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聚光 太阳能接收器和包含 传热 流体的反应器系统

阅读：523发布：2020-05-18

专利汇可以提供聚光太阳能接收器和包含传热流体的反应器系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种使用聚光太阳能辐射可操作的设备，所述设备包括：主体，所述主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；热能吸收器，所述热能吸收器与所述空腔相关联，以从所述空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；容纳物质主体的腔室，所述腔室与所述热能吸收器处于热交换关系，以从所述热能吸收器接收热量从而加热所述物质主体；以及入口装置，所述入口装置用于将流体引入所述腔室中，以接触所容纳的物质主体。此外，一种用于使反应物液体与两种气态反应物接触的反应器系统，所述反应器系统包括两个反应器，所述两个反应器相互连接以在它们之间循环反应物液体，由此使循环的反应物液体能够与引入一个反应器的气态反应物反应并且还能够与引入另一个反应器的气态反应物反应。，下面是聚光太阳能接收器和包含传热流体的反应器系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种使用聚光太阳能辐射可操作的设备，所述设备包括：
主体，所述主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；
热能吸收器，所述热能吸收器与所述空腔相关联，以从所述空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；
容纳物质主体的腔室，所述腔室与所述热能吸收器处于热交换关系，以从所述热能吸收器接收热量从而加热所述物质主体；以及
入口装置，所述入口装置用于将流体引入所述腔室中，以接触所容纳的物质主体。
2.一种使用聚光太阳能辐射可操作的设备，所述设备包括：
主体，所述主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；
热能吸收器，所述热能吸收器与所述空腔相关联，以从所述空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；
容纳物质主体的腔室，所述腔室与所述热能吸收器处于热交换关系，以从所述热能吸收器接收热量从而加热所述物质主体；
入口装置，所述入口装置用于将流体引入所容纳的物质主体中，其中流体以气态流体的形式与所述物质主体分离；以及
出口装置，所述出口装置用于从所述腔室中移除所分离的气态流体。
3.一种使用聚光太阳能辐射处理流体的设备，所述设备包括：
主体，所述主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；
热能吸收器，所述热能吸收器与所述空腔相关联，以从所述空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；
容纳物质主体的腔室，所述腔室与所述热能吸收器处于热交换关系，以从所述热能吸收器接收热量从而加热所述物质主体；
入口装置，所述入口装置用于将待处理的流体引入所容纳的物质主体中，其中流体以经处理的气态流体的形式与所述物质主体分离；以及
出口装置，所述出口装置用于从所述腔室中移除所分离的气态流体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，包括多个腔室，每个所述腔室包括适于从所述热能吸收器接收热量的物质主体。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述经处理的气体包括经加热的气体。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述物质主体包括传热液体。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述传热液体包括金属/金属氧化物诸如Ga、Sb、Pb、Sn、Fe、Cu、Cr、Ti、CuO和AgO。
8.根据权利要求6所述的设备，其中所述传热液体包括非金属流体。
9.根据权利要求8所述的设备，其种所述非金属流体包括熔融盐。
10.一种用于处理气体的太阳能接收器，所述太阳能接收器包括：
主体，所述主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；
热能吸收器，所述热能吸收器与所述空腔相关联，以从所述空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；
容纳物质主体的腔室，所述腔室与所述热能吸收器处于热交换关系，以从所述热能吸收器接收热量从而加热所述物质主体；
入口装置，所述入口装置用于将气体引入所容纳的物质主体中以与其进行热交换；以及
出口装置，所述出口装置用于移除与所述物质主体分离的经处理的气体。
11.一种用于加热气体的太阳能接收器，所述太阳能接收器包括：
主体，所述主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；
热能吸收器，所述热能吸收器与所述空腔相关联，以从所述空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；
容纳传热液体主体的腔室，所述腔室与所述热能吸收器处于热交换关系，以从所述热能吸收器接收热量从而加热所述传热液体；
入口装置，所述入口装置用于将气体引入所述传热液体主体中以与其进行热交换；以及
出口装置，所述出口装置用于移除与所述传热液体分离的经加热的气体。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的太阳能接收器，包括多个腔室，每个所述腔室包括适于从所述热能吸收器接收热量的物质主体。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的太阳能接收器，其中所述经处理的气体包括经加热的气体。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的太阳能接收器，其中所述物质主体包括传热液体。
15.根据权利要求14所述的太阳能接收器，其中所述传热液体包括金属/金属氧化物诸如Ga、Sb、Pb、Sn、Fe、Cu、Cr、Ti、CuO和AgO。
16.根据权利要求14所述的太阳能接收器，其中所述传热液体包括具有适当热物理性质的非金属流体。
17.根据权利要求16所述的设备，其种所述非金属流体包括熔融盐。
18.一种处理流体的方法，所述方法包括使用根据权利要求1至3中任一项所述的设备。
19.一种处理气体的方法，所述方法包括使用根据权利要求10或权利要求11所述的太阳能接收器。
20.一种加热气体的方法，所述方法包括使用根据权利要求10或权利要求11所述的太阳能接收器。
21.一种加热流体的方法，所述方法包括：
加热传热液体主体；
将待加热的流体引入经加热的传热液体主体中；
将所述流体以经加热的气态流体的形式与所述传热液体主体分离；以及收集所分离的气态流体。
22.一种加热气体的方法，所述方法包括：
接收聚光太阳能辐射；
使用来自所述聚光太阳能辐射的热能来加热传热液体主体；
将待加热的气体引入经加热的传热液体主体中；
将所述气体与所述传热液体主体分离；以及
收集所分离的气体。
23.一种使用第一流体和第二流体进行处理的方法，所述方法包括：
接收聚光太阳能辐射；
将来自所述聚光太阳能辐射的热能施加到所述第一流体；以及
将所述第二流体引入所述第一流体中。
24.一种用于使反应物液体与两种气态反应物接触的反应器系统，所述反应器系统包括两个反应器，所述两个反应器相互连接以在它们之间循环反应物液体，由此使循环的反应物液体能够与引入一个反应器的气态反应物反应并且还能够与引入另一个反应器的气态反应物反应。
25.一种使反应物液体与两种气态反应物接触的方法，所述方法包括使用根据权利要求24所述的设备。
26.一种使反应物液体与两种气态反应物接触的方法，所述方法包括在两个反应器之间循环所述反应物液体，将一种气态反应物引入一个反应器中，以及将另一种气态反应物引入另一个反应器中，由此使循环的反应物液体能够与引入一个反应器的气态反应物反应并且还能够与引入另一个反应器的气态反应物反应。
27.一种进行液体化学链燃烧(LCLC)或用于液体化学链气化(LCLG)的方法，其中所述方法包括使用根据本发明的第一方面的设备，并且其中所述反应物液体包含载氧体。
28.一种进行液体化学链燃烧(LCLC)或用于液体化学链气化(LCLG)的方法，所述方法包括在燃料反应器与空气反应器之间循环包含载氧体的反应物液体，将气体燃料引入所述燃料反应器，以及将空气引入所述空气反应器，由此使循环的反应物液体能够与引入所述燃料反应器的所述燃料反应并且还能够与引入所述空气反应器的所述空气反应。

说明书全文

聚光太阳能接收器和包含 传热 流体的反应器系统

技术领域

[0001] 本发明涉及使用聚光太阳能辐射可操作的设备以及相关方法。本发明还涉及使用来自聚光太阳能辐射的热能处理流体的设备以及相关方法。本发明还涉及用于使反应物液体与一种或多种气态反应物接触的反应器系统。本发明还涉及使反应物液体与一种或多种气态反应物接触的方法。

[0002] 本发明主要开发在用于发电、储能或化学处理的方法和系统中使用。但是，应当理解，本发明不限于这个特定的使用领域。

[0003] 本发明的实施方案特别地但不是排他地设计用于加热流体，该方法包括加热传热液体的主体、将待加热的流体引入经加热的传热液体的主体中、将流体与传热液体的主体分离作为经加热的流体，并收集已分离的流体。然而经加热的流体还可以是液体或包含固相、液相和气相的多相流体。

[0004] 本发明的实施方案还涉及太阳能热液体化学链或还原/氧化‘氧化还原’系统或任何化学链系统，其中还原焓(一个或多个吸热反应)由被引入还原反应器或该方法的任何部分的聚光太阳能热能提供。但是，应用不限于氧化还原过程。热源也不限于太阳能热能。

[0005] 本发明的实施方案特别地但是不一定唯一地设计用于执行液体化学链燃烧(LCLC)或用于液体化学链气化(LCLG)，因此设想了需要在两个反应器之间循环反应物液体以使液体能够与两种气态反应物反应的其他应用。两种气态反应物通常是不同的气态反应物(例如LCLC和LCLG的情况)，但在本发明的所有应用中不一定如此。

[0006] 本发明的实施方案特别地但是不一定唯一地为了提高多相系统中的传热和传质速率。

[0007] 该设备可包括用于从太阳能来源捕获热能的太阳能接收器或用于从太阳能来源和燃料来源捕获热能的混合式接收器-燃烧器。在后一种情况下，混合式接收器-燃烧器适于从太阳能来源捕获热能并供应燃烧以从燃料来源产生热量。

背景技术

[0008] 在本说明书通篇中对背景技术的任何讨论决不应被视为承认这种背景技术是现有技术，也不应认为这种背景技术是广为人知的或形成澳大利亚或世界范围内该领域的公知常识的一部分。

[0009] 本说明书中引用的所有参考文献(包括任何专利或专利申请)均据此以引用方式并入。不承认任何参考文献构成现有技术。对参考文献的讨论陈述了作者的主张，申请人保留质疑所引用文件的准确性和相关性的权利。应当清楚地理解，尽管本文提及了许多现有技术出版物，但该参考文献并不构成这样的承认，即这些文件中的任一篇形成本领域、澳大利亚或任何其他国家的公知常识的一部分。

[0010] 太阳作为世界上主要的能量来源，表面温度为约5800K，太阳能光能传递为63MW/2
m ，是一种可被聚光以提供高温热量的无限的辐射来源。对它进行利用对生态几乎没有影响。然而，太阳能是本质上间歇性的，在地球上不均匀地分布并且由于太阳到地球的几何约束而被高度稀释至地面太阳能辐照度最大为约1kW/m2的程度。光学聚光器装置能够实现相对较低热损失的高太阳能辐射通量。它们使用大型反射表面将入射的太阳能辐射收集并聚光到太阳能接收器中，其中可以利用高温热量。然而，由于与现有技术中使用的材料相关的材料约束和传热限制，有效利用太阳能接收器内的热量在技术上具有挑战性。因此，需要新技术来应对这些挑战。

[0011] 液态金属/金属氧化物独特的热化学和热物理性质使它们成为用作传热流体(HTF)的有吸引力的选择，其中需要冷却暴露于极高热通量的表面。这些有吸引力的热物理和物理特性是：

[0012] (a)生产具有可变氧含量的均相或非均相熔融相(主要取决于氧化状态)的可能性；

[0013] (b)由于其高导热性和低普朗特数(Prandtl number)而产生高传热速率的可能性。这产生高传热系数，使得能够在低温差下(特别是在必须从相对较小的表面传递大量能量的情况下)进行有效的热交换。有利地，这还使得能够实现更紧凑的热交换器设计；

