甲醇分解吸收反应器研制与实验研究

第２８卷第６期２００７年１１月工程热物理学报ＪｏＵＲＮＡＬｏＦＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＨＥＲＭｏＰＨＹＳＩＣＳＶｂｌ．２８．Ｎｏ．６Ｎｏｖ．．２００７太阳能甲醇分解吸收－反应器研制与实验研究隋军１金红光１郑丹星２侯智２王志峰３（１。

中国科学院工程热物理研究所，北京１０００８０；２．北京化工大学，北京１０００２９；３．中国科学院电工研究所，北京１０００８０）摘要利用中温太阳能为甲醇分解的吸热反应供热，可以将中温太阳能转化为合成气燃料的化学能，同时提高燃料热值和太阳能的可用性，还可以实现太阳能与化石燃料的互补．本研究提出了太阳能热化学系统的一体化设计原则，建立了综合考虑太阳能集热、反应动力学和反应器结构参数的太阳能甲醇分解反应器的理论分析模型，并首次研制了５ｋｗ热功率的抛物槽式太阳能甲醇分解一体化实验装置．太阳能甲醇分解的实验结果表明太阳能集热器可以为甲醇分解提供２００一３００。

ｃ的反应温度，在辐照３００一８００ｗ／ｍ２，甲醇进料量为ｏ．５—４ｌ／ｈ条件下，甲醇转化率可以达到５０％一９５％，投射到吸收一反应器上的太阳能转换为燃料化学能的效率可以达到３０％一６０％，具有良好的甲醇分解和太阳能转换性能．研制的实验装置体现了一体化设计特征，同时理论分析结果与实验结果也具有很好的一致性．本文研究成果将为开拓太阳能与化石能源互补的能量系统提供理论支撑和实验数据．关键词太阳能；甲醇分解；吸收一反应器；中图分类号：ＴＫｌ２３文献标识码：Ａ理论模型；实验研究文章编号：０２５３．２３１ｘ（２００７）０６一０９０９＿０４ＤＥＳＩＧＮＡＮＤＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ．ＡＬＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩｏＮｏＦＡＲＥＣＥＩＶＥＲ．ＲＥＡＣＴｏＲＦｏＲＳｏＬＡＲＭＥＴＨＡＮＯＬＤＥＣｏＭＰＯＳＩＴＩｏＮＳＵＩＪｕｎｌＪＩＮＨｏｎ分Ｇｕａｎ９１ＺＨＥＮＧＤａｎ—ＸｉＩ培２ＨＯＵＺｈｉ２ＷＡＮＧＺｈｉ—Ｒｅｎ９３（１．Ｊｈｓ酊亡ｕｔｅＤｆＥｎ百ｎ∞ｆｊｎｇＴｈｅｍｌｏｐ五ｙｓｊｃｓ，ＧＩｈｊｎ∞ｅＡｃａｄ即１ｙｏｆＳｃｊｅｎｃ∞，Ｂｅ咖ｎｇｌｏ００８０，ｃ啦ｊｎａ；２．Ｂ刨ｊｎｇＵｎｊｙｅ耐ｔｙｏｆＧｈｅｍｊｃ“‰ｈｎｏＪ０９∞Ｐ．ｏ．ＢＱｘ１００，Ｂｅ咖ｎｇ１０００２９，Ｃ啦ｊｎａ；３．Ｉ珊ｔｊｔｕｔｅ０ｆＥＪｅｃ倒ｃａＪ胁ｇｊｎｅｅｒ岵ｃｈｊ且眵ｅＡｃａｄｅｍ，，０ｆｓｃｊ朗嘲，Ｐ．ｏ．Ｂｏｘ２７０３，Ｂ耐ｊｎｇ１０００８０，ｃ啦ｊⅡａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＬｏｗ—ｇｒａｄｅｓｏｌａｒｔｈｅｎｎａｌｅｎｅｒｇｙｃａｎｂｅｃｏＩｌｖｅｒｔｅｄｉＩｌｔｏｈｉｇｈ—ｇｒａｄｅｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｏｆｓｙｎｇ硇ｂｙｔｌｓｉＩｌｇｓ０１ａｒｍｅｔｈａｎｏｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｕｓａｂｍｔｙｏｆｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ．Ｉｎｔｌｌｉｓｗｏｒｋ，ａ５ｋＷｓ０１ａ＿ｒｒｅｃｅｉ、他ｒ－ｒｅａｃｔｏｒｆｂｒｍｅｔｈａｎｏｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｗａｓｆｌｒｓｔｄｅｓｉ星皿ｅｄａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｉｌｌｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｏｌａｒｔｈｅｒｍｏｃｈｅ血ｃａｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｏｂｔ洳ｅｄ，ａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉＶｅｒ－ｒｅａｃｔｏｒｓｙｎｔｈｅｔｉｃａＵｙｃｏｒｌｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｒｅｌａｔｉｏＩｌｓｈｉｐｓｏｆｓｏｌａｒｒａｄｉａ上ｉｏｎ，ｔｌｌｅｒｅａｃｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓａｎｄｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ’ｓｃｏｎ６９ｕｒａｔｉｏｎｗａｓｄｅｒｉｖｅｄ．Ｕｎｄｅｒｓ０１ａｒｂｅａｍｒａｄｉａｔｉｏｎｏｆ３００～８００Ｗ／ｍ２ａｎｄａｔｔｈｅ‰ｄｍｇｒａｔｅｓｏｆｏ．５ｌ／ｈ～４ｌ／ｈｏｆｒｎｅｔｈａｎ０１，ｅｘｐｅｒｉⅡｌｅｎｔ出．ｍｖｅ８ｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｍｅｔｈａｎｏｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｗ弱ｃａ盯ｉｅｄｏｕｔａｔｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕ＿ｒｅｏｆ２００～３０００Ｃ．ＴｈｅｃｏⅡＶｅｒｓｉｏｎｏｆｍｅｔｈａｎｏｌｃａｎｙｉｅｌｄｕｐｔｏ５０％～９５％ａｎｄｔｈｅｅｍｃｉｅｎｃｙｏｆｓｏｌａｒｔｈｅｒＩｎａｌｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｔｅｄ毗ｏｃｈｅ血ｃａｌｅｎｅｒｇｙｃａｎ出ｏｒｅａｃｈｔｏ３０％～６０％．ＴｈｅｅＸｐｅｒｉＩｎｅｎｔ“ｒｅｓｌｌ＿ｈｓａｃｃｏｒｄｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａＬｌａｎａｌｙｓｉｓＷｅＵ，ａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇＩｌｔ盯ｇｅｔｏｆｔｈｅｓｏｌ卵ｒｅｃｅｉｖｅｒ－ｒｅａｃｔｏｒｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ，Ｔｈｊｓｒｅｓｅａｒｃｈｗｉｕｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅ１１ｓｅｆｕｌｔｈｅｏ巧ａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｆｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｓ０１ａｒｔｈｅｒｍａｌｅｎｅｒｇｙａｎｄｆｂｓｓｉｌｅｎｅｒｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓ０１ａｒｅｎｅｒｇｙ；ｎｌｅｔｈａｎｏｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｒｅｃｅｉｖｅｒ／ｒｅａｃｔｏｒ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ；ｅｘｐｅｒｉＩｌｌｅｎ－ｔａｌｉＩＩｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ１前言能天然气重整等。

