一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化的方法。太陽光經(jīng)過分光片，一束光進(jìn)入光催化室，另一束光透過玻璃蓋板照射在腔式吸光腔內(nèi)，固體顆粒經(jīng)顆粒入口進(jìn)入吸光腔，固體顆粒和吸光腔內(nèi)壁同時吸收太陽光，將太陽光轉(zhuǎn)化為熱能，高溫?zé)犷w粒與通過含碳物質(zhì)進(jìn)口進(jìn)入吸光腔的含碳物質(zhì)混合，同時含碳物質(zhì)接收吸光腔的輻射能量，含碳物質(zhì)溫度升高發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)氣體產(chǎn)物進(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物催化處理系統(tǒng)，大部分反應(yīng)氣和不飽和反應(yīng)油在光催化室內(nèi)被催化后，進(jìn)入儲油罐儲存。本發(fā)明利用可見光波段和紅外波段加熱固體顆粒，為含碳物質(zhì)反應(yīng)提供熱量，利用紫外波段對反應(yīng)產(chǎn)物中的不飽和反應(yīng)油進(jìn)行光催化，增加其穩(wěn)定性。
【專利說明】一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能熱化學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]全球太陽能輻射總量約1.7X 117W,其中我國約占1% (1.8X 115W,相當(dāng)于1.9萬億噸標(biāo)煤/年)，是我國目前年能耗總量的680倍，太陽能蘊(yùn)藏著巨大的開發(fā)潛力。但是太陽能能流密度比較低，能量波動比較大，儲存費(fèi)用高，如采用光伏并網(wǎng)發(fā)電，對電網(wǎng)的沖擊又比較大，這些問題一直影響著太陽能的進(jìn)一步開發(fā)利用。而太陽能熱化學(xué)方法正是通過聚光器聚焦太陽光，提高能流密度，通過熱量儲存和熱化學(xué)反應(yīng)，減小能量輸出波動，同時將太陽能以化學(xué)能的形式儲存起來。太陽能驅(qū)動的含碳物質(zhì)反應(yīng)方法正是一種高效的太陽能熱化學(xué)方法。
[0003]在我國，煤炭、生物質(zhì)、生活垃圾等含碳物質(zhì)一直是直接燃燒發(fā)電，造成了利用品位低，空氣污染等問題。為了提高利用品味，煤反應(yīng)、生物質(zhì)反應(yīng)等高效的反應(yīng)利用技術(shù)得到了開發(fā)和推廣。而含碳物質(zhì)反應(yīng)是一個吸熱反應(yīng)，包括熱解和氣化反應(yīng)，需要大量的熱量來維持反應(yīng)的進(jìn)行，如利用通過反應(yīng)物本身的燃燒提供熱量。太陽能經(jīng)過聚光器聚焦，可以達(dá)到900°C以上的溫度，足以滿足其反應(yīng)對熱量的需求。將太陽能與含碳物質(zhì)反應(yīng)結(jié)合起來，既促進(jìn)了太陽能的進(jìn)一步利用，也提高了單位質(zhì)量含碳物質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)出率。同時，由于普通的反應(yīng)產(chǎn)物，如反應(yīng)油等，性能不穩(wěn)定，品質(zhì)較低，利用太陽光中紫外波段對反應(yīng)油進(jìn)行光催化，減少反應(yīng)油中的不飽和鍵，可以提高反應(yīng)油的穩(wěn)定性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:本發(fā)明針對現(xiàn)有的含碳物質(zhì)反應(yīng)耗能大，反應(yīng)產(chǎn)物性能不穩(wěn)定，太陽能無法儲存等問題，提供了一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化的方法。將兩者有效地結(jié)合起來，用太陽能提供含碳物質(zhì)反應(yīng)所需的能量，既可以提高單位質(zhì)量含碳物質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)出率，改善反應(yīng)產(chǎn)物性能，同時又可以將太陽能以這些化學(xué)能形式儲存起來.