于太阳能驱动的气体反应器用以解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于太阳能驱动的气体反应器，包括太阳能集热器和气体反应流道，太阳集热器用于为气体反应流道提供加热光斑，加热光斑为温度分布不均匀的加热光斑，气体反应流道具有进料端和出料端，气体反应流道从进料端至出料端依次沿加热光斑的温度低的区域至温度高的区域分布设置，使得气体反应流道的加热温度从进料端至出料端逐渐升高。
进一步的，所述加热光斑为圆形光斑，加热光斑的温度由中心径向向外逐渐降低，气体反应流道为平面螺旋结构，平面螺旋结构的外端为进料端，内端为出料端，出料端对应于加热光斑的中心位置。
更进一步的，所述太阳能集热器为抛物面碟式太阳能集热器。
更进一步的，所述抛物面碟式太阳能集热器的参数为：辐射功率输入为1000W，最大热流密度为1.1×105W/m2，焦距为60mm，热通量沿径向向外逐渐减小。
进一步的，还包括进料管和出料管，进料管和出料管分别与气体反应流道的进料端和出料端连通。
更进一步的，还包括圆柱状的外壳，气体反应流道设置为外壳内，进料管和出料管分别伸出至外壳外部，加热光斑照射在外壳的底部上进而热传递给气体反应流道。
更进一步的，所述外壳的材料为镍铁合金625。
进一步的，所述气体反应流道的横截面为圆形状。
更进一步的，所述气体反应流道的规格为：螺距为19mm，由外至内共有3圈，外环直径为144mm，内环直径为30mm，流道直径为14mm；外壳的直径为160mm，高度为22mm。
进一步的，所述气体反应流道内均匀地布置有多孔陶瓷材料催化剂。
本发明的有益技术效果：
本发明结合了加热光斑温度分布不均匀的特点，通过对气体反应流道的设计，充分利用加热光斑的温度梯度，简化了气体反应器的结构设计，降低了成本，可靠性高，提高了太阳能的利用效率。
本发明利用太阳能集热器为气体重整反应提供反应热，将低品位的太阳热能提升为高品位的燃料化学能，不仅对环境友好，且有效提高了太阳能的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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的附图。
图1为本发明具体实施例的结构示意图；
图2为本发明具体实施例的省略太阳能集热器的的结构示意图；
图3为本发明具体实施例的省略太阳能集热器的另一视角的结构示意图；
图4为本发明具体实施例的气体反应流道的剖视图；
图5为本发明具体实施例的的气体反应器集热后热通量分布示意图；
图6为本发明具体实施例的气体反应器反应状态下温度分布示意图；
图7为本发明具体实施例的气体反应器入口速度为0.2m/s的速度分布示意图；
图8为本发明具体实施例的气体反应器入口速度为0.2m/s的各组分摩尔分率分布示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1-4所示，一种基于太阳能驱动的气体反应器，包括太阳能集热器1、气体反应流道2、进料管3和出料管4，太阳集热器1用于为气体反应流道2提供加热光斑，加热光斑为温度分布不均匀的加热光斑，现有的太阳集热器输出的光斑基本都是温度分布不均匀的光斑。
气体反应流道2具有进料端21和出料端22，进料管3和出料管4分别与进料端21和出料端22连接，气体反应流道2从进料端21至出料端22依次沿加热光斑的温度低的区域至温度高的区域分布设置，使得气体反应流道2的加热温度从进料端21至出料端22逐渐升高。气体反应物(本具体实施例中，气体反应物为沼气与水蒸气的混合气，以进行沼气蒸汽重整反应，但并不限于此)从进料管3经进料端21进入气体反应流道2进行反应，并随着气体反应流道2的深入，反应温度逐渐升高，反应程度逐渐加深，到出料端22后，温度达到最高，此时也完成了反应的吸热过程；有效解决了现有加热光斑能量利用不充分以及局部过热等问题，避免气体反应器因热应力、催化剂烧结等问题而失效，保证气体反应器的正常进行以及气体反应器的正常使用，提高气体反应器的使用寿命和太阳能的利用效率，无需增加传热性能好的传热介质将光斑的温度进行均匀处理，简化了气体反应器的结构设计，降低了成本。
