CN104449847A - 一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化的方法。太阳光经过分光片，一束光进入光催化室，另一束光透过玻璃盖板照射在腔式吸光腔内，固体颗粒经颗粒入口进入吸光腔，固体颗粒和吸光腔内壁同时吸收太阳光，将太阳光转化为热能，高温热颗粒与通过含碳物质进口进入吸光腔的含碳物质混合，同时含碳物质接收吸光腔的辐射能量，含碳物质温度升高发生反应，反应气体产物进入反应产物催化处理***，大部分反应气和不饱和反应油在光催化室内被催化后，进入储油罐储存。本发明利用可见光波段和红外波段加热固体颗粒，为含碳物质反应提供热量，利用紫外波段对反应产物中的不饱和反应油进行光催化，增加其稳定性。

Description

一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化的方法
技术领域
本发明涉及太阳能热化学领域，尤其涉及一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化的方法。
背景技术
全球太阳能辐射总量约1.7×1017W，其中我国约占1%（1.8×1015W，相当于1.9万亿吨标煤/年），是我国目前年能耗总量的680倍，太阳能蕴藏着巨大的开发潜力。但是太阳能能流密度比较低，能量波动比较大，储存费用高，如采用光伏并网发电，对电网的冲击又比较大，这些问题一直影响着太阳能的进一步开发利用。而太阳能热化学方法正是通过聚光器聚焦太阳光，提高能流密度，通过热量储存和热化学反应，减小能量输出波动，同时将太阳能以化学能的形式储存起来。太阳能驱动的含碳物质反应方法正是一种高效的太阳能热化学方法。
在我国，煤炭、生物质、生活垃圾等含碳物质一直是直接燃烧发电，造成了利用品位低，空气污染等问题。为了提高利用品味，煤反应、生物质反应等高效的反应利用技术得到了开发和推广。而含碳物质反应是一个吸热反应，包括热解和气化反应，需要大量的热量来维持反应的进行，如利用通过反应物本身的燃烧提供热量。太阳能经过聚光器聚焦，可以达到900℃以上的温度，足以满足其反应对热量的需求。将太阳能与含碳物质反应结合起来，既促进了太阳能的进一步利用，也提高了单位质量含碳物质的反应产物产出率。同时，由于普通的反应产物，如反应油等，性能不稳定，品质较低，利用太阳光中紫外波段对反应油进行光催化，减少反应油中的不饱和键，可以提高反应油的稳定性。
发明内容
技术问题：本发明针对现有的含碳物质反应耗能大，反应产物性能不稳定，太阳能无法储存等问题，提供了一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化的方法。将两者有效地结合起来，用太阳能提供含碳物质反应所需的能量，既可以提高单位质量含碳物质的反应产物产出率，改善反应产物性能，同时又可以将太阳能以这些化学能形式储存起来.
本发明的具体技术方案如下：
一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化的方法是：太阳光经过聚焦以后，通过分光片分为两束不同波段的光，一束光以紫外波段为主，波段范围为280～400nm，进入光催化室进行光催化反应，另一束以可见光和近红外光为主，波段范围为400~2000nm，此光束再经过复合抛物面聚光器聚焦后，透过玻璃盖板照射在吸光腔内，固体颗粒经颗粒入口进入吸光腔，此时的冷固体颗粒温度在200℃～300℃，冷固体颗粒和吸光腔同时吸收高能流密度的太阳光，将太阳光转化为热能，颗粒温度上升到800℃～1100℃，经过预处理的含碳物质通过含碳物质进口直接进入吸光腔，含碳物质的温度在100℃左右，与固体热颗粒相混合，含碳物质吸收固体热颗粒的热量，同时吸收吸光腔的辐射能量，含碳物质温度上升到500℃～800℃，发生反应，高温的反应气由气体出口进入反应产物催化处理***，经冷凝分馏室冷凝后分为气相产物和液相产物，气相产物经过三通阀后，一部分进入光催化室和液相产物发生催化反应，合成稳定的反应油，进入储油罐储存。未进入光催化室的气相产物经换热器换热后，混合气温度上升到200℃～300℃，然后将混合气经过气体进口通入吸光腔。在吸光腔中，经过反应的含碳物质变为反应固体产物，反应固体产物和反应后的冷固体颗粒经颗粒出口流出，此时反应固体产物和冷固体颗粒的温度为300℃～400℃，反应固体产物和冷固体颗粒进入燃烧室燃烧，反应固体产物燃烧完毕后将固体颗粒通入换热器，固体颗粒被冷却到200℃～300℃,然后冷固体颗粒经过提升管到达颗粒入口，完成固体颗粒循环***。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明将太阳光进行分频，利用可见光波段和红外波段加热固体颗粒，为含碳物质反应提供热量，利用紫外波段对反应产物中的不饱和反应油进行光催化，增加其稳定性，不仅提高了太阳能的利用率，而且提高了产物的品质。