[0014] (c)低蒸气压和高沸点温度。金属/金属氧化物在比常规流体如水和有机冷却剂更高的温度下保持液态。

[0015] 通过提高燃气轮机的入口热气的温度，可以显著提高聚光太阳能发电(CSP)设备的太阳能-电效率。这种CSP发电设备的一个实例是混合太阳能燃气轮机，其中聚光太阳能热能和对燃料的燃烧用于在引入燃气轮机之前提高加压空气的温度。在该系统中，通常聚光太阳能热能首先用于在加压的太阳能接收器内以约3-35巴的压力预热来自压缩机的加
压空气，然后经加热的空气通过后燃烧器以进一步加热至约1250℃的温度。后燃烧器还用于补偿波动性的太阳能输入，并在没有太阳能热量时保持电力循环工作。在这种混合太阳能燃气轮机系统中，随着来自太阳能接收器的输出加压空气温度的提高，太阳能份额增加，而太阳能接收器的效率降低，这主要是由于再辐射热损失的增加。

[0016] 已经基于直接或间接加热概念提出了各种构造的加压太阳能接收器。在直接加热构造中，聚光太阳能热辐射由高压气体或由暴露于其的表面直接吸收，而在间接加热概念中，工作流体不直接暴露于太阳能辐射或由其加热的表面。在该方法中，聚光太阳能热能首先被吸收在表面上，然后通过传导介质传递到第二表面，在第二表面上热量主要通过对流传递到已加压的空气。由于其高传热速率，使用直接加热概念已经实现了高达1300℃的出口空气温度。然而，这些太阳能接收器通常需要透明窗口，该透明窗口易受高压影响，尤其是当窗口尺寸增加时。还已经证明，由于对光学性质、机械强度、接收器的每日高变化工作温度、密封、冷却和无应力安装的特殊要求，窗户的应用有着严重的技术构造和操作问题。在间接照射的太阳能接收器中，通过使用适当的传热介质消除了对窗户的需要。然而，如上所述，这是以牺牲通过太阳能吸收器壁的传导受限的传热速率实现的。因此，这些缺点与构造材料所施加的限制有关，诸如耐热冲击性、导热性和空气氧化惰性。最近，开发了一种3kW高温间接加压空气太阳能接收器原型。该太阳能接收器包括在圆柱形空腔接收器内制造的环形网状多孔陶瓷(RPC)。聚光太阳能辐射首先被吸收在圆柱形空腔接收器的内表面上，然后所吸收的热量被传递给流过RPC的加压空气。该系统的小型原型在5巴的绝对操作压力和
4360W/m2的平均入射太阳能热通量下实现了约1060℃的最大出口温度，产生36％的热效
率。然而，由于较低的再辐射损失，该系统在553℃的出口温度下获得的峰值热效率为77％。
这种新型太阳能接收器尚未在商业规模上得到证明，并且由于较高的再辐射热损失，其热效率很低。最近，该太阳能接收器在太阳能塔中针对高达47kW的聚光太阳能辐射功率输入在2-6巴的绝对压力范围内进行了进一步改进和测试。该接收器由圆柱形SiC空腔组成，该圆柱形SiC空腔由包含在不锈钢压力容器中的同心环形网状多孔陶瓷(RPC)泡沫围绕，其中二次聚光器附接到其无窗口孔。达到了约1200℃的峰值出口空气温度，平均太阳能聚光率为2500太阳。在700℃和4巴下实现了约91％的热效率。

[0017] 已确定该太阳能接收器中的以下限制：

[0018] (a)RPC主要用于通过增加暴露于加压空气的表面积来促进热耗散。然而，多孔陶瓷的有限导热率(SiSiC：在473-1473K的温度范围为100-32(Wm-1K-1)，SSiC：在473-1473K的温度范围为124-33(Wm-1K-1))导致太阳能空腔之间的温度梯度较大，在该太阳能空腔处聚光太阳能辐射被引入和吸收，并且表面暴露于空气。这反过来增加了再辐射热损失和热冲击的可能性，这可能会缩短部件的寿命。

[0019] (b)气密是使用陶瓷(特别是在高温下)而引出的关键技术挑战。

[0020] (c)RPC与空腔/接收器壁之间需要间隙以允许不同的热膨胀。热操作与冷操作之间的温差越大，RPC与接收器空腔之间的直径差就越大。这会导致传热障碍。对上述间隙的需要还导致一些绕过RPC的传热流体流过间隙而不是通过RPC。这种“泄漏”导致需要更大的装置来实现相同的温升，或者由于较低的温升而导致能量损失。

[0021] (d)如上所述，由热膨胀施加的约束将具有RPC的太阳能接收器的尺寸限制为相对较小规模的单元。

[0022] 另一种类型的背景技术是气升式反应器，该气升式反应器先前已用于使液体与气态反应物反应。气升式反应器从最初的“帕丘卡桶(Pachuca Tank)”发展而来，用于冶金行业，将金、铀和其他金属的矿石沥滤到新的构造中，诸如生物和化学行业中使用的内环和外环气升式反应器。使用气升式反应器的优点包括相对于传统搅拌罐和泵，有效混合、高传热和传质速率、可避免对机械零件的需要以及低能耗。然而，当与粘性液体一起使用时，气升式反应器效率低下，因为高粘度导致高压力损失和上升流体流速低。

[0023] 气升式反应器是气动搅拌装置，其特征在于流体以限定的循环模式循环。尽管已经提出了各种构造的气升式反应器，但可以将它们分为两大类，即内部气升式反应器和外部气升式反应器。无论气升式反应器的构造如何，它都包括一个提升管、一个下降管和多个气体分离器。气体从提升管的底部通过分布器注入，并与周围液体的一部分混合，相对于提升管中的剩余液体降低混合物的密度。密度差在提升管内引起“升力”，使得混合物上升到顶部。当混合物到达顶部时，气体离开系统，使得比上升的混合物更稠密的剩余液体朝向侧面移动并进入降液管。降液管将液体回流到提升管的底部，在那里它再次与注入的气体混合，从而继续该过程。

[0024] 大多数现有技术的气升式反应器在单个反应器中使液体与单种气态反应物反应。

[0025] 液态金属/金属氧化物独特的热化学和热物理性质使它们成为使用载氧体的连续还原和氧化(Red-Ox)反应的化学链过程的有吸引力的选择。这些有吸引力的热物理和物理特性包括：

[0026] (a)作为还原反应物或氧化反应物的能力，具体取决于固相和气相中氧化剂或还原剂的化学势，以及操作条件；

[0027] (b)获得具有可变氧含量的均匀或不均匀熔融相的可能性，具体取决于氧化状态；

[0028] (c)低蒸气压和高沸点温度(金属/金属氧化物在比常规流体如水和有机冷却剂更高的温度下保持液态)；

[0029] (d)气-液相中还原和氧化(Red-Ox)的反应速率高于气-固相(这是由于消除了气-固扩散步骤(这是气固反应所必需的)和高传热速率(这是提供在高温下激活反应所需的能量所必需的))；

[0030] (e)由于高导热性和低普朗特数而产生高传热速率的可能性。

[0031] 术语“化学链”通常用于描述循环过程，其中固体材料用作连续Red-Ox反应的载氧体。这些可以潜在地用于燃烧、重整或气化燃料或热化学地将水(H2O)分解成H2和O2或将二氧化碳(CO2)分解成C和O2。由于固相和气相中氧的化学势不同，固态金属氧化物在循环的一部分中被还原，这可能是由外部氧化剂诸如燃料引起的，或者是由气相中的氧分压低于在相关温度下的平衡引起的。在闭合循环的循环的第二部分中，贫氧材料在富氧环境中再氧化，以允许循环重复。

[0032] 化学链燃烧(CLC)是一种正在开发的技术，该技术为烃类燃料的燃烧提供CO2捕获的固有能力。对CO2捕集的各种经济评估表明，CLC是可用于从燃烧中捕获低成本CO2的最佳选择之一。在这些系统中，金属氧化物用作载氧体(OC)以为燃料氧化提供氧气，同时避免燃料与空气之间的直接接触。OC通常作为包含活性和惰性组分的固体颗粒输送，但是也提出了固体OC介质的固定床构造。CLC系统由两个独立的反应器组成，即空气反应器和燃料反应器。在CLC操作期间，燃料反应器中的OC颗粒通过燃料的氧化而被还原，然后被传递到空气反应器中，在那里它们被来自空气的氧气氧化。然后将如此产生的金属氧化物传递回燃料反应器并重复该循环。固体OC的使用将CLC系统的操作温度限制在通常约1000℃，以避免软化、烧结或其他损坏。这显著低于常规燃烧系统中燃料燃烧所能达到的温度和商用燃气轮机中现有技术的操作温度，该操作温度目前为约1300℃，从而相对于常规燃烧可以实现的最大热力学效率降低基于CLC的电力循环的最大热力学效率。此外.固体OC颗粒的寿命受到循环时发生的晶体结构的变化以及凝聚和侵蚀的限制，所述凝聚和侵蚀是在输送颗粒时发生的并导致颗粒磨损、破裂和失活。脆弱的颗粒破裂导致其在反应器之间的有效循环和将CLC应用于燃气轮机联合循环(GTCC)这两方面面临严重的挑战，这两方面易受细颗粒损坏。

[0033] 使用金属氧化物还原反应和氧化反应的热化学H2O和/或CO2分解是用于H2、CO和O2生产的技术。在该过程中，首先通过升高温度或使用还原剂来还原金属氧化物。然后采用所还原的金属氧化物分解H2O或CO2。热化学H2O/CO2分解也是一种化学链过程，其中所需的热量可以来自聚光太阳能热能或任何其他来源。在该过程中，与CLC一样，固态载氧体的使用可能也具有技术挑战性。

[0034] 为了解决与颗粒损坏相关(但不与最高温度相关)的上述限制，US 2011/0117004(Lamont等人)提出在具有半间歇式反应器构造的CLC中使用熔融载氧体。液体OC的使用避免了使用如上所述受到损坏的颗粒，并且提供了在更高温度下操作的可能性，尽管Lamont的构造没有实现这一点。在上述系统中，首先将燃料引入装有活性金属氧化物的还原反应器中。随后的反应导致燃料燃烧和活性金属氧化物的还原。然后关闭燃料流并将空气引入反应器中以再生活性金属氧化物。值得注意的是，虽然半间歇式反应器通过提供连续添加/移除一种或多种组分流来减少间歇式反应器的限制，但是当转化为连续过程时它仍然存在明显的缺点。在US 2011/0117004中还提出了与一组阀连接以连续产生蒸汽的两个半间歇式反应器的构造，其中阀用于周期性地切换两个半间歇式反应器之间的燃料流和空气流。
所提出的活性金属氧化物包括钒、锰、铜、钼、铋、铁、钴、镍、锌、锡、锑、钨和铅的氧化物。

