太陽能反應(yīng)器內(nèi)廢鹽有機雜質(zhì)熱解特性研究

摘要：為了解決有機雜質(zhì)阻礙廢鹽回收利用的問題，基于槽式太陽能聚光器和管式反應(yīng)爐，建立有機物熱解反應(yīng)器模型，采用光熱耦合方法研究了反射鏡深度、焦距和反應(yīng)器外部直徑對系統(tǒng)能量分布及有機物熱解特性的影響。研究結(jié)果表明：隨著反射鏡深度從100mm增加到1000mm，聚光器平均聚光比增加7.34，但光學(xué)效率降低0.52%，反應(yīng)器最高溫度和最低溫度均呈上升趨勢，溫差在100K左右，熱解反應(yīng)時間縮短，系統(tǒng)熱效率提高約10.71%；隨著反射鏡焦距從100mm增加到1000mm，熱流密度更加集中，最大聚光比增大21.03，光學(xué)效率降低0.53%，反應(yīng)器最低溫度變化不大，但最高溫度和溫差呈線性增長，溫差從31.45K增大到222.56K，系統(tǒng)反應(yīng)速率和熱效率升高；隨著反應(yīng)器外部直徑從14mm增加到104mm，熱流密度降低，平均聚光比從34.75減小到4.71，光學(xué)效率提高0.53%，溫差從52.13K升高到114.32K，反應(yīng)速率和熱效率均降低，單位體積廢鹽的熱解時間從5.26s·cm－3減小到1.29s·cm－3。研究結(jié)果對廢鹽熱解反應(yīng)器的參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：太陽能反應(yīng)器；能量分布；光熱耦合；有機物熱解

中圖分類號：TK513 文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202502012 文章編號：0253-987X（2025）02-0115-12

Pyrolysis Characteristics of Waste Salt Organic Impurities

in Solar Reactors

DONG Zhenjiao1， TAO Yubing1，2， YE Hao1， HE Yuan2， JIA Haoyang2

（1. School of Future Technology， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2. Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of the Ministry of Education， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：To effectively remove organic impurities from waste salt for better waste salt recycling and environmental protection， a pyrolysis reactor model based on a parabolic trough concentrator and a tubular reactor was established in this paper. The effects of reflector depth， focal length， and reactor outer diameter on the energy distribution and the organics pyrolysis characteristics were investigated through photothermal coupling. The results show that as the reflector depth increased from 100mm to 1000mm， the average concentration ratio of the concentrator increased by 7.34 while the optical efficiency decreased by 0.52%; both the maximum temperature Tmax and minimum temperature Tmin of the reactor increased， with a temperature difference ΔT of the reactor about 100 K; the pyrolysis reaction time was shortened， and the thermal efficiency of the system increased by about 10.71%. As the focal length increased from 100mm to 1000mm， the heat flow density became more concentrated， resulting in a 21.03 increase in the maximum concentration ratio and a 0.53% decrease in optical efficiency; the Tmin did not change significantly， but the Tmax and ΔT exhibited a linear increase， with the ΔT increasing from 31.45K to 222.56K; the system reaction rate and thermal efficiency increased. As the reactor outer diameter increased from 14mm to 104mm， the heat flow density decreased， the Rave decreased from 34.75 to 4.71， and the optical efficiency increased by 0.53%. The Tmax and Tmin exhibited a decreasing trend， while ΔT increased from 52.13K to 114.32K. The reaction rate and thermal efficiency decreased， but the pyrolysis time of per unit volume waste salt decreased from 5.26s·cm－3 to 1.29s·cm－3. The study results presented in this paper are significant for the parameter design and optimization of solar waste salt pyrolysis reactor.