优选的，本具体实施例中，加热光斑为圆形光斑，加热光斑的温度由中心径向向外逐渐降低，采用该加热光斑，结构简单，易于太阳能集热器1和气体反应流道2的设计实现，成本低，但并不限于此，在一些实施例中，加热光斑也可以是其它结构的光斑，如长方形的光斑，光斑温度从一端到另一端逐渐增高；或圆形的光斑，光斑的温度由中心径向向外逐渐升高等等。
本具体实施例中，太阳能集热器1优选采用抛物面碟式太阳能集热器11，易于实现，成本低，但并不限于此，在一些实施例中，太阳能集热器1也可以是槽式太阳能集热器、菲涅尔式太阳能集热器、塔式太阳能集热器等。
优选的，本具体实施例中，抛物面碟式太阳能集热器11的参数为：辐射功率输入为1000W，最大热流密度为1.1×105W/m2，焦距为60mm，热通量沿径向向外逐渐减小，进一步提升了甲烷的转化率，但并不限于此。
气体反应流道2为平面螺旋结构，平面螺旋结构的外端为进料端21，内端为出料端22，出料端22对应于加热光斑的中心位置，当然，在一些实施例中，气体反应流道2的形状可以根据加热光斑的结构进行相应设计，如呈脉冲结构等。
进一步的，该气体反应器还包括圆柱状的外壳5，气体反应流道2设置为外壳5内且平放设置在外壳5的底面上，进料管3和出料管4分别伸出至外壳5外部，加热光斑照射在外壳5的底部上进而热传递给气体反应流道2，外壳5的底部具有与加热光斑相同的温度场。通过设置圆柱状的外壳5以对气体反应流道2进行保护，且使得整体结构更紧凑，但并不以此为限，在一些实施例中，外壳5也可以采用其它结构来实现。
本具体实施例中，加热光斑的中心位于外壳5底部的中心，气体反应流道2的出料端22对着外壳5底部的中心，使得气体反应流道2受到的加热温度具有加热光斑的温度梯度特点。
优选的，本实施例中，外壳5的材料为镍铁合金625，具有导热性好、抗腐蚀、耐高温的特性，但并不限于此，在一些实施例中，外壳5也可以采用其他具有导热性好、抗腐蚀、耐高温的材料制成。
本具体实施例中，进料管3从外壳5的侧壁穿出，出料管4从外壳5的顶部穿出，使得结构更紧凑，但并不限于此，在一些实施例中，进料管3和出料管4也可以从外壳5的其它位置穿出。
优选的，本具体实施例中，气体反应流道2的横截面为圆形状，结构简单，易于实现，但并不以此为限，在一些实施例中，气体反应流道2的横截面也可以是方形、椭圆形等其它形状。
本具体实施例中，气体反应流道2的规格为：螺距为19mm，由外至内共有3圈，外环直径为144mm，内环直径为30mm，流道直径d1为14mm；外壳5的直径d2为160mm，高度h为22mm，进气管3内径为14mm，管壁厚度为2mm，长度为100mm，整体结构大小合理紧凑，降低成本，但并不限于此。
进一步的，气体反应流道2内均匀地布置有多孔陶瓷材料催化剂，增加反应气与多孔陶瓷材料催化剂的混合程度，提高反应效率。本具体实施例中，多孔陶瓷材料催化剂为镍基氧化铝催化剂，提高氢气产量。
下面以沼气蒸汽重整反应为例来说明工作原理：
沼气与水蒸气彻底混合的原料气经进料管3从进料端21进入气体反应流道2中发生沼气湿重整反应，其中包括甲烷蒸汽重整反应(SMR)和水煤气变换反应(WGSR)，随着气体反应流道2的深入，反应温度逐渐升高，反应程度逐渐加深，到达出料端22后，温度达到最高，此时也完成了反应的吸热过程，合成气从出料管4输出；由上述两个反应得到的合成气中含有少量未彻底转化的甲烷CH4、未转化完全的水蒸气H2O、主要目标产物氢气H2以及部分一氧化碳CO和二氧化碳CO2。
为验证该气体反应器设计的可行性，用仿真软件对反应过程进行仿真，具体实验结果如图5-8所示。在对反应进行仿真之前，对反应过程做出了如下假设：
