高温太阳能热化学尾气处理的回热过滤一体化系统技术方案

一种高温太阳能热化学尾气处理的回热过滤一体化系统，包括初级过滤回热子系统，两个并联储热罐组成的次级过滤回热子系统，反吹过滤器和连接管路阀门。储热罐外面包裹保温层，底部收缩段有排灰口。本发明专利技术系统两级过滤，两级回热；级间可通过阀门切换及中间的反吹过滤器实现反应进气分级回热，级内粗滤、细滤、储热回热按顺序分层，承担主要出热作用的次级过滤回热子系统中通过固定床和流化床耦合的方式，兼顾过滤性能、换热强度、密封效果和压阻损失。本发明专利技术运行模式包括：白天太阳辐照无波动初级回热，白天太阳辐照波动两级回热，系统启动前辅助回热放热，系统清灰。所述系统效率高，适用范围广，实现了产气余热的梯级利用。

Integrated system of regenerative filtration for high temperature solar thermal and chemical tail gas treatment

【技术实现步骤摘要】
高温太阳能热化学尾气处理的回热过滤一体化系统
本专利技术涉及一种高温太阳能热化学尾气处理的回热过滤一体化系统。
技术介绍
太阳能高温热化学方法通过将太阳能汇聚产生高温推进热化学过程的进行，将太阳能转化为化学能，可以清洁，节能地制取高品位燃料，并方便输运和储存，实现了太阳能的跨时空存储和存储调度，克服了太阳能直接利用时所存在的能量密度低、连续性差、分布不均匀的问题。如干式太阳能气化技术利用高倍聚光的太阳能产生1000℃以上的高温，使含碳颗粒与二氧化碳在太阳能反应器中反应产生一氧化碳，与工业煤气化或生物质气化技术相比具有含碳物料消耗量低、可广泛利用锅炉烟气和煤焦直接进料、减少温室气体排放、气化率高、易于进一步工业处理和储存等优点，具有广阔应用前景。然而产气温度高，含有焦炭、未完全反应的含碳固体颗粒和气体反应物等，在进行气体检测、分离提纯和进一步的加工(甲烷化和甲醇化等)，面临着共性的出口高温尾气的热回收和固体颗粒分离两大问题，尤其是由于分离提纯和产物需求、深加工路线不同，导致对产气温度需求不同：从300℃到室温都有需求，因此对热回收也有不同温度需求。此外，甲烷裂解制氢、碳热还原金属氧化物等也面临着同样的技术需求和挑战。常规的除尘过滤技术包括：电除尘、旋风分离器除尘，陶瓷过滤器和颗粒层过滤器除尘，湿式除尘器等，但是其中(1)电除尘技术仅适合于常温和电阻率108-1010Ω·cm的烟尘处理，而太阳能气化残余颗粒的导电性较好，温度过高，除尘效果较差。(2)湿式除尘器采用水滴捕获细颗粒，对1-2μm的颗粒有超过95％的除尘效率。但由于高温CO等气化产物遇水会发生后续反应，不适合单独制取CO和作为气化预处理步。(3)旋风分离器利用气固两相高速旋转产生的离心惯性力和线速度不同实现气固分离，但适用于大流量，大流速(气流切线速度范围在20～30m/s内)，高颗粒浓度(含尘浓度大于100mg/Nm3)，大粒径(大于10μm)，超高温以下(运行温度小于900℃)颗粒分离。对于太阳能高温气化产物，温度及颗粒物粒径大大超出以上范围，气流速度小于运行范围，故旋风除尘器无法满足高温除尘的需求。因此针对太阳能气化产物尾气处理，只有陶瓷过滤器和颗粒层过滤器能满足高温太阳能热化学高温、高效过滤、避免二次污染的需求，与常温除尘器和高温旋风分离器相比，耐高温、抗冲击、抗磨损、耐腐蚀、除尘效率较高、性能稳定、结构简单，运行成本较低等优势。