專利名稱：一種利用太陽(yáng)能復(fù)合聚光制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氫氣和氧氣制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用太陽(yáng)能制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)人在專利申請(qǐng)?zhí)枮?00310122974.9的發(fā)明專利申請(qǐng)中對(duì)有關(guān)氫經(jīng)濟(jì)的技術(shù)領(lǐng)域和技術(shù)背景已進(jìn)行闡述，該申請(qǐng)公開了一種利用太陽(yáng)能制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)及其裝置，利用太陽(yáng)能集熱器提供熱量，使水蒸汽在通式為MO-AB2O4尖晶石型催化劑作用下，在制氫吸附床中發(fā)生制氫反應(yīng)，分解出H2；同時(shí)制氧吸附床的堿金屬鹽活性炭催化劑因加熱而分解出的CO，供制氫吸附床催化劑還原，而放出CO2又被回收返回制氧吸附床，使活性炭催化劑又回復(fù)到堿金屬鹽而放出O2。該發(fā)明還公開了一種利用太陽(yáng)能制備氫氣和氧氣的裝置，包括太陽(yáng)能集熱器、制氫吸附床和制氧吸附床、熱交換器、水蒸氣發(fā)生器、輸送管道，所述的太陽(yáng)能集熱器通過太陽(yáng)能聚焦加熱傳熱液，產(chǎn)生的傳熱液蒸氣輸送到制氫吸附床；所述制氫吸附床內(nèi)裝有尖晶石型催化劑，和水蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；同時(shí)由制氧吸附床產(chǎn)生的一氧化碳通過不同的管路輸入制氫吸附床；使尖晶石型催化劑還原并放出二氧化碳，此二氧化碳被回收送回到制氧吸附床與堿金屬鹽活性炭催化劑反應(yīng)生成堿金屬鹽同時(shí)放出氧氣；氫氣經(jīng)熱交換器熱交換后壓縮貯存在氫氣貯罐中，氧氣經(jīng)熱交換器熱交換后壓縮貯存在氧氣貯罐中。該發(fā)明通過太陽(yáng)能聚焦時(shí)需連續(xù)跟蹤太陽(yáng)，裝置相對(duì)復(fù)雜，操作和控制困難。
現(xiàn)據(jù)一種CPC拋物面聚光原理(Comound Parabolic Collector簡(jiǎn)稱CPC)簡(jiǎn)稱復(fù)合聚光原理來設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能復(fù)合聚光制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)及其裝置。有關(guān)CPC復(fù)合聚光的原理已有很多專著作了詳細(xì)介紹。這一原理產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)60年代的冷戰(zhàn)時(shí)期，前蘇聯(lián)的B·K巴蘭諾夫和G.K苗爾尼可夫，美國(guó)的H.海因特伯格和R.溫斯東等都先后獨(dú)立提出了一種在接受角內(nèi)的投射輻射能全部反射到接受元件的理論。但直到上世紀(jì)70年代中后期，由于太陽(yáng)能研究引起重視，美國(guó)科學(xué)家首先將這種理論用作聚光器應(yīng)用于太陽(yáng)能，并作了大量的研究公開出版了專著。近年國(guó)內(nèi)也開始這方面的研究，并在太陽(yáng)能高溫?zé)嵩吹睦梅矫妫度氩糠衷囂叫栽囼?yàn)，取得了一定的收獲。其優(yōu)點(diǎn)是這種聚光器是一種非成像低聚焦，它可將給定接受角范圍內(nèi)的入射光線按理想聚光比收集到接受器上，由于它有較大的接受角，故在運(yùn)行時(shí)不需要連續(xù)跟蹤太陽(yáng)，只要根據(jù)接受角的大小和收集陽(yáng)光的小時(shí)數(shù)，每年定期調(diào)整若干次就可有效的工作。它可達(dá)到的聚光比在10以內(nèi)，當(dāng)聚光比在2以下時(shí)，都可做成固定式裝置。它可接受太陽(yáng)的直射輻射和部分散射輻射，并能接受一般跟蹤聚光器不能接受的“太陽(yáng)周圍輻射”。此類聚光器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能取得高溫。對(duì)聚光面型加工精度要求不嚴(yán)格。它在運(yùn)行時(shí)，安裝要求簡(jiǎn)便，只要將其線型接受器沿東西向水平放置，CPC的開口向南，其傾角可按太陽(yáng)直射被限在±θmax范圍內(nèi)來確定，如果太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)使直射輻射的入射角大于CPC的接受角，則CPC的開口就不必跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)曾有利用CPC技術(shù)配合在玻璃真空管上試驗(yàn)加熱熱水，其水管內(nèi)壁最高溫度可以高達(dá)400℃左右。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種利用太陽(yáng)能復(fù)合聚光加熱產(chǎn)生高溫，在催化劑作用下，使水發(fā)生分解來制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的能源直接由太陽(yáng)能供給，制備氫氣和氧氣成本低，對(duì)環(huán)境無污染。