太阳能热化学领域目前的研究主利用太阳能热化学方法将低载能原料转换成要集中在高温驱动的热化学过程【１～圳。

由于太阳能高载能物质一直作为一种有效的太阳能转换和储存是一种低能量密度的能源，热利用时需要对其进行的手段被广泛研究，如太阳能热化学循环制氢、太阳聚集，提高其能量品位，所需的温度越高，收集过收稿日期：２００７．０１－２４；修订日期：２００７—１０．１０基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．９０２１００３２；ＮＤ．５０５２０１４０５１７）作者简介：隋军（１９７３＿），男，内蒙古呼伦贝尔人，副研究员，博士，主要从事太阳能热化学和能源化工系统的研究．９１０工程热物理学报２８卷程越困难，成本也越高。

而甲醇在太阳能驱动下，在１８０一３０００Ｃ下即可发生吸热分解为合成气的反应（ｅｏ糯珏２），反应方程式如下：ｃＨ３０Ｈ＿一ｃｏ＋２Ｈ２～９０．７（ｋＪ／ｍ０１）（１）燃料铯学麓释放新规理首先通过燃料的吸热分解反应提升反应热的品位，然后分解燃料再通过燃烧释放化学能，转化为热能，从而实现化学能的梯级瘸爝，藏小麓爨释放过程攥损失，蔫时毙提高分解反戚吸收热量的品位【５】．洪慧等提出了集成中温甲醇热分解的太阳能热动力循环，其太阳能净发电效率达到３５％，燃烧过程攥损失减少７％嘲。

隋军在利用太阳能进行甲醇分解方面进行了探索性实验研究，并对燃料化学能释放新机理进行了验证【７１．本文攒揭示太阳畿集热与反应盼耦合祝瑗，确立太阳能热化学反应器的～体化设计原则，并与甲醇分解反应具体特点相结合，研制５ｋｗ峰值热功率太阳能甲醇分解一体纯实验装置，并嗣用该装置实验验证设计原则的实际效果。