[0035] 但是，US 2011/0117004中的提议具有以下限制：

[0036] 间歇式或半间歇式反应器通常限于相对较小规模的系统。这是因为间歇式反应器的大小受到传热和传质考虑的限制。

[0037] 间歇式或半间歇式过程不是真正的稳定状态，而是它们的输出随时间变化。这是因为间歇式反应器内未反应材料的质量分数随着给定间歇式过程开始的时间呈指数减小。这意味着，对于稳定输入反应气体的情况，来自反应器的产物气体的转化程度也随时间减小。因此，尽管已经开发了各种控制策略来部分地补偿这种情况，但是增加了系统的成本和复杂性，并且半间歇式过程永远不能从连续过程实现真正的稳态。

[0038] 半间歇式反应器更加复杂，因为它们依靠高温(并且有时是高压)阀在反应器之间切换，从而限制了它们的最高操作温度和可靠性。

[0039] 上述限制意味着相对于连续过程，大规模发电设备或化学过程的连续操作需要更多数量的反应器。这也增加了它们相对于连续过程的成本。

[0040] 所提出的系统还需要线圈以从熔融床中回收热量。然而，在熔融金属氧化物池中应用加热线圈需要具有高导热性和高耐腐蚀性环境的材料。此外，在反应器产生高压蒸汽的情况下，材料还必须具有耐压性。因此，可用材料的限制是可以实施该系统的一系列条件的主要障碍。具体地讲，金属的使用受到限制，因为它们在熔融金属氧化物池的严酷环境中易受腐蚀。在空气反应器内存在氧气时尤其如此。类似地，虽然陶瓷是替代材料，但它们具有导热性较低并且更易受热应力影响的缺点。这限制了它们在熔融载氧体内加热线圈的适用性。

[0041] 上述核态沸腾的要求将Lamont系统限制为蒸汽循环，其温度通常限制在600-700℃，具体取决于蒸汽循环的压力，因此其成本也是如此。另一方面，许多熔融金属需要明显更高的温度才能处于熔融状态。因此，这种要求极大地限制了对金属的选择，或者由于在使用比必要温度更高的温度下的火用损坏而导致低效操作。也就是说，US2011/0117004中提出的许多金属/金属氧化物具有远高于700℃的熔融温度，因此经受这种火用损失。

[0042] 所提出的系统没有提供利用太阳能热能的任何特征。

[0043] 正是在这种背景以及与之相关的问题和困难下，开发了本发明。

发明内容

[0044] 本发明的一个目的是克服或改善现有技术的至少一个或多个缺点，或提供有用的替代方案。

[0045] 根据本发明的第一方面，提供了一种使用聚光太阳能辐射可操作的设备，该设备包括：

[0046] 主体，该主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；

[0047] 热能吸收器，该热能吸收器与空腔相关联，以从空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；

[0048] 容纳物质主体的腔室，该腔室与热能吸收器处于热交换关系，以从热能吸收器接收热量从而加热物质主体；以及

[0049] 入口装置，该入口装置用于将流体引入腔室中，以接触所容纳的物质主体。

[0050] 该设备可包括：

[0051] (i)太阳能接收器，由此热能吸收器从聚光太阳能辐射接收热能；或

[0052] (ii)混合式接收器-燃烧器，由此热能吸收器从聚光太阳能辐射以及还从空腔内的燃烧接收热能(组合地或单独地，具体取决于例如混合式接收器-燃烧器运行的方式以及入射的太阳能辐射的可获得性)。

[0053] 引入腔室中用于接触其中所容纳的物质主体的流体可以通过与所容纳的物质主体接触而被处理。

[0054] 下文中将腔室内所容纳的物质主体不同地称为所容纳的物质或所容纳的物质主体。

[0055] 流体所经受的处理可以例如包括利用所接收的来自所容纳的物质主体的热量来加热流体，或对流体进行处理或使流体与所容纳的物质主体发生反应，或其组合。

[0056] 更具体地讲，引入腔室中用于接触所容纳的物质主体的流体可以通过与所容纳的物质主体接触而被加热。

[0057] 替代地或另外地，引入腔室中用于接触所容纳的物质主体的流体可与所容纳的物质或其至少一部分反应。该反应可包括一个或多个多相反应。

[0058] 该设备可进一步包括用于从腔室移除气态流体的出口装置。气态流体可包括与所容纳的物质主体分离的气态流体。气态流体可包括被引入腔室中的加热形式的流体。另外地或替代地，气态流体可包括腔室内的反应中的一种或多种气态产物。

[0059] 构成腔室内所容纳的物质主体的材料可以是任何合适的形式，包括例如液体或液体混合物或多相(非均相)流体。更具体地讲，该材料可包括可混合的或不可混合的液体，以及一种或多种固相材料。

[0060] 多相流体可包括固相或不同的液相。多相流体的固相可包含颗粒。

[0061] 多相流体的固相可以熔化和/或与引入腔室中用于接触所容纳的物质主体的流体反应。更具体地讲，可以用一种或多种固相将多相流体引入腔室中。一种或多种固相或其至少一部分可能由于响应于被赋予到腔室内所容纳的物质主体的热量(例如，在混合式接收器-燃烧器的情况下，来自聚光太阳能辐射和/或燃烧的热量)而熔化。另外地或替代地，可以使一种或多种固相或其至少一部分与引入腔室中用于接触所容纳的物质主体的流体反
应。

[0062] 多相流体内的组分材料的相的变化可以旨在用于能量储存、杂交、材料处理等，如本领域技术人员应当理解的。

[0063] 该设备可用于熔化、加热或反应所容纳的物质内的固体材料，通常为颗粒形式。

[0064] 该设备可用于进行腔室内所容纳的物质与引入所容纳的物质中的流体之间的反应。这些反应可包括多相反应。

[0065] 构成腔室内所容纳的物质主体的材料可以被限制在腔室内，或者可以被输送通过腔室。在被输送通过腔室时，腔室内的材料可以周期性地或连续地更换。这可以有利于设备的连续和半间歇式操作模式。

[0066] 在构成腔室内所容纳的物质主体的材料被输送通过腔室的情况下，该设备可以设置有用于将材料引入腔室的装置和用于从腔室中移除材料的装置。通过这种布置，将新鲜材料引入腔室中，并且相应地从腔室中移除多余的材料，在任何时间驻留在腔室中的材料构成腔室内的物质主体。

[0067] 腔室内所容纳的物质可以是任何合适的类型。前面提到的液态金属/金属氧化物的独特的热化学和热物理性质使得液态金属/金属氧化物特别适合用作腔室内所容纳的物质。然而，腔室内所容纳的物质不限于液态金属/金属氧化物。腔室内所容纳的物质可以是具有适当的热物理和热化学性质的任何种类的传热流体。可以采用任何金属/金属氧化物、熔融盐、熔融合金或不同金属/金属氧化物诸如Ga、Sb、Pb、Sn、Fe、Cu、Cr、Ti、CuO和AgO的组合或不同熔融盐的组合。本发明不限于上述液体；例如，其他传热液体诸如纳米流体和非金属流体或具有适当的热物理和热化学性质的熔融盐也可用于本文公开的实施方案中。

[0068] 引入腔室用于接触所容纳的物质的流体可包括气态流体，在这种情况下，它以气体的形式引入所容纳的物质中。设想了其他布置。举例来说，流体可以以蒸汽的形式或以液体的形式引入腔室中，该液体在与所容纳的物质接触时汽化。在腔室内所容纳的物质包括液体的情况下，引入腔室用于接触所容纳的物质主体的流体可包括这样的液体，其沸点低于腔室内所容纳的液体，使得它在与后者接触时汽化。

[0069] 气体可以是相对于传热液体的反应气体或非反应气体。气体也可以是不同组分气体的组合。

[0070] 在一个特定实施方案中，引入腔室用于接触所容纳的物质主体(例如传热液体)的流体包括空气。所产生的加热空气可以旨在用于燃烧过程或化学反应，但是也设想了其他应用，如本领域技术人员应当理解的。在另一个实施方案中，引入腔室的流体可以是惰性气体，诸如N2、He、Ar或CO2。然而，本发明不限于空气或惰性气体，并且可以用于任何种类的一种或多种气体，或者可以是与所容纳的物质(例如传热液体)反应或不反应的气体。

[0071] 该设备可用作反应器，其中不同的入口气体反应，而腔室内所容纳的物质用作催化剂或传热介质。

[0072] 该设备可用作反应器，其中单相或多相液体与单一气体或不同气体反应。以这种方式，该设备可用作多相反应的反应器。

[0073] 主体可包括孔，通过该孔可以在空腔内接收聚光太阳能辐射。

[0074] 孔可设置有二次聚光器。

[0075] 孔可配备有空气动力密封件以减少对流热损失。

[0076] 优选地，主体是隔热的，以防止或最小化热耗散。

[0077] 可在腔室周围设置耐火衬垫。

[0078] 主体可包括在空腔与腔室之间的公共壁。

[0079] 公共壁可具有限定空腔内的吸收器表面或空腔的边界部分的表面。

[0080] 优选地，腔室由压力容器限定，该压力容器的壁限定腔室与空腔之间的公共壁。

[0081] 优选地，空腔和腔室集成在容器中。

[0082] 热能吸收器可以基本上围绕空腔设置。

[0083] 热能吸收器和孔可配合以限定空腔的边界。

[0084] 该设备可以任何取向安装，但优选地，孔面向太阳能来源。

[0085] 在所容纳的物质包括液体(例如传热液体)的情况下，无论取向如何，液体主体都具有下部部分和上部部分。

[0086] 在所容纳的物质包括液体(例如传热液体)的情况下，液体主体的体积优选小于腔室的体积，由此液体的上部部分限定表面，并且气体收集空间建立在腔室内表面上方。通过这种布置，作为经加热的气态流体与液体主体分离的流体可积聚在气体收集空间中，从那里它可经由出口装置离开腔室。

[0087] 用于将流体引入腔室以接触所容纳的物质主体的入口装置可适于在压力下将流体注入所容纳的物质(例如传热液体)中。

[0088] 入口装置可包括分布器，其中流体包括气体。

[0089] 入口装置可包括单个入口或多个入口。

[0090] 出口装置可包括单个出口或多个出口。

[0091] 根据本发明的第二方面，提供了一种使用聚光太阳能辐射可操作的设备，该设备包括：

[0092] 主体，该主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；

[0093] 热能吸收器，该热能吸收器与空腔相关联，以从空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；

[0094] 容纳物质主体的腔室，该腔室与热能吸收器处于热交换关系，以从热能吸收器接收热量从而加热物质主体；

[0095] 入口装置，该入口装置用于将流体引入所容纳的物质主体中，其中流体以气态流体的形式与物质主体分离；以及

[0096] 出口装置，该出口装置用于从腔室中移除所分离的气态流体。

[0097] 根据本发明的第三方面，提供了一种使用聚光太阳能辐射处理液体的设备，该设备包括：

[0098] 主体，该主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；

[0099] 热能吸收器，该热能吸收器与空腔相关联，以从空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；