根據(jù)下列一組熱化學(xué)反應(yīng)式組成一組熱化學(xué)循環(huán)制備氫氣和氧的裝置介紹如下
根據(jù)上述一組熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)式分析其特點(diǎn)如下(1)這是一組可循環(huán)的熱化學(xué)反應(yīng)式。反應(yīng)步驟緊湊，參加反應(yīng)的化學(xué)品較少。反應(yīng)后沒有多余的其它反應(yīng)物產(chǎn)生，為循環(huán)反應(yīng)創(chuàng)造了良好的開端。
(2)所有反應(yīng)結(jié)果都是氣固兩相，從(I)式FeCl3分解開始，讓參加反應(yīng)的化學(xué)品都處在一種全封閉的氣固兩相之中，由于氣相是無孔不入的，使反應(yīng)得到了充分接觸，溫度也由于太陽(yáng)能的介入得到了提高，再加上催化劑(FeCl3)的參與，就使得反應(yīng)更激烈、更徹底、更快速，對(duì)提高反應(yīng)循環(huán)周期更有利，也即反應(yīng)得率就更提高。
(3)HCl(氣)和Cl2(氣)雖有一定的腐蝕性，但在干燥情況下，其氣體基本沒有大多的腐蝕。它們只有在含水的情況下，腐蝕問題才特別突出。雖然在反應(yīng)過程中有水(氣)參加反應(yīng)，但參加反應(yīng)的水是以過熱蒸氣的氣相形式參與的，而這種過熱蒸氣具有熱容大、溫度高，含水份少，相對(duì)而言腐蝕可以降到最少。另外在設(shè)備材料上可選用耐腐蝕性能較好的不銹鋼，腐蝕問題是可以克服的。
(4)由于過熱蒸氣的含水份相對(duì)少了，熵的含量增大了，也即溫度提高了，反應(yīng)物之間分子相互碰沖加速了，碰沖次數(shù)增加了，更重要的是催化劑的參與，提高了活化性能只有大能量的活化性能分子參與分子碰沖，反應(yīng)速度就大大加快了。這時(shí)H2O分子中的O與H聯(lián)系的鍵(O-H)開始斷開，由于O-H鍵的斷開，直接影響到了FeCl2，本來FeCl2是要在600°以上才開始升華的，由于FeCl2中的和Fe和Cl聯(lián)系的鍵也開始受影響而松動(dòng)以至斷開，這時(shí)斷了鍵的O，自身就是活潑分子，它迅速地?fù)屖照剂薋eCl2中Cl的位置，F(xiàn)e是O的良好吸附床，因而引成了Fe3O4。懸在體系中的H2與同樣懸在體系中的Cl迅速地結(jié)合了，因而引成了HCl，多余的H2與HCl就只有混合在體系中。于是就有了以下反應(yīng)式因?yàn)檫@是一個(gè)大量吸熱的反應(yīng)，只有熱量充足時(shí)它的反應(yīng)就朝著正反應(yīng)進(jìn)行，一旦反應(yīng)溫度不足，反應(yīng)立即又朝逆方向進(jìn)行了。
(5)參與反應(yīng)的化學(xué)品是FeCl3，它在這組反應(yīng)中，實(shí)際是以催化劑身份出現(xiàn)的，沒有這個(gè)催化劑提供一個(gè)反應(yīng)活性中心反應(yīng)速度就沒有這么快，反應(yīng)溫度要求就更高。只有有了催化劑參與，化學(xué)反應(yīng)才有可能循環(huán)。其次唯一的一項(xiàng)消耗品是水，水到處都有，是一種廉價(jià)的自然資源，因此這個(gè)消耗品的成本幾乎是零，它分解得到的氫和氧是一對(duì)和諧的自然資源，它們?nèi)紵笊傻氖撬?，是可再生的資源，它對(duì)環(huán)境沒有污染，而對(duì)本反應(yīng)提供能源的是太陽(yáng)能這是大自然對(duì)人類的恩賜，因此可以說它的綜合成本將是任何一種制氫方案無法比擬的，它是成本最低的。
(6)(I)式和(II)式反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，盡管CPC聚焦能獲得400℃左右的高溫，但在單位時(shí)間內(nèi)CPC聚焦能否收集到足夠的能量，充分地供應(yīng)大容量的能量消耗，這是面臨的一個(gè)實(shí)際問題，解決的辦法有三個(gè)方面一是從理論上分析，特別(II)式反應(yīng)中要在反應(yīng)期內(nèi)提高熵的含量(即ΔS＞O)把原本供應(yīng)的飽和蒸氣，通過增加一道太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器，用過熱蒸氣參加(II)式的反應(yīng)，這樣就大大提高蒸氣中熵的含量，這對(duì)(II)式的反應(yīng)是至關(guān)重要的。二是在反應(yīng)體系內(nèi)增加一套電加熱輔助裝置，雖然它會(huì)略增成本，但這可以提供相應(yīng)所需的熱量。三是控制好反應(yīng)程序也是至關(guān)重要的。在這個(gè)反應(yīng)中，要做到反應(yīng)溫度前高后低。即反應(yīng)前期，反應(yīng)溫度要高，愈到反應(yīng)后期溫度則逐步降低。這是因?yàn)榫o隨其后的反應(yīng)(III)要求的反應(yīng)溫度只有200-290℃左右(FeCl3的熔點(diǎn)溫度306℃)。
(7)緊接(III)式是還原放熱反應(yīng)。理論上這個(gè)反應(yīng)要減少熵的含量(即ΔS＜O＝為此除及時(shí)關(guān)閉輔助電源并及時(shí)移走HCl和H2的混合氣，當(dāng)然這也適當(dāng)降低了一部分溫度，但實(shí)際上還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的。為及時(shí)移走這部分多余的熱量，在這一時(shí)段上就要引入一種方法來移走這部分多余的熱量(要知道太陽(yáng)能仍在不斷供應(yīng)熱量)。當(dāng)然可以考慮用增加設(shè)備的辦法來降低溫度。但那樣做的話，只有把設(shè)備越增越多，設(shè)備也越來越復(fù)雜，成本也會(huì)隨之加大。唯一簡(jiǎn)單的辦法，即是引入一種載體，把這部分過剩的熱量移走，就成了這一反應(yīng)時(shí)段的關(guān)鍵，因?yàn)檫@時(shí)熱量不移走，下一步反應(yīng)就中止不前。而且由于太陽(yáng)能加熱的熱量和時(shí)間是成正比例的，無法自由控制，如要達(dá)到自由控制，則需出很高的成本。
