太阳能热化学反应器内流动和反应的数值模拟(3)

图7 不同时刻δ在多孔介质区域的分布云图

沿轴向δ是不断减小的，且随着时间增加，δ的增长变缓，多孔介质上游区域的δ增长率明显高于下游，如图8所示.由图9可知，氧气的质量分数沿轴向不断变大，随之时间增加，氧气的质量分数不断降低.这是因为当CeO2刚开始反应时，由于多孔介质区域各处的氧气分压均为零，O2的产率很高，随着反应的进行，氧气分压升高，特别是多孔介质下游区域，其氧气分压明显高于上游，更接近平衡压力，当氧气分压越接近平衡压力，δ增长越慢，氧气的产率越小，相反地上游区域氧气分压始终较低，δ增长始终较快，所以x=0 m处的δ值明显高于x=0.374 m处的.

图8 轴向氧空位浓度δ分布(不同时刻)图9 轴向氧气质量分数分布(不同时刻)

出口氧气的摩尔流率，如图10所示.在刚通入N2的时候，出口氧气的摩尔流率可达到9.42×10-5mol·s-1，且随着反应时间的增加，氧气流率逐渐下降，这是因为总体上氧气的分压越来越接近平衡压力(大约为240 Pa)，δ增长减缓，从CeO2中释放出的氧气变少.

图10 出口氧气的摩尔流率

2.3 氧化阶段分析

(1)反应器内温度分布

t=101 s和200 s时反应器温度分布云图，如图11所示.在整个时间段内，反应器的最高温度为1 770 K，低于还原阶段的1 880 K，而从101 s到200 s这段时间，反应器内高温区域变大.这是因为通入CO2后，CO2质量流量比N2的质量流量大，且CO2气体的比热容大于N2的比热容，故在一定的热流密度下，氧化阶段的流场温度低于还原阶段时的温度.此外，在整个氧化阶段，反应是放热的，所以随着时间的增加，反应器整体升温.

图11 不同时刻壁面和计算域内温度分布云图

反应器壁面轴向温度在不同时刻的温度分布，如图12所示.从图12可知，随着轴向距离的增加，壁面温度先增高后下降.因为气体被壁面不断加热，随着流动距离温度变高，在临近出口时，由于与入口低温气体(1 625 K)换热，所以温度出现了下降，由于反应放热，所以随着时间增加，壁面温度升高.从图13可知，随着时间的增加，多孔介质体积平均温度不断增加，进一步说明了氧化阶段发生的反应是放热的.

图12 反应器壁面轴向温度分布图13 多孔介质体积平均温度随时间的变化

(2)氧空位浓度δ与CO产率

从图14可看出，随着轴向距离增加，氧空位浓度δ逐渐降低，且随着时间的增加，δ也在减少，特别是x=0 m处，δ下降最快，在t=200 s时多孔介质区域δ的分布云图，如图15所示.可见在x=0 m处，δ约为0.03，体积平均δ约为0.020，与还原阶段的初始值较接近，这是因为氧化阶段，CO2高温下发生热分解，释放出大量O2，使得此时的氧气分压大于平衡压力，CeO2将O2吸收来填补自身的氧空位，所以δ出现下降趋势，且δ越大，氧气平衡压力就越小，CeO2对O2的吸收速率更高，因此在x=0 m处δ下降最快.

图14 轴向氧空位浓度δ分布情况(不同时刻)图15 t=200s时δ分布云图

从图16可看出，随着x的增加，CO质量分数先增加后减少，且随着时间的增加，CO质量分数不断下降，这是因为当通入CO2时，CO2热分解释放的O2被二氧化铈CeO2吸收用以填补氧空位，进而促进CO2的热分解，所以从x=0 m到x=0.15 m处，CO质量分数不断升高；而CO质量分数在x=0.15 m之后出现下降趋势，是因为这段区域的氧空位浓度δ较小，对O2的吸收能力有限，导致CO2热分解产生的O2没有被完全吸收，与CO再结合，导致CO质量分数下降.

CO摩尔流率随时间的变化曲线，如图17所示.随时间增加，CO摩尔流率逐渐下降，这是因为随着反应的进行，氧空位浓度δ逐渐减少，对CO2热分解反应的促进表少，导致CO产率逐渐减少.

图16 轴向CO质量分数分布 图17 出口CO的摩尔流率

3 结 论

本文以Bader设计的反应器为基础，建立了用于二氧化铈小温差下氧化还原循环分解CO2的太阳能高温反应器的三维瞬态模型，考虑了流动过程和非化学计量反应的相互作用及其对温度、压力、组分浓度和燃料产率的影响.研究发现，反应器热流密度集中分布在靠近光圈的一侧，热量损失取决于吸收腔壁面温度和材料保温性能，应尽量减少辐射能量直接作用于吸收腔壁面；反应器温度与反应阶段密切相关，还原阶段温度上升，氧化阶段温度下降；还原阶段，二氧化铈释放氧气，氧空位浓度δ受氧气的抑制作用，在气体入口处最大，出口处最小；氧化阶段，二氧化碳在高温下热分解，二氧化铈吸收分解后的氧原子，促进了CO2的热分解作用；氧气释放量和二氧化碳热分解作用与氧空位浓度、气体流率、反应时间和温度密切相关，在太阳能反应器设计阶段需综合考虑上述因素.

文章来源：《中国辐射卫生》 网址: http://www.zgfswszz.cn/qikandaodu/2021/0728/951.html