Keywords：solar reactor; energy distribution; photothermal coupling; organics pyrolysis

化工行業(yè)會產(chǎn)生大量工業(yè)廢棄氯化鹽［1］，若這些廢鹽處理不當(dāng)，不僅會造成環(huán)境污染，還會造成資源浪費［2］。此外，由于第三代太陽能光熱發(fā)電（CSP）技術(shù)對高溫和高效率的要求，MgCl2、NaCl、KCl等氯化鹽因其優(yōu)異的熱物理性質(zhì)、高溫?zé)岱€(wěn)定性和低廉的成本，被認(rèn)為是最具前景的傳熱儲熱介質(zhì)之一［3］。然而，截至目前，用于制備CSP傳熱和儲熱材料的氯鹽大多潔凈度為分析純［4］，儲熱成本較高。因此，回收和再利用廢棄氯化鹽用作傳熱和儲熱材料，不僅可以減輕環(huán)境壓力，還能夠降低太陽能光熱發(fā)電成本。

然而，由于化學(xué)有機原料的使用，大多廢棄氯鹽含有大量有機雜質(zhì)，包括醛、苯及其衍生物等［5］，難以采用溶解-過濾-再結(jié)晶等普通手段將其去除。如何徹底去除有機雜質(zhì)，實現(xiàn)廢鹽無害化、資源化處置是廢鹽再利用的主要障礙［6］。高溫?zé)峤夥ㄊ侨コ龔U鹽中有機雜質(zhì)的一種關(guān)鍵技術(shù)［7］，其利用有機雜質(zhì)的熱不穩(wěn)定性，通過加熱促使廢鹽中的有機物發(fā)生分解，從而使有機物從工業(yè)廢鹽中脫除［8］。鄧雅清等［9］提出一種蓄熱式熔融爐，用來熱解處理廢鹽。王希偉［10］針對廢鹽熱解工藝設(shè)計了熱解回轉(zhuǎn)窯爐。張森等［11］采用高溫?zé)峤?溶解凈化-熱蒸發(fā)結(jié)晶-冷卻結(jié)晶聯(lián)合方法，實現(xiàn)了農(nóng)藥行業(yè)廢鹽NaCl-KCl中有機物的脫除?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明：采用熱解方式可以有效去除99%的有機雜質(zhì)［12-13］。然而，由于熱解過程需要將廢鹽加熱到300～500℃，能源消耗量大，且傳統(tǒng)有機物熱解法往往采用化石能源，導(dǎo)致廢鹽處理過程耗能高、污染物排放多［14］。因此，尋找一種低能耗、低成本、環(huán)境友好的熱解技術(shù)至關(guān)重要。

太陽能因其儲量大、使用方便、清潔等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。太陽能聚光器將低熱流密度、大面積的太陽光聚集到面積較小的太陽能反應(yīng)器（SR）表面，使其獲得較高溫度［15］。Paizullakhanov等［16］提出利用聚光太陽能裝置從采礦和冶金廢料中提取金屬。衛(wèi)元珂等［17］、門靜婧等［18］利用太陽能聚光器對甲醇進行重整制氫的研究。彭昌盛等［19］利用太陽能聚光器熱解生物質(zhì)制備生物炭。上述研究表明，若利用聚集后的太陽能作為廢鹽有機雜質(zhì)熱解反應(yīng)器的熱源替代化石燃料，可實現(xiàn)廢鹽中有機雜質(zhì)低能耗和清潔無污染的去除。

槽式太陽能聚光器（PTC）是聚光器中最成熟、最廣泛的類型之一［20］。為了探究槽式太陽能有機物熱解反應(yīng)器內(nèi)的光熱耦合和有機物熱解特性，本文通過蒙特卡羅射線追蹤（MCRT）［21］，建立了槽式聚光系統(tǒng)光學(xué)模型，分析了反射鏡深度、焦距和反應(yīng)器外部直徑對光學(xué)性能和反應(yīng)器表面能量分布的影響。在此基礎(chǔ)上，通過將聚光器和熱解反應(yīng)器進行光熱耦合，構(gòu)建反應(yīng)器內(nèi)有機物熱解模型，分析了聚光器及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對反應(yīng)器內(nèi)溫度分布、有機物熱解性能及系統(tǒng)熱效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：利用太陽能進行熱解廢鹽的技術(shù)可以極大降低熱解成本，且在此過程中無化石燃料消耗，對于節(jié)能減排以及“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)具有重要的意義。與此同時，處理后的廢鹽可用于太陽能光熱發(fā)電，資源得到了回收利用。因此，本文研究工作對廢鹽熱解反應(yīng)器的參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化具有重要意義。

