可回热的连续型太阳能热化学固体颗粒式反应器
阅读说明：本技术 可回热的连续型太阳能热化学固体颗粒式反应器 (Continuous solar thermochemical solid particle reactor capable of returning heat ) 是由 马天增 李鑫 常哲韶 付铭凯 张强强 任婷 吴佳妮 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种可回热的连续型太阳能热化学固体颗粒式反应器。技术方案是,它主要包括：还原部件、氧化部件、物料储存部件和物料输运部件。本发明利用太阳能聚光集热技术产生的高温对金属氧化物小颗粒进行加热,进而制备清洁燃料,不需要消耗化石能源,对环境污染几乎为零。采用还原腔体和氧化腔体分开的方式,有效地实现了太阳能热化学制燃料的连续性。垂直式的设计避免了金属氧化物小颗粒对玻璃面的污染,填充阻碍颗粒的方式,可以延长金属氧化物小颗粒在反应器内的停留时间,同时避免了较大温差对反应器的热冲击。通过氧化腔体内部金属氧化物小颗粒和螺杆周围金属氧化物小颗粒之间的换热,实现了对高温金属氧化物的回热,提高了固体颗粒式反应器的太阳能利用效率。(The invention discloses a continuous solar thermochemical solid particle reactor capable of returning heat. The technical scheme is that the method mainly comprises the following steps: the device comprises a reduction part, an oxidation part, a material storage part and a material conveying part. The invention heats the metal oxide small particles by utilizing the high temperature generated by the solar light-gathering and heat-collecting technology, further prepares the clean fuel, does not need to consume fossil energy, and has almost zero environmental pollution. The mode that the reduction cavity is separated from the oxidation cavity is adopted, so that the continuity of the solar thermochemical fuel production is effectively realized. The vertical design avoids the pollution of small metal oxide particles to the glass surface, the mode of filling blocking particles can prolong the retention time of the small metal oxide particles in the reactor, and simultaneously avoids the thermal shock of larger temperature difference to the reactor. Through the heat exchange between the small metal oxide