因此我們要用一種最廉價(jià)的辦法，讓它能按需進(jìn)行控制，這就是我們要引入載體這一概念的理由，我們暫且稱它為冷載體，通過一種冷載體我們就可以將多余的熱量帶走，但這個(gè)冷載體必須做到；在本反應(yīng)的溫度壓力下，它不和任何參加反應(yīng)的反應(yīng)物(包括催化劑)發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，而且它還要做到啟動(dòng)快，移走方便，同時(shí)還要防火防爆，防毒氣泄漏等方面的安全系數(shù)高，在物理性能方面，它要求這種冷載體既要和熱源接觸面較大，還要熱導(dǎo)率高，更要熱容大，而熱容大又跟密度有一定的關(guān)系。
顯然這樣的冷載體材料在現(xiàn)成的材料方面，只有元素周期表中的VIIIA族(又稱零族)的氣體元素比較合適，它們的化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定，一般情況下都不和其它成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只有Rn(氡)、Xe(氙)、Kr(氪)生成少數(shù)穩(wěn)定的化合物。將它們中最穩(wěn)定的氣體通過適當(dāng)改性成一種較理想的混合氣，用這種理想的混合氣作為熱交換的載體，對(duì)我們這組反應(yīng)是非常必要的。我們可以通過管道將這種混合氣載體引入反應(yīng)體系內(nèi)進(jìn)行熱交換。最后被加熱的混合氣載體送往貯水箱與冷水進(jìn)行熱交換。交換后的熱水留作加熱蒸氣，混合氣載體則被送到HCl吸附床將殘留的HCl吸附?；旌蠚廨d體則被送入貯罐貯存，以備下次備用。殘留HCl氣體經(jīng)吸附后定期回收再用。
(8)整個(gè)熱化學(xué)循環(huán)制備氫氣和氧氣的過程，其能量的轉(zhuǎn)換全部都在太陽(yáng)能CPC的復(fù)合聚焦反應(yīng)器內(nèi)完成，因而大大減少了熱交換過程的熱容損失，如高溫傳熱介度的熱容，各種熱交換機(jī)械設(shè)備的熱容，顯然這將大大提高了熱利用率。
(9)唯一參加化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)品是FeCl3，在這里FeCl3已成為催化劑的主要活性成分，而FeCl3卻是負(fù)載于一種載體上。因此要求這種催化劑要具有一定的形狀和粒度，以保證反應(yīng)時(shí)有良好的透氣性。在高溫時(shí)不碎不裂，強(qiáng)度好，還要有良好的熱穩(wěn)定性。要有一定大的表面積，更要有合適的孔型和孔徑。催化劑的導(dǎo)熱性能要好，還要有良好的抗各種病毒的性能和再生性能。
根據(jù)這些要求，F(xiàn)eCl3催化劑就是本發(fā)明的專用催化劑，其制備方法為FeCl3溶解在相應(yīng)溶劑中后用載體浸漬后過濾、烘干形成催化劑成品，溶劑可選用乙醚等可溶解FeCl3的常規(guī)溶劑，載體可選用Al2O3，即分子篩作催化劑載體，可達(dá)到本發(fā)明要求。
通過將FeCl3催化劑在太陽(yáng)能復(fù)合聚光加熱器內(nèi)加熱到300-350℃時(shí)，其反應(yīng)方程為開始分解發(fā)放出FeCl2和Cl2；Cl2氣通過冷凝器冷凝后被送入氯氣貯罐貯存；太陽(yáng)能復(fù)合聚光加熱器內(nèi)溫度又繼續(xù)加熱到350-500℃后將過熱蒸氣引入反應(yīng)體系，其反應(yīng)方程為反應(yīng)產(chǎn)生的HCl和H2的混合氣，經(jīng)冷凝器冷凝后被抽風(fēng)機(jī)送至吸附床，HCl氣被吸附床內(nèi)的脫氯化氫吸附劑所吸附，而分離出的H2則被為貯氫金屬所吸附；當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)混合氣為抽風(fēng)機(jī)抽走后，體系內(nèi)的溫度仍然高于下一步反應(yīng)所需要的溫度，故此啟動(dòng)抽風(fēng)機(jī)將混合氣載體貯罐中的混合氣載體送入反應(yīng)體系內(nèi)進(jìn)行熱交換。交換后的熱混合氣載體被送往貯水箱中加熱冷水。水被加熱后，熱水留作加熱蒸氣所用，熱交換后的混合氣載體又被送往HCl吸附床，將殘留的HCl進(jìn)行吸附。被吸附的殘余HCl，定期解吸回收使用，混合氣載體繼續(xù)送貯罐貯存，以供下一輪循環(huán)使用。當(dāng)反應(yīng)體系溫度下降到＞200℃時(shí)，吸附床內(nèi)的HCl被送入的蒸氣加熱而解吸與貯罐中的氯氣同時(shí)被抽風(fēng)機(jī)抽出送入反應(yīng)體系與Fe3O4反應(yīng)，其反應(yīng)方程為又還原成FeCl3，同時(shí)產(chǎn)生的還有H2O和O2的混合氣，混合氣經(jīng)冷凝器冷凝后冷凝成冷凝水，冷凝水被水泵送往貯水箱，繼續(xù)加熱成蒸氣供使用，分離出的O2被送往貯存。