1 聚光集熱系統(tǒng)模型建立

1.1 物理模型

圖1給出了PTC-SR太陽能反應(yīng)器的示意圖，可以看到，該反應(yīng)器由一個槽式聚光器和一個熱解反應(yīng)器組成。圖1（a）中，建立oxyz直角坐標(biāo)系，h、f、xL、yL分別為反射鏡的深度、焦距、長度和開口寬度。圖1（b）展示了反應(yīng)器的橫截面，為玻璃-金屬真空管結(jié)構(gòu)，Dco、r分別為反應(yīng)器的外部直徑（簡稱外徑）和內(nèi)半徑，φ為圓角。反應(yīng)器與反射鏡的長度均為300mm，反應(yīng)器外殼由不銹鋼制成，厚度為2mm。金屬管內(nèi)部填充KCl廢鹽顆粒。反射鏡將垂直入射的太陽光反射到位于焦點線上的反應(yīng)器金屬管表面，反應(yīng)器吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能。熱能被傳遞到廢鹽中，作為廢鹽中有機雜質(zhì)熱解的熱源。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 聚光器數(shù)學(xué)模型

采用MCRT方法計算聚光系統(tǒng)中的光子傳輸過程。本文使用2個坐標(biāo)系，其中直角坐標(biāo)系用于MCRT法跟蹤光子運動；圓柱坐標(biāo)系用于在反應(yīng)器吸收管圓周表面上統(tǒng)計光子和熱通量分布。由于模型的對稱性，光子和熱通量分布是對稱的。因此，圓角φ的取值范圍為［－90°， 90°］。MCRT方法的相關(guān)方程［22］如下

1.3 模型驗證

關(guān)于反應(yīng)器的模型驗證可參閱文獻［25］，這里僅介紹聚光器的模型驗證。在進行聚光器性能模擬時，初始光線數(shù)量越多，數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，模擬結(jié)果更準(zhǔn)確，但光線數(shù)量增多則需要花費更多時間進行計算。因此，在計算合適的光線總數(shù)時，必須同時考慮計算時間和精確度。經(jīng)過驗證，將光線數(shù)設(shè)定為1.35×106。為進一步驗證模型準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與文獻［22］的結(jié)果進行比較，如圖2所示。文獻假定光熱系統(tǒng)的反射率、透射率和吸收率均為1，太陽光的最大徑向角為7.5mrad。反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)：開口寬度yL為4.4m，焦距f為1.1m，反應(yīng)器外徑Dco為70mm。由圖2可見，RLCR的大小和分布與文獻中的結(jié)果幾乎重合，驗證了模型的準(zhǔn)確性。從圖2還可看出，RLCR在吸熱管壁面上的周向分布可分為4個區(qū)域［26］：遮蔽區(qū)（區(qū)域Ⅰ）、熱流密度增長區(qū)（區(qū)域Ⅱ）、熱流密度下降區(qū)（區(qū)域Ⅲ）以及太陽直射區(qū)（區(qū)域Ⅳ）。

2 結(jié)果與討論

槽式拋物面聚光集熱系統(tǒng)的聚光效果與反射鏡和反應(yīng)器的尺寸直接相關(guān)，會導(dǎo)致系統(tǒng)RLCR的分布和數(shù)值發(fā)生改變。反射鏡的尺寸主要受反射鏡深度和焦距的影響，而反應(yīng)器的尺寸則是由外徑?jīng)Q定的。隨著焦距和深度的增加，反射鏡鏡面體積增大，同時，加工的成本和難度也會增大。反應(yīng)器外徑越大，容積越大，可以同時處理更多的廢鹽，但也會導(dǎo)致系統(tǒng)體積的增大。因此，研究反射鏡的深度、焦距和反應(yīng)器外徑對RLCR分布及有機雜質(zhì)熱解的影響，對于熱解系統(tǒng)的設(shè)計具有重要作用。