2、本发明将含碳物质反应和太阳能高温热利用结合起来，利用高聚光比的太阳能提供含碳物质反应所需的热量，提高了单位质量含碳物质的反应产物产出率，同时将太阳能以化学能储存起来。
3、本发明利用太阳能为含碳物质提供反应所需的热量，避免了含碳物质的燃烧过程，减少了二氧化碳的排放，同时，减少了燃烧烟气对反应产物的污染，为反应产物的后续处理和收集储存提供了好处。
4、本发明的方法利用固体颗粒作为吸收高聚焦太阳光的介质，将热量传递给含碳物质，提高了太阳光吸收率和吸收速率，满足含碳物质的升温温度和升温速率要求。
附图说明
图1是一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化方法示意图；
图中：分光片1、玻璃盖板2、吸光腔3、气体出口4、冷凝分馏室5、三通阀6、光催化室7、储油罐8、燃烧室9、换热器10、固体产物出口11、气体进口12、含碳物质进口13、提升管14、颗粒入口15、复合抛物面聚光器16。
具体实施方式
一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化方法如图1所示，聚焦太阳光经分光片1分为两束不同波段的光，一束光波段为400～2000nm，入射到吸光腔3，为吸光腔3内的含碳物质反应提供热量，另一束波段为280～400nm的光，入射到光催化室7对含碳物质反应产物进行光催化反应，将含碳物质反应产物中的不饱和键转化为稳定的饱和键，从而合成稳定的反应油。
为提高聚光比以及反应温度，经分光片分光后，所述400～2000nm波段的光经复合抛物面聚光器16再次聚焦，并经玻璃盖板2射入吸光腔3。所述的含碳物质反应产物从吸光腔气体出口4流出，并经冷凝分馏室5冷凝分馏，冷凝分馏后的气相产物经过三通阀6，其中一部气相产物与冷凝分馏后的含有不饱和键的液相产物在光催化室7内被催化反应，合成稳定的反应油，进入储油罐8储存。
所述的吸光腔3内装填有固体颗粒，固体颗粒经颗粒入口15进入吸光腔3，吸收太阳辐射，温度升高，含碳物质通过含碳物质进口13直接进入吸光腔3，与固体热颗粒相混合，含碳物质吸收固体热颗粒的热量，同时接收吸光腔3的辐射能量，发生反应，生成反应气。
所述的冷凝分馏后的气相产物中未进入光催化室7的一部分气相产物通过换热器10换热升温后经气体进口12通入吸光腔3，含碳物质反应产生的固体产物与反应后的冷固体颗粒经颗粒出口11流入燃烧室9燃烧，再经过换热器10换热降温，固体颗粒经提升管14到达颗粒入口15，完成固体颗粒循环。
所述冷固体颗粒受太阳辐射，温度由200℃～300℃上升至800℃～900℃，含碳物质反应的固体产物和反应后的冷固体颗粒的温度为300℃～400℃，经过换热器10换热后，温度变为200℃～300℃，三通阀6出来未进入光催化室7的气相产物的温度为100℃～200℃，流经换热器10换热后，温度变为200℃～300℃。
所述的一种太阳能驱动含碳物质反应的太阳光分频方法是，紫外波段的太阳光用于催化不饱和含碳物质反应产物，可见波段和红外波段的太阳光用于加热固体颗粒和吸光腔，为含碳物质反应提供热量。此方法充分利用了不同波段的太阳光的特性，既提高了含碳物质反应的效率，又解决反应油不稳定的问题。
实施例：
本实施例的太阳能驱动煤反应及反应产物光催化装置如图1所示，装置由分光片、玻璃盖板、吸光腔、气体出口、冷凝分馏室、三通阀、光催化室、储油罐、燃烧室、换热器、固体产物出口、气体进口、含碳物质进口、提升管、颗粒入口、复合抛物面聚光器组成。其中分光片将聚焦光线分为两束，一束经复合抛物面聚光器聚焦后，经过玻璃盖板进入吸光腔内，吸光腔反应固体产物出口与燃烧室入口相连，燃烧室出口与换热器入口相连，换热器出口经提升管与吸光腔固体颗粒入口相连。吸光腔气体出口与反应产物催化处理***中的冷凝分馏室相连，冷凝分馏室与三通阀进口相连，三通阀一端出口和反应油出口同时与光催化室相连入口，光催化室出口与储油罐相连，三通阀的另一端出口经换热器和吸光腔气体进口相连。