一種利用太陽(yáng)能復(fù)合聚光制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)，利用拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管結(jié)合的太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器加熱產(chǎn)生飽和蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管結(jié)合的太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器加熱飽和蒸氣產(chǎn)生過熱蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空管結(jié)合的太陽(yáng)能發(fā)應(yīng)器將FeCl3催化劑加熱到反應(yīng)溫度后，首先分解出FeCl2和Cl2，Cl2被及時(shí)抽出送氯氣貯罐貯存；加熱溫度再升高到氫反應(yīng)溫度后接受太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器輸送的過熱蒸氣與FeCl2反應(yīng)，得到Fe3O4以及HCl和H2的混合氣；混合氣經(jīng)冷凝后送吸附床為HCl吸附劑所吸附，分離出的H2被貯存；反應(yīng)器內(nèi)過剩的高溫被抽風(fēng)機(jī)送來的混合氣載體在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行熱交換，經(jīng)過熱交換后的混合氣載體又被抽風(fēng)機(jī)送到貯水箱中與冷水進(jìn)行熱交換，交換后的熱水留作太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生飽和蒸氣，混合氣載體又被送到備用吸附床，將殘留的HCl氣體吸附后定期解吸回收用，分離出的混合氣載體又被送回貯罐供下一次循環(huán)備用；與此同時(shí)吸附床通過太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器輸送的過熱蒸氣蒸氣加熱，將被吸附的HCl氣體解吸和貯罐中的Cl2同時(shí)被抽送到反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)，F(xiàn)e3O4還原成FeCl3，H2O和O2的混合氣經(jīng)冷凝后被抽風(fēng)機(jī)抽出冷凝水被水泵送入貯水箱供循環(huán)之用，分離的O2被貯存。
所述的混合氣載體為VIIIA族的氣體或者其混合物。
所述的太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器包括拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管和熱水箱，所述的拋物面聚焦器包括上蓋板，兩側(cè)板和外殼，上蓋板，兩側(cè)板均由玻璃板組成，內(nèi)部為一拋物面和下部過渡的漸開線面的鏡面；拋物面的焦點(diǎn)處固定太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管，太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管為一金屬管，外殼為高硼硅玻璃管，高硼硅玻璃管和金屬管封死抽真空形成真空層，高硼硅玻璃管內(nèi)的金屬管為蒸發(fā)段，蒸發(fā)段上的金屬管外部設(shè)有由鋁、銅金屬片組成的吸熱片，金屬管和吸熱片上磁控濺射高溫選擇性吸收涂層，金屬管伸出高硼硅玻璃管的一端為冷凝段，冷凝段插入熱水箱。
所述的太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器包括拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發(fā)生器，所述的拋物面聚焦器的拋物面的焦點(diǎn)處固定太陽(yáng)能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發(fā)生器，太陽(yáng)能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發(fā)生器的外層為高硼硅玻璃管，內(nèi)層為金屬管，中間抽真空；金屬管外壁磁控濺射耐高溫選擇性吸收涂層；金屬管兩頭有法蘭活動(dòng)聯(lián)接的封頭，內(nèi)裝導(dǎo)熱性能特好的金屬絲網(wǎng)卷成的網(wǎng)卷，網(wǎng)卷填滿整個(gè)管子內(nèi)部空間緊貼管子內(nèi)壁；兩頭封頭有進(jìn)出口接頭。
所述的太陽(yáng)能反應(yīng)器包括拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空管反應(yīng)器，所述的拋物面聚焦器的拋物面的焦點(diǎn)處固定太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管反應(yīng)器，太陽(yáng)能金屬玻璃真空管反應(yīng)器的外層為高硼硅玻璃管，內(nèi)層是耐腐蝕的不銹鋼管，中間抽真空；不銹鋼管外壁磁控濺射耐高溫選擇性吸收涂層；兩端為帶法蘭活動(dòng)聯(lián)接的封頭；管子兩頭有孔板，中間有供進(jìn)出口氣的不銹鋼導(dǎo)管，導(dǎo)管在反應(yīng)段沿軸向每隔一段距離按徑向均勻布若干小孔；鋼管內(nèi)填滿FeCl3催化劑，催化劑的空間埋有通氣的導(dǎo)管，在導(dǎo)管沿軸向每隔一段距離按徑向均勻分布若干小孔。