[0100] 容纳物质主体的腔室，该腔室与热能吸收器处于热交换关系，以从热能吸收器接收热量从而加热物质主体；

[0101] 入口装置，该入口装置用于将待处理的一种或多种液体引入所容纳的物质主体中，其中流体以经处理的一种或多种液体的形式与物质主体分离；以及

[0102] 出口装置，该出口装置用于从腔室中移除所分离的液体。

[0103] 根据本发明的第四方面，提供了一种用于处理气体的太阳能接收器，该太阳能接收器包括：

[0104] 主体，该主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；

[0105] 热能吸收器，该热能吸收器与空腔相关联，以从空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；

[0106] 容纳物质主体的腔室，该腔室与热能吸收器处于热交换关系，以从热能吸收器接收热量从而加热物质主体；

[0107] 入口装置，该入口装置用于将气体引入所容纳的物质主体中以与其进行热交换；以及

[0108] 出口装置，该出口装置用于移除与物质主体分离的经处理的气体。

[0109] 根据本发明的第五方面，提供了一种用于加热气体的太阳能接收器，该太阳能接收器包括：

[0110] 主体，该主体具有适于接收聚光太阳能辐射的空腔；

[0111] 热能吸收器，该热能吸收器与空腔相关联，以从空腔内的聚光太阳能辐射接收热量；

[0112] 容纳传热液体主体的腔室，该腔室与热能吸收器处于热交换关系，以从热能吸收器接收热量从而加热传热液体；

[0113] 入口装置，该入口装置用于将气体引入传热液体主体中以与其进行热交换；以及[0114] 出口装置，该出口装置用于移除与传热液体分离的经加热的气体。

[0115] 根据本发明的第六方面，提供了一种处理流体的方法，该方法包括使用根据本发明的第一、第二或第三方面的设备。

[0116] 待处理的流体可包括相对于传热液体的反应气体或非反应气体。

[0117] 气体可包括不同气体的混合物或纯物质。可通过各种入口注入不同的气体。

[0118] 流体所经受的处理可例如包括利用传热液体来加热流体，或使流体与传热液体发生反应，或其组合。传热流体也可以是液相和固相的组合，该液相和固相的组合可以与气体发生反应或不与气体发生反应。

[0119] 根据本发明的第七方面，提供了一种处理气体的方法，该方法包括使用根据本发明的第四或第五方面的太阳能接收器。

[0120] 气体所经受的处理可例如包括利用传热液体来加热气体，或使气体与传热液体发生反应，或其组合。

[0121] 根据本发明的第八方面，提供了一种加热气体的方法，该方法包括使用根据本发明的第四或第五方面的太阳能接收器。

[0122] 根据本发明的第九方面，提供了一种加热流体的方法，该方法包括：

[0123] 加热传热液体主体；

[0124] 将待加热的流体引入经加热的传热液体主体中；

[0125] 将流体与传热液体主体分离为经加热的气态流体；以及

[0126] 收集所分离的气态流体。

[0127] 流体可包括相对于传热液体的反应气体或非反应气体。流体也可以是包括固相或不同的液相的多相(非均相)。

[0128] 该方法可进一步包括使用聚光太阳能辐射来加热传热液体主体。

[0129] 该方法可进一步包括将待加热的流体引入传热液体主体的下部部分，并将经加热的气态流体与传热液体的上部部分分离。

[0130] 通过允许气态流体在传热液体主体的上表面释放，经加热的气态流体可与传热液体主体的上部部分分离。

[0131] 该方法可进一步包括加热和熔化固相。

[0132] 该方法可进一步包括将待加热的流体以气体形式引入传热液体主体的下部部分，该气体在压力下注入传热液体主体中。

[0133] 该方法可进一步包括不对称地布置喷嘴，在特定实施方案中，喷嘴可不对称地分布在空腔的一侧，以在该侧的气泡上升到表面时产生围绕空腔的传热流体的大规模循环。

[0134] 该方法可进一步包括在空腔接收器内直接加热HTF。经加热的HTF可用于加热气体或可在另一个鼓泡塔中发生反应，同时它在空腔接收器与鼓泡塔之间循环。

[0135] 该方法可进一步包括在空腔接收器内直接加热HTF，其中气体被加热或与HTF发生反应。

[0136] 该方法可进一步包括将待加热的流体以蒸汽形式或以液体形式引入传热液体主体的下部部分，该液体在与传热液体接触时汽化，蒸汽或液体在压力下注入传热液体主体中。

[0137] 该方法可进一步包括在传热液体主体上方的收集空间中收集所分离的气态流体，并将所收集的气态流体从收集空间移除。

[0138] 根据本发明的第十方面，提供了一种加热气体的方法，该方法包括：

[0139] 接收聚光太阳能辐射；

[0140] 使用来自聚光太阳能辐射的热能来加热传热液体主体；

[0141] 将待加热的气体引入经加热的传热液体主体中；

[0142] 将气体与传热液体主体分离；以及

[0143] 收集所分离的气体。

[0144] 根据本发明的第十一方面，提供了一种使用第一流体和第二流体进行处理的方法，该方法包括：

[0145] 接收聚光太阳能辐射；

[0146] 将来自聚光太阳能辐射的热能施加到第一流体；以及

[0147] 将第二流体引入第一流体中。

[0148] 该过程可包括化学过程。化学过程可涉及第一流体与第二流体之间或其至少一部分之间的化学反应。

[0149] 第一流体可包括液体或多相流体。液体可包括传热液体。多相流体可包括固相或不同的液相。多相流体的固相可包含颗粒。

[0150] 第二流体可包括气体。可在压力下将气体注入第一流体中。

[0151] 第二流体可以蒸汽形式或以液体形式引入第一流体中，该液体在与第一流体接触时汽化，蒸汽或液体在压力下注入第一流体中。

[0152] 第一流体可容纳在将要进行该过程的腔室内。

[0153] 该方法可进一步包括移除在腔室内进行该过程(例如化学反应)的一种或多种气态产物。

[0154] 第一流体可被限制在腔室内，或者可被输送通过腔室。在被输送通过腔室时，第一流体可周期性地或连续地更换。

[0155] 根据本发明的第十二方面，提供了一种用于使反应物液体与两种气态反应物接触的反应器系统，该反应器系统包括两个反应器，这两个反应器相互连接以在它们之间循环反应物液体，由此使循环的反应物液体能够与引入一个反应器的气态反应物反应并且还能够与引入另一个反应器的气态反应物反应。

[0156] 优选地，每个反应器限定反应室，反应物液体能够循环通过该反应室，并且每个反应器进一步包括用于将气态反应物引入反应室的入口装置和用于将气态流体(气态产物)从反应室中移除的出口装置。

[0157] 一个或两个反应器可被构造成直接或间接地用聚光太阳能加热。在本说明书中，直接加热是指使用空腔太阳能接收器，而间接加热是指使用中间传热介质(诸如工作流体或吸收壁)，该中间传热介质用于从太阳能接收器传递所吸收的聚光太阳能热能以加热鼓泡反应器内的液体。但是，当然可以使用将太阳能热能引入系统的其他类型。

[0158] 本文公开的系统的特定实施方案可用于任何化学链过程，其中需要从外部来源提供热量，诸如使用液态载氧体的H2O和CO2的热化学分裂或用于在基于卤素的天然气转化过程中分离HBr的熔融盐化学链。

[0159] 引入两个反应室的气态反应物可用作两个反应器之间循环反应物液体的动力。

[0160] 更具体地讲，两个反应器中的每一个可被构造为气升式反应器，并且可任选地被构造成使得两个气升式反应器相互连接，使得提升(向上流动)产生两个反应器之间的反应物液体的循环。因此，两个反应器之间的反应物液体循环所需的驱动力可以是流体动力学地产生的。这可通过将两个反应器相互连接来实现，使得从每个反应器的上部部分排出的向上流动的反应物液体被引入另一个反应器的下部部分中，从而在两个反应器之间建立反应物液体的连续循环。

[0161] 通过这种布置，两个反应器可包括鼓泡反应器，每个鼓泡反应器用作提升管，其中反应气体的注入引起提升，该提升使反应物液体在两个反应器之间循环。

[0162] 反应物液体的流体动力循环对于在诸如高操作温度和压力的挑战性条件下或在诸如具有还原性或氧化性化学品的侵蚀性环境中的液体循环特别有利。对于使用泵在鼓泡反应器之间循环高温熔融载氧体，这些条件可能在技术上太具有挑战性。

[0163] 可以设置用于将夹带的气泡从离开每个反应器的反应物液体流中移除的装置。此类装置可包括用于在将反应物液体引入另一个反应器之前将夹带的气泡与反应物液体分离的气体分离器。这是为了避免混合不同的气态反应物。

[0164] 反应器系统可用于液体化学链燃烧(LCLC)或用于液体化学链气化(LCLG)，其中反应物液体包含载氧体。反应器系统可替代地用于化学过程，其中液体与不同类型的气体发生反应。举例来说，反应物液体可包括高温熔融金属氧化物，其用作载氧体。如上所述，载氧体的流体动力循环在诸如在高操作温度和压力下的挑战性条件下或在诸如具有还原性或氧化性化学品的侵蚀性环境中特别有利，如LCLC和LCLG系统中发生的那样。对于使用泵在鼓泡反应器之间循环高温熔融载氧体，预计这些条件在技术上太具有挑战性。

[0165] 在使用用于LCLC或LCLG的反应器系统中，反应物液体包含载氧体，一个反应器可包括燃料反应器，另一个反应器可包括空气反应器。通过这种布置，一种气态反应物包括气态燃料，而另一种气态反应物包括空气。

[0166] 反应器系统可在涉及利用燃气轮机发电的电力循环中实现，但是设想了其他高温过程和其他电力循环。

[0167] 根据本发明的第十三方面，提供了一种使反应物液体与两种气态反应物接触的方法，该方法包括使用根据本发明第十二方面的设备。

[0168] 根据本发明的第十四方面，提供了一种使反应物液体与两种气态反应物接触的方法，该方法包括在两个反应器之间循环反应物液体，将一种气态反应物引入一个反应器中，以及将另一种气态反应物引入另一个反应器中，由此使循环的反应物液体能够与引入一个反应器的气态反应物反应并且还能够与引入另一个反应器的气态反应物反应。

[0169] 优选地，根据本发明的第十四方面的方法进一步包括使用引入两个反应器中的气态反应物作为两个反应器之间循环反应物液体的动力。

[0170] 根据本发明的第十五方面，提供了一种进行液体化学链燃烧(LCLC)或用于液体化学链气化(LCLG)的方法，其中该方法包括使用根据本发明的第十二方面的设备，并且其中反应物液体包含载氧体。

[0171] 根据本发明的第十六方面，提供了一种进行液体化学链燃烧(LCLC)或用于液体化学链气化(LCLG)的方法，该方法包括在燃料反应器与空气反应器之间循环包含载氧体的反应物液体，将燃料引入燃料反应器以及将空气引入空气反应器，由此使循环的反应物液体能够与引入燃料反应器的燃料反应并且还能够与引入空气反应器的空气反应。

[0172] 优选地，根据本发明的第十六方面的方法进一步包括使用气体燃料或固体燃料连同引入两个反应器中的气体(诸如蒸汽或CO2)以及空气作为用于在两个反应器之间循环载氧体的动力。附图说明

