1.本发明涉及一种利用太阳能热解煤的装置和方法，属于能源化工领域。


背景技术：

2.根据中国煤层煤分类gb/t17606分类，低阶煤的定义是恒湿无灰基高位发热量(qgr maf)小于24mj/kg的煤，煤类分为低变质烟煤（如长焰煤、不黏煤、弱黏煤等）和褐煤，低变质烟煤主要分布于我国西北、华北和东北地区，煤化程度高于褐煤，含水量达5%
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12%；褐煤是煤化程度最低的矿产煤，主要分布于我国东北与西南两大片区。中国煤炭资源相对丰富，煤炭资源储量为1892亿吨，其中低阶煤占全国煤炭总储量的30%，如何实现低阶煤炭资源提值高效利用是我国能源利用面临的重大挑战，低阶煤低温热解是煤炭清洁高效利用的重要技术之一。
3.中国专利cn107919848a公开了一种环形线性菲涅尔高倍聚光器，采用点聚光方式，使聚光器的聚光比大大提高，聚光后能量密度较线聚光大大提高，并且不改变自然界阳光的频率与波长，同时具有双轴追踪的自动跟踪技术，保证太阳光始终保持直射，聚光强化后的光源具有较高的利用价值，并且该发明中提出了焦点处加装光伏组件，转化光能为电能的思想，但并未对其提出具体利用。美国国家可再生能源实验室（nrel）thomas moriarty 教授课题组(nature energy, 2019, doi: 10.1038/s41560
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020
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0598
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5)牵头的国际联合研究团队设计制备了基于 iii
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v 族异质结半导体的六结叠层太阳电池，在聚光条件下（143 个太阳光辐照强度）器件获得了高达 47.1%的认证效率，创造了人类有史以来太阳电池器件光电转换效率最高值，即使在无聚光条件下整个器件依旧可以获得近 40%转换效率。可见，利用环形线性菲涅尔太阳能高倍聚光器，将太阳能进行聚光后进行利用，不仅可以提高太阳能光电/热转换效率，还能获得较高品质的热源，进而提供其他能源转化过程所需高品位能量。
4.煤低温热解过程是一个强吸热过程，所需温度高达600℃，目前工业上低阶煤热解技术按炉的加热方式主要分为外热式、内热式以及内热外热混合式，为了满足煤热解过程所需热量，主要通过化石燃料燃烧供热或者电加热，不仅能耗较高，同时间接导致大量污染物排放，造成环境的污染。因此，如何寻求廉价清洁高温热源，提供煤热解过程所需热量，开发低碳高效绿色煤热解技术，是推进低阶煤清洁高效转化利用的关键。为此，本发明提出一种太阳能强化聚光驱动低阶煤热解提质转化利用的装置，从而实现可再生能源太阳能耦合化石能源的清洁高效转化利用。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种利用太阳能热解煤的装置及方法。
6.本发明通过高倍聚光太阳能装置及方法，提高太阳能聚光效应，实现太阳能能量品位和质量的提升，获得高温热源，提供煤热解反应所需热量，达到利用太阳能供热热解煤反应生产半焦、焦油、热解煤气的目的。