在阳光充足的晴天，太阳辐射能量为700W/m2，假设聚光镜直径为3m，聚光效率为90%，聚光后的太阳能能流密度为300kW/m2, 太阳能总功率为4KW，其中占3.5%能量的280~400nm的紫外波段的太阳光被引入光催化室进行光催化反应，剩余的96.5%能量的太阳光通过复合抛物面聚光器再次聚焦，穿透透明玻璃盖板照射在吸光腔内，吸光腔和固体颗粒吸收太阳光转化为热量，吸光腔的热转换效率为80%。进入吸光腔的固体颗粒质量流量为13.74Kg/h，冷固体颗粒温度为200℃，吸收太阳光能量后，温度上升到900℃，经过和煤颗粒混合换热，然后再与反应气和水蒸气的混合气换热后，温度下降到400℃，总共传递给煤颗粒的热量为2.3kW,假设固体颗粒与煤颗粒之间的热交换效率为95%，煤颗粒的质量流量为13.05 Kg/h，温度由100℃上升到500℃，煤颗粒发生反应，反应产物为48.73m3/h，按照一天六个小时的正常运行来算，每天可反应的煤质量为78Kg/天，产生的反应产物为292.4 m3/天。温度为500℃的反应产物，经过冷凝分馏室分馏后，温度下降到200℃的反应气和不饱和反应油经过Pt催化剂和紫外光催化后，变成性能稳定的反应油，储存在储存罐内。温度下降到400℃的煤半焦和固体颗粒，经过燃烧室燃烧后，热量通过热交换器传递给重新进入反应腔的反应气和水蒸气混合物，固体颗粒温度下降到200℃，经提升管重新回到吸光腔入口，完成固体颗粒循环。

Claims (6)

1.一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化方法，其特征在于聚焦太阳光经分光片（1）分为两束不同波段的光，一束光波段为400～2000nm，入射到吸光腔（3），为所述吸光腔（3）内的含碳物质反应提供热量，另一束波段为280～400nm的光，入射到光催化室（7）对含碳物质反应产物进行光催化反应，将含碳物质反应产物中的不饱和键转化为稳定的饱和键，从而合成稳定的反应油。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化方法，其特征在于所述400～2000nm波段的光经复合抛物面聚光器（16）再次聚焦，并经玻璃盖板（2）射入吸光腔（3）。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化方法，其特征在于所述的含碳物质反应产物从吸光腔气体出口（4）流出，并经冷凝分馏室（5）冷凝分馏，冷凝分馏后的气相产物经过三通阀（6），其中一部气相产物与冷凝分馏后的含有不饱和键的液相产物在光催化室(7)内被催化反应，合成稳定的反应油，进入储油罐（8）储存。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化方法，其特征在于所述的吸光腔（3）内装填有固体颗粒，固体颗粒经颗粒入口（15）进入吸光腔（3），吸收太阳辐射，温度升高，含碳物质通过含碳物质进口（13）直接进入吸光腔（3），与固体热颗粒相混合，含碳物质吸收固体热颗粒的热量，同时接收吸光腔（3）的辐射能量，发生反应，生成反应气。
5.根据权利要求3或4所述的一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化方法，其特征在于所述的冷凝分馏后的气相产物中未进入光催化室（7）的一部分气相产物通过换热器（10）换热升温后经气体进口（12）通入吸光腔（3），含碳物质反应产生的固体产物与反应后的冷固体颗粒经颗粒出口（11）流入燃烧室（9）燃烧，再经过换热器（10）换热降温，固体颗粒经提升管（14）到达颗粒入口（15），完成固体颗粒循环。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能驱动含碳物质反应及反应产物光催化方法，其特征在于冷固体颗粒受太阳辐射，温度由200℃～300℃上升至800℃～900℃，含碳物质反应的固体产物和反应后的冷固体颗粒的温度为300℃～400℃，经过换热器（10）换热后，温度变为200℃～300℃，三通阀（6）出来未进入光催化室(7)的气相产物的温度为100℃～200℃，流经换热器（10）换热后，温度变为200℃～300℃。
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