2.1 反射鏡深度的影響

保持反射鏡焦距為500mm、反應(yīng)器外徑為64mm不變，探究反射鏡的深度變化對其光學(xué)性能和熱解性能的影響規(guī)律。

2.1.1 反射鏡深度對光學(xué)性能的影響

不同反射鏡深度下的RLCR分布如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)深度由100mm逐漸增加到1000mm時，遮蔽區(qū)的角度不隨深度變化，始終維持在10°左右，吸熱管最底部的RLCR穩(wěn)定在3.7左右。這是因為深度增加，反射鏡的數(shù)學(xué)函數(shù)并沒有發(fā)生變化，只是在寬度方向朝兩邊進一步延伸，因此RLCR曲線前半部分不變，但熱流增長區(qū)的角度隨著深度的增加不斷增大。由于深度增加，反射鏡面積增加，可以接收到更多入射光，且反射到反應(yīng)器表面的角度變大，因此熱流增長區(qū)角度變大。隨著反射鏡深度增加，最大聚光比Rmax依次為13.52、14.60、16.14、17.90、20.45、20.54、23.85、24.54、25.11和28.09，即Rmax隨深度的增加變大。這是由于反射鏡深度增加，反射面積增大，但接收器面積保持不變，因此Rmax逐漸增大。熱流密度下降區(qū)的角度變化不大，但初始角和結(jié)束角均隨深度的增加不斷增大。反射光線的有效角度范圍（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）隨著深度增加而增大，但太陽直射區(qū)范圍不斷縮小，這表明深度越大，反應(yīng)器上有更大的面積可以接收到反射鏡反射的光線。從圖3還可以看出，隨著深度的增加，曲線變化幅度減小，左側(cè)曲線稀疏，而右側(cè)曲線更為密集。這是反射鏡拋物面曲線方程所致，隨著深度的增大，二次拋物面曲線再次增大相同的深度時，開口寬度增加幅度變小，因此反射鏡面積增大幅度減小。

隨著反射鏡深度的改變，Rave和光效率的變化如圖4所示。

由圖可見，隨著反射鏡深度增大，Rave從3.43逐漸增加到10.77。這是由于拋物面深度增加，其開口寬度也隨之增加，從而可以反射更多的太陽光，此時反應(yīng)器的接收面積保持不變。此外，隨著反射器深度增加，Rave的增長趨勢逐漸減緩，這與之前觀察到的RLCR曲線左疏右密的現(xiàn)象相吻合，原理也相同。從圖4還可以看出，深度為100mm時，光效率最大，為77.07%。隨著深度增加，光效率逐漸降低，根據(jù)式（11），這是由于Rave的增長率小于yL的增長率所導(dǎo)致。探究光效率下降的根本原因，是由于反射鏡深度增加，垂直入射的太陽光與反射鏡夾角變小，同時因為太陽不平行角的存在，太陽反射光錐外側(cè)的部分光線從吸熱管周圍逃逸比例增大，從而引起更多的光學(xué)損失，使得光效率降低。

2.1.2 反射鏡深度對反應(yīng)器熱解性能的影響

不同反射鏡深度下，熱解反應(yīng)結(jié)束時反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物最高溫度、最低溫度和溫差的變化如圖5所示。由圖可見，隨著深度的增加，最高溫度和最低溫度均呈上升趨勢，最高溫度曲線前期上升較快，且隨著深度的增加趨于平緩，最低溫度曲線的升高速率則一直較為平緩，因此溫差呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢。溫度的變化與熱通量分布息息相關(guān)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是RLCR逐漸增大但增長速率逐漸變緩的結(jié)果。從圖5還可以看出，不管哪種反射器深度，反應(yīng)器內(nèi)溫差均較大，10種深度反應(yīng)器的溫差依次為83.17、99.60、106.53、109.48、109.40、109.85、108.93、107.53、106.11、104.69K。除100mm和200mm外，其他深度下的溫差都在100K以上。因此，在實際應(yīng)用中，不管選擇哪種深度的反射鏡，都要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行改進以強化傳熱減小溫差，從而減小反應(yīng)器的熱應(yīng)力，延長使用壽命。