[0173] 尽管可以落入本发明范围内的任何其他形式，但是现在将仅以举例的方式参考附图描述本发明的一个或多个优选实施方案，其中：

[0174] 图1示出了太阳能接收器设备的第一实施方案的示意性剖视图；

[0175] 图2示出了太阳能接收器设备的第二实施方案的示意性剖视图；

[0176] 图3示出了处于广告牌式构造的高温太阳能鼓泡接收器/反应器形式的太阳能接收器设备的第三实施方案的示意性剖视图；

[0177] 图4示出了处于环绕场式构造的高温太阳能鼓泡接收器/反应器形式的太阳能接收器设备的第四实施方案的示意性剖视图；

[0178] 图5A示出了具有间接加热式鼓泡塔的高温太阳能鼓泡接收器/反应器的第一实施方案的示意性剖视图；

[0179] 图5B示出了具有间接加热式鼓泡塔的高温太阳能鼓泡接收器/反应器的第二实施方案的示意性剖视图；

[0180] 图5C示出了具有循环流体的高温太阳能鼓泡接收器/反应器的第三实施方案的示意性剖视图；

[0181] 图6示出了竖直取向的直接加热式太阳能空腔鼓泡接收器/反应器的示意图；

[0182] 图7示出了根据本发明的反应器系统的实施方案的示意图；

[0183] 图8示出了连续液体化学燃烧/气化系统的实施方案的示意图，其特征在于如图7所示的反应器系统；

[0184] 图9示出了根据本发明的反应器系统的实施方案的示意图，该反应器系统直接通过聚光太阳能热能加热；并且

[0185] 图10示出了提出的具有循环传热流体的直接加热式太阳能接收器/反应器。

[0186] 定义

[0187] 提供以下定义作为一般性定义，并且这些定义决不应将本发明的范围仅限于那些术语，而是为了更好地理解以下描述而提出。

[0188] 除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还应当理解，本文使用的术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的含义解释，除非本文中明确如此定义。出于本发明的目的，下面定义了另外的术语。此外，如本文所定义和使用的所有定义应当理解为优先于字典定义、以引用方式并入的文献中的定义和/或所限定术语的普通含义，除非对特定术语的含义存在疑问，在该种情况下，将优先考虑该术语的通用字典定义和/或常用用法。

[0189] 出于本发明的目的，以下术语定义如下。

[0190] 本文所用的冠词“一个/种”是指该冠词的一个/种或多于一个/种(即至少一个/种)语法对象。举例来说，“要素”是指一个要素或多于一个要素。

[0191] 本文所用的术语“约”是指相对于参考量变化多达30％、优选多达20％、更优选多达10％的量。使用词语“约”来限定数量仅仅是一个明确的指示，即该数量不应被理解为精确值。

[0192] 在本说明书通篇中，除非上下文另有要求，否则词语“包含(comprise)”、“包含(comprises)”和“包含(comprising)”应当被理解为暗示包括一个所述步骤或要素或多个步骤或要素的组但不排除任何其他步骤或元件或多个步骤或元件的组。

[0193] 本文所用的术语“包括(including)”或“包括(which includes)”或“包括(that includes)”中的任何一个也是开放术语，该开放术语还意指至少包括该术语之后的要素/特征部，但不排除其他要素/特征部。因此，“包括(including)”与“包含(comprising)”同义并且意指“包含(comprising)”。

[0194] 在权利要求书以及上面的概述和下面的描述中，所有过渡型短语诸如“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“渋及”、“持有”、“由......组成”等应理解为开放式的，即，意指“包括但不限于”。只有过渡型短语“由......组成”和“基本上由......组成”应分别为封闭或半封闭的过渡型短语。

[0195] 尽管与本文描述的方法和材料类似或等同的任何方法和材料可用于本发明的实践或测试，但描述了优选的方法和材料。应当理解，本文描述的方法、设备和系统可以以各种方式实现并且用于各种目的。这里的描述仅作为实例。

[0196] 而且，各种发明构思可以体现为一种或多种方法，已经提供了其一个实例。作为方法的一部分执行的动作可以按任何合适的方式排序。因此，可以构造这样的实施方案，其中以不同于所示顺序的顺序执行动作，这可包括同时执行一些动作，即使它们在说明性实施方案中示为顺序动作。

[0197] 如本说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为表示如此结合的“一个或两个”要素，即在某些情况下联合存在而在其他情况下分离存在的要素。用“和/或”列出的多个要素应以相同的方式解释，即，如此结合的“一个或多个”要素。除了由“和/或”分句具体标识的要素之外，可以任选地存在其他要素，无论与具体标识的那些要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，当与开放式语言(诸如“包括”)结合使用时，对“A和/或B”的引用在一个实施方案中可以仅指代A(任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，可以仅指代B(任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中，可以指代A和B两者(任选地包括其他要素)；等等。

[0198] 如本说明书和权利要求书中所用，“或”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分隔列表中的项目时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即包含至少一个，但也包含多于一个、多个或一系列要素，以及任选地另外的未列出的项目。只有明确表示相反含义的术语，诸如“只有一个”或“恰好一个”或在权利要求书中使用时的“由......组成”，才指代恰好包含多个要素或一系列要素中的一个要素。一般而言，如本文所用的术语“或”当前面是排他性术语(诸如“任一个”、“......中的一个”、“......中的仅一个”或“......中的恰好一个”)时，仅应被解释为表示排他性的替代方案(即，“一个或另一个，但不是两个”)。当在权利要求书中使用时，“基本上由......组成”应具有其在专利法领域中使用的普通含义。

[0199] 如本说明书和权利要求书中所用，关于一个或多个要素的列表，短语“至少一个”应理解为表示选自该要素列表中的任何一个或多个要素的至少一个要素，但不一定包括在该要素列表中具体列出的每一个要素中的至少一个要素，并且不排除该要素列表中的要素的任何组合。该定义还允许可任选地存在除了在短语“至少一个”所指的要素列表内具体标识的要素之外的要素，无论与具体标识的那些要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施方案中可以指代至少一个A，任选地包括多于一个A，而不存在B(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，可以指代至少一个B，任选地包括多于一个B，而不存在A(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中，可以指代至少一个A，任选地包括多于一个A，以及至少一个B，任选地包括多于一个B(以及任选地包括其他要素)；等等。

[0200] 出于本说明书的目的，在按顺序描述方法步骤的情况下，该不一定是指将按该顺序以时间顺序执行步骤，除非没有其他逻辑方式来解释该顺序。

[0201] 此外，当本发明的特征或方面以马库什组(Markush group)描述时，本领域技术人员应意识到本发明还由此描述了马库什组的任何单独的成员或成员亚组。

具体实施方式

[0202] 应当指出的是，在以下描述中，不同实施方案中的相似或相同的附图标号表示相同或类似的特征部。

[0203] 太阳能接收器

[0204] 参考图1，示出了处于太阳能接收器100形式的设备的第一实施方案，该太阳能接收器与太阳能来源(未示出)相关联地使用，该太阳能来源向下照射到太阳能接收器中，例如从安装在太阳能塔顶部的二次聚光器。这允许它从太阳能来源捕获热能并将热量传递给加压气体。加压气体可包括用于燃烧过程的空气；例如，用于发电。设想了其他形式的气体和已加热气体的其他应用；例如，已加热气体可用于化学过程。

[0205] 太阳能接收器100包括接收器主体11和腔室15，接收器主体具有适于从太阳能来源接收聚光太阳能辐射的空腔13、与空腔13相关联以从空腔内的聚光太阳能辐射接收热量的热能吸收器14，腔室容纳物质16主体16。在该实施方案中，物质主体16包括用于将热量传递给加压气体的传热液体18，这将在后面更详细地说明。在所示的布置中，传热液体18被限制在腔室15内；也就是说，它不会通过腔室输运。

[0206] 接收器主体11具有孔17，通过该孔可以在空腔13内接收聚光太阳能辐射，以隔绝该空腔(即，以将该空腔暴露于太阳光线)。

[0207] 接收器主体11可以任选地配备有与孔17相关联的二次聚光器19。二次聚光器19可包括复合抛物面聚光器。

[0208] 孔17可配备有空气动力密封件(未示出)以减少对流热损失。

[0209] 接收器主体11可进一步包括容器20，该容器被构造为具有外壁21和内壁22的结构容器，腔室15被限定在内壁和内壁之间。容器20可被构造为用于维持腔室15内的流体压力的压力容器。

[0210] 外壁21可以任选地是隔热的，以防止或最小化热耗散。具体地讲，在所示布置中，外壁21在外部衬有隔热体23。

[0211] 外壁21还可任选地设置有内部耐火衬垫24。

[0212] 热能吸收器14和孔17配合以限定空腔13的边界。以这种方式，热能吸收器14基本上围绕空腔13设置，如图1所示。

[0213] 容器20的内壁22限定腔室15与空腔13之间的公共壁31。公共壁31延伸到孔17并与该孔集成。

[0214] 公共壁31具有围绕空腔13的吸收表面35。接收在空腔13内的聚光太阳能辐射加热吸收器表面35。热量通过公共壁31传递到腔室15内的传热液体18的主体1 6。

[0215] 传热液体18可包括液态金属/金属氧化物，但并不限于此。传热液体18可以是具有适当的热物理性质的任何种类的传热流体。可以采用如上所述的任何金属/金属氧化物、熔融合金或不同金属/金属氧化物诸如Ga、Sb、Pb、Sn、Fe、Cu、Cr、Ti、CuO和AgO的组合或具有适当的热物理性质的非金属流体诸如熔融盐。也可以使用其他传热液体，诸如纳米流体和非金属流体。

[0216] 传热液体18的主体16的体积小于腔室15的体积，由此传热液体18的上部部分限定表面37，并且气体收集空间39建立在腔室15内表面37上方。通过这种布置，与传热液体18的主体16分离作为经加热的气态流体的加压气体可以积聚在气体收集空间39中，如将简短解释的。

[0217] 入口装置41设置用于将加压气体(例如空气)引入腔室15内的传热液体18的主体16的底部部分。在所示布置中，入口装置41包括若干入口43，每个入口可包括分布器或注射喷嘴。加压气体可包括不同气体的混合物或纯物质。可以通过各种入口43注入不同的气体。

[0218] 将加压气体(例如，空气、N2、Ar或CO2)注入传热液体18的主体16的底部部分，在液体中形成气泡44。气泡44上升到传热液体18的主体16的表面37，在该过程中吸收热量。该布置因此提供传热流体浴38。加压气体在表面37处离开传热液体18并进入气体收集空间39。气体收集空间39还允许传热液体18自由膨胀，例如，响应于气体注入、热膨胀等。

[0219] 出口装置45设置用于将已加压加热的气体从收集空间39中移除以供后续使用。在所示布置中，出口装置45包括若干出口46。

[0220] 附图中示出的空腔13的形状仅是示例性的；如本领域技术人员应当理解的，也可能是其他构造。

[0221] 在操作中，接收在空腔13内的聚光太阳能辐射首先被吸收在热能吸收器14内侧的吸收器表面35上。然后，所吸收的热量经由腔室15内的传热液体18传递给加压气体，该加压气体以气泡的形式注入传热流体浴38并随后回收。