在仿真软件参数设置中从进料管3进入的原料气被彻底混合并作为理想气体处理。由于催化剂的粒度很小，可以认为它完全粘附在多孔结构上，因此适合使用均匀多孔介质模型进行分析。由于在该反应中，水碳比足够高，因此不需要考虑积碳反应。填充床的孔隙率在其整个长度中保持一致。在沼气重整反应过程中，不考虑甲烷干重整(DRM)反应对于结果的影响。在反应过程中，不考虑反应物体积力对流体动力学的影响。
如图5所示，抛物面碟式太阳能集热器11收集太阳辐射后，其热通量分布呈现中间温度高，四周温度低的特点，中心最大热流密度为1.1×105W/m2。
如图6所示，气体反应流道2在加热光斑加热后，也会形成相类似的中间温度高，四周温度低的特点的温度场，在反应气通入后，通过气体反应流道2的设计，正好可以充分利用温度场的特点对反应气进行逐步加热升温。
如图7和8所示，本发明通过仿真软件的模拟计算，在太阳辐射强度为1000W/m2、出口压力为5atm、进气速度为0.2m/s的条件下，该气体反应器的甲烷转化率为94.76％，产氢能力为1.532，太阳能热化学转化率为32.51％。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于太阳能驱动的气体反应器，其特征在于：包括太阳能集热器和气体反应流道，太阳集热器用于为气体反应流道提供加热光斑，加热光斑为温度分布不均匀的加热光斑，气体反应流道具有进料端和出料端，气体反应流道从进料端至出料端依次沿加热光斑的温度低的区域至温度高的区域分布设置，使得气体反应流道的加热温度从进料端至出料端逐渐升高。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能驱动的气体反应器，其特征在于：所述加热光斑为圆形光斑，加热光斑的温度由中心径向向外逐渐降低，气体反应流道为平面螺旋结构，平面螺旋结构的外端为进料端，内端为出料端，出料端对应于加热光斑的中心位置。
3.根据权利要求2所述的基于太阳能驱动的气体反应器，其特征在于：所述太阳能集热器为抛物面碟式太阳能集热器。
4.根据权利要求3所述的基于太阳能驱动的气体反应器，其特征在于：所述抛物面碟式太阳能集热器的参数为：辐射功率输入为1000W，最大热流密度为1.1×105W/m2，焦距为60mm，热通量沿径向向外逐渐减小。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的基于太阳能驱动的气体反应器，其特征在于：还包括进料管和出料管，进料管和出料管分别与气体反应流道的进料端和出料端连通。
6.根据权利要求5所述的基于太阳能驱动的气体反应器，其特征在于：还包括圆柱状的外壳，气体反应流道设置为外壳内，进料管和出料管分别伸出至外壳外部，加热光斑照射在外壳的底部上进而热传递给气体反应流道。
7.根据权利要求6所述的基于太阳能驱动的气体反应器，其特征在于：所述外壳的材料为镍铁合金625。
8.根据权利要求6所述的基于太阳能驱动的气体反应器，其特征在于：所述气体反应流道的横截面为圆形状。
9.根据权利要求8所述的基于太阳能驱动的气体反应器，其特征在于：所述气体反应流道的规格为：螺距为19mm，由外至内共有3圈，外环直径为144mm，内环直径为30mm，流道直径为14mm；外壳的直径为160mm，高度为22mm。
10.根据权利要求1所述的基于太阳能驱动的气体反应器，其特征在于：所述气体反应流道内均匀地布置有多孔陶瓷材料催化剂。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311696882.5A CN117680048A (zh) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | 一种基于太阳能驱动的气体反应器 |
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