本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化的方法是:太陽光經(jīng)過聚焦以后，通過分光片分為兩束不同波段的光，一束光以紫外波段為主，波段范圍為280?400nm，進(jìn)入光催化室進(jìn)行光催化反應(yīng)，另一束以可見光和近紅外光為主，波段范圍為400~2000nm，此光束再經(jīng)過復(fù)合拋物面聚光器聚焦后，透過玻璃蓋板照射在吸光腔內(nèi)，固體顆粒經(jīng)顆粒入口進(jìn)入吸光腔，此時的冷固體顆粒溫度在200°C?300°C，冷固體顆粒和吸光腔同時吸收高能流密度的太陽光，將太陽光轉(zhuǎn)化為熱能，顆粒溫度上升到800°C?1100°C，經(jīng)過預(yù)處理的含碳物質(zhì)通過含碳物質(zhì)進(jìn)口直接進(jìn)入吸光腔，含碳物質(zhì)的溫度在100°C左右，與固體熱顆粒相混合，含碳物質(zhì)吸收固體熱顆粒的熱量，同時吸收吸光腔的輻射能量，含碳物質(zhì)溫度上升到500 °C?800 °C，發(fā)生反應(yīng)，高溫的反應(yīng)氣由氣體出口進(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物催化處理系統(tǒng)，經(jīng)冷凝分餾室冷凝后分為氣相產(chǎn)物和液相產(chǎn)物，氣相產(chǎn)物經(jīng)過三通閥后，一部分進(jìn)入光催化室和液相產(chǎn)物發(fā)生催化反應(yīng)，合成穩(wěn)定的反應(yīng)油，進(jìn)入儲油罐儲存。未進(jìn)入光催化室的氣相產(chǎn)物經(jīng)換熱器換熱后，混合氣溫度上升到20(TC?30(TC，然后將混合氣經(jīng)過氣體進(jìn)口通入吸光腔。在吸光腔中，經(jīng)過反應(yīng)的含碳物質(zhì)變?yōu)榉磻?yīng)固體產(chǎn)物，反應(yīng)固體產(chǎn)物和反應(yīng)后的冷固體顆粒經(jīng)顆粒出口流出，此時反應(yīng)固體產(chǎn)物和冷固體顆粒的溫度為300°C?400°C，反應(yīng)固體產(chǎn)物和冷固體顆粒進(jìn)入燃燒室燃燒，反應(yīng)固體產(chǎn)物燃燒完畢后將固體顆粒通入換熱器，固體顆粒被冷卻到200°C?300°C，然后冷固體顆粒經(jīng)過提升管到達(dá)顆粒入口，完成固體顆粒循環(huán)系統(tǒng)。
[0005]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明將太陽光進(jìn)行分頻，利用可見光波段和紅外波段加熱固體顆粒，為含碳物質(zhì)反應(yīng)提供熱量，利用紫外波段對反應(yīng)產(chǎn)物中的不飽和反應(yīng)油進(jìn)行光催化，增加其穩(wěn)定性，不僅提高了太陽能的利用率，而且提高了產(chǎn)物的品質(zhì)。
[0006]2、本發(fā)明將含碳物質(zhì)反應(yīng)和太陽能高溫?zé)崂媒Y(jié)合起來，利用高聚光比的太陽能提供含碳物質(zhì)反應(yīng)所需的熱量，提高了單位質(zhì)量含碳物質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)出率，同時將太陽能以化學(xué)能儲存起來。
[0007]3、本發(fā)明利用太陽能為含碳物質(zhì)提供反應(yīng)所需的熱量，避免了含碳物質(zhì)的燃燒過程，減少了二氧化碳的排放，同時，減少了燃燒煙氣對反應(yīng)產(chǎn)物的污染，為反應(yīng)產(chǎn)物的后續(xù)處理和收集儲存提供了好處。
[0008]4、本發(fā)明的方法利用固體顆粒作為吸收高聚焦太陽光的介質(zhì)，將熱量傳遞給含碳物質(zhì)，提高了太陽光吸收率和吸收速率，滿足含碳物質(zhì)的升溫溫度和升溫速率要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化方法示意圖；
圖中:分光片1、玻璃蓋板2、吸光腔3、氣體出口 4、冷凝分餾室5、三通閥6、光催化室7、儲油罐8、燃燒室9、換熱器10、固體產(chǎn)物出口 11、氣體進(jìn)口 12、含碳物質(zhì)進(jìn)口 13、提升管14、顆粒入口 15、復(fù)合拋物面聚光器16。

【具體實(shí)施方式】
[0010]一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化方法如圖1所示，聚焦太陽光經(jīng)分光片I分為兩束不同波段的光，一束光波段為400?2000nm，入射到吸光腔3，為吸光腔3內(nèi)的含碳物質(zhì)反應(yīng)提供熱量，另一束波段為280?400nm的光，入射到光催化室7對含碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行光催化反應(yīng)，將含碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物中的不飽和鍵轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的飽和鍵，從而合成穩(wěn)定的反應(yīng)油。