particles in the oxidation cavity and the small metal oxide particles around the screw, the heat regeneration of the high-temperature metal oxide is realized, and the solar energy utilization efficiency of the solid particle type reactor is improved.)
技术领域
本发明涉及一种高温太阳能热化学循环装置，具体涉及可回热的连续型太阳能热化学固体颗粒式反应器。
背景技术
发展高效的太阳能利用方式是解决如今能源短缺和环境污染问题的重要方法。高温太阳能热化学循环具有理论效率高，可利用太阳能全光谱的优点而备受关注。作为一种能够实现太阳能和化学能之间能量传递的装置，太阳能热化学反应器的合理设计与优化对太阳能利用效率的提升起着至关重要的作用。
根据太阳光是否和金属氧化物直接接触，太阳能热化学反应器整体可以分为直接式和间接式两种。直接式反应器具有理论效率高，升温迅速等优点。传统的直接式反应器有流化床反应器、回转窑反应器、固定床反应器等。然而，直接式反应器需要采用玻璃窗口透光，不均匀的受热容易导致玻璃开裂，不合理的密封容易导致反应器外部空气进入或者内部气体的泄漏。因此，玻璃与反应器其他部件的连接和密封问题对反应的进行也至关重要。还原步保持较低的氧偏压对金属氧化物的失氧和整个效率的提升至关重要，因此能否良好地解决玻璃的密封问题对效率的提升非常重要。
目前高温太阳能热化学领域主要采用的方法有双温法和等温法，其中等温法具有理论效率低的限制。双温法主要分为两步，还原步和氧化步。其中还原步主要利用太阳能提供的热量将金属氧化物加热到1500℃左右发生还原反应。氧化步利用冷却到800℃左右的金属氧化物与CO2、H2O或者其两者混合物发生反应，进而产生CO、H2或者两者混合物。由于氧化步不需要太高的温度和能量，传统的固定床反应器采用直接把太阳光屏蔽掉的方法，该方法不能实现反应的连续运行，并且该部分被屏蔽掉的太阳能完全被浪费。因此设计一种可连续运行的太阳能热化学反应器将更加有利于太阳能的高效利用。
对于双温法太阳能热化学制燃料，氧化步较还原步所需温度低，把高温状态的金属氧化物冷却至氧化反应所需要的温度将导致大量的能量浪费。有效的热回收对能源利用效率的提升大有裨益。
由于太阳能具有间隙性，受到昼夜、季节和天气等因素的影响。不均匀的太阳能会导致能量分配不均、温度梯度较大，进而会降低化学反应的速率。此外，不均匀的温度变化也会加剧反应器玻璃窗口的膨胀变形，进而更容易发生破碎。因此，研发稳定、具有储热能力的的太阳能热化学反应器至关重要。
与固定床反应器相比，固体颗粒式反应器具有比表面积大，反应物升温迅速等优点。但是微小的金属氧化物颗粒也存在着容易沾染玻璃，堵塞出气孔的缺点。当金属氧化物粒子粘附在玻璃表面上容易减弱太阳光的透光效率。
因此，要想提高太阳能到化学能的转化效率、研发高效稳定的太阳能热化学反应器，采取措施解决回热、可连续、玻璃密封、玻璃污染等问题是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有技术的缺点和不足，综合考虑玻璃密封，玻璃污染等问题，提出一种高效、可储热、可回热的连续型太阳能热化学固体颗粒式反应器，进而提升太阳能到化学能的转化效率。
本发明采用如下技术方案：
可回热的连续型太阳能热化学固体颗粒式反应器，反应器至少包括还原腔体和氧化腔体。所述反应器采用还原腔体(1)和氧化腔体(9)分开的方式，腔体之间采用阀门等部件分开，进而实现太阳能热化学变温反应连续运行。
进一步地，所述还原腔体(1)采用双层石英玻璃进行密封。在双层玻璃中间的空隙中通入惰性气体维持微正压防止腔体外部的空气进入其内部，同时该部分气体也可以带走一部分热量。