除了气体产物复杂气固分离困难之外，由于太阳辐照的不连续性和不稳定性，太阳能高温气化系统的运行也具有强烈的波动性和间歇性。为保证系统稳定运行，需要储热系统弥补能源的供应和需求之间存在的数量上、形态上、时间和空间上的差异。同时为了避免气化进气温度较低导致的气化率和太阳能到燃料能效率不高，并考虑到产气温度过高，采用分级储热和回热措施，实现不同温度范围的梯级利用。针对高温太阳能热化学反应器的储热和热回收，主要技术手段包括显热、潜热和热化学方式。其中固体显热储热技术是原理简单、技术成熟、材料来源丰富、成本低廉的一种储热方式，在太阳能热利用中应用最广，同时还可以与陶瓷和颗粒层过滤器结合实现一体化。中国专利CN108554333A提出了一种太阳能热化学吸收反应装置及系统，通过系统中预热和储热部件，以及内管传热介质沿程吸收/释放热量的调节，实现太阳能聚光集热装置反应器催化剂床层温度的均匀分布，使反应的充分进行，减小了槽式集热管内热应力。中国专利CN108854897A提出了一种相变储热型太阳能热化学反应装置，在槽式真空管内环形催化剂中心插入相变换热器，缓解了太阳辐射波动对太阳能热化学反应造成的不利影响，提高了太阳能热化学反应的反应速率和转化率，减小了热冲击。类似的，中国专利CN102721312A同样在圆锥形反应腔周围布置显热潜热混合蓄热介质，中国专利CN102744027A在反应腔周围布置平板热管，中国专利CN103499230A在反应腔中心具有泡沫碳化硅材料储热吸热结构。中国专利CN102444993B提出了氧化镍/镍和乙醇体系通过化学链燃烧实现中低温太阳能热化学蓄能的系统，并采用旋风分离器进行气固分离。中国专利CN108483396A，使用三步法甲烷水蒸气重整的氧化反应为固体氧化物电解池(SOEC)电解提供所需热能及高温水蒸气，使热化学反应余热充分利用，而SOEC电解产物纯氧可直接用于甲烷水蒸气重整的再氧化反应过程，使氧载体充分氧化，因此实现热化学和电化学的协同耦合，提高太阳能光谱的利用效率。中国专利CN104445060B提出在两步热化学反应器产物中加入碳氢化合物，继续利用化学反应进行余热余气回收利用，进一步增加燃料热值同时将燃料温度降低到现有换热器技术有成熟解决方案的温度范围。针对生物质气化等焦炭产物分离，中国专利CN105838450A提供了一种实现多产品输出的生物质-太阳能热化学利用系统，利用槽式太阳能吸收器热解生物质，并将分离出的固体焦炭送入高温太阳能流化床反应器，并通过余热回收器预热水蒸气，以提高系统热能利用率和合成气的产率。中国专利CN101888194A提出将烟气产物直接进入燃气轮机做功。上述系统和方法中没有兼顾气化产物中焦炭和未分解产物颗粒气固分离与储热回热需求，适用固体颗粒直径范围小，过滤效率低，同时存在大量高温余热浪费，系统能源利用率低，高温处理成本高。总的来说，现有的高温太阳能热化学制燃料系统中面临以下技术难题：出口温度过高，超高温换热器和阀门实现余热回收难度大；气体产物复杂，小粒径固体分离困难；以及系统面对复杂辐照波动的储热需求；系统同时存在储热、余热回收和气固分离过滤需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的高温太阳能热化学制燃料中过滤和储热系统的缺点，针对太阳能热化学系统应对复杂辐照波动储热、高温产气热回收和气固分离需求提出一种回热过滤一体化系统，本专利技术过滤和储热回热能力较高、成本较低、性能稳定。