7.本发明提供了一种利用太阳能热解煤的装置，所述装置包括太阳能聚集装置、光电转换装置、太阳能自动跟踪装置、热解反应装置、温度控制加热器和油气分离器；太阳能聚集装置，所述太阳能聚集装置由菲涅尔透镜、环形不锈钢片、支撑构架组成；支撑构架底部为圆柱状不锈钢底座，顶部由多个普通不锈钢钢条焊接成倒伞状结构，直径大小不同的环形不锈钢片通过焊接固定在支撑构架上方，菲涅尔透镜固定在内径最小的环形不锈钢片中心处圆形槽内；光电转换装置，所述光电转换装置由可折叠太阳能硅晶板电池、蓄电池组成；太阳能硅晶板电池固定在太阳能聚集装置的正下方，环形排布；太阳能硅晶板电池将太阳能转化为电能储存在蓄电池中；太阳能自动跟踪装置，所述的太阳能自动跟踪装置由光敏追踪器、控制器、横向旋转器、纵向旋转器组成；光敏追踪器固定在太阳能聚集装置上，与透镜垂直，横向旋转器、纵向旋转器固定在支撑构架底部，光敏追踪器将光照信号传输到控制器，控制器控制横向旋转器和纵向旋转器以保证光敏追踪器接受光照的方向；热解反应装置，所述热解反应装置固定于支撑构架中部；热解反应装置中饼状反应器为不锈钢饼状反应器，采用抽屉式进出料方式，热解煤气管道位于饼状反应器上方；饼状反应器可以有效降低纵向和横向反应区间的温度差，保证反应各区域温度均匀；饼状反应器侧面与底部均匀缠绕加热电阻丝，并包覆保温材料；饼状反应器底部设有抽屉式进出料口，反应前将原料装于底部抽屉，推入反应装置，在热解反应完成后将固体产物从反应器底部分离出来；饼状反应器接受光照面由导热金属材料包覆，中间填充导热油，导热油比热容大，可以起到传热与保温作用；光照射到导热金属材料后产生高温热源传递给导热油，进而均匀加热饼状反应器，实现煤的热解；温度控制加热器，所述温度控制加热器由温度传感器、加热电阻丝组成；温度传感器用于测量监控饼状反应器内部温度；加热电阻丝受温度传感器控制，用于加热饼状反应器；油气分离器，所述油气分离器为双层结构，内壳将油气分离器分为两个空间，内部呈塔状结构，冷凝水在外壳与内部塔的夹层中自上而下流过，与从底部进入正在上升的热解煤气进行逆流换热，将热解煤气中的焦油冷凝沉降收集，而热解煤气从塔顶排出；上述装置中，所述的太阳能聚集装置，由太阳能自动跟踪装置控制太阳能聚集装置聚光方向，保证太阳光辐射角度与太阳能聚集装置垂直，实现最大程度聚光。
8.上述装置中，所述的太阳能自动追踪装置，通过光敏追踪器感应进行追踪阳光，光敏追踪器固定在太阳能聚集装置上，使太阳能聚集装置的主光轴始终与太阳光线平行，感应光照最强的方向，将信号传到太阳能自动跟踪装置，使得横向旋转器和纵向旋转器可以带动太阳能聚集装置进行多方向的调节。
9.上述装置中，所述的光电转换装置能将光强度较强时间内的富余部分太阳能转换成电能储存起来，光电转换装置由若干块可折叠的太阳能硅晶板电池构成，硅晶板呈环形排布，硅晶板数量可根据单个硅晶板的面积和太阳能聚集装置规模大小设定，在保证饼状反应器温度所需能量要求下，可根据太阳光强度调整硅晶板接受光照的数量。
10.上述装置中，所述的温度控制加热装置可以实时监测饼状反应器的温度，且当饼状反应器温度低于煤热解反应要求时，可将蓄电池中的电能释放出来用来加热饼状反应
器，满足饼状反应器温度维持在550
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600℃。
11.本发明提供了一种利用太阳能热解煤的方法，包括以下步骤：将原料煤放入饼状反应器的底部抽屉中，推入饼状反应器中；通过太阳能自动追踪装置调整太阳能聚集装置与太阳光照射的方向，光照强度为500~1000 w/m2，太阳能聚光装置接受垂直光照面积为1.0~1.2 m2，调节光电转换装置上4~12块太阳能硅晶板电池打开接受光照，将18~30%光能转换为电能并储存在蓄电池中；温度控制加热装置实时监测饼状反应器的温度，反应温度为450~600
°
c，反应时间为0.5~3 h；当光照充足时，蓄电池不提供电量加热；抽出底部抽屉得到半焦产品，半焦收率为55~70%；气体产物通过热解煤气管道，进入油气分离器冷凝；在油气分离器底部得到焦油，在顶部得到热解煤气。
12.本发明的有益效果：本发明通过聚集太阳光强度和增加其能量密度，获得高品位和质量的太阳能能量，并将其转变为高温热源和清洁电力，提供给煤炭热解所需能量，充分利用了太阳能能源，实现了可再生能源太阳能原位可持续稳定驱动低阶煤热解提质转化利用，避免了煤热解过程外部供热带来的化石能源或电能消耗，以及伴随造成的间接污染物排放，为煤炭资源清洁高效转化提供了重要途径，是化石能源煤炭与太阳能协同耦合利用的重要借鉴。
附图说明
13.图1为本发明利用太阳能热解煤的装置示意图。