进一步地，氧化腔体(9)内部的金属氧化物小颗粒(7)采用热传导的方式与螺旋叶片(20)所向上提升的冷态金属氧化物小颗粒(7)换热，实现热回收。例如，所述金属氧化物小颗粒(7)为CeO2颗粒，其粒径≤1mm。
进一步地，反应器内部的金属氧化物小颗粒(7)分为两部分，当一部分在发生还原反应的时候，另外一部分金属氧化物小颗粒(7)发生氧化反应或者被输运，进而实现整个循环的连续运行。
进一步地，还原腔体(1)内部填充阻碍颗粒(6)，阻碍颗粒粒径为金属氧化物小颗粒粒径的10-10000倍。在有太阳光的时候该部分阻碍颗粒(6)得到预热并把热量储存，当存在云遮或者其他波动的时候，该部分储热阻碍颗粒(6)及时把热量释放出来，进而使还原腔体(1)内部一直维持较高的温度，避免对反应器造成较大的热冲击。同时，阻碍颗粒(6)之间形成孔隙，在保证金属氧化物小颗粒(7)可以通过的同时对其形成一定的阻碍。阻碍颗粒(6)对金属氧化物小颗粒(7)有一定的阻碍作用，延长其在反应器内的停留时间，同时其所形成的缝隙能够使金属氧化物小颗粒(7)通过。例如，所述的阻碍颗粒为钨颗粒、Al2O3颗粒和/或SiC颗粒等。
进一步地，该反应器采用粒径≤1mm的金属氧化物小颗粒(7)。具有较大的比表面积，进而提升了固体颗粒的升温速率，同时也提升了整个反应的速率。
进一步地，还原腔体进气口(14)在还原腔体(1)底部，还原腔体出气口(15)在还原腔体(1)上方。整体上还原腔体(1)下部的氧偏压更低，更容易让金属氧化物小颗粒(7)在下落的过程中失氧。同时，向上流动的气流对还原腔体(1)内部的金属氧化物小颗粒7产生悬浮力，延缓了金属氧化物小颗粒(7)下落的速度进而增加了其吸收太阳光的时间。
本发明可回热的连续型太阳能热化学固体颗粒式反应器主要包括还原部件、氧化部件、物料储存部件和物料输运部件。其中还原部件位于氧化部件正上方，还原部件和氧化部件中间由阀门进行连接。物料储存部件位于氧化部件下方，物料储存部件和氧化部件之间由阀门进行连接。螺旋输运部件位于氧化部件和还原部件的一侧，其底部插入物料储存部件内部，上部和还原部件连接，用来将物料储存部件内部的金属氧化物小颗粒提升至还原部件。
所述的还原部件由还原腔体、石英玻璃、金属氧化物进料口、还原腔体进气口、还原腔体出气口、阻碍颗粒、多孔隙隔板、玻璃密封进气口和玻璃密封出气口组成。为更好地进行密封，石英玻璃采用双层，水平安装在还原部件最上面的中间位置，惰性气体由玻璃密封进气口通入双层玻璃中间空隙，从玻璃密封出气口排出。双层玻璃中间始终维持一个正压，防止外部气体进入反应器内部。太阳光从石英玻璃垂直入射到还原腔体内部。金属氧化物小颗粒由安装在还原腔体一侧的金属氧化物进料口进入反应器内部，然后靠重力下落。放置在还原部件底部的多孔隙隔板上面的阻碍颗粒对下落的金属氧化物小颗粒有一定的阻碍作用，可以延长其在反应器内部的停留时间。还原腔体底部放置阻碍颗粒，由石英玻璃垂直入射的太阳光随时对阻碍颗粒进行加热，当出现云遮等天气变化时候，阻碍颗粒将所储存的热量释放出来，维持反应器内部具有较高的温度，同时也避免还原腔体内部剧烈的温度变化对反应器所造成的热冲击。气体由安装在还原腔体底部的还原腔体进气口进入还原腔体内部，由下向上流动的气体对还原腔体内部的金属氧化物小颗粒有一定的悬浮力，同时可以维持还原部件较好的真空度。气体由安装在还原腔体顶部的还原腔体出气口排出。金属氧化物小颗粒在还原腔体内部被加热，发生还原反应，然后沿多孔隙隔板孔隙排出。
所述的氧化部件由氧化腔体、氧化腔体进气口和氧化腔体出气口组成。在还原腔体内部发生完还原反应的金属氧化物小颗粒在重力作用下降落至氧化腔体内部。反应气体由氧化腔体进气口进入氧化部件内部与金属氧化物小颗粒发生氧化反应，反应产生的气体由氧化腔体出气口排出。
