一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法，该系统包括聚光装置(a)、接触换热装置(b)、反应器(c)、氧气收集装置(d)、换热器(e)和气体分离收集装置(f)。本发明专利技术提供的提高太阳能热化学循环制取燃料速度和效率的系统及方法，与太阳能热化学等温法相比，都是致力于消除加热催化剂的能量损耗，但等温法的温度不变，氧化反应温度比双温法高，使还原后的氧化铈与H2O氧化反应时氧空位变化较小，不利于燃料产量。利用本发明专利技术，通水带来的催化剂主动降温，可以把反应器每个循环所需的时间大大缩短，同时与等温法相比每个循环产生更多的氢气，并且可以提高氧化步骤的反应速度，合理地利用了高温还原步热量，提高了太阳能燃料转换效率，避免了固-固换热器的使用，提升了反应器的机械性能。

【技术实现步骤摘要】
一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法
本专利技术涉及高温太阳能热化学循环双温法制取燃料
，尤其是通过转化CO2或H2O制取CO和H2的一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法。
技术介绍
氢气作为一种清洁能源在工业、医学等方面有越来越多的用途。传统的方式是通过电解水或甲烷重整制氢，这无疑间接增加了化石能源的消耗。化石能源日益枯竭的今天，通过结合太阳能等可再生能源水分解制氢方式凸显出很多优势。另外，分解二氧化碳制取一氧化碳的过程可以实现减少温室气体排放，减少化石能源的消耗，是二氧化碳捕集和封存(CCS)的一种补充方式。此外，合成气制备后可以合成甲醇、二甲醚等化工产品或者通过Fischer-Tropsch转换成液体燃料。在太阳能热化学两步法循环制氢中，氧化铈作为一种催化剂，具有储量丰富且反应中不存在相变的特点，与Fe基氧化物相比，不存在烧结的问题，与Zn基氧化物相比不必使用淬火，并且不存在ZnO膜覆盖问题。反应中，高温下将氧化铈进行部分热分解后释放氧气(即发生还原反应)，还原后的氧化物在较低温度下被水或二氧化碳氧化，放出氢气或者一氧化碳。催化剂以氧化铈为例。目前与本专利技术相关的技术主要有传统双温法高温热化学循环制备燃料、等温法热化学循环制备燃料。下面分别对以上两种技术进行描述：传统双温法高温热化学循环制备燃料高温TH下的反应(还原反应)低温TL下的反应(氧化反应)低温TL下的反应H2O分解总反应H2O(g)→1/2O2(g)+H2(g)CO2分解总反应CO2(g)→1/2O2(g)+CO(g)其中δred是还原产物中的氧缺位，δox是氧化产物中的氧缺位(δred＞δox)。制取CO的过程和制取H2的过程类似。下文中以制取H2为例。双温法分解水制氢过程中的能量消耗主要由以下几个部分：加热氧化铈至TH的高温，还原步吸收热量，加热水至TL低温。此外，为了得到较低的还原步氧分压，通常采用通入惰性气体或者使用泵的方式。在二氧化碳分解制一氧化碳的过程中，还要考虑气体分离功的问题。氧化铈在氧化步与还原步中的氧缺位的变化量和H2的产量相等。氧缺位受温度和压力的影响，随着温度的降低而降低，随着氧分压的降低而增加。由于现有的双温法TH和TL之间存在很大的温差，加热氧化铈的能耗很大，这将严重影响太阳能到燃料的转化效率。另外，TH和TL的温差会使反应器由于热胀冷缩导致的热应力增大，并在两个温度之间的热循环中降低反应器的寿命。HHV效率是输出燃料的高位热值与总的太阳能输入能量的比值。若TH＝1500℃，TL＝800℃，此时不考虑热回收的情况下，最大HHV效率为16％-19％左右。等温法热化学循环制备燃料等温法：高温TH下的反应(还原反应)同样的TH下的反应(氧化反应)在这种情况下，可以消除加热氧化铈所耗费的巨大能量，虽然效率在特定条件下较传统的双温法有所提高，但是由于氧化步是放热反应，高温将不利于反应的进行。此外高温下(温度不低于1100℃)的换热器不成熟，热量回收利用困难。在没有热回收的情况下，若TH＝1500℃，那么HHV效率最高为3％。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法，以合理利用高温还原步热量，提高太阳能燃料转换效率，避免固固换热器的使用，提升反应器的机械性能。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，该系统包括聚光装置a、接触换热装置b、反应器c、氧气收集装置d、换热器e和气体分离收集装置f，其中：聚光装置a，用于将太阳光会聚至反应器c，提供还原反应需要的热量；反应器c，用于吸收聚光装置a会聚的热量，使反应器c中的氧载体发生还原反应释放出氧气；在还原反应后隔绝聚光装置a会聚的热量，将CO2/H2O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将CO2/H2O进一步加热到TL，使被还原的氧载体在温度TL下与CO2/H2O发生氧化反应，产生CO/H2并且释放出热量QL，产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O通过换热器e进入气体分离收集装置f，释放出的热量QL被产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O携带至换热器e；氧气收集装置d，用于收集还原反应释放出来的氧气；换热器e，用于将氧化反应产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O携带的热量与室温下的入口原料CO2/H2O进行热量交换，加热入口原料CO2/H2O至温度T1，加热后的入口原料CO2/H2O被通入接触换热装置b；接触换热装置b，用于将加热后的入口原料CO2/H2O直接喷洒在氧载体3上，将氧载体3的温度降低到温度TL，同时将入口原料CO2/H2O的温度提高到TL；气体分离收集装置f，用于收集氧化反应产生的CO/H2以及未反应完全的CO2/H2O，并进行气体分离，得到纯净的CO/H2。上述方案中，所述反应器c，自外向内依次设置有耐高温金属1、耐火材料2和氧载体3，其中氧载体3作为催化剂，采用金属氧化物氧化铈、氧化锌或氧化铁，或者采用钙钛矿、尖晶石或金属离子变价的金属氧化物材料。上述方案中，所述反应器c中的氧载体3发生还原反应时，反应器c中的温度TH为1000℃-1800℃。上述方案中，所述温度TL为500℃至TH，所述温度T1为25℃至TL。上述方案中，在该系统中，还原反应和氧化反应交替在同一个反应器中进行，氧载体位置固定。