本發(fā)明利用CPC復(fù)合拋物面聚焦不用跟蹤太陽(yáng)聚焦的簡(jiǎn)便方法，直接把CPC復(fù)合聚焦器和金屬玻璃真空管相結(jié)合，并在金屬玻璃真空管內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，分別組成太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器，太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器和太陽(yáng)能反應(yīng)器等三種不同作用不同性能的太陽(yáng)能新型加熱器，熱效率高，使太陽(yáng)能得到充分的利用。
本發(fā)明充分利用CPC聚焦不用跟蹤太陽(yáng)的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了太陽(yáng)能跟蹤聚焦方面的投資。其次，整個(gè)系統(tǒng)的熱交換過程，沒有使用高溫傳熱介質(zhì)以及相配套的裝置和傳輸管道和各種類型的換熱器，從而大大節(jié)約了這些設(shè)備所需要消耗的熱容損失。整個(gè)反應(yīng)過程完全在一個(gè)全封閉的體系內(nèi)，化學(xué)品循環(huán)使用，沒有損耗。消耗的是水，得到的是氫和氧，所用的能源是太陽(yáng)能，可以預(yù)見它將是所有制氫方案中最環(huán)保最低成本的方案。


圖1為本發(fā)明制備氫氣和氧氣的工藝流程示意圖；圖2為本發(fā)明太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中A-A剖面的拋物面聚焦器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器中的的金屬玻璃真空管過熱蒸氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的太陽(yáng)能反應(yīng)器中金屬玻璃真空管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖5中B-B剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，1為熱管式的太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器。太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器由外部的拋物面聚焦器和內(nèi)部的太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管和熱水箱組成。熱管是目前一種新型高效換熱元件，它能通過很小的表面積傳遞很大的熱量。它由一根導(dǎo)熱性能特好的金屬管，一端為冷凝段，被插在水箱中，另一端為蒸發(fā)段，被埋在真空的高硼硅玻璃管內(nèi)，金屬管的內(nèi)壁覆蓋著一種芯狀的芯網(wǎng)，管內(nèi)裝有一定量的可凝性液體，兩頭封死，管內(nèi)抽真空。金屬管在蒸發(fā)段有鋁或銅片做成的吸熱片，外表磁性濺射一層高溫選擇性吸收涂層。當(dāng)金屬管在真空玻璃管內(nèi)聚光加熱后，由于毛細(xì)作用，管子內(nèi)的液體滲透到芯網(wǎng)中，液體在芯網(wǎng)中被汽化，蒸發(fā)的蒸氣就從管心流向冷凝段，冷凝段就和水箱中的水進(jìn)行熱交換。重新凝結(jié)的液體在芯網(wǎng)毛細(xì)作用下又流回蒸發(fā)段。這樣周而復(fù)始的熱交換，水箱中的水被加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸氣。
蒸氣分別用管道送往太陽(yáng)能過熱蒸發(fā)生器2和吸附床6-1、6-2。所有蒸氣管道過熱蒸氣管道外表都要包扎保溫層。熱管數(shù)量由產(chǎn)量多少?zèng)Q定增減。太陽(yáng)能過熱蒸發(fā)生器2接收太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器1送來的飽和蒸氣后加熱產(chǎn)生的過熱蒸氣送往太陽(yáng)能反應(yīng)器3，此時(shí)過熱蒸氣熱容增加了，加熱器的數(shù)量同樣由產(chǎn)量決定增減。此前太陽(yáng)能反應(yīng)器3已在加熱，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度已達(dá)到300-350℃時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)FeCl3催化劑開始分解，反應(yīng)式(I)開始反應(yīng)變成3FCl2和(3/2)Cl2，此Cl2通過序號(hào)4-1的冷凝器冷凝后被抽風(fēng)機(jī)21送往Cl2儲(chǔ)罐5儲(chǔ)存。在Cl2分解徹底后，當(dāng)體系內(nèi)溫度達(dá)到350℃以上時(shí)，即將太陽(yáng)能過熱蒸發(fā)生器2內(nèi)的過熱蒸氣通入太陽(yáng)能反應(yīng)器3，進(jìn)入反應(yīng)式(II)反應(yīng)這一反應(yīng)時(shí)要控制好反應(yīng)溫度前高后低，即初期反應(yīng)溫度要高，到了反應(yīng)后期，反應(yīng)溫度要低，產(chǎn)生的HCl(氣)和H2(氣)混合氣，通過冷凝器41冷凝后被抽風(fēng)機(jī)21抽往吸附床61內(nèi)，對(duì)HCl氣體進(jìn)行吸附(吸附床61和吸附床62，作為循環(huán)反應(yīng)時(shí)交替使用)。