物料储存部件由颗粒储存腔体组成。在还原部件内部反应完的金属氧化物小颗粒在重力作用下降落至颗粒储存腔体内部暂存。
物料输运部件由螺杆、螺旋叶片、电机组成。其中，螺杆插入颗粒储存腔体中心位置，在电机的驱动下做旋转运动，螺杆上面的螺旋叶片把颗粒储存腔体内部的金属氧化物小颗粒提升至还原腔体高度，然后通过金属氧化物进料口进入到还原部件内部完成整个循环。
有益效果：
1.采用粒径≤1mm的金属氧化物小颗粒，提升加热速率，增加反应面积；
2.太阳光采用垂直入射的方式，避免了金属氧化物小颗粒对玻璃窗的沾染；
3.采用填充阻碍颗粒的方式，进行热量存储，进而降低较大温度梯度对反应器造成大的冲击，提升反应器的稳定性和可靠性，其阻碍作用延长了金属氧化物小颗粒的停留时间；
4.采用氧化反应和还原反应分开的方式，实现了整个循环的连续进行；
5.采用热传导的方式，实现了对固体金属氧化物小颗粒的热回收；
6.采用螺旋叶片物料提升装置，实现了金属氧化物小颗粒完整的循环反应。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作过程示意图。
图中：1还原腔体，2第一石英玻璃，3第二石英玻璃，4玻璃密封进气口，5玻璃密封出气口，6阻碍颗粒，7金属氧化物小颗粒，8金属氧化物进料口，9氧化腔体，10第一密封阀门，11第二密封阀门，12颗粒储存腔体，13螺杆，14还原腔体进气口，15还原腔体出气口，16氧化腔体进气口，17氧化腔体出气口，18连接件，19电机，20螺旋叶片，21物料输运腔体，22多孔隙隔板，23定日镜，24反光镜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明可回热的连续型太阳能热化学固体颗粒式反应器主要用于太阳能高温热化学制备CO、H2或者两者混合物。如图2所示，本发明反应器安装在太阳能镜场焦点附近，太阳光光线采用垂直入射进入反应器内部。
如图1-2所示，本发明可回热的连续型太阳能热化学固体颗粒式反应器主要包括还原部件、氧化部件、物料储存部件和物料输运部件。其中还原部件位于氧化部件正上方，还原部件和氧化部件中间由阀门进行连接。物料储存部件位于氧化部件下方，物料储存部件和氧化部件之间由阀门进行连接。螺旋输运部件位于氧化部件和还原部件的一侧，其底部插入物料储存部件内部，上部和还原部件连接，用来将物料储存部件内部的金属氧化物小颗粒提升至还原部件。
还原部件包括：还原腔体1、第一石英玻璃2、第二石英玻璃3、阻碍颗粒6、多孔隙隔板22、金属氧化物进料口8、还原腔体进气口14、还原腔体出气口15、玻璃密封进气口4和玻璃密封出气口5。还原腔体1呈现四棱台形状，主要由陶瓷材料制成。为更好地进行密封，石英玻璃采用双层水平安装在还原部件最上面的中间位置，惰性气体由玻璃密封进气口4通入双层玻璃中间空隙，从玻璃密封出气口5排出。石英玻璃采用双层即采用第一石英玻璃2和第二石英玻璃3。双层玻璃中间始终维持一个正压，防止外部气体进入反应器内部。太阳光经过第一石英玻璃2和第二石英玻璃3垂直入射到还原腔体1内部进行加热。金属氧化物小颗粒7由安装在还原腔体1一侧的金属氧化物进料口8进入还原腔体1内部，然后靠重力下落。放置在还原腔体1底部的多孔隙隔板22上面的粒径为金属氧化物小颗粒粒径的10-10000倍的阻碍颗粒6(颗粒类型以钨颗粒、Al2O3颗粒、SiC材料为主)对下落的金属氧化物小颗粒7(以CeO2颗粒为例，所述CeO2颗粒粒径≤1mm)有一定的阻碍作用，可以延长其在反应器内部的停留时间。还原腔体1底部放置阻碍颗粒6，经过第一石英玻璃2和第二石英玻璃3垂直入射的太阳光随时对阻碍颗粒6进行加热，当出现云遮等天气变化时候，阻碍颗粒6将所储存的热量释放出来，维持还原腔体1内部具有较高的温度，同时也避免剧烈的温度变化对反应器所造成的热冲击。气体由安装在还原腔体1底部的还原腔体进气口14进入还原腔体1内部，由下向上流动的气体对还原腔体1内部的金属氧化物小颗粒7有一定的悬浮力，同时可以维持还原部件较好的真空度。气体由安装在还原部件顶部的还原腔体出气口15排出。金属氧化物小颗粒7在还原部件内部被加热，发生还原反应，然后沿多孔隙隔板22孔隙排出。