不同反射鏡深度下平均溫度和熱解反應(yīng)進度隨時間的變化如圖6所示。熱解反應(yīng)進度為1時反應(yīng)開始，為0時反應(yīng)結(jié)束。由圖6可見，隨著深度增加，溫度曲線斜率增大，升溫速率變快。但從線條的疏密程度可以看出，變快趨勢逐漸減緩。RLCR分布隨反射鏡深度的變化是產(chǎn)生該現(xiàn)象的直接原因，隨著深度增加，熱通量輸入增多。熱解反應(yīng)進度變化與溫度隨深度變化相似，反射鏡深度增加，升溫快，因此反應(yīng)速率變快，反應(yīng)進度曲線下降區(qū)的斜率增大。由于反應(yīng)器初始溫度相同，深度增加時，相同時間內(nèi)輸入的熱量增多，因此反應(yīng)開始的時間隨深度的增加而變短。總的來說，反射鏡深度越大，熱解反應(yīng)開始的時間越早，熱解速率越快，導(dǎo)致反應(yīng)持續(xù)時間大大減少。

不同反射鏡深度下反應(yīng)的持續(xù)時間和熱效率如圖7所示。

由圖可以看出，10種深度的反應(yīng)持續(xù)時間分別為2809.00、2005.00、1652.90、1438.50、1180.80、1093.40、1022.70、962.33、912.41s?？梢婋S著深度增加，熱解持續(xù)時間減少，但幅度變小，這與RLCR分布相對應(yīng)。雖然反射鏡深度增大會導(dǎo)致單位時間內(nèi)輸入反應(yīng)器能量增多，反應(yīng)器溫度更高，熱損失更多，但反應(yīng)持續(xù)時間的減少對于最終熱效率起到?jīng)Q定性的作用，因此呈現(xiàn)出熱效率與反應(yīng)持續(xù)時間趨勢相反，出現(xiàn)不斷升高的現(xiàn)象。

綜上所述，反射鏡深度增加會增大反射鏡反射光線的面積，從而使得更多的熱通量匯聚在熱解反應(yīng)器表面，加速反應(yīng)器的升溫和有機雜質(zhì)熱解，導(dǎo)致反應(yīng)結(jié)束時間變短，熱效率提升。但從圖6可以看出，當(dāng)h超過500mm后，其影響已經(jīng)非常小，且隨著深度增加，光效率降低，制造難度和成本也會隨之增加，因此再增加深度性價比不高。值得注意的是，不管反射鏡深度如何變化，反應(yīng)器橫截面均存在較大溫差，因此需要對其進行強化傳熱或者均勻邊界熱流，使得溫度分布均勻。

2.2 反射鏡焦距的影響

保持反射鏡深度為500mm、反應(yīng)器外徑為64mm不變，探究反射鏡的焦距變化對其光學(xué)性能和熱解性能的影響規(guī)律。

2.2.1 反射鏡焦距對光學(xué)性能的影響

不同反射鏡焦距對聚光比分布的影響如圖8所示。由圖可見，隨著焦距增大，RLCR曲線變得瘦高，輻射能分布更加集中。焦距增大，反射光線的有效角度范圍減小，太陽直射區(qū)的角度范圍增大。焦距變化導(dǎo)致反射鏡的數(shù)學(xué)函數(shù)發(fā)生變化，增加焦距使得反射鏡開口變大，此時反射鏡可以接受更多的太陽光，但反射光線落在集熱器上的范圍減小，因此RLCR分布曲線出現(xiàn)瘦高現(xiàn)象。當(dāng)焦距從100mm逐漸變?yōu)?000mm時，Rmax依次為10.12、13.59、14.83、17.80、20.45、21.51、24.97、25.71、29.07、31.15，最大增幅為207.81%。隨著焦距減小，反應(yīng)器最底部（即－90°位置附近）的RLCR逐漸減小，甚至出現(xiàn)RLCR為0現(xiàn)象，如圖8中焦距為100mm時所示。這是由于當(dāng)焦距過小時，反應(yīng)器底部存在一定的角度接收不到光線所導(dǎo)致。