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术高温太阳能热化学尾气处理的回热过滤一体化系统包括初级过滤回热子系统，次级过滤回热子系统，反吹过滤器，以及管路等，初级过滤回热子系统、次级过滤回热子系统和反吹过滤器通过管路依次连接。所述的初级过滤回热子系统至少包括一个外面包裹保温层的第四储热罐，罐体为圆柱形，圆柱形罐体底部和顶部为起分流和收集过滤颗粒作用的收缩段，罐体底部收缩段小口端为尾气经过第四储热罐的进口，顶部收缩段小口端为尾气经过第四储热罐的出口，底部收缩段的侧面开有排灰口。第四储热罐内下部安装有第四大孔径蜂窝陶瓷过滤器，上部安装有耐高温金属盘管换热器，金属盘管换热器管程进口和出口分别从第四储热罐的顶部和中部引出。所述的次级过滤回热子系统至少包括并联的包裹保温层的第一储热罐和第二储热罐，两个储热罐罐体均呈圆柱形，两个储热罐的底部和顶部为起分流和收集过滤颗粒作用的收缩段，两个储热罐罐体底部收缩段小口端为尾气经过储热罐的进口，顶部收缩段小口端为尾气经过储热罐出口，底部收缩段开有排灰口。第一储热罐和第二储热罐内，从底部到顶部依次布置大孔径蜂窝陶瓷过滤器，小孔径蜂窝陶瓷过滤器，大颗粒陶瓷球堆积而成的固定床颗粒层，以及小颗粒陶瓷球组成的流化床颗粒层。固定床颗粒层的下端和流化床颗粒层的上端布置有金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温太阳能热化学尾气处理的回热过滤一体化系统，其特征在于：所述回热过滤一体化系统包括初级过滤回热子系统，次级过滤回热子系统，反吹过滤器，以及管路；初级过滤回热子系统、反吹过滤器和次级过滤回热子系统通过管路依次连接；所述的初级过滤回热子系统至少包括一个外面包裹保温层的第四储热罐(4)，罐体为圆柱形，罐体的底部和顶部为起分流和收集过滤颗粒作用的收缩段，罐体底部收缩段的小口端为尾气经过第四储热罐的进口，罐体顶部收缩段的小口端为尾气经过第四储热罐的出口，底部收缩段侧面开有排灰口；第四储热罐内，底部为第四大孔径蜂窝陶瓷过滤器(30)，上部为耐高温金属盘管换热器(31)，换热器管程进口和出口分别从第四储热罐的顶部和中部引出；所述的次级过滤回热子系统至少包括两个并联的包裹保温层的第一储热罐(1)和第二储热罐(2)；第一储热罐(1)和第二储热罐(2)罐体呈圆柱形，其底部和顶部为起分流和收集过滤颗粒作用的收缩段，罐体底部和顶部收缩段的小口端分别为尾气经过储热罐的进口和出口；第一储热罐(1)和第二储热罐(2)罐体底部收缩段开有排灰口；两个储热罐内的结构布置相同，第一储热罐(1)内从底部到顶部依次是第一大孔径蜂窝陶瓷过滤器(19)，第一小孔径蜂窝陶瓷过滤器(17)，第一固定床颗粒层(15)，第一流化床颗粒层(11)，对陶瓷颗粒起支撑和阻挡作用的金属格栅，以及伸入流化床颗粒层区域的圆柱体第一大孔径蜂窝陶瓷分流器(13)；所述的反吹过滤器(3)至少包括一个外面包裹保温层的小型圆柱形罐体，罐体的底部和顶部为收缩段，开有进出口，底部收缩段有排灰口；反吹过滤器(3)内，底部有第三大孔径蜂窝陶瓷过滤器(26)，顶部有第三小孔径蜂窝陶瓷过滤器(27)；所述的回热过滤一体化系统共用一套控制系统，通过控制管路阀门实现系统不同功能和运行模式。...