[0011]為提高聚光比以及反應(yīng)溫度，經(jīng)分光片分光后，所述400?2000nm波段的光經(jīng)復(fù)合拋物面聚光器16再次聚焦，并經(jīng)玻璃蓋板2射入吸光腔3。所述的含碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物從吸光腔氣體出口 4流出，并經(jīng)冷凝分餾室5冷凝分餾，冷凝分餾后的氣相產(chǎn)物經(jīng)過三通閥6，其中一部氣相產(chǎn)物與冷凝分餾后的含有不飽和鍵的液相產(chǎn)物在光催化室7內(nèi)被催化反應(yīng)，合成穩(wěn)定的反應(yīng)油，進(jìn)入儲油罐8儲存。
[0012]所述的吸光腔3內(nèi)裝填有固體顆粒，固體顆粒經(jīng)顆粒入口 15進(jìn)入吸光腔3，吸收太陽輻射，溫度升高，含碳物質(zhì)通過含碳物質(zhì)進(jìn)口 13直接進(jìn)入吸光腔3，與固體熱顆粒相混合，含碳物質(zhì)吸收固體熱顆粒的熱量，同時接收吸光腔3的輻射能量，發(fā)生反應(yīng)，生成反應(yīng)氣。
[0013]所述的冷凝分餾后的氣相產(chǎn)物中未進(jìn)入光催化室7的一部分氣相產(chǎn)物通過換熱器10換熱升溫后經(jīng)氣體進(jìn)口 12通入吸光腔3，含碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的固體產(chǎn)物與反應(yīng)后的冷固體顆粒經(jīng)顆粒出口 11流入燃燒室9燃燒，再經(jīng)過換熱器10換熱降溫，固體顆粒經(jīng)提升管14到達(dá)顆粒入口 15，完成固體顆粒循環(huán)。
[0014]所述冷固體顆粒受太陽輻射，溫度由200°C?300°C上升至800°C?900°C，含碳物質(zhì)反應(yīng)的固體產(chǎn)物和反應(yīng)后的冷固體顆粒的溫度為300°C?400°C，經(jīng)過換熱器10換熱后，溫度變?yōu)?00°C?300°C，三通閥6出來未進(jìn)入光催化室7的氣相產(chǎn)物的溫度為100°C?200 °C，流經(jīng)換熱器10換熱后，溫度變?yōu)?00 °C?300 °C。
[0015]所述的一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)的太陽光分頻方法是，紫外波段的太陽光用于催化不飽和含碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物，可見波段和紅外波段的太陽光用于加熱固體顆粒和吸光腔，為含碳物質(zhì)反應(yīng)提供熱量。此方法充分利用了不同波段的太陽光的特性，既提高了含碳物質(zhì)反應(yīng)的效率，又解決反應(yīng)油不穩(wěn)定的問題。
[0016]實(shí)施例:
本實(shí)施例的太陽能驅(qū)動煤反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化裝置如圖1所示，裝置由分光片、玻璃蓋板、吸光腔、氣體出口、冷凝分餾室、三通閥、光催化室、儲油罐、燃燒室、換熱器、固體產(chǎn)物出口、氣體進(jìn)口、含碳物質(zhì)進(jìn)口、提升管、顆粒入口、復(fù)合拋物面聚光器組成。其中分光片將聚焦光線分為兩束，一束經(jīng)復(fù)合拋物面聚光器聚焦后，經(jīng)過玻璃蓋板進(jìn)入吸光腔內(nèi)，吸光腔反應(yīng)固體產(chǎn)物出口與燃燒室入口相連，燃燒室出口與換熱器入口相連，換熱器出口經(jīng)提升管與吸光腔固體顆粒入口相連。吸光腔氣體出口與反應(yīng)產(chǎn)物催化處理系統(tǒng)中的冷凝分餾室相連，冷凝分餾室與三通閥進(jìn)口相連，三通閥一端出口和反應(yīng)油出口同時與光催化室相連入口，光催化室出口與儲油罐相連，三通閥的另一端出口經(jīng)換熱器和吸光腔氣體進(jìn)口相連。
[0017]在陽光充足的晴天，太陽輻射能量為700W/m2，假設(shè)聚光鏡直徑為3m，聚光效率為90%，聚光后的太陽能能流密度為300kW/m2，太陽能總功率為4KW，其中占3.5%能量的280~400nm的紫外波段的太陽光被引入光催化室進(jìn)行光催化反應(yīng)，剩余的96.5%能量的太陽光通過復(fù)合拋物面聚光器再次聚焦，穿透透明玻璃蓋板照射在吸光腔內(nèi)，吸光腔和固體顆粒吸收太陽光轉(zhuǎn)化為熱量，吸光腔的熱轉(zhuǎn)換效率為80%。進(jìn)入吸光腔的固體顆粒質(zhì)量流量為13.74Kg/h，冷固體顆粒溫度為200°C，吸收太陽光能量后，溫度上升到900°C，經(jīng)過和煤顆?；旌蠐Q熱，然后再與反應(yīng)氣和水蒸氣的混合氣換熱后，溫度下降到400°C，總共傳遞給煤顆粒的熱量為2.3kff,假設(shè)固體顆粒與煤顆粒之間的熱交換效率為95%，煤顆粒的質(zhì)量流量為13.05 Kg/h，溫度由100°C上升到500°C，煤顆粒發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為48.73m3/h，按照一天六個小時的正常運(yùn)行來算，每天可反應(yīng)的煤質(zhì)量為78Kg/天，產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物為292.4m3/天。