固体颗粒热载体驱动碳氢固体燃料的气化反应装置

本公开涉及高温太阳能热化学利用，尤其涉及一种固体颗粒热载体驱动碳氢固体燃料的气化反应装置。

背景技术：

1、随着经济社会的高速发展，能源短缺和环境污染等问题已引起国际社会的高度关注，开发和探索可再生能源来代替过度开发的化石能源成为广泛共识。

2、太阳能因其具有资源量巨大、分布广泛、清洁无污染等优点被作为一种极具发展潜力的可再生能源。太阳能热化学转化技术作为一种富有前景的太阳能利用技术，可以有效地提高太阳能的利用效率，解决太阳能自身的波动性和不稳定性等问题。

3、其中，太阳能驱动碳氢固体燃料气化是一种有效的太阳能与碳氢固体燃料互补利用方式，其利用聚集的太阳能为碳氢固体燃料提供反应所需热量，从而发挥各自的能源属性优势，以产生高品质的合成气。目前，太阳能驱动碳氢固体燃料气化的主要方式包括直接辐照式和间接辐照式。直接辐照式是利用气体携带反应物颗粒在反应器内流动，并通过光孔直接接受聚光辐射，从而达到聚光太阳能为气化反应提供热量的目的。间接辐照式与直接辐照式区别在于接受辐照的方式。间接辐照式反应器一般设有两个腔体，其中一个腔体作为吸收腔吸收聚光太阳能，并通过导热性能良好的材料(如石墨板等)将吸收的热量传递给反应腔，从而为气化反应提供所需热量。

4、然而，传统的太阳能驱动碳氢固体燃料气化方式存在传热效率低、碳氢固体燃料受热不均、反应动力学较差等问题，太阳能自身的波动性也会给气化反应器的动态运行造成不利影响，并难以满足在夜间等时段的连续工作，对于提升太阳能转化效率、实现反应设备的大型化、工业化产生了较大障碍，因此需进一步开展技术优化。

5、对此，集成高温太阳能固体颗粒加热技术以及固体热载体气化技术将是一项可行的选择。固体颗粒如石英砂、铝矾土等具有良好的耐高温特性，有助于提升太阳能的加热温度，利用固体颗粒吸收太阳能并将其作为热载体驱动碳氢固体燃料气化，能实现固体颗粒与碳氢固体燃料的良好混合，保证碳氢固体燃料在气化过程中受热均匀，实现良好的气化反应动力学特性和反应转化率。与此同时，固体颗粒具有良好的储热性能，可以有效地储存太阳能，能够保障太阳能气化反应的连续稳定运行。

6、基于高温太阳能颗粒加热技术与固体颗粒热载体气化技术具有有效提升太阳能驱动碳氢固体燃料气化过程中的太阳能利用效率以及碳氢固体燃料的转化效率等诸多优势，因此，为了能够充分发挥这些优势，迫切需要开发先进的固体颗粒热载体气化反应器，以开展深入的理论和实验等相关基础研究和实践应用工作。

技术实现思路

1、本公开提供一种固体颗粒热载体驱动碳氢固体燃料的气化反应装置，包括：固体颗粒热载体加热装置、固体颗粒热载体储存装置及碳氢固体燃料气化反应器；固体颗粒热载体加热装置用于聚集高温太阳能以加热原始固体颗粒热载体；固体颗粒热载体储存装置用于存储固体颗粒热载体加热装置加热得到的高温固体颗粒热载体，以及碳氢固体燃料气化反应器反应后输出的中低温固体颗粒热载体；碳氢固体燃料气化反应器用于将固体颗粒热载体储存装置输入的高温固体颗粒热载体与碳氢固体燃料混合及传递热量，以驱动碳氢固体燃料气化反应生成气化合成气，并将反应后的中低温固体颗粒热载体输入至固体颗粒热载体储存装置，以使固体颗粒热载体储存装置将中低温固体颗粒热载体输入至固体颗粒热载体加热装置再加热，得到高温固体颗粒热载体；其中，碳氢固体燃料气化反应器包括反应腔，反应腔包括上部腔体和下部腔体，上部腔体为柱形中空腔体，下部腔体为一侧竖直、另一侧倾斜的渐缩腔体，下部腔体的渐缩面使反应腔内不同空间处受到不同的曳力作用；气体以一定流速从下部腔体下方喷入，碳氢固体燃料从所述下部腔体右方喷入，碳氢固体燃料与固体颗粒热载体由于质量差异在反应腔内产生流速差，使固体颗粒热载体在重力作用下坠落，碳氢固体燃料在气体推动作用下向运动至上部腔体，并在此过程中进行充分混合，完成碳氢固体燃料的吸热以及气化反应；被吹送至上部腔体但并未反应的碳氢固体燃料由于扩散力和重力作用重新掉落至下部腔体，并在气体的带动下再次向上部腔体运动，两者相互配合，实现固体颗粒热载体与碳氢固体燃料在反应腔内的良好混合及循环；碳氢固体燃料其中，固体颗粒热载体加热装置及固体颗粒热载体储存装置共同实现固体颗粒在反应腔外部的循环。