【技术特征摘要】
1.一种高温太阳能热化学尾气处理的回热过滤一体化系统，其特征在于：所述回热过滤一体化系统包括初级过滤回热子系统，次级过滤回热子系统，反吹过滤器，以及管路；初级过滤回热子系统、反吹过滤器和次级过滤回热子系统通过管路依次连接；所述的初级过滤回热子系统至少包括一个外面包裹保温层的第四储热罐(4)，罐体为圆柱形，罐体的底部和顶部为起分流和收集过滤颗粒作用的收缩段，罐体底部收缩段的小口端为尾气经过第四储热罐的进口，罐体顶部收缩段的小口端为尾气经过第四储热罐的出口，底部收缩段侧面开有排灰口；第四储热罐内，底部为第四大孔径蜂窝陶瓷过滤器(30)，上部为耐高温金属盘管换热器(31)，换热器管程进口和出口分别从第四储热罐的顶部和中部引出；所述的次级过滤回热子系统至少包括两个并联的包裹保温层的第一储热罐(1)和第二储热罐(2)；第一储热罐(1)和第二储热罐(2)罐体呈圆柱形，其底部和顶部为起分流和收集过滤颗粒作用的收缩段，罐体底部和顶部收缩段的小口端分别为尾气经过储热罐的进口和出口；第一储热罐(1)和第二储热罐(2)罐体底部收缩段开有排灰口；两个储热罐内的结构布置相同，第一储热罐(1)内从底部到顶部依次是第一大孔径蜂窝陶瓷过滤器(19)，第一小孔径蜂窝陶瓷过滤器(17)，第一固定床颗粒层(15)，第一流化床颗粒层(11)，对陶瓷颗粒起支撑和阻挡作用的金属格栅，以及伸入流化床颗粒层区域的圆柱体第一大孔径蜂窝陶瓷分流器(13)；所述的反吹过滤器(3)至少包括一个外面包裹保温层的小型圆柱形罐体，罐体的底部和顶部为收缩段，开有进出口，底部收缩段有排灰口；反吹过滤器(3)内，底部有第三大孔径蜂窝陶瓷过滤器(26)，顶部有第三小孔径蜂窝陶瓷过滤器(27)；所述的回热过滤一体化系统共用一套控制系统，通过控制管路阀门实现系统不同功能和运行模式。2.根据权利要求1所述的回热过滤一体化系统，其特征在于：初级过滤回热子系统中第四储热罐(4)底部进口与反应器(5)尾部通过管路直接相连，第四储热罐(4)顶部出口与次级过滤回热子系统中第一储热罐(1)和第二储热罐(2)底部分别通过管路和第一阀门(21)、第二阀门(22)连接，第四储热罐(4)内的金属盘管换热器(31)底部出口与反应器(5)的进气口通过第十四阀门(38)连接，金属盘管换热器(31)顶部进口与反应器(5)的进气口依次通过第九阀门(33)、第八阀门(32)相连，同时金属盘管换热器(31)顶部进口也通过第九阀门(33)、第七阀门(29)、第三阀门(23)和第四阀门(24)与次级过滤回热子系统相连；所述的反吹过滤器(3)位于初级过滤回热子系统和次级过滤回热子系统之间，通过第五阀门(25)、第六阀门(28)与初级过滤回热子系统和次级过滤回热子系统的连接管路及第七阀门(29)并联，与初级过滤回热子系统的顶部通过第九阀门(33)和次级过滤回热子系统的底部连接；此外，第一储热罐1的顶部通过第十二阀门(36)和管路与产气收集检测装置(8)连接，通过第十二阀门(37)和管路与气源(10)连接；第二储热罐(2)的顶部通过第十阀门(34)和管路与产气收集检测装置(8)连接，通过第十一阀门(35)和管路与气源(10)连接。3.根据权利要求1所述的回热过滤一体化系统，其特征在于：所述系统中反应种类是二氧化碳与含碳固体颗粒的气化反应，或甲烷与含碳固体颗粒制氢反应，或碳热还原金属氧化物；二氧化碳与含碳固体颗粒的气化反应时气源(10)中为二氧化碳，含碳固体颗粒为煤、焦炭、生物质颗粒、含碳锅炉废气等；甲烷与含碳固体颗粒制氢反应时气源(10)中为甲烷；碳热还原金属氧化物时气源(10)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：常哲韶，李鑫，代少猛，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11