２太阳能热化学系统一体化设计原则太阳能热化学反应器有别于一般化学反应器的特点就在于吸热反应过程所需要的温度和化学反应热由太阳畿傈障稻提供。

网此在萁设计理念方瑟应该存在与传统太阳能集热器和化学反应器不同的特色。

基于这种考虑，本文提出如下太阳能甲醇分解热纯学系统鳇一体纯设计涿剐。

（１）太阳能集热品位与反应热品位一体化原则，即针对热化学反应所需温度选择相应的集热器形式与之甄蠢芒。

太鬻麓吸收器与纯学反应器一钵纯原粼，即是指太阳能吸收器同时也是反应器。

（２）太阳能集热特性和反应器尺寸一体化原则，静反廒器壹径与太阳麓集热器焦线宽震摆一致。

．３太阳能甲醇分解反应器研制３。

王太鞭麓零辞分解系统总体设诗恙薹餐根据一体化设计原则，系统应采用抛物槽式太阳能集热器为甲醇催化分解反应供热。

进一步根据太阳裁壤牧器与纯学反应器一体纯原绢，将甲醇分解所需的固定床催化反应器与抛物槽式太阳能集热器的管式吸收器统一考虑。

为与抛物槽式太阳熊集蒸器焦线形状裰逶应，甲酵分解系统麓一体纯吸收一反应器应制成高径比很大的固定床管式反应器，其对太阳光具有良好吸收性能和低散热特性。

将一体纯吸收一反应器放置在抛物槽式太黧麓集热器的焦线处，聚集的阳光照在吸收一反应器外表面，被器壁吸收转化为热能，并传递到反应器内，加热催化剂床层。

气体反应物进料进入床层，在一定瀑度下接触到催化剂发生吸热分解反应。

３．２甲醇分解反应能量特征方稷吸收一聂应器是太阳能甲醇分怨系统静核心设备，确定吸收一反应器管径的原则是太阳能的供热量要满足反应达到一定转化率所需要的吸热量。

这需要通过反应动力学翻太阳能集热器鹱量转换与黄递过程分析，判断太阳能集热器能否提供反应所需的热量。

为此，导出关联太阳能集热量与反应吸热量戆吸收一爱瘟嚣能壁特薤方程，如式（２）ｗ硼蔚筹等，黼△反＋［∥（瑶一霜）＋Ｋ（％～蜀）】式孛，ｊ必垂壹投射在吸牧一反应器上的太阳壹射辐照强度，Ｗ／ｍ２；舶为槽式太阳能集热器光学效率；ｃ为槽式太阳能集热器聚光比；仃为玻尔兹曼常数，ｗ／（激２・Ｋ４）；茹为甲酵转纯率；霸茺环境温度，Ｋ；％为反应器微元内的平均温度，Ｋ；Ⅳ为吸收－反应器对流散热损失系数，ｗ／（ｍ２・Ｋ）夕为反应器逛力，＆；嚣力气体＿ｉ委用常数，ｓ．３王４Ｐａ．ｍ３／ｍｏｌ・Ｋ；△三ｂ为反应热，Ｊ／Ｉｎｏｌ；ｐⅣ为催化剂床层密度，ｋｇ／ｍ３；ＤＲ为反应管直径，ｍ．式（２）等式左边梵投射蓟吸收一反应嚣上鳇太阳能量，右边第一项为反应吸热量，第二项以辐射和对流形式释放到环境的热损失。

式（２）表征了太豳麓集蒸特鬣与反应裁量转换特征鲤量化关系，如辐照强度ｊ与转化率茹之间的定量关系等。

３．３太阳能甲醇分解反应器研制研裁酶善套太阳糍甲醇分赫实验装置及吸收一反应器如图ｌ所示。

设计的抛物槽式太阳能集热器聚光比为７０，采光耐积为１０ｍ２，反射镜开口宽度２．５ｍ，长戈４毽，镜蟊反射率为ｏ．８，可提供峰值热功率约为５ｋｗ．考虑到实验地区位于北纬３９．５０，选择集热器东西向布置，单轴跟踪方式。

选择夕｝径茺弱髓，管壁厚度２溅嫩翡缝铜管俸蔻吸收一反应器的主体材料，铜管外表面镀有强化光选择性吸收的含铝金属陶瓷膜，吸收率达到ｏ．９，发射率戈ｏ。

０８５。

秘套捧劁黠流散热殴壹径是５８翻强酶高硼硅玻璃管，光透过率为ｏ．９５，发射率为ｏ．８８。

吸收一反应器长度为４．５ｍ，催化剂床层长度为４６期跨攀等：太阳越翠醇分鼹吸收・反应器够｝铡与实验研究９ｌｌ图ｌ抛物槽式甲醇分解实验装鼹４太阳能反应器性能及理论模型实验验证利耀图ｌ所汞实验装置拜震了实验研究。

实验采用９９．９％浓度的工业甲醇为实验原料，吸收一反应器内填充的催化剂为ｃｕ／ｚｎＯ／Ａ１２０３固体金属氧化物缓诧裁。

实验考瘩到催讫裁使用鳇温度范围（＜３∞。

ｃ），选择在辐照２００一８００ｗ／ｍ２，甲醇迸料量为０．５—４ｌ／ｈ条件下，考察辐照强度和进料量等主要因素辫甲醇分勰反应特性翻太阳能肉化学能转换效率的影响。