10種焦距下的Rave和光效率如圖9所示。由圖可見，Rave隨著焦距增加而增大，但增加速率逐漸變緩，這與深度增加時的變化趨勢相同。當(dāng)焦距從100mm變?yōu)? 000mm時，對應(yīng)的Rave依次為3.43、4.84、5.92、6.82、7.62、8.35、9.02、9.64、10.22、10.77，增長率依次為41.18%、22.15%、15.33%、11.74%、9.51%、7.98%、6.89%、6.05%、5.41%。隨著焦距增加，反射器開口寬度增大，所反射的太陽能輻照能增加，導(dǎo)致聚光比增大。根據(jù)反射鏡曲線方程4fz=y2，當(dāng)焦距f變化相同時，縱坐標(biāo)y的變化與焦距f 0.5成正相關(guān)，因此開口寬度增大，速率逐漸變緩，Rave增長率降低。隨著焦距增大，系統(tǒng)光效率依次為77.11%、76.98%、76.78%、76.69%、76.65%、76.62%、76.60%、76.59%、76.58%、76.58%，表現(xiàn)為逐漸降低直到最后趨于穩(wěn)定。這是因為隨著焦距增大，反應(yīng)器上接受反射光的面積減小，光線逃逸增多，導(dǎo)致光學(xué)損失增加，光效率降低。

2.2.2 反射鏡焦距對反應(yīng)器熱解性能的影響

不同反射鏡焦距下，熱解反應(yīng)結(jié)束時反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物最高溫度、最低溫度和溫差的變化如圖10所示。從圖中可以看出，反應(yīng)器的最低溫度隨焦距的增大略有增加，變化幅度較小，而最高溫度和溫差幾乎呈線性增長。這是因為隨著焦距增大，熱通量更加集中，Rmax也逐漸增大。當(dāng)焦距從100mm增加到1000mm時，溫差依次為31.45、37.36、60.88、85.49、109.40、134.36、157.72、180.04、201.61、222.56K。

隨著焦距變化，平均溫度和熱解反應(yīng)進度的變化與深度改變時的曲線相似，原理也相同，這里便不再贅述。對不同反射鏡焦距下反應(yīng)持續(xù)時間和熱效率的研究結(jié)果表明，隨著焦距增加，反應(yīng)持續(xù)時間依次為2741.80、1909.10、1600.00、1418.70、1290.70、1198.90、1126.10、1067.60、1020.00、978.96s，熱效率依次為83.17%、87.5%、88.79%、89.46%、89.9%、90.14%、90.31%、90.42%、90.47%、90.49%。

由上可知，在進行焦距選擇時，盡量避免焦距過小和過大。小焦距雖然熱通量分布更加均勻，溫差較小，但因熱流密度低，會導(dǎo)致反應(yīng)時間過長且熱效率降低；大焦距雖然反應(yīng)時間短，熱效率高，但會帶來較大的最高溫度和溫差。例如當(dāng)焦距為1000mm時，反應(yīng)結(jié)束時反應(yīng)器最高溫度為964.70K，溫差高達222.56K，這會導(dǎo)致反應(yīng)器和表面涂層的壽命減小?？偟膩砜?，500mm焦距的反射鏡為最佳選擇，再增大焦距，熱效率和反應(yīng)結(jié)束時間變化不是很大，反而造成反應(yīng)器最高溫度高于850K，溫差遠超100K。此外，反射器焦距的增加不僅會帶來成本和建造難度的增加，還會導(dǎo)致聚光集熱系統(tǒng)體積增大，因此再增大焦距性價比不高。

2.3 反應(yīng)器外徑的影響

2.3.1 反應(yīng)器外徑對光學(xué)性能的影響

反應(yīng)器的中心軸處于反射鏡焦線上，增大反應(yīng)器的外徑將導(dǎo)致其容積變大，接收光線的面積也增大。為了探究外徑變化對RLCR分布的影響，保持反應(yīng)器外殼厚度為2mm，反射鏡的焦距和深度均為500mm，研究了反應(yīng)器外徑分別為14、24、34、44、54、64、74、84、94、104mm時其表面的聚光比分布，結(jié)果如圖11所示。由圖可見，隨著反應(yīng)器外徑減小，Rmax不斷增大。這是因為反射光線總量不變，但反應(yīng)器表面的接收面積急劇減小。隨著外徑從小到大，Rmax依次為80.05、49.77、35.64、28.93、24.05、20.45、17.74、15.63、13.95、12.60，表明RLCR隨著外徑的減小明顯增大，在圖中表現(xiàn)為線條整體上移。這是因為雖然半徑呈線性減小，但面積和半徑的平方呈正相關(guān)，因此面積減小速率越快，熱流密度增大速率也就越快。Rmax的變化導(dǎo)致了熱流下降區(qū)的角度范圍隨著外徑的減小而增大，從而間接縮小了太陽直射區(qū)的角度范圍。反應(yīng)器底部即φ=－90°附近的RLCR也隨著外徑的減小而增大，且從曲線疏密程度可以看出，外徑越小增幅越大。外徑小熱流密度高，這在熱解反應(yīng)中可有效縮短反應(yīng)時間，但反應(yīng)器的容積也會相應(yīng)減小。