[0222] 在第一实施方案中，接收器主体11被构造成在向下射束布置中竖直定向，孔17面向上，如图1所示。

[0223] 在图2中，示出了太阳能接收器100的另一个实施方案200，其中接收器主体11被构造为安装在塔或碟形聚光器的顶部上，使得其轴线的取向成角度地向下指向。在图2中，相似的附图标号用于标识太阳能接收器200的相似部件。通过这种布置，孔17面向下，与向上指向的聚光太阳能辐射的入射光束对准。如本领域技术人员应当理解的，还设想了其他构造。

[0224] 在第一实施方案和第二实施方案中，传热液体18(或构成主体16的其他物质)被限制在腔室15内；也就是说，传热液体18(或构成主体16的其他物质)不会通过腔室输送以在腔室内提供流体更换。

[0225] 在另一个实施方案(未示出)中，传热液体18(或构成主体16的其他物质)可以在设备操作期间周期性地或连续地更换。换句话说，构成物质主体16的材料可以通过腔室输送。这可以有利于设备的连续和半间歇式操作模式。如本领域技术人员应当认识到的，离开腔室15的传热液体18(或构成主体16的其他物质)携带热能，该热能然后可以被提取和利用。

[0226] 在构成腔室15内所容纳的物质主体16的材料被输送通过腔室15并由此被更换的情况下，该设备可以设置有用于将材料引入腔室15的装置和用于从该腔室中移除材料的装置。通过这种布置，将新鲜材料引入腔室15中，并且相应地从腔室中移除多余的材料，在任何时间驻留在腔室中的材料构成腔室内的物质主体16。

[0227] 在所述实施方案中，构成腔室15内所容纳的物质主体16的材料包括传热液体18。然而，腔室15内所容纳的物质主体16可以是任何其他合适的形式，包括如前所述的液体或液体混合物或多相(非均相)流体。可以用一种或多种固相将多相流体引入腔室15中。一种或多种固相或其至少一部分可能由于响应于来自聚光太阳能辐射的热量以及来自空腔内
的燃烧(组合地或单独地，具体取决于混合式接收器-燃烧器运行的方式以及入射的太阳能辐射的可获得性)而熔化。另外地或替代地，可以使一种或多种固相或其至少一部分与待处理的流体反应，后者被引入腔室15内所容纳的物质(例如传热流体)主体16中。

[0228] 从前述内容可以明显看出，各种实施方案均提供了使用来自太阳能来源的热能来加热或以其他方式处理气态流体的简单但高效的方式。在所述实施方案中，液体金属/金属氧化物的热化学和热物理性质在传热过程中得到利用。任何金属/金属氧化物、熔融合金或不同金属/金属氧化物诸如Ga、Sb、Pb、Sn、Fe、Cu、Cr、CuO、Cu2O、AgO和Ag2O的组合或甚至具有适当的热物理和热化学性质的非金属流体和熔融盐或甚至非金属流体或多相流体可用于加热不同的气体或进行多相反应。

[0229] 所述实施方案如下克服或至少减少了早前描述的现有技术的某些缺陷的影响：

[0230] 通过施加熔融金属氧化物诸如在1300-1600K的温度范围内具有约160-180(Wm-1K-1)的导热率的消除了与使用网状多孔陶瓷(RPC)相关的技术复杂性，包括低导
热性、气密性以及RPC与接收器壁之间的间隙需求。

[0231] (a)通过消除/减少太阳能空腔与气体加热区之间的温度梯度，减少了再辐射热损失。对于呈现的实施方案中的每一个，这通过熔融金属氧化物与RPC相比的高导热性、通过在空气加热区域内注入空气引起的湍流以及空气与热熔融金属/金属氧化物的直接接触来实现。

[0232] (b)通过在气体加热区内使用更一致的传热速率，消除或大大降低了太阳能内腔内的温度梯度。此外，呈现的实施方案均能够通过设计气体喷嘴的布置和每个喷嘴中的气体流速来更好地控制温度分布，从而可以采用足够数量的喷嘴和/或足够的气体流速来降低和控制太阳能空腔的那些接收比其他部分更高的太阳辐射的部分的温度。

[0233] 在所述和所示实施方案中，该设备被构造为用于从太阳能来源捕获热能的太阳能接收器。然而，如本领域技术人员应当理解的，该设备可以被构造为用于从太阳能来源和燃料来源捕获热能的混合式接收器-燃烧器。在后一种情况下，混合式接收器-燃烧器适于从太阳能来源捕获热能并供应燃烧以从燃料来源产生热量。

[0234] 在所述和所示实施方案中，该设备实际上通过加热气体(例如空气)来对它进行处理。在其他实施方案中，如本领域技术人员应当理解的，气体可以以另一种方式来处理；例如，可以通过气体与传热液体的反应来对它进行处理。

[0235] 因此，待处理的气体可包括相对于传热液体的反应气体或非反应气体。

[0236] 在所述和所示实施方案中，该设备被构造为用于从太阳能来源捕获热能以用于加热目的的太阳能接收器。然而，该设备也可被构造为太阳能接收器/反应器，以利用捕获的热量进行化学反应。它还可被构造为混合式太阳能接收器-燃烧器，以提供来自太阳能来源和燃料来源的用于进行化学反应的热量。

[0237] 现在参考图3，其中示出了广告牌式构造中的高温太阳能鼓泡接收器/反应器的示意图300。该系统在广告牌式太阳能接收器100内采用传热流体318(HTF)(例如熔融金属/金属氧化物)的至少一个(示出多个)鼓泡塔301。引入到广告牌式接收器300中的聚光太阳能辐射首先被吸收在鼓泡塔的外侧(如图3中的吸收塔301所示)。所吸收的热量然后传递到位于塔301内的HTF 318，最后用于加热加压气体，该加压气体经由连接到加压气体入口305的歧管303分配到每个塔301。

[0238] 这里示意性地示出了八个鼓泡塔318的系统。然而，显而易见的是，如本领域技术人员应当理解的，可以采用各种数量和构造的鼓泡塔和广告牌式太阳能接收器构造。

[0239] 加压气体通过容纳熔融金属/金属氧化物HTF 318的每个吸收塔301底部的喷嘴307注入，以增加向熔融金属/氧化物318的传热，并实现向气体的高速率传热和传质。加压气体作为气泡通过注射喷嘴307注入到HTF 318中。经加热的加压气体经由出口喷嘴308和出口歧管304离开HTF 318和吸收塔301到达出口309。在替代布置中，气体还可以沿着鼓泡塔301的高度在任何位置处注入/引入到HTF 318中。

[0240] 现在参考图4，其中示出了广告牌式构造中的高温太阳能鼓泡接收器/反应器的示意图400。同样，图4的相似附图标号用于标识图3的太阳能接收器300的相似部件。

[0241] 对于图3的广告牌式构造，该系统采用HTF 418的鼓泡塔401来加热加压气体。该接收器/反应器构造400通常放置在定日镜的“环绕场”的中间，以收集来自场周围的辐射。引导到接收器的聚光太阳能辐射被吸收在鼓泡塔401(吸收塔)的外侧。所吸收的热量然后被传递到鼓泡介质内的加压气体，该加压气体通过注入气体通过HTF塔底部的注射喷嘴407而产生，该HTF塔用于经由歧管403从入口405接收的加压入口气体。显而易见的是，可以采用各种替代构造和数量的鼓泡塔。还显而易见的是，可以采用各种替代构造和数量的气体注射喷嘴。对于图3的广告牌式构造太阳能接收器300，气体通过熔融金属/金属氧化物塔底部的喷嘴注入，然后由通过吸收器(塔)表面传递的热量加热作为鼓泡介质，其中经加热的加压气体经由出口喷嘴408和出口歧管404离开HTF 418和吸收器塔401到达出口409。显而易见的是，气体还可以沿着鼓泡塔高度在任何位置处注入/引入到HTF中。

[0242] 间接加热式太阳能鼓泡塔空腔接收器

[0243] 图5A和图5B示出了间接加热式太阳能鼓泡接收器/反应器500a和500b的关键部件，所述间接加热式太阳能鼓泡接收器/反应器具有HTF 518，诸如分别在图1、图2、图3和图
4中的太阳能接收器100、200、300和400中所示的熔融金属/金属氧化物。这些示例性系统布置采用HTF 518的若干鼓泡塔501以及空腔太阳能接收器510。聚光太阳能辐射被引导到太阳能空腔511中并通过鼓泡塔501的外表面被吸收。所吸收的热量然后被传递到鼓泡介质内的加压气体，该加压气体通过吹动气体通过HTF塔501底部的喷嘴507(仅示出可能的多个中的一个)而产生。这里示出的系统用于分别在图5A和图5B中示出的两种构造500a和500b。然而，如本领域技术人员应当理解的，它还可以应用于具有不同布置的其他相关取向、构造和数量的鼓泡塔。气体还可以在不同位置处注入鼓泡塔。可以在孔处有效地采用二次聚光器
520，以增加入口太阳能辐射热通量的聚光率。如本领域技术人员应当理解的，该二次聚光器520可以是抛物线形或其他合适的轮廓。

[0244] 具有循环传热流体的间接加热式太阳能鼓泡接收器/反应器

[0245] 图5C示出了所提出的间接加热式太阳能鼓泡接收器/反应器的另一种可能的构造500c。构造500c进一步包括围绕腔室530的循环传热流体(HTF)518。间接加热式空腔接收器
500c连同如本文所公开的鼓泡反应器/接收器可有利地用于加热加压气体蒸汽，该加压气体蒸汽鼓泡通过入口喷嘴532(仅示出可能的多个中的一个)到液体浴中，该入口喷嘴被构造成关于腔室轴线不对称。本领域技术人员应当理解，可以使用任何构造的入口喷嘴，这些入口喷嘴被布置成引起腔室周围的流体大规模移动，诸如通过不对称地注入气泡，在腔室的一侧注入比另一侧更多的流体，以在腔室530中产生不对称的流体流动。

[0246] 构造500c由空腔530组成，该空腔悬浮在HTF 518中。加压气体不对称地鼓泡通过喷嘴532到HTF浴中，以引起向上流过HTF 518并产生围绕空腔530的HTF 518的循环。该特定实施方案中的喷嘴532不对称地分布在空腔的一侧，以在该侧的气泡上升到表面时产生围绕空腔的传热流体的大规模循环。循环HTF 518所需的驱动力是气动地和流体动力学地产生的。这提供了足够的升力以使HTF 518围绕空腔530循环，并且还实现了到反应器500c的壁534的良好传热以及在接收器/反应器500c内的良好热量输送和质量输送。

[0247] 直接加热式太阳能鼓泡接收器

[0248] 直接加热式太阳能鼓泡接收器600的一种可能构造在图6中示出为竖直取向的直接加热式太阳能空腔鼓泡接收器/反应器的示意图。该系统采用空腔太阳能接收器/反应器
611以及HTF 618(例如熔融金属/金属氧化物)，以吸收聚光太阳能辐射并加热加压气体，该加压气体鼓泡通过喷嘴607到HTF(塔)中。太阳热能被HTF 618和鼓泡气体的混合物吸收，后者用于将热量传递给另一个装置。该构造可以应用于各种替代取向，包括图6中所示的向下射束构造600。还可以在孔617处采用抛物线或其他合适轮廓的二次聚光器，以增加入口太阳能辐射热通量的聚光率。空腔接收器和鼓泡塔集成在隔热压力容器内。显而易见的是，可以采用不同构造的太阳能接收器。还使用窗口603来防止气体离开系统，但是无窗口构造也是可能的。如本领域技术人员应当理解的，通过熔融金属/金属氧化物塔618底部的喷嘴607注入的气体被加热作为空腔吸收器内的鼓泡介质。