还原腔体1依次通过连接件18和第一密封阀门10连接氧化腔体9。
所述的氧化部件由氧化腔体9、氧化腔体进气口16和氧化腔体出气口17组成。在还原部件内部发生还原反应的金属氧化物小颗粒7在重力作用下降落至氧化腔体9内部。反应气体H2O/CO2由氧化腔体进气口16进入氧化腔体9内部与金属氧化物小颗粒7发生反应，反应产生的气体由氧化腔体出气口17排出。
氧化腔体9通过第二密封阀门11连接颗粒储存腔体12。
物料储存部件由颗粒储存腔体12组成。在还原部件内部反应完的金属氧化物小颗粒7在重力作用下降落至颗粒储存腔体12内部暂存。
物料输运部件由螺杆13、螺旋叶片20、电机19和物料输运腔体21组成。其中，螺杆13插入颗粒储存腔体12中心位置，在电机19的驱动下做旋转运动，螺杆13上面的螺旋叶片20把颗粒储存腔体12内部的金属氧化物小颗粒7提升至还原部件高度，然后通过金属氧化物进料口8进入到还原腔体1内部完成整个循环。物料输运腔体21外壁面与氧化腔体9外壁面相接触，冷态的金属氧化物小颗粒7被向上提升的过程中与高温的金属氧化物小颗粒7通过热传导实现对金属氧化物小颗粒7的热回收。
本装置的具体运行流程为：太阳光经过定日镜23和反光镜24反射变为垂直入射的光线，该汇集过的光线经过双层玻璃窗口入射到还原腔体1内部，对还原腔体1内部进行加热。阻碍颗粒6预先填充在还原腔体1内部，入射的太阳光首先对该部分阻碍颗粒6进行加热并使腔体内部保持较高的温度。惰性气体通过还原腔体进气口14进入到反应器内部带走还原腔体1内部的氧气，让还原腔体1内部维持较好的真空度。当还原腔体1内部温度达到几乎稳定的状态，此时启动电机19，进而带动螺杆13和螺旋叶片20转动，把预先加载到颗粒储存腔体12中的金属氧化物小颗粒7输运到金属氧化物进料口8的位置。在重力和上升气流悬浮力的双重作用下，金属氧化物小颗粒7缓慢地下落并吸收入射的太阳光升温。上升的气流也延缓了金属氧化物小颗粒7下落速度，并增加了金属氧化物小颗粒7接受太阳光照射的时间。此时从下往上流动的惰性气体及时地把金属氧化物小颗粒7产生的氧气带走，并维持腔体内部有一个较好的真空环境。在较低的氧偏压和较高的温度下，金属氧化物小颗粒7完成还原反应。此时，打开第一密封阀门10，让落下来的金属氧化物小颗粒7从该处流过，并进入到氧化腔体9内部。待所有金属氧化物小颗粒7全部通过第一密封阀门10，把第一密封阀门10关闭。进入到氧化腔体9内部的金属氧化物小颗粒7与氧化腔体9壁面发生热交换，一部分金属氧化物小颗粒7内部的热量交换给了物料输运腔体21的外壁面，进而传递给逆流向上的低温金属氧化物小颗粒7。待氧化腔体9内部的金属氧化物小颗粒7温度降至氧化反应所需温度时候，打开氧化腔体进气口16，通入水蒸气或者CO2气体与其中的金属氧化物小颗粒7发生反应。其中产生的H2或者CO气体从氧化腔体出气口17排出。打开第二密封阀门11，发生了氧化反应以后的金属氧化物小颗粒7在重力的作用下降落至颗粒储存腔体12内部。在螺旋叶片20的带动下，该部分金属氧化物小颗粒7缓慢被提升，然后通过金属氧化物进料口8进入到还原腔体1内部开始新一轮的循环。
该装置可以实现热化学循环反应的连续进行，其中金属氧化物小颗粒7预先填充至反应器内部并分为两部分，当一部分金属氧化物小颗粒7发生还原反应的时候，另外一部分金属氧化物小颗粒7发生氧化反应。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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