一种新型太阳能移动床热解反应器的设计与性能研究，用于废盐处理

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《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Design and performance study on a novel solar moving-bed pyrolysis reactor for waste salt treatment

【字体：大中小】 时间：2025年11月19日 来源：ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT 10.9

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　　本研究提出一种新型太阳能移动床热解反应器，结合平面镜与聚光槽实现连续太阳能辐照，有效去除工业废盐中的有机杂质（残留率<0.02），并通过反应器旋转将环向温差降至50K。季节性分析与温度优化表明，夏季日处理能力达82.66 kg/d，较冬季提高96%；提高入口温度200K可使处理能力提升39.06%，集成废热回收系统后效率再增40.63%。验证了太阳能热解在废盐纯化中的可行性及操作优化的重要性。

Z.J. Dong|H. Ye|W.J. Yan|Y.B. Tao

西安交通大学未来技术学院，中国陕西省西安市710049

摘要

含有有机杂质的工业废盐需要采用环保的处理方法。传统的热解工艺依赖化石燃料，而聚光太阳能则提供了一种清洁的替代方案。本研究提出了一种新型的太阳能移动床热解反应器，该反应器结合了平面镜和抛物面槽式聚光器，以实现垂直移动床反应器的连续太阳光照。该反应器能够有效热解有机杂质，最终残留物比例低于0.02%，同时反应器旋转将周向温差降至50 K。季节性分析确定了最佳流量，夏季日处理能力为82.66公斤/天，比冬季（42.17公斤/天）高出96%。此外，入口温度提高200 K可使日处理能力增加39.06%；因此，设计并优化了一个集成废热回收系统，进一步将日处理能力提高了40.63%。这项工作证明了太阳能驱动的热解技术在废盐净化中的可行性，并强调了操作优化在工业太阳能热应用中的重要性。

引言

大量产生的工业废氯化盐[1]中含有有机杂质[2]，这对环境构成了严重挑战，并阻碍了其回收利用。热解技术作为一种可行的处理方法，能够去除超过99%的有机污染物[3]，同时保留盐基质以备潜在的热能储存用途[4]。这一过程不仅实现了废物向资源的转化，还降低了能源储存系统的成本。

然而，传统的热解反应器依赖化石燃料将废盐加热到通常超过500°C的温度[5,6]，使得整个处理过程在环境上不可持续。聚光太阳能为驱动此类高温热化学反应提供了可持续的替代方案。太阳能驱动的热解技术在多种原料上已成功验证其可行性。例如，抛物面槽式聚光反应器已被开发用于生物质转化，实现了超过500°C的温度[7]。除了生物质转化之外，太阳能热技术也被应用于其他废物流。Wang等人[8]提出了一种用于处理污泥原料的集成系统，而在太阳能炼油厂中对残余油的混合化学裂解不仅提高了燃料质量，还实现了大规模氢气生产[9]。此外，关于抛物面槽式太阳能接收器-反应器用于甲醇分解的研究提供了对反应器动态行为和非设计工况下的理解[10]。这些努力共同证明了聚光太阳能在家热解应用中的多功能性。然而，在专为粉末状废盐设计的连续高效太阳能热解系统开发方面仍存在知识空白，这类废盐在处理和传热方面具有特殊挑战。

此外，研究表明，将废盐预热到更高的初始温度（T₀）可以显著减少初始加热时间并加快后续热解过程[11]。为了利用这一效应，将废热回收系统（WHRS）集成到太阳能热解反应器中是一种有前景的方法。WHRS在各种工业应用中的有效性已得到充分验证。对于固体废物流，Ma等人[12]提出了一种利用高炉渣颗粒与熔盐直接接触的WHRS。在工业冷却过程中，Peng等人[13]开发了一种新型环形冷却器，其能源效率比传统工艺高出1.6倍。在交通运输领域，WHRS在混合动力电动汽车中的集成已被证明可以提高发动机效率并降低能耗[14]。研究还探讨了将WHRS与可再生能源系统相结合的方法。例如，Wang等人[8]提出了一种结合废热回收和太阳能收集的集成系统用于水热碳化。类似地，还开发了一种带有WHRS的热泵耦合两级加湿-除湿海水淡化系统[15]。值得注意的是，这些系统已被证明能显著提高整体能源效率。Jouhara等人[16]使用两级换热器从天然气炉中回收了47%的热能。经济效益也非常显著：Zhang等人[17]利用神经网络和遗传算法证明WHRS可以显著提高成本效益。这些发现表明，将WHRS集成到太阳能热解中可以提高整体性能。

尽管太阳能热解和废热回收已分别进行了研究，但它们在连续流系统中协同应用以净化废盐的效果尚未探索。具体来说，开发一种能够确保移动盐床均匀加热和完全热解的太阳能反应器，并结合有效的热回收策略来预热进料，是一个关键的研究空白。因此，假设一种新型的太阳能移动床热解反应器（SMPR）与合理设计的WHRS相结合，将实现废盐的连续、高效和季节适应性净化，为基于化石燃料的热解提供可持续的替代方案。为了验证这一概念，在实际天气条件下评估了热解行为，以评估其在四个季节中的可靠性。此外，还研究了废盐流量（U）的影响，并确定了最佳流量（U_o）。同时，还研究了初始废盐温度（T₀）对SMPR性能的影响。与此同时，开发了一种新型的WHRS，用于从处理后的盐中回收废热并预热进料。因此，这项研究为太阳能利用和去除工业废氯化盐中的有机杂质提供了宝贵的见解。