[0249] 反应器系统

[0250] 参考图7，示出了用于使反应物液体与两种气态反应物接触的反应器系统700的实施方案。这两种气态反应物在下文中称为气态反应物1和气态反应物2，并在图7中如此标识。气态反应物1与反应物液体之间的反应产生气态产物，该气态产物在下文中称为气态产物1，并在图7中如此标识。类似地，气态反应物2与反应物液体之间的反应产生气态产物，该气态产物在下文中称为气态产物2，并在图7中如此标识。

[0251] 反应器系统700包括两个反应器711、712，这两个反应器互相连接以使反应物液体在它们之间循环，从而使循环的反应物液体能够与引入反应器711中的气态反应物1反应并且还能够与引入反应器712的气态反应物2反应。

[0252] 每个反应器711、712被构造为鼓泡反应器，该鼓泡反应器包括主体713，该主体限定反应室715，该反应室适于作为塔717容纳一部分反应物液体。

[0253] 作为塔717容纳的该部分反应物液体的体积小于腔室715的体积，由此塔717的上部部分限定表面718，并且气体收集空间719设置在腔室715内表面718上方。通过这种布置，从塔717分离的气态流体可以积聚在气体收集空间719中，从该气体收集空间它们可以离开腔室715，如下面进一步解释的。气体收集空间719还允许反应物液体717自由膨胀，例如，响应于气体注入、热膨胀等。

[0254] 每个反应器711、712被构造为气升式反应器，两个气升式反应器如此相互连接，使得每个塔717内的提升(向上流动)产生两个反应器之间的反应物液体的循环。因此，两个反应器711、712之间的反应物液体循环所需的驱动力是流体动力学地产生的。

[0255] 这可以通过将两个反应器711、712相互连接来实现，使得从每个反应器的上部部分排出的向上流动的反应物液体被引入另一个反应器的下部部分中，从而在两个反应器之间建立反应物液体的连续循环。

[0256] 在所示布置中，两个反应器711、712相互连接以使反应物液体经由两条流动路径721、722在它们之间循环，其中流动路径721在反应器711的上部部分与反应器712的下部部分之间延伸，并且流动路径722在反应器712的上部部分与反应器711的下部部分之间延伸。
每条流动路径721、722与相应的塔717的表面718下方的相应反应器711、712的上部部分连通。

[0257] 在每条流动路径721、722中结合有气体分离器723，以在将反应物液体引入另一个反应器之前将夹带的气泡与反应物液体分离。这是为了避免混合不同的气态反应物。每个气体分离器723经由回流管线725与相应的反应器711、712的气体收集空间719连通，用于从循环的反应物液体中回收任何气体。

[0258] 入口装置731设置用于将气态反应物1引入反应室711的反应室715中，并且入口装置732设置用于将气态反应物2引入反应器712的反应室715中。在替代布置中，气体还可以沿着鼓泡塔反应器711、712在任何位置处注入/引入液体中。

[0259] 每个入口装置731、732适于在压力下将相应的气态反应物引入相应的反应室715的下部部分中，从而产生升力(向上流动)，引起反应物液体在两个反应器711、712之间循环。每个入口装置731、732可包括一个或多个入口，每个入口可以是任何合适的形式，诸如分布器或注射喷嘴。在包括两个或更多个入口731、732的实施方案中，反应室711、712中的任一个或两个的多个入口可相对于反应室711、712的任何轴线对称或不对称地布置。在特定实施方案中，入口喷嘴的不对称布置可以在气态反应物与HTF 713、715之间提供更高的反应效率。

[0260] 出口装置735设置用于从第一反应室711的反应室715中移除气态产物1。类似地，出口装置736设置用于从第二反应室712的反应室715中移除气态产物2。

[0261] 通过这种布置，两个反应器711、712包括鼓泡反应器，每个鼓泡反应器用作提升管，其中相应的反应气体的注入引起提升，该提升使反应物液体在两个反应器之间循环。

[0262] 每个反应器711、712被构造为气升式反应器并且两个气升式反应器如此相互连接，这使得提升(向上流动)产生两个反应器之间的反应物液体的循环，两个反应器之间的反应物液体循环的驱动力是流体动力学地产生的，如前面所解释的。这对于在诸如高操作温度和压力的挑战性条件下或在诸如具有还原性或氧化性化学品的侵蚀性环境中的液体
循环特别有利。对于使用泵在鼓泡反应器之间循环高温熔融载氧体，这些条件可能在技术上太具有挑战性。

[0263] 反应器系统700可用于液体化学链例如燃烧(LCLC)，或用于液体化学链气化(LCLG)，其中反应物液体包含载氧体，或用于熔融盐化学链以在基于卤素的天然气转化过程中分离HBr。举例来说，反应物液体可包括用作液态载氧体的高温熔融金属氧化物。如上所述，液态载氧体的流体动力循环在诸如在高操作温度和压力下的挑战性条件下或在诸如具有还原性或氧化性化学品的侵蚀性环境中特别有利，如LCLC和LCLG系统中发生的那样。
对于使用泵在鼓泡反应器之间循环高温熔融载氧体，预计这些条件在技术上太具有挑战
性。

[0264] 在使用反应器系统700进行液体化学链燃烧(LCLC)或用于液体化学链气化(LCLG)时，反应物液体包含载氧体，一个反应器可包括燃料反应器，另一个反应器可包括空气反应器。通过这种布置，一种气态反应物包括气态燃料，而另一种气态反应物包括空气。应当理解，本文公开的系统不仅仅限于燃料和空气，而是任何种类的气态、液态或固态燃料，诸如气化过程中可以与任何其他气体诸如空气、蒸汽、CO2等一起使用的那些。

[0265] 反应器系统700可以在涉及利用燃气轮机发电的电力循环中实现，但是设想了其他高温过程和其他电力循环。

[0266] 在图8中所示的第二实施方案中公开了用于液体化学链的反应器系统700的实现方式。具体地讲，图8示出了LCLC系统800的一种可能构造。

[0267] 在该第二实施方案的LCLC系统800中，燃料包括作为天然气的主要成分的甲烷，但是其他烃类燃料也是可能的。类似地，液态载氧体包括熔融氧化铁，但是其他金属氧化物和燃料也是可能的。

[0268] LCLC系统800包括用作空气反应器的反应器811和用作燃料反应器的反应器812。通过这种布置，液态载氧体被燃料反应器812中的燃料还原(CH4+4Fe3O4→12FeO+CO2+2H2O)，并且所还原的液态载氧体与来自空气反应器811中的空气的氧气反应(FeO(1)+2O2→
Fe3O4)。为了避免凝固的熔渣熔化，在该实施方案中采用1650℃的空气反应器温度和1600℃的燃料反应器温度，但是其他温度也是可能的。反应器811、812被构造成提供高速率的热/质量传递并且能够在高温和高压下连续操作。来自每个反应器811、812的出口的液态载氧体循环到另一个反应器的入口端。在反应器811、812之间循环液态载氧体所需的驱动力是流体动力学地产生的，如关于第一实施方案所解释的。具有氧化性的空气在空气反应器811的底部注入，以在其内部引起向上流动，同时燃料在燃料反应器812的底部与蒸汽一起注入。这提供了使液态载氧体循环的足够的升力，并且还实现了燃料反应器812内的良好的传热和传质。还采用气体分离器823作为气泡分离器，以将气泡与液态载氧体流分离并将它们移除。

[0269] 用于控制高温过程中的气液金属反应的技术发展良好并且在相关过程(诸如鼓风和底吹式碱性氧气炉(BOF)和窑炉)中可商用。由于这里描述的系统800与BOF之间的相似
性，作为气升式反应器的反应器811、812的设计可以基于BOF的那些设计，其中氧气吹过熔融生铁床。反应器811、812可衬有碱性耐火材料。入口装置831、832可各自包括一个或多个被构造为风管嘴的喷嘴。

[0270] 在所示布置中，利用燃气轮机861、862将分别来自反应器811、812的出口气流851、852用于发电，但是也可以替代地使用其他高温过程和其他电力循环。

[0271] 为了满足燃气轮机入口条件的规范，必须移除蒸发的金属/金属氧化物以及由蒸发的金属/金属氧化物组分的去升华和结晶产生的任何冷凝相颗粒物质。减少这些散发的一种方法是通过使用分别位于每个反应器811、812下游的气体冷却器853、854。用于连接到空气反应器811的气体冷却器853的入口空气流855和用于连接到燃料反应器812的气体冷
却器854的水蒸汽856各自在热交换器857中预热，这也将出口气流851、852的温度降低到低于金属/金属氧化物的熔化/冷凝的最低温度。对于FeO，该温度为1377℃，使得气体冷却器使用约1350℃的出口温度，而对于来自用于燃料反应器的气体冷却器的加热蒸汽选择600℃的出口温度。这意味着对于热气流(在图8中标识为流858、859)可以实现1350℃的出口温度，这使得能够有效地发电。提出了一种用于气体冷却器的壳管式热交换器的构造。在所示布置中，冷却流体(空气或水蒸汽，如图8中的流855、856)通过管传输，而来自反应器的高温气体(出口气流851、852)通过壳体传输。其他构造或冷却系统也是可能的。值得注意的是，这种设计使得气体冷却器853和854的管的温度能够保持在1000℃以下，这适用于商业上可获得的钢管，其提供高速率的传热和足够的加压强度两者。气体冷却器的外壳可衬有耐火砖或其他高温涂层材料(例如陶瓷)。由于耐火砖和陶瓷的低导热性，这使得能够降低来自气体冷却器的热损失。

[0272] 气体冷却器853、854具有经由蒸发的金属/金属氧化物组分的去升华产生细颗粒的潜力。由于大约10μm的颗粒会引起轮机叶片腐蚀，因此还使用颗粒过滤器863。通过高效旋风分离器可以实现足够的颗粒移除效率，该高效旋风分离器可以设计成以低压降有效地移除直径大于0.5μm的颗粒。这些类型的旋风分离器可商购获得并且用于加压流化床燃烧联合循环和整体气化联合循环。值得注意的是，通过应用静电除尘器和热气体过滤器也可以进一步净化气流。

[0273] 平衡计算表明，流852中任何未反应燃料的摩尔分数可以忽略不计，而H2和CO的摩尔分数分别为0.0056和0.0059。这相当于燃料转化程度为约97.0％，燃料转化程度基于约98.10％的热值。换句话说，系统总入口能量的约98％可以用于在1350℃的温度下发电，而其余能量通过流852离开系统，作为用CO2稀释的H2和CO的混合物，其中在经由冷凝器除去水后，CO和H2的摩尔分数为约0.006。值得注意的是，通过未反应的CO和H2可以弥补这种能量损失。一种选择是将氧气注入位于连接到燃料反应器812的燃气轮机862之前的后燃烧器835中，如图8所示。另一种选择是使用常规CLC系统，即相互连接的流化CLC和旋转固定床CLC系统。如本领域技术人员应当理解的，还可以有其他选择。这些计算结果还预测来自气体冷却器853和854的流858和流859中的气态Fe和FeO的摩尔分数小于10-7。