隨著外徑變化，系統(tǒng)Rave的變化和光效率如圖12所示。由圖可見，Rave隨著反應(yīng)器外徑的增加而減小，且減小的速率逐漸變緩。Rave的減小是由于反應(yīng)器外徑增大，反射鏡反射的太陽光分?jǐn)偟礁嗝娣e上所導(dǎo)致，而減小速率變緩與面積增長速率變緩有關(guān)。外徑從14mm變?yōu)?04mm，對應(yīng)的Rave依次為34.75、20.28、14.32、11.07、9.03、7.62、6.60、5.82、5.20、4.71；光效率隨著半徑的增大逐漸增大，依次為76.41%、76.46%、76.50%、76.54%、76.59%、76.65%、76.70%、76.76%、76.83%、76.94%。由于半徑增大，反應(yīng)器可以更早接收到反射光線，此時太陽不平行角發(fā)展較小，因此逃逸的光線減少，光效率提高。

2.3.2 反應(yīng)器外徑對熱解性能的影響

不同反應(yīng)器外徑下，熱解反應(yīng)結(jié)束時反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的最高溫度、最低溫度和溫差的變化如圖13所示。從圖中可以看出，隨著外徑增加，最高溫度和最低溫度都呈現(xiàn)下降趨勢。最高溫度下降是由于圓周表面熱流密度降低所致；而最低溫度下降是由于最高溫度下降，反應(yīng)器半徑增加，傳熱更為困難所致。最低溫度開始下降幅度較大，后面趨于平緩，這是因為隨著半徑增加，傳熱較差的影響變小。溫差呈現(xiàn)先上升后平緩的趨勢，當(dāng)外徑從14mm變?yōu)?04mm時，溫差依次為52.13、76.37、91.34、100.56、106.61、109.40、112.57、113.64、114.15、114.32K。

圖14給出了不同外徑下平均溫度曲線和熱解反應(yīng)進度的變化曲線。由圖可見，隨著外徑增加，平均溫度曲線斜率減小，升溫速率變慢，熱解反應(yīng)進度曲線下降部分斜率減小，熱解速率變慢。這是由于外徑增大，反應(yīng)器容積變大，傳熱需要更多時間，且熱流密度減小所致。從圖中還可以看出，隨著外徑增大，反應(yīng)器開始熱解反應(yīng)的時間延后。這主要是因為受Rmax影響，半徑較大時，Rmax較小，反應(yīng)器達到開始熱解溫度的時間延后。

不同外徑下，反應(yīng)持續(xù)時間和熱效率如圖15所示。由圖可見，隨著外徑增加，反應(yīng)持續(xù)時間逐漸延長。這是因為外徑較大時熱流密度低，傳熱更慢，溫度均勻性差且容積增大，有機雜質(zhì)更多所致。外徑由小變大時，反應(yīng)持續(xù)時間依次為123.95、270.41、459.34、691.56、969.36、1290.70、1659.10、2076.10、2537.40、3043.20s?？紤]到外徑增加導(dǎo)致容積增大，引入單位體積熱解時間，對上述提到的熱解反應(yīng)持續(xù)時間進行處理，得到外徑由小到大對應(yīng)的單位體積熱解時間依次為5.26、2.87、2.17、1.83、1.65、1.52、1.44、1.38、1.33、1.29s·cm－3，表明隨著外徑增加，雖然整個反應(yīng)器的熱解時間延長，但單位體積的熱解時間縮短。這主要是因為在反應(yīng)器長度不變的情況下，隨著外徑線性增加，容積與半徑的平方正相關(guān)，容積變化更大。與此同時，光效率提高，反應(yīng)器輸入更多的熱量，且熱損失更小，因此單位體積的反應(yīng)時間變快。由此可以看出，大外徑熱解反應(yīng)器在處理大量廢鹽時具有明顯優(yōu)勢。隨著半徑增加，熱效率幾乎呈線性下降。從深度、焦距和外徑的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱效率與反應(yīng)持續(xù)時間的變化一直互為相反趨勢，這表明熱效率除了受溫差影響外，受熱解時間的影響也較大。在相同時間內(nèi)，雖然小外徑反應(yīng)器的單位面積熱損失更高，但由于輸入熱量的基數(shù)大，反應(yīng)時間更少，因此熱效率較高。隨著半徑增大，熱效率依次為97.74%、96.19%、94.61%、93.02%、91.43%、89.90%、88.38%、86.87%、85.43、84.04%。