14.图2为热解反应装置示意图。
15.图3为一种利用太阳能热解煤的方法流程图。
16.图4为太阳能聚集装置的聚光原理图。
17.图5为太阳能硅晶板电池结构排布图（图1俯视）。
18.图中：1菲涅尔透镜、2环形不锈钢片、3太阳能硅晶板电池、4蓄电池、5光敏追踪器、6控制器、7横向旋转器、8纵向旋转器、9饼状反应器、10温度传感器、11加热电阻丝、12热解煤气管道、13油气分离器、14热解煤气出口管道、15焦油出口管道、16导热油、17抽屉式进出料口，18支撑构架，19圆形槽。
具体实施方式
19.下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
20.如图1~5所示，本发明提供了一种利用太阳能热解煤的装置，包括：太阳能聚集装置、光电转换装置、太阳能自动跟踪装置、热解反应装置、温度控制加热器和油气分离器；所述太阳能聚集装置由菲涅尔透镜1、环形不锈钢片2、支撑构架18组成；菲涅尔透镜1与环形不锈钢片2固定在支撑构架18上，环形不锈钢片2平行设置有若干组，且每组的直径逐渐增大；支撑构架18底部为圆柱状不锈钢底座，底座上方由多个普通不锈钢钢条与环形不锈钢片焊接固定成梯形圆台结构，在内径最小的环形不锈钢片2中心处设有空心不锈钢圆形槽19，不锈钢圆形槽19通过钢条焊接在内径最小的环形不锈钢片2上进行固定，透明的菲涅尔透镜1直接放置固定在内径最小的环形不锈钢片2中心处圆形槽19内；所述光电转换装置由可折叠太阳能硅晶板电池3、蓄电池4组成；太阳能硅晶板电池3环形排布在太阳能聚集装置的正下方；太阳能硅晶板电池3将太阳能转化为电能储存在
蓄电池4中；所述的太阳能自动跟踪装置由光敏追踪器5、控制器6、横向旋转器7、纵向旋转器8组成；光敏追踪器5固定在太阳能聚集装置上，与透镜垂直，横向旋转器7、纵向旋转器8固定在支撑构架18底部，光敏追踪器5将光照信号传输到控制器，控制器6控制横向旋转器7和纵向旋转器8以保证光敏追踪器接受光照的方向；横向旋转器7下端通过轴承固定在支撑构架18底座，上端固定纵向旋转器8，通过横向旋转器7旋转调节水平方向；纵向旋转器8下端通过轴承固定在横向旋转器7上，纵向旋转器8上端连接固定热解反应装置，通过纵向旋转器8旋转进行纵向的调节；从图1中看，横向旋转器7和纵向旋转器8底部就是通过螺丝固定，没有特殊结构，只是这个旋转器可以通过接收光信号，发生不同方向的旋转。
21.所述热解反应装置包括饼状反应器9、热解煤气管道12，热解反应装置固定于支撑构架中部；饼状反应器9为不锈钢饼状反应器9，底部设有抽屉式进出料口17，采用抽屉式进出料方式，饼状反应器9侧面开口与热解煤气管道12连接,；饼状反应器可以有效降低纵向和横向反应区间的温度差，保证反应各区域温度均匀；饼状反应器9侧面与底部均匀缠绕加热电阻丝11，并包覆保温材料；反应前将原料装于饼状反应器9底部抽屉，推入反应装置，在热解反应完成后将固体产物从反应器底部分离出来；饼状反应器9接受光照面由导热金属材料包覆，中间填充导热油16，导热油16比热容大，可以起到传热与保温作用；光照射到导热金属材料后产生高温热源传递给导热油16，进而均匀加热饼状反应器9，实现煤的热解；饼状反应器9固定焊接在热解装置内部；所述温度控制加热器由温度传感器10、加热电阻丝11组成；温度传感器10安装在饼状反应器9的内部中心位置，用于测量监控饼状反应器9内部温度；加热电阻丝11受温度传感器10控制，用于加热饼状反应器9；所述油气分离器为双层结构，油气分离器底部与热解煤气管道12、焦油管道15连接，顶部设有热解煤气出口管道14；内壳将油气分离器分为两个空间，内部塔板倾斜（倾斜角30
°‑
45
°
