直接式高温太阳能化学反应器内参与性介质辐射与气固反应流的耦合机理研究

Directly irradiated solar chemical reactor is the key compont for high temperaure solar thermchemical deposition.The reactive gas-particles are radiative participating mediums directly abosorb the solar radiation and complex heat and mass transfer, multiscale gas-solid two phase flow, chemical kinetics and coupling effects within them in the reactor.This project aims to research the directly irradiated solar chemical reactor.Under unsteady and high incident solar radiation(10000kW/m2) conditons,the radiavite heat transfer of participating mediums with complex compounds which intensively depend on their wavelength distribution and penetrating depth, multiscale gas-solid flow,chemical kinetics and their mutual coupling mechanism will be investigated. Then the model of the whole conversion process in the reactor will be established to reveal the mechanism of radiative heat transfer of participanting mediums and coupling effect with multi-scale two phase reaction flow. And the influence of reaction conditions on the reaction materials conversion efficiency and thermal performance will be got. and chemical kinetics and to get influence of temperature field, flow field, gas The outputs of the project will provide the theoreactical basis for of reactor.

直接式高温太阳能热化学反应器是高温太阳能热化学应用的核心部件，其中反应物作为参与性介质直接吸收太阳辐射，同时涉及到复杂的传热、传质、多尺度气固两相流及其与化学反应动力学的耦合过程。本课题以直接式太阳能热化学反应器为研究对象，开展瞬变、高焦比（10000kW/m2）太阳辐射条件下，复杂组分参与性介质强烈的光谱性和容积性对于高温辐射传递特性的影响、多尺度（10nm~5mm）气固两相流、化学动力学及其相互耦合作用的机理研究。在此基础上建立反应器内介质转换过程的完整数学物理模型，揭示参与性介质辐射与多尺度气固反应流的耦合作用机制，得出反应条件对于热化学反应器转化率和热效率的影响规律，为直接式太阳能热化学反应器的设计开发奠定理论基础。

基于投影寻踪和层次分析理论建立了反应基对的大范围筛选方法，从300多种候选反应基对中初选出候选反应基对。构建了反应体系的化学和系统热力学模型，基于SnO2，Fe3O4，GeO2和LaMnO3四类析氧能力优异的热化学循环体系进行了系统的热力学和动力学研究。研究了反应基对在热化学循环中的亏损情况以及其对循环效率和循环次数的影响。探索了使用基对碳热还原降低热化学循环温度从而避免传统计量型基对一直存在的熔化或蒸发等缺陷。通过对比传统两步热化学循环的最新文献发现碳热还原的反应条件更加温和。研究了高温界面水解的微观动力学机制，基于过渡态理论预测出过渡态的构型和反应的活化能垒。针对直接式高温热化学反应器内甲烷的碳热还原反应过程建立非稳态数学模型。模型包括针对气体和固体颗粒分别建立的质量和能量守恒方程，能量方程包含气固对流换热项，辐射换热项作为源项耦合到固体颗粒的能量方程中，并将质量、能量守恒方程与化学反应动力学项相耦合，其中对流换热项利用气体动力学分析气体热物性,辐射换热项利用Mie散射理论对颗粒辐射特性进行分析，即吸收、发射、散射特性，并利用离散坐标法求解辐射传递方程；化学反应动力学项利用阿伦尼乌斯定率计算得到化学反应速率，并利用活塞流反应器模型对反应器内化学反应转化率进行分析。通过计算得到反应器的温度场、粒径、颗粒体积分数、组分密度等参数的分布变化情况。针对三维直接辐照旋流太阳热化学反应器，并考虑能流椭球型分布及聚光边界条件，采用欧拉-拉格朗日方法建立了气固两相流数学模型并耦合煤颗粒、气体的参与性介质辐射和化学反应动力学模型。研究了CO2进气质量流量配比和煤颗粒质量流量对石英玻璃窗表面沉积煤颗粒的影响规律。研究了太阳辐射、进煤量、进气量等因素对于反应器效率的影响规律，为反应器的优化设计提供了理论依据和技术手段。