并同時(shí)啟動(dòng)冷卻水對(duì)吸附床61進(jìn)行降溫，以加大吸附床對(duì)HCl的吸附能力。未被吸附的H2分離出后，通過止回閥被送往金屬貯氫桶7所吸附。(吸附床61、62的吸附劑可選擇有關(guān)脫氯催化劑作為HCl氣體的吸附劑，此外還有膜分離等方法供選擇)當(dāng)反應(yīng)體系內(nèi)HCl氣體和H2氣全部反應(yīng)結(jié)束送走時(shí)，在準(zhǔn)備進(jìn)行(III)式反應(yīng)之前，首先要打開d電磁閥，起動(dòng)抽風(fēng)機(jī)22，將混合氣載體從貯罐10中引入太陽(yáng)能反應(yīng)器3內(nèi)進(jìn)行熱交換。最后被加熱的混合氣載體又被抽風(fēng)機(jī)23(電磁閥O打開)引入貯水箱9進(jìn)行熱交換，熱交換后貯水箱9內(nèi)的熱水留作供太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器1加熱蒸氣。換熱后的混合氣載體被送回序吸附床63將殘留的HCl的氣體吸附(吸附床定期解吸)。分離出的混合氣載體送回貯罐10存供下一次循環(huán)使用。選用VIIIA族的氣體或者其混合物作混合氣載體作為傳熱介質(zhì)，主要考慮混合氣載體不與其它任何物質(zhì)有化學(xué)反應(yīng)；其次混合氣載體熱傳導(dǎo)率在所有氣體中是比較高的。隨后準(zhǔn)備進(jìn)入(III)式反應(yīng)在這一組反應(yīng)中，反應(yīng)溫度要控制前低后高，即反應(yīng)前期溫度要低，因?yàn)檫@是一組放熱反應(yīng)，后期反應(yīng)溫度隨著反應(yīng)時(shí)間推移，溫度自然要上去。此時(shí)吸附床61內(nèi)通入蒸氣加熱，將吸附床內(nèi)被吸附的HCl氣體進(jìn)行解吸然后通過抽風(fēng)機(jī)22又將解吸后的HCl和貯氯罐中的Cl2抽出送往太陽(yáng)能反應(yīng)器3內(nèi)與Fe3O4反應(yīng)，而放出H2O(氣)和O2的混合氣。通過抽風(fēng)機(jī)23抽出，電磁閥n開，經(jīng)冷凝器42，H2O被冷凝成冷凝水，送氧氣貯罐8，冷凝水被水泵11送到貯水箱9內(nèi)供太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器1產(chǎn)生蒸氣。分離出的O2留貯罐貯存。到此一個(gè)熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)的過程全部結(jié)束。
圖2所示為利用CPC組裝而成的太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器，圖3為CPC拋物面聚焦器示意圖。11為熱管，12為蒸氣發(fā)生器的熱水箱。13和14為CPC聚焦器的兩側(cè)面玻璃蓋板，15為CPC聚焦器上玻璃蓋板。太陽(yáng)光線就從這里射入CPC拋物面并聚焦到真空加熱管上，以減少吸熱體(真空玻璃熱管)對(duì)環(huán)境的對(duì)流和輻射損失，并保護(hù)吸熱體拋物面等部件不受雨雪、風(fēng)砂、灰塵、污物、大氣污染等的直接侵襲，為此要求玻璃蓋板具有以下特性(1)光學(xué)性能要好，即太陽(yáng)輻射透過率高，吸收率和反射要低，熱輻射不透過性要好；(2)機(jī)械性能要好，能承受一定的風(fēng)壓、積雪、冰苞、投擲石子等外力和熱應(yīng)力作用。(3)耐老化性能好，長(zhǎng)期暴露在大氣環(huán)境和陽(yáng)光下，將對(duì)拋物鏡面的使用質(zhì)量和使用壽命造成重大影響。161和162為CPC拋物鏡面(拋物鏡面可以玻璃鍍金屬膜的，也可以塑料鍍金屬膜的，還有不銹鋼磨面拋光的)它的下部和拋物面過渡的是漸開面。序號(hào)17為CPC聚焦器保溫層和外殼，外殼要承受一定的重量，因此要有一定的強(qiáng)度和剛度，它可以是鐵皮的也可以是木頭的。通過玻璃側(cè)板、蓋板、拋物鏡面，保溫層、外殼、熱管式真空玻璃管等組成一個(gè)全封閉的CPC聚光器，在這個(gè)封閉的體系內(nèi)，由于有一部分空氣，空氣中含有一定量的水份，特別在冬天當(dāng)封閉體內(nèi)外的溫差大時(shí)就很容易在玻璃的表面上形成一層霧氣，影響太陽(yáng)的透過率，為此在聚光器的底部，設(shè)計(jì)安放一點(diǎn)干燥劑，以吸附體內(nèi)空氣中的水份。
在圖3中，我們從161和162的拋物鏡面上可以看到入射光線A經(jīng)過拋物鏡面反射后與玻璃真空管的F點(diǎn)相切，B’入射光線經(jīng)拋物鏡面反射后同樣與玻璃真空管的F點(diǎn)相切，這個(gè)F點(diǎn)就是拋物鏡面反射后的聚焦點(diǎn)，由于這個(gè)聚焦點(diǎn)最后可連成一條直線，因此過F點(diǎn)的線實(shí)際是一條聚焦線。當(dāng)入射光線從另外一個(gè)方面入射時(shí)，相同道理，就引成過F’點(diǎn)的F’聚焦線。
與其它聚光器相比，CPC的反射鏡面面積較大，但由于CPC的上部鏡面幾乎與包含對(duì)稱軸的中心面相平行，故這部分鏡面的聚光效果很小，為減小CPC的尺寸，以降低成本，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可將上部鏡面截去40-60％，如圖中將高度H，截去40-60％后，保留h高度，其聚光效果是基本相同的。
