基于甲烷重整热化学储能的梯级多孔活性吸收体传热及反应特性研究

Porous catalytically activated absorber(PCAA) is a key component of thermochemical energy storage system. Most of the current problems that decrease solar energy utilization efficiency are related to PCAA’s structure and heat transfer characteristics, such as nonuniform temperature distribution, radiation heat loss and mismatching among radiation absorption, temperature distribution and chemical reaction. The new kind of gradual-porosity PCAA, which allows thermal radiation penetrating into its inner structure to form volume absorption of solar energy, would probably solve these problems and improve the performance of PCAA. Therefore, this project focuses on the study of complicated process of energy absorption, transportation and transformation inside PCAA. Coupled theoretical and numerical model will be established by using Monte Carlo Ray Tracing(MCRT) method and Lattice Boltzmann Method(LBM) to consider the radiation absorption, heat/mass transfer and chemical reaction of PCAA. Combined with experimental studies of structure characterization, heat transfer characteristics measurement, and catalytic performance evaluation, the effect of gradual-porosity structure on the heat transfer characteristics, radiation absorption, and methane reforming chemical reaction will be investigated. Based on this project, basic methods will be established to control and improve the radiation absorption as well as reaction performance by regulating the structure and heat transfer characteristics of PCAA, which will be provided as the scientific theory and supporting method when design and optimize newly high-efficiency PCAA as well as methane dry reforming reactor.

多孔催化活性吸收体是太阳能甲烷干重整热化学储能的关键部件。现有的活性吸收体存在非均匀温度分布、辐射能吸收/温度分布与化学反应场的不匹配等问题，致使热化学储能效率降低。孔隙率递减的梯级多孔活性吸收体能够实现对太阳辐射的体吸收，使温度分布均匀，因而有望改善以上问题，然而其内部的能量传输与转换机理还缺乏研究。因此，本项目针对梯级多孔活性吸收体内部的能量吸收、输运和转换过程展开研究。通过采用蒙特卡罗光线追迹法和格子玻尔兹曼等数值计算方法，建立孔隙尺度的辐射吸收-热质传递-化学反应耦合作用计算模型，并结合结构表征、传热特性测量以及催化性能评价等多种实验手段，揭示梯级多孔活性吸收体的孔隙结构对热量传递、辐射吸收、以及甲烷重整热化学反应特性的影响规律，建立通过改变活性吸收体的结构和传热特性，来实现强化其辐射吸收特性与反应催化性能的方法，为设计新型多孔催化活性吸收体及热化学反应器提供科学理论与方法支撑。

太阳能的开发利用是实现能源与环境可持续发展的重要技术途径之一，而发展高效的太阳能提质增效/能量储存技术则是保证太阳能持续稳定供应的关键技术。本项目以太阳能的热化学储能系统为研究对象，针对太阳能热化学储能系统中的关键部件材料-多孔催化活性吸收体的流动传热与反应特性进行研究，具体包括：.首先，采用紫外/可见光/近红外分光光度计测量了不同孔隙结构活性吸收体的辐射吸收性能，并基于自制固定床活性评价装置，系统研究了活性吸收体在不同运行工况下的催化活性，探讨了甲烷和二氧化碳的进料比、反应温度以及进气总流量等因素对热化学反应的反应物转化率、产物选择性的影响规律。其次，建立了热质传递与化学反应的多场耦合数理计算模型，深入研究了不同孔隙结构活性吸收体的热量传递特性、辐射吸收特性及热化学反应特性，分析获得了孔隙结构与热质传递、反应特性的相互作用规律，发现通过调控孔隙结构能使整体热化学储能效率提升3%~5%。最后，通过构建热化学储能系统的热力学-动力学一体化预测模型，并开展关键参数对系统瞬态特性的分析研究，发现通过调控系统运行参数能使系统储能效率进一步提升高达20%。本项目所发现的通过调控多孔活性吸收体结构及热化学储能系统运行参数而改善并强化系统整体热化学反应特性的成果，能够为设计新型多孔催化活性吸收体及热化学储能系统提供科学理论与方法支撑。.基于以上成果，项目负责人共发表标注基金资助的SCI检索论文2篇，EI检索论文1篇，参与国内外学术会议7人次，申请发明专利2项。项目执行期间，项目组共有2位博士、1位硕士毕业，项目负责人获评2017年陕西省优秀博士学位论文，并晋升副教授。.