）交替排布，冷凝水在外壳与内部塔的夹层中自上而下流过，与从底部进入且正在上升的热解煤气进行逆流换热，将热解煤气中的焦油冷凝沉降，通过底部的焦油管道收集，而热解煤气从塔顶的出口管道排出；本发明提供了一种利用太阳能热解煤的装置，由太阳能自动跟踪装置控制太阳能聚集装置的聚光方向，保证太阳光辐射角度与太阳能聚集装置垂直，实现最大程度聚光；所述的太阳能自动追踪装置，通过光敏追踪器感应进行追踪阳光，光敏追踪器固定在太阳能聚集装置侧面，使太阳能聚集装置的主光轴始终与太阳光线平行，感应光照最强的方向，将信号传到太阳能自动跟踪装置，使得横向旋转器和纵向旋转器可以带动太阳能聚集装置进行多方向的调节；所述的光电转换装置能将光强度较强时间内的富余部分太阳能转换成电能储存起来，光电转换装置由若干块可折叠的太阳能硅晶板电池构成，硅晶板呈环形排布，硅晶板数量可根据单个硅晶板的面积和太阳能聚集装置规模大小设定，在保证饼状反应器温度所需能量要求下，可根据太阳光强度调整硅晶板接受光照的数量；所述的温度控制加热装置可以实时监测饼状反应器的温度，且当饼状反应器温度低于煤热解反应要求时，可将蓄电池中的电能释放出来用来加热饼状反应器，满足饼状反应器温度维持在550
‑
600℃。
22.本发明提供了一种采用上述装置利用太阳能热解煤的方法，包括以下步骤：
将原料煤放入饼状反应器的底部抽屉中，推入饼状反应器中；通过太阳能自动追踪装置调整太阳能聚集装置与太阳光照射的方向，光照强度为500~1000 w/m2，太阳能聚光装置接受垂直光照面积为1.0~1.2 m2，光电转换装置上4~12块太阳能硅晶板电池打开接受光照，将18~30%光能转换为电能并储存在蓄电池中；温度控制加热装置实时监测饼状反应器的温度，反应温度为450~600
°
c，反应时间为0.5~3 h。；当光照充足时，蓄电池不提供电量加热。抽出底部抽屉得到半焦产品，半焦收率为55~70%；气体产物通过热解煤气管道，进入油气分离器冷凝；在油气分离器底部得到焦油0.45~0.65 kg，在顶部得到热解煤气0.2~0.4 m3。
23.实施例1如图1所示，将5 kg的原料褐煤放入饼状反应器的底部抽屉中，推入饼装反应器中；通过太阳能自动追踪装置调整太阳能聚集装置与太阳光照射的方向，光照强度为1000 w/m2，太阳能聚光装置接受垂直光照面积为1.2 m2，光电转换装置上12块太阳能硅晶板电池全部打开接受光照，将30%光能的转换为电能并储存在蓄电池中；温度控制加热装置实时监测饼状反应器的温度，并将反应温度设置为600
ꢀ°
c；此时光照充足，蓄电池不提供电量加热。反应1 h后，抽出底部抽屉得到半焦产品2.75 kg，半焦收率为55%；气体产物通过热解煤气管道，进入油气分离装置冷凝；在油气分离器底部得到焦油0.45 kg、在顶部得到热解煤气0.4 m3，经检测，气体中含有37.5% h2、21.8% co、31.2% ch4、9.5%杂质气体（含硫、氮等）（体积分数）。
24.实施例2如图1所示，将5 kg的原料褐煤放入饼状反应器的底部抽屉中，推入饼装反应器中；通过太阳能自动追踪装置调整太阳能聚集装置与太阳光照射的方向，光照强度为900 w/m2，太阳能聚光装置接受垂直光照面积为1.0 m2，光电转换装置上12块太阳能硅晶板电池全部打开接受光照，将26%光能的转换为电能并储存在蓄电池中；温度控制加热装置实时监测饼状反应器的温度，并将反应温度设置为600
ꢀ°
c；此时光照充足，蓄电池不提供电量加热。反应1h后，抽出底部抽屉得到半焦产品3 kg，半焦收率为60%；气体产物通过热解煤气管道，进入油气分离装置中冷凝；在油气分离器底部得到焦油0.65 kg、在顶部得到热解煤气0.3 m3，经检测，气体中含有35.0% h2、25.7% co、35.0% ch4、4.3%杂质气体（含硫、氮等）（体积分数）。
25.实施例3如图1所示，将5 kg的原料褐煤放入饼状反应器的底部抽屉中，推入饼装反应器中；通过太阳能自动追踪装置调整太阳能聚集装置与太阳光照射的方向，光照强度为850w/m2，太阳能聚光装置接受垂直光照面积为1.2 m2，将光电转换装置上8块（其他4块折叠收起）太阳能硅晶板电池打开接受光照，将25%光能的转换为电能并储存在蓄电池中；温度控制加热装置实时监测饼状反应器的温度，并将反应温度设置为450
ꢀ°