圖4所示為利用CPC組裝而成的金屬玻璃真空管過熱蒸氣發(fā)生器。21為導(dǎo)熱性能特好的金屬管，外表磁控濺射一層高溫度選擇性吸收涂層。22為真空層。23為高硼硅玻璃管。24為導(dǎo)熱性能特好的金屬絲卷成圓形金屬網(wǎng)，金屬絲網(wǎng)填滿整個(gè)金屬管內(nèi)管，且緊貼內(nèi)壁。25為上封頭。26為下封頭。27為飽和蒸氣入口。28為過熱蒸氣出口。飽和蒸氣從飽和蒸氣入口27進(jìn)入后，即不斷與被太陽(yáng)能CPC聚焦加熱的金屬內(nèi)腔，包括金屬絲網(wǎng)進(jìn)行熱交換，使飽和蒸氣的熱容不斷增加，即擴(kuò)大了過熱蒸氣熵的含量，最后過熱蒸氣出口28出口送往太陽(yáng)能反應(yīng)器3參加(II)式反應(yīng)。
圖5、圖6所示為利用CPC組裝而成的金屬玻璃真空管反應(yīng)器。31為一種耐腐蝕不銹鋼管，外表磁控濺射一層高溫選擇性吸收涂層。32為高硼硅玻璃管。33為真空層。34為不銹鋼上封頭，35為不銹鋼下封頭。36為耐腐性不銹鋼導(dǎo)管，在導(dǎo)管的反應(yīng)段內(nèi)沿軸向每隔一定距離在園周方向均勻布若干小孔以作反應(yīng)氣體通道。37為輔助電源，其功率大小根據(jù)反應(yīng)溫度補(bǔ)缺。38為不銹鋼導(dǎo)管，同樣在反應(yīng)段沿軸向每隔若干距離按圓周方向均勻布若干小孔，以供氣體進(jìn)出通道。39為導(dǎo)管填料函以供密封之用。310和311為排氣孔，312為FeCl3催化劑。
在(II)式的整個(gè)反應(yīng)過程，前期因?yàn)檫@是一個(gè)吸熱反應(yīng)，體系內(nèi)要達(dá)到較高的反應(yīng)溫度，同時(shí)反應(yīng)過程中又大量吸熱，一旦太陽(yáng)能CPC聚焦溫度不足，可增加輔助電源，以滿足反應(yīng)熱的需要。另方面在反應(yīng)的后期，又因?yàn)榇罅康姆磻?yīng)已基本結(jié)束，其溫度仍處于高端，而下一步的(III)反應(yīng)，其反應(yīng)溫度只要求200-290℃之間(因?yàn)镕eCl3的熔點(diǎn)才306℃，分解溫度才315℃，如果反應(yīng)體系的溫度接近熔點(diǎn)，顯然對(duì)FeCl3的還原反應(yīng)是不利的，所以在這一段時(shí)間內(nèi)要體系內(nèi)的溫度從高端的400℃多度，一下子降到200℃多度，顯然這是難的。因?yàn)樘?yáng)能仍然是照樣加熱不誤，為此在工藝上增加了一段利用混合氣載體進(jìn)行熱交換，要快速?gòu)捏w系內(nèi)將多余的熱量移走，且不能浪費(fèi)。混合氣載體是最理想的熱交換氣體。一是混合氣載體不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；二是混合氣載體的熱傳導(dǎo)系數(shù)高，三是混合氣載體可循環(huán)使用。
同樣在(III)式的反應(yīng)中，因(II)式參加反應(yīng)的H2O是過量的，過量的水與Cl結(jié)合變成6HCl，故在(III)式的反應(yīng)中又把它們還原回來。實(shí)際上(I)(II)(III)式的反應(yīng)是在一個(gè)全封閉的過程中，嚴(yán)格遵守一個(gè)循環(huán)的平衡，消耗的是水，被分解成氫和氧。
有關(guān)整個(gè)反應(yīng)體系的溫度、壓力、各種反應(yīng)氣體的信號(hào)均由傳感器通過電腦作出自動(dòng)化控制，是已經(jīng)成熟的技術(shù)，這里不再?gòu)?fù)述。
權(quán)利要求
1.一種利用太陽(yáng)能復(fù)合聚光制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)，其特征在于利用拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管結(jié)合的太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器加熱產(chǎn)生飽和蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管結(jié)合的太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器加熱飽和蒸氣產(chǎn)生過熱蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空管結(jié)合的太陽(yáng)能發(fā)應(yīng)器將FeCl3催化劑加熱到反應(yīng)溫度后，首先分解出FeCl2和Cl2，Cl2被及時(shí)抽出送氯氣貯罐貯存；加熱溫度再升高到氫反應(yīng)溫度后接受太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器輸送的過熱蒸氣與FeCl2反應(yīng)，得到Fe3O4以及HCl和H2的混合氣；混合氣經(jīng)冷凝后送吸附床為HCl吸附劑所吸附，分離出的H2被貯存；反應(yīng)器內(nèi)過剩的高溫被抽風(fēng)機(jī)送來的混合氣載體在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行熱交換，經(jīng)過熱交換后的混合氣載體又被抽風(fēng)機(jī)送到貯水箱中與冷水進(jìn)行熱交換，交換后的熱水留作太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生飽和蒸氣，混合氣載體又被送到備用吸附床，將殘留的HCl氣體吸附后定期解吸回收用，分離出的混合氣載體又被送回貯罐供下一次循環(huán)備用；與此同時(shí)吸附床通過太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器輸送的過熱蒸氣蒸氣加熱，將被吸附的HCl氣體解吸和貯罐中的Cl2同時(shí)被抽送到反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)，F(xiàn)e3O4還原成FeCl3，H2O和O2的混合氣經(jīng)冷凝后被抽風(fēng)機(jī)抽出冷凝水被水泵送入貯水箱供循環(huán)之用，分離的O2被貯存。