溫度為500°C的反應(yīng)產(chǎn)物，經(jīng)過冷凝分餾室分餾后，溫度下降到200°C的反應(yīng)氣和不飽和反應(yīng)油經(jīng)過Pt催化劑和紫外光催化后，變成性能穩(wěn)定的反應(yīng)油，儲存在儲存罐內(nèi)。溫度下降到400 V的煤半焦和固體顆粒，經(jīng)過燃燒室燃燒后，熱量通過熱交換器傳遞給重新進(jìn)入反應(yīng)腔的反應(yīng)氣和水蒸氣混合物，固體顆粒溫度下降到200°C，經(jīng)提升管重新回到吸光腔入口，完成固體顆粒循環(huán)。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化方法，其特征在于聚焦太陽光經(jīng)分光片(I)分為兩束不同波段的光，一束光波段為400?2000nm，入射到吸光腔(3)，為所述吸光腔(3)內(nèi)的含碳物質(zhì)反應(yīng)提供熱量，另一束波段為280?400nm的光，入射到光催化室(7)對含碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行光催化反應(yīng)，將含碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物中的不飽和鍵轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的飽和鍵，從而合成穩(wěn)定的反應(yīng)油。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化方法，其特征在于所述400?2000nm波段的光經(jīng)復(fù)合拋物面聚光器(16)再次聚焦，并經(jīng)玻璃蓋板(2)射入吸光腔(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化方法，其特征在于所述的含碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物從吸光腔氣體出口(4)流出，并經(jīng)冷凝分餾室(5)冷凝分餾，冷凝分餾后的氣相產(chǎn)物經(jīng)過三通閥(6)，其中一部氣相產(chǎn)物與冷凝分餾后的含有不飽和鍵的液相產(chǎn)物在光催化室(7)內(nèi)被催化反應(yīng)，合成穩(wěn)定的反應(yīng)油，進(jìn)入儲油罐(8)儲存。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化方法，其特征在于所述的吸光腔(3)內(nèi)裝填有固體顆粒，固體顆粒經(jīng)顆粒入口(15)進(jìn)入吸光腔(3)，吸收太陽輻射，溫度升高，含碳物質(zhì)通過含碳物質(zhì)進(jìn)口( 13)直接進(jìn)入吸光腔(3)，與固體熱顆粒相混合，含碳物質(zhì)吸收固體熱顆粒的熱量，同時接收吸光腔(3)的輻射能量，發(fā)生反應(yīng)，生成反應(yīng)氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化方法，其特征在于所述的冷凝分餾后的氣相產(chǎn)物中未進(jìn)入光催化室(7)的一部分氣相產(chǎn)物通過換熱器(10)換熱升溫后經(jīng)氣體進(jìn)口(12)通入吸光腔(3)，含碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的固體產(chǎn)物與反應(yīng)后的冷固體顆粒經(jīng)顆粒出口(11)流入燃燒室(9)燃燒，再經(jīng)過換熱器(10)換熱降溫，固體顆粒經(jīng)提升管(14)到達(dá)顆粒入口( 15)，完成固體顆粒循環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種太陽能驅(qū)動含碳物質(zhì)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物光催化方法，其特征在于冷固體顆粒受太陽輻射，溫度由200°C?300°C上升至800°C?900°C，含碳物質(zhì)反應(yīng)的固體產(chǎn)物和反應(yīng)后的冷固體顆粒的溫度為300°C?400°C，經(jīng)過換熱器(10)換熱后，溫度變?yōu)?00°C?300°C，三通閥(6)出來未進(jìn)入光催化室(7)的氣相產(chǎn)物的溫度為100°C?200°C，流經(jīng)換熱器(10)換熱后，溫度變?yōu)?00°C?300°C。
【文檔編號】C10J3/82GK104449847SQ201410759769
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】肖剛, 楊天鋒, 倪明江, 駱仲泱, 高翔, 岑可法, 方夢祥, 周勁松, 施正倫, 程樂鳴, 王勤輝, 王樹榮, 余春江, 王濤, 鄭成航 申請人:浙江大學(xué)