c，反应器内压力为4 bar；此时光照充足，蓄电池不提供电量加热。反应0.5 h后，将饼状反应器的底部抽屉抽出得到半焦3.2 kg，半焦收率为64%；气体产物通过热解煤气管道，进入油气分离装置中冷凝；在油气分离器底部得到焦油0.50 kg、在顶部得到热解煤气0.28 m3，经检测，气体中含有35.4% h2、22.5% co、32.2% ch4、9.9%杂质气体（含硫、氮等）（体积分数）。
26.实施例4
如图1所示，将5 kg的原料褐煤放入饼状反应器的底部抽屉中，推入饼装反应器中；通过太阳能自动追踪装置调整太阳能聚集装置与太阳光照射的方向，光照强度为800 w/m2，太阳能聚光装置接受垂直光照面积为1.2 m2，光电转换装置上12块太阳能硅晶板电池全部打开接受光照，将20%光能的转换为电能并储存在蓄电池中；温度控制加热装置实时监测饼状反应器的温度，并将反应温度设置为550
ꢀ°
c，反应器压力为5 bar；此时光照充足，蓄电池不提供电量加热。反应0.7h后，将饼状反应器的底部抽屉抽出得到半焦3.5 kg，半焦收率为70%；气体产物通过热解煤气管道，进入油气分离装置中冷凝；在油气分离器底部得到焦油0.65 kg、在顶部得到热解煤气0.2 m3，经检测，气体中含有27.5% h2、37.5% co、25.0% ch4、10%杂质气体（含硫、氮等）（体积分数）。
27.实施例5如图1所示，将5 kg的原料褐煤放入饼状反应器的底部抽屉中，推入饼装反应器中；通过太阳能自动追踪装置调整太阳能聚集装置与太阳光照射的方向，光照强度为500 w/m2，太阳能聚光装置接受垂直光照面积为1.2 m2，将光电转换装置上4块（其他8块折叠收起）太阳能硅晶板电池打开接受光照，将18%光能的转换为电能并储存在蓄电池中；温度控制加热装置实时监测饼状反应器的温度，并将反应温度设置为500
ꢀ°
c，反应器压力为4 bar；此时光照不充足，蓄电池储备的80%电量用于加入饼状反应器。反应3 h后，将饼状反应器的底部抽屉抽出得到半焦2.75 kg，半焦收率为55%；气体产物通过热解煤气管道，进入油气分离装置中冷凝；在油气分离器底部得到焦油0.45 kg、在顶部得到热解煤气0.4 m3，经检测，气体中含有38% h2、13% co、42% ch4、7%杂质气体（含硫、氮等）（体积分数）。
28.实施例6如图1所示，将5 kg的原料褐煤放入饼状反应器的底部抽屉中，推入饼装反应器中；通过太阳能自动追踪装置调整太阳能聚集装置与太阳光照射的方向，光照强度为550 w/m2，太阳能聚光装置接受垂直光照面积为1.2 m2，将光电转换装置上4块（其他8块折叠收起）太阳能硅晶板电池打开接受光照，将18%光能的转换为电能并储存在蓄电池中；温度控制加热装置实时监测饼状反应器的温度，并将反应温度设置为600
ꢀ°
c，反应器压力为5 bar；此时光照不充足，蓄电池储备的电量全部用于饼状反应器。反应2 h后，将饼状反应器的底部抽屉抽出得到半焦3 kg，半焦收率为60%；气体产物通过热解煤气管道，进入油气分离装置中冷凝；在油气分离器底部得到焦油0.45 kg、在顶部得到热解煤气0.4 m3，经检测，气体中含有31.0% h2、31.0% co、31.0% ch4、7%杂质气体（含硫、氮等）（体积分数）。
29.表1 一种利用太阳能热解煤的装置及方法关键参数与产物分布
按照表1所示，本发明可充分聚焦太阳能并可提供煤热解所需能量（450
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600
ꢀ°
c），进而获得煤热解产品半焦、焦油和热解煤气，通过利用可再生能源太阳能，实现了煤的清洁高效转化利用。例如，在600
ꢀ°
c条件下，太阳能提供煤热解所需热量，相当于减少燃烧29.1 g标准煤，间接减排77.5 g co2。本发明避免了煤热解过程外部供热带来的化石能源或电能消耗，以及造成的间接污染物排放，是煤炭资源清洁高效转利用重要途径之一。
30.对从事本领域的技术人员来说，可以根据以上的描述方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。