綜上所述，選擇小外徑反應(yīng)器，雖然溫差小、熱效率高，但容積太小導(dǎo)致?lián)Q料頻繁，浪費大量時間，且最高溫度較高；大外徑反應(yīng)器雖然完成一次熱解的時間較長，但其單位體積的熱解時間更小，處理較大量廢鹽更有優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)不同的情況選擇不同的反應(yīng)器外徑尺寸。

3 結(jié)論與展望

本文通過MCRT方法對槽式拋物面聚光集熱系統(tǒng)進行光線追蹤，探究了不同反射鏡深度、焦距和反應(yīng)器外徑對系統(tǒng)RLCR及其分布的影響。在此基礎(chǔ)上，利用光線追蹤的結(jié)果進行光熱耦合，進一步探究了上述參數(shù)對有機雜質(zhì)熱解反應(yīng)器的影響，為廢鹽熱解系統(tǒng)的設(shè)計和改進提供了新思路。得出主要結(jié)論如下。

（1）反射鏡深度增加，有效聚光角增大約60°，Rmax從13.52增大到28.09，但光效率降低了0.52%。熱解反應(yīng)器最高溫度和最低溫度都呈現(xiàn)上升趨勢，但溫差變化不大，約為100K，反應(yīng)持續(xù)時間減少1896.59s，熱效率升高10.71%。雖然深度增加熱解效果變好，但當(dāng)深度超過500mm后，變化相對較小，考慮到建造難度和成本問題，深度為500mm的反射鏡是最佳選擇。

（2）反射鏡焦距增加，RLCR曲線變得瘦高，熱流密度更加集中，Rmax增大21.03，但光效率降低0.53%。反應(yīng)器最低溫度變化不大，而最高溫度和溫差呈現(xiàn)線性增長，溫差從31.45K增大到222.56K，反應(yīng)結(jié)束時間減少1762.84s，熱效率提高7.32%。焦距太小熱解反應(yīng)慢，熱效率低；焦距太大則最高溫度和溫差過大，反應(yīng)器壽命減少。通過比較后，選擇最佳焦距為500mm。

（3）反應(yīng)器外徑增加，RLCR曲線明顯降低，且有效聚光范圍減小，但由于聚光面積增大，Rave從34.75 減小到4.71，光效率提高0.53%；最高溫度和最低溫度呈下降趨勢，溫差從52.13K升高到114.32K，熱解時間從123.95s延長到3043.20s，但單位體積的熱解時間從5.26s·cm－3減小到1.29s·cm－3，熱效率降低13.70%。因此，在進行外徑選擇時，需考慮實際工況。小外徑反應(yīng)器換料頻繁，最高溫度較大，但單次熱解時間更短；大外徑反應(yīng)器溫差較大、熱效率低，但單位體積的熱解時間更短，適合處理較大量的廢鹽。

未來研究中，可以在本文基礎(chǔ)上進行實驗探索，建立廢鹽熱解的一體化系統(tǒng)。除此之外，還可以對熱解系統(tǒng)進行升級改進，通過添加翅片等強化傳熱結(jié)構(gòu)，或添加二次反射鏡來均勻反應(yīng)器圓周表面的熱通量分布，以進一步提升反應(yīng)器內(nèi)溫度均勻性。此外，也可以通過流化床研究和改進吸收涂層來獲得更好的傳熱和熱解效果。

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（編輯 李慧敏）