2、根据本公开的实施例，固体颗粒热载体储存装置包括高温储罐和中低温储罐，高温储罐用于存储高温固体颗粒热载体，中低温储罐用于存储中低温固体颗粒热载体。

3、根据本公开的实施例，碳氢固体燃料气化反应器还包括：高温颗粒进口，位于反应腔中下部腔体竖直侧的上端，并与高温储罐的出口连通；高温颗粒进口用于将高温固体颗粒热载体连续地喷射至下部腔体；中低温颗粒出口，位于反应腔中下部腔体竖直侧的下端，并与中低温储罐的进口连通；中低温颗粒出口用于将反应后的中低温固体颗粒热载体连续地输入至中低温储罐，随后将其送入固体颗粒热载体加热装置中进行再次加热；碳氢固体燃料进料口，位于下部腔体的倾斜侧；碳氢固体燃料进料口用于将燃料仓内的碳氢固体燃料连续地输入至下部腔体；气化剂进气口，位于下部腔体的底部，用于向下部腔体连续地输入气化剂和/或惰性气体，带动碳氢固体燃料和高温固体颗粒热载体从下部腔体运动至上部腔体，并在上部腔体实现充分混合及气化反应；反应物出口，位于上部腔体顶部，用于连续输出气化合成气以及未反应的碳氢固体燃料。

4、根据本公开的实施例于，中低温颗粒出口呈向下倾斜设置，使得中低温固体颗粒热载体能够借助重力作用顺利输送至中低温储罐。

5、根据本公开的实施例，碳氢固体燃料进料口设置在下部腔体倾斜侧的底端处，碳氢固体燃料在气化剂或惰性气体携带作用下通过碳氢固体燃料进料口连续输入至下部腔体内，在此过程中气化剂或惰性气体吹动下部腔体下方堆积的中低温固体颗粒热载体和/或高温固体颗粒热载体，增强中低温固体颗粒热载体和/或高温固体颗粒热载体在反应腔内的流化。

6、根据本公开的实施例，气化反应装置还包括：旋风分离器，设置于反应物出口处，用于对输出的气化合成气和未反应的碳氢固体燃料进行分离，其中，分离所得的合成气能够进一步用于发电或化学产品合成工艺，未反应的碳氢固体燃料回收至燃料仓再次利用。

7、根据本公开的实施例，固体颗粒热载体加热装置包括定日镜场以及颗粒接收器；定日镜场用于将太阳能汇聚至颗粒吸收器；颗粒接收器用于吸收初始的固体颗粒热载体和反应后的中低温固体颗粒热载体并进行加热，得到高温固体颗粒热载体，其中，颗粒接收器通过扰流或旋转的方式控制原始固体颗粒热载体和中低温固体颗粒热载体在颗粒吸收器内的停留时间。

8、根据本公开实施例提供的固体颗粒热载体驱动碳氢固体燃料的气化反应装置，至少能够实现以下技术效果：

9、通过将碳氢固体燃料气化反应器的反应腔设置为上部腔体和下部腔体两部分，固体颗粒在气体的带动下运动至上部腔体并在此过程中进行充分混合，完成碳氢固体燃料的吸热以及气化反应，随后固体颗粒在重力作用下掉落至下部腔体，并在气体的带动下再次向上部腔体运动，两者相互配合，实现固体颗粒热载体与碳氢固体燃料在反应腔内的良好循环，进而能够有效提升太阳能加热固体颗粒热载体驱动碳氢固体燃料气化过程中的太阳能利用效率以及碳氢固体燃料的转化效率。并且，固体颗粒热载体加热装置及固体颗粒热载体储存装置共同作用，能够更好地实现固体颗粒在反应腔外部的循环。

10、进一步地，将下部腔体设为倾斜渐缩腔体，气化剂以一定流速通过下方喷入，使得碳氢固体燃料颗粒能在腔体左侧在气化剂的带动下而向上运动，并在该过程中与高温固体颗粒热载体混合，在腔体右侧由于无气化剂的带动从而产生颗粒在腔体内运动的流速差，固体颗粒在扩散力和重力的作用下坠落至反应腔底部，并在气化剂的带动下再次向上运动，实现高温固体颗粒热载体与碳氢固体燃料在反应腔内的良好循环效果，实现充分混合。

11、更进一步地，将中低温颗粒热载体出口设置为呈向下倾斜设置，使得中低温固体颗粒热载体能在重力作用下顺利输送至固体颗粒热载体储存装置，减少了中低温固体颗粒热载体在下部腔体倾斜面及底部的堆积，有利于固体颗粒热载体在反应装置内的良好循环。