[0274] 如前所述，系统800试图克服使用固态载氧体和液态载氧体的现有技术CLC的限制。具体地讲，系统800试图实现：

[0275] (a)通过施加熔融金属氧化物作为载氧体，消除与使用固体OC(包括颗粒和固定床两者)相关的技术复杂性。

[0276] (b)有可能实现高达1350℃的热气体的高出口温度，该温度适用于开式循环或联合循环的高效热发电设备诸如燃气轮机。

[0277] (c)消除了如US 2011/0117004中提出的对需要半间歇式反应器的限制。这些需要阀门来切换反应器之间的燃料和空气流，并且也不能实现稳态操作。相比之下，使用两个相互连接的鼓泡反应器确实通过气流产生的升力实现连续稳态操作，以使液态载氧体循环。

[0278] (d)在通过气体冷却器处理以将产生的气体与熔融金属氧化物分离之后，通过将燃料和空气直接引入熔融床中并应用热产物气体来发电，消除了在熔融金属氧化物池内加热线圈的需要。

[0279] (e)实现高燃料转化效率的可能性超过98.0％。

[0280] (f)可能实现可调度发电或连续高温化学处理的连续输出。

[0281] (g)反应器与其他商用技术诸如底吹式碱性氧气炉(BOF)和窑炉之间具有良好的兼容性。

[0282] (h)一种反应器构造，通过使用衬有耐火材料的钢壳适用于高压下的稳健操作。这是因为该方法消除了通过加压容器传递热量的需要。

[0283] 化学链气化类似于CLC，不同之处在于由载氧体向燃料提供亚化学计量比的氧气，这反过来导致合成气(即CO和H2)的产生。CLG优于常规气化系统的主要优点是该合成气产物不会被空气中的N2稀释。对于CLC系统，现有技术中的CLG系统主要基于相互连接的流化床反应器，其中固体燃料在燃料反应器内用蒸汽气化以产生合成气和还原的载氧体。然后将还原的载氧体与灰分分离并送至空气反应器，其中还原的载氧体颗粒用来自空气的氧气氧化。

[0284] 所提出的液体化学链气化(LCLG)的构造与LCLC系统的构造比较类似。然而，在所提出的LCLG系统中，在燃料反应器与空气反应器之间采用比实现化学计量比所需的液态载氧体循环流速更低的液态载氧体循环流速。此外，在燃料与反应器之间提出了灰分分离器以将熔融灰分与LOC分离。

[0285] CLG过程中已经确定了以下限制，提出的LCLG系统试图克服这些限制：

[0286] (a)由于晶体结构的热冲击、凝聚、侵蚀和变化等，固态载氧体颗粒的寿命受到在连续Red-Ox反应中发生的化学/物理损坏的限制。对于在气化后产生残余灰分的固体燃料的情况，由于灰分与载氧体颗粒直接接触，情况会更糟。这会污染颗粒，从而通过抑制质量传递降低其反应性。

[0287] (b)灰分和固态载氧体颗粒的分离在技术上具有挑战性。

[0288] (c)载氧体颗粒的破坏进一步抑制了它们与灰分的分离。

[0289] 所提出的系统试图通过以下方式克服CLG与固态载氧体的上述限制：

[0290] 通过使用液态载氧体，消除先前描述的与使用固态载氧体相关的技术挑战。

[0291] 通过使用熔融金属氧化物，消除与分离灰分和固态载氧体相关的技术挑战。灰分和熔融金属氧化物的密度不同，因此它们可以在鼓式分离器中容易地分离。

[0292] 值得注意的是，LCLC和LCLG也可以与太阳能热能混合。

[0293] 参考图9，显示了用于使反应物液体与两种气态反应物接触的反应器系统900的实施方案，其中使用热源901加热反应器911、912之间的循环液体。在所示布置中，热源901与反应器911相关联。其他布置也是可能的。在其他实施方案中，例如，热源可以与反应器912相关联，或者可以存在与两个反应器911、912相关联的相应热源。在又一个实施方案中，热源可以与沿着反应器911、912之间的循环液体流的路径相关联。

[0294] 反应器系统900在许多方面类似于图8中所述和所示的反应器系统800。因此，类似的附图标号用于表示类似的部件。

[0295] 在所示布置中，热源901包括太阳能接收器903，该太阳能接收器可操作以吸收聚光太阳能辐射以将聚光太阳能热能输入到反应器911。太阳能接收器903包括具有空腔905的太阳能空腔接收器，其中聚光太阳能热能从通过腔孔907进入的聚光太阳能辐射吸收。空腔905内吸收的热量然后用于加热在反应器911、912之间循环的液体。

[0296] 热源901无需限于太阳热能，可以使用任何其他合适形式的热源，如本领域技术人员应当理解的。

[0297] 具有循环传热流体的直接加热式太阳能接收器反应器

[0298] 图10示出了具有循环HTF的示例性直接加热式太阳能接收器的一种可能构造1000。具有循环传热流体的直接加热式太阳能接收器/反应器1000包括直接加热式空腔接收器以及鼓泡反应器/接收器，并且用于加热加压气体蒸汽。系统1000包括空腔太阳能接收器1001，其中HTF 1003暴露于聚光太阳能辐射和鼓泡塔1017。加压气体鼓泡通过喷嘴1007进入HTF塔1017中。来自鼓泡塔1017的出口端1005的冷HTF 1003循环到太阳能空腔吸收器
1011，而来自空腔接收器1011底部的现有加热HTF 1004被引入鼓泡塔1018的底部。在反应器之间循环HTF 1018所需的驱动力是气动地和流体动力学产生的。加压入口气体被注入通过鼓泡塔1017底部的喷嘴1007，以引起向上流动通过该鼓泡塔。这提供了足够的升力以使传热流体1018循环，并且还实现了到壁的良好传热以及在反应器内的良好热量输送和质量输送。还可以在鼓泡塔1017的出口1006处采用气泡分离器，以将气泡与HTF流分离，并允许液体返回到塔1017，但是这未在图10中示出。

[0299] 显而易见的是，可以采用该太阳能接收器的一系列替代构造来实现相同的效果。同样显而易见的是，在所有上述构造中，可以采用金属/金属氧化物、反应气体和非反应气体以及太阳能接收器构造的一系列替代组合。

[0300] 所提出的直接加热式太阳能接收器/反应器具有循环传热流体。根据本文描述的实施方案的直接加热式空腔接收器连同鼓泡反应器/接收器可用于加热加压气体蒸汽。

[0301] 显而易见的是，在所有上述构造中，可以采用金属/金属氧化物、反应气体和非反应气体以及太阳能接收器构造的一系列替代组合。

[0302] 实施方案

[0303] 在本说明书通篇中对“一个实施方案”、“实施方案”、“一种布置”或“布置”的引用表示结合该实施方案/布置描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案/布置中。因此，在本说明书通篇中各个位置出现的短语“在一个实施方案/布置中”或“在实施方案/布置中”不一定但可能是指同一个实施方案/布置。此外，在一个或多个实施方案/布置中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合，如本领域普通技术人员从本公开中显而易见的。

[0304] 类似地，应当理解，在本发明的示例性实施方案/布置的上述描述中，为了简化本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，有时将本发明的各个特征在其单个实施方案/布置、附图或描述中组合在一起。然而，该公开方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要有比每个权利要求中明确列举的特征更多的特征的意图。而是如以下权利要求所反映的，发明方面在于有少于单个前述公开的实施方案/布置的所有特征的特征。因此，详细描述之后的权利要求据此明确地并入该详细描述中，其中每个权利要求自身作为本发明的单独实施方案/布置。

[0305] 此外，虽然本文描述的一些实施方案/布置包括一些但不包括在其他实施方案/布置中的其他特征，但是不同实施方案/布置的特征的组合意图在本发明的范围内，并且形成不同的实施方案/布置，如本领域技术人员应当理解的。例如，在以下权利要求中，要求保护的实施方案/布置中的任一个可以以任何组合使用。

[0306] 具体细节

[0307] 在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施方案。在其他情况下，没有详细示出公知的方法、结构和技术，以免模糊对本说明书的理解。

[0308] 术语

[0309] 在描述附图中所示的本发明的优选实施方案时，为了清楚起见，将采用特定的术语。然而，本发明并不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似技术目的的所有技术等同物。诸如“向前”、“向后”、“径向地”、“外围地”、“向上”、“向下”等术语用作方便的词语以提供参考点，而不应被解释为限制性术语。

[0310] 不同的对象实例

[0311] 如本文所用的，除非另有说明，否则使用序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等来描述公共对象，仅仅指示提及相似对象的不同实例，并且不旨在暗示如此描述的对象必须在时间上、空间上、排序上或以任何其它方式处于给定顺序。

[0312] 包含和包括

[0313] 在以下权利要求和本发明的前述描述中，除非上下文由于明确的语言或必要的含义而另外要求，否则词语“包含(comprise)”或其变型诸如“包含(comprises)”或“包含(comprising)”以包含的含义使用，即，用于指定所述特征的存在，但不排除本发明的各种实施方案中其他特征的存在或增加。

[0314] 本文所用的术语：“包括(including)”或“包括(which includes)”或“包括(that includes)”中的任何一个也是开放术语，该开放术语还意指“至少包括”该术语之后的要素/特征部，但不排除其他要素/特征部。因此，“包括(including)”与“包含(comprising)”同义并且意指“包含(comprising)”。

[0315] 发明范围

[0316] 因此，尽管已经描述了被认为是本发明的优选布置，但是本领域技术人员应当认识到，在不脱离本发明的精神的情况下可以进行其他和进一步的修改，并且意图要求保护落在本发明的范围内的所有这样的改变和修改。可从框图中删除或添加功能，并且可以在功能块间互换操作。对于在本发明的范围内描述的方法，可以添加或删除步骤。

[0317] 尽管已经参考具体实例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，本发明可以以许多其他形式实施。

[0318] 工业应用性

[0319] 应当理解，上述方法和系统至少基本上提供了使用聚光太阳能辐射可操作的设备，包括用于使反应物液体与一种或多种气态反应物接触的反应器系统。

[0320] 本文所述和/或附图中所示的接收器/反应器系统和方法仅作为实例呈现，并且不限制本发明的范围。除非另有明确说明，否则本文所述的接收器/反应器系统的各个方面和部件以及方法可以被修改，或者可以被因此已知的等同物或未知的替代物(诸如可能在将来被开发或诸如在将来可能被发现的可接受的替代物)替代。本文所述的系统和方法还可以针对各种应用进行修改，同时保持在要求保护的发明的范围和精神内，因为潜在应用的范围很大，并且因为旨在呈现的接收器/反应器系统和方法适用于许多这样的变型。

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