上述方案中，在该系统中，还原反应采用太阳能照射，氧化反应隔绝太阳能照射，并在氧化反应时将反应器的照射窗口遮盖，降低二次辐射损失。本专利技术还提供了一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的方法，应用于所述的系统，该方法包括：反应器c中的氧载体吸收聚光装置a会聚的热量，发生还原反应释放出氧气，释放出的氧气被氧气收集装置d收集；在还原反应后反应器c隔绝聚光装置a会聚的热量，将CO2/H2O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将温度为T1的CO2/H2O加热到温度TL，使被还原的氧载体在温度TL下与CO2/H2O发生氧化反应，产生CO/H2并且释放出热量QL，产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O通过换热器e进入气体分离收集装置f，释放出的热量QL被产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O携带至换热器e；换热器e将氧化反应产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O携带的热量与室温下的CO2/H2O进行热量交换，加热室温下的CO2/H2O至温度T1，加热后的CO2/H2O被通入接触换热装置b；接触换热装置b将加热后的CO2/H2O直接喷洒在反应器c中的氧载体上，将氧载体的温度降低到温度TL，同时将CO2/H2O的温度由T1提高到TL；气体分离收集装置f收集氧化反应产生的CO/H2以及未反应完全的CO2/H2O，并进行气体分离，得到纯净的CO/H2。(三)有益效果本专利技术提供的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法，与太阳能热化学等温法相比，都是致力于消除加热催化剂的能量损耗，但太阳能热化学等温法的温度不变，氧化反应温度比双温法高，使还原后的氧化铈与H2O氧化反应时氧空位变化较小，不利于燃料产量。利用本专利技术，通水带来的催化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在于，该系统包括聚光装置(a)、接触换热装置(b)、反应器(c)、氧气收集装置(d)、换热器(e)和气体分离收集装置(f)，其中：聚光装置(a)，用于将太阳光会聚至反应器(c)，提供还原反应需要的热量；反应器(c)，用于吸收聚光装置(a)会聚的热量，使反应器(c)中的氧载体发生还原反应释放出氧气；在还原反应后隔绝聚光装置(a)会聚的热量，将CO2/H2O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将CO2/H2O进一步加热到TL，使被还原的氧载体在温度TL下与CO2/H2O发生氧化反应，产生CO/H2并且释放出热量QI，产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O通过换热器(e)进入气体分离收集装置(f)，释放出的热量QL被产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O携带至换热器(e)；氧气收集装置(d)，用于收集还原反应释放出来的氧气；换热器(e)，用于将氧化反应产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O携带的热量与室温下的入口原料CO2/H2O进行热量交换，加热入口原料CO2/H2O至温度T1，加热后的入口原料CO2/H2O被通入接触换热装置(b)；接触换热装置(b)，用于将加热后的入口原料CO2/H2O直接喷洒在氧载体(3)上，将氧载体(3)的温度降低到温度TL，同时将入口原料CO2/H2O的温度提高到TL；气体分离收集装置(f)，用于收集氧化反应产生的CO/H2以及未反应完全的CO2/H2O，并进行气体分离，得到纯净的CO/H2。...

【技术特征摘要】
1.一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在于，该系统包括聚光装置(a)、接触换热装置(b)、反应器(c)、氧气收集装置(d)、换热器(e)和气体分离收集装置(f)，其中：聚光装置(a)，用于将太阳光会聚至反应器(c)，提供还原反应需要的热量；反应器(c)，用于吸收聚光装置(a)会聚的热量，使反应器(c)中的氧载体发生还原反应释放出氧气；在还原反应后隔绝聚光装置(a)会聚的热量，将CO2/H2O注入到还原反应后的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将CO2/H2O进一步加热到TL，使被还原的氧载体在温度TL下与CO2/H2O发生氧化反应，产生CO/H2并且释放出热量QL，产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O通过换热器(e)进入气体分离收集装置(f)，释放出的热量QL被产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O携带至换热器(e)；氧气收集装置(d)，用于收集还原反应释放出来的氧气；换热器(e)，用于将氧化反应产生的CO/H2及未反应完全的CO2/H2O携带的热量与室温下的入口原料CO2/H2O进行热量交换，加热入口原料CO2/H2O至温度T1，加热后的入口原料CO2/H2O被通入接触换热装置(b)；接触换热装置(b)，用于将加热后的入口原料CO2/H2O直接喷洒在氧载体(3)上，将氧载体(3)的温度降低到温度TL，同时将入口原料CO2/H2O的温度提高到TL；气体分离收集装置(f)，用于收集氧化反应产生的CO/H2以及未反应完全的CO2/H2O，并进行气体分离，得到纯净的CO/H2；在该系统中，还原反应和氧化反应交替在同一个反应器中进行，氧载体位置固定；还原反应采用太阳能照射，氧化反应隔绝太阳能照射，并在氧化反应时将反应器的照射窗口遮盖，降低二次辐射损失。2.根据权利要求1所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在于，所述反应器(c)，自外向内依次设置有耐高温金属(1)、耐火材料(2)和氧载体(3)。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝勇，孔慧，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11