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能復(fù)合聚光制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)，其特征在于所述的混合氣載體為VIIIA族的氣體或者其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能復(fù)合聚光制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器包括拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管和熱水箱，所述的拋物面聚焦器包括上蓋板，兩側(cè)板和外殼，上蓋板，兩側(cè)板均由玻璃板組成，內(nèi)部為一拋物面和下部過渡的漸開線面的鏡面；拋物面的焦點(diǎn)處固定太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管，太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管為一金屬管，外殼為高硼硅玻璃管，高硼硅玻璃管和金屬管封死抽真空形成真空層，高硼硅玻璃管內(nèi)的金屬管為蒸發(fā)段，金屬管伸出高硼硅玻璃管的一端為冷凝段，冷凝段插入熱水箱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能復(fù)合聚光制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)，其特征在于蒸發(fā)段上的金屬管外部設(shè)有由鋁、銅金屬片組成的吸熱片，金屬管和吸熱片上磁控濺射高溫選擇性吸收涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能復(fù)合聚光制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器包括拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發(fā)生器，所述的拋物面聚焦器的拋物面的焦點(diǎn)處固定太陽(yáng)能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發(fā)生器，太陽(yáng)能金屬玻璃真空管過熱蒸氣發(fā)生器的外層為高硼硅玻璃管，內(nèi)層為金屬管，中間抽真空；金屬管外壁磁控濺射耐高溫選擇性吸收涂層；金屬管兩頭有法蘭活動(dòng)聯(lián)接的封頭，內(nèi)裝導(dǎo)熱性能特好的金屬絲網(wǎng)卷成的網(wǎng)卷，網(wǎng)卷填滿整個(gè)管子內(nèi)部空間緊貼管子內(nèi)壁；兩頭封頭有進(jìn)出口接頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用太陽(yáng)能復(fù)合聚光制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽(yáng)能反應(yīng)器包括拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空管反應(yīng)器，所述的拋物面聚焦器的拋物面的焦點(diǎn)處固定太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管反應(yīng)器，太陽(yáng)能金屬玻璃真空管反應(yīng)器的外層為高硼硅玻璃管，內(nèi)層是耐腐蝕的不銹鋼管，中間抽真空；不銹鋼管外壁磁控濺射耐高溫選擇性吸收涂層；兩端為帶法蘭活動(dòng)聯(lián)接的封頭；管子兩頭有孔板，中間有供進(jìn)出口氣的不銹鋼導(dǎo)管，導(dǎo)管在反應(yīng)段沿軸向每隔一段距離按徑向均勻布若干小孔；鋼管內(nèi)填滿FeCl3催化劑，催化劑的空間埋有通氣的導(dǎo)管，在導(dǎo)管沿軸向每隔一段距離按徑向均勻分布若干小孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用太陽(yáng)能復(fù)合聚光制備氫氣和氧氣的系統(tǒng)，利用拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管結(jié)合的太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器加熱產(chǎn)生飽和蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空熱管結(jié)合的太陽(yáng)能過熱蒸氣發(fā)生器加熱飽和蒸氣產(chǎn)生過熱蒸氣；利用拋物面聚焦器和太陽(yáng)能金屬玻璃真空管結(jié)合的太陽(yáng)能發(fā)應(yīng)器在FeCl
文檔編號(hào)C01B13/02GK1803579SQ200510048908
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者吳佶偉 申請(qǐng)人:吳佶偉