太阳能熔融盐化学循环制取氢气及合成气的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用甲烷在熔融盐体系中制取氢气及合成气的新方法，特别是利用太阳能加热熔融碱金属碳酸盐，属天然气、太阳能、氢能开发利用技术领域。本发明专利技术利用太阳能聚光装置或者其它加热方式为热源，将碱金属碳酸盐加热熔融，以甲烷为原料，金属氧化物粉末为氧化甲烷的氧源，在熔融盐反应器中，熔融盐作为反应介质，甲烷作为还原剂，将金属氧化物还原为金属单质并同时获得合成气，还原后金属单质再送进水分解反应器里面，与水发生反应，获得氢气及该金属的氧化物，再将该金属氧化物回送到熔融盐反应器中，让该金属氧化物再次与甲烷反应，还原为金属单质及合成气，金属单质再与水发生水解反应，又获得金属单质，如此循环反复，形成整套化学循环制取氢气及合成气的新方法。

【技术实现步骤摘要】
太阳會鹏,化学循环制ma，合成气的， S^领域本专利技术涉及一种利用熔融盐制取氢气及合成气的新方法，特别是禾,太阳能熔融碱金属碳ma，再利用，属太阳能能源开发利用

技术介绍
人类能源体系的结构在不断地变化，经历了一个以煤、植物等固体燃料为主，到以石油、烃类等液体燃料为主的转变，目前正向以天然气、氢气等气体燃料为主的方向进行转变。 氢是一种理想的二次能源，具有能量密度高、可储存、可运输、无污染靴点，随着以燃料电池 为代表的各种氢能利用技术的迅猛发展，未来人，氢的需求量将大幅度上升，这种变化表明，从21世纪中期开始，人类社会将逐渐步入氢能时代。甲烷(CH4)是天然气、,气和甲像iC合物(可燃冰)的主要成分，随着石油资源的日益枯竭，储 量丰富的甲烷资源将成为最具希望的替代能源之一。据美国科学家估计，世界上以甲^7K合物形 式存在的碳总量约是现已知地球上所有化石燃料的2倍，约10161113，在不久的将来它必将成为世 界经济中能源和化工原料的主要支柱。如何高效、环^i也将甲^fflil化学途径转化为易于运输的 液体燃料和高附加值的虹产品，是目前研究热点之一。氢气的制备方齒艮多，如电解、光解水制氢，或利用产氢微生物进行发酵鹏合作用制氢等， 但这些方法目前成本都还很高，规模化很困难，目前，世界上约95%的氢还是通过含碳化石燃料 转化制备。合成气是甲烷转化的重mx中间产品。工^i:从天然气制合成气的主要途径;aa 甲^tK蒸气SM,这一过程是一个强吸热过程，为使甲烷转化率,95%，必须采用高温高压，所 以投资大、效率低、能耗高，_^刑寻合成气中￥(112)/￥((:0)=3，不适于合成甲醇观ischer-Tropsch(F-T) 合成等重要工舰程。与传统的水蒸气魏反应相比，甲烷部分氧化制合成气的反应器^IR小、 效率高、會謝氏，可显著地降低设紐资和生产成本。但该过^^则顿纯氧和催化剂，如贵金 属铂(Pt)、钯(Pb傳，其效果舰，繊结能力强，但价格较昂贵；,i)基催化剂由于价廉易得较 为普舰用，但由于积碳的影响，催化齐舰易失活，而且该反应是一个放热反应(在900K时产生 lmolCO约放热24kJ)，若用固定床反应会产生热点问题，热点的产生会严重影响反应体系的稳定性 及安全性，诸多研究都致力于解决这一问题。目前部分氧化甲烷制合成气技术仍处于研究阶段。太阳能虽然是最好的再生能源，但禾,太阳能有很大的难度，主要是它照在地球上的能量密 度太小，过于分散，而且易受气候、昼夜、季节的影响，具有间断性禾环稳定性，发展道路现已 成为各国学者研究的焦点。现阶段，利用太阳能制氢主要有光解7jC制氢和氧化物还原制氢两种方 式。由于水是一种稳定的化合物，其分解是非自发的，因此利用光能分解7jC必须要有催化剂的参 与，现研究的主要是用氧化钛(Ti02)、氧化锆(加2)、钛酸鲰SrTi03傳为催化剂，但激发光源主要 为紫外光，因为在太阳光中只有仅占太阳辐射约4%的紫外 催化光解才有作用，所以利用太阳 行光解效,低。所以这些方法 在较多缺陷，总结起来主要是转化效率不高，^较大，难以feiijlik大规模制氢的要求。熔融M^属碳,具有化学稳定及热稳定性能、无毒、不易燃、操作压力低、安全以及具有 繊的储热和热传输能力、粘度较低、流动性舰、可舰管道循环起至帷热传质的作用靴点， 在能源转化技术中已有广泛研究和应用。目前，利用熔融盐进行太阳能的储备正引起科学界的关 注，而利用熔融盐双罐储备太阳能是大规模储备、利用太阳能的有效途径。将金属氧化物还原，再将金属与水反应产生氢气，金属可以3I31燃烧产生热量，m过燃料电池和化学电源产生电能，或Mii7jc倾反应产缝气，因而是一种很有潜力的储存和运输能量的方式。然而，经历上皿径产生能量后，金属都会变成氧化物的形式，需要被重 原才能循环顿。若fflil高温，则需要较高m，如^lf氧化l (ZnO)需200(rC以上，并且分解产物金属 锌(Zn)(g)与氧气(02)的分离很困难，而传统的还原方式如碳热还原或电化学还原，耗能较高，污染 严重。而利用太阳會级原则既能降低能源消耗，又能减少X寸环境的污染。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克lgJ:^现有技术的不足，专利技术一种采用氧化锌(ZnO)作为氧 化甲烷(CH4)的氧源，利用太阳能作热源，在熔融盐反应介质中用甲烷(CH4)作还原剂还原金属氧化 物，同时制备金属单质和合成气，还原得至啲金属与水反应获得氢气(H2)和金属氧化物，金属氧化 物再返回利用甲烷再还原，从而循环利用的新工艺。本专利技术目的在于专利技术一种利用金属氧化物中的晶格氧代^^氧，以太阳能为热源，熔融盐 为介质，舰两步反应的回路模式，循环制取氢及合成气，即太阳能熔融盐化学循环制氢，它充 分利用太阳能清洁能源，减少了化石燃料的消耗和污染物的排放，大大增加了制氢效率和斷氐了生产成本。本专利技术技术方案利用太阳能聚光装置或者 其它加热方式为热源，)l繊金属碳自加热熔融，以甲垸CH4为原料，金属氧化物粉末为氧化甲 垸CH4的氧源，在熔融盐反应器(1)中，熔融盐作为反应介质，甲垸CH4作为还原剂，将金属氧 化物还原为金属单质并同时获得合成气，还原后金属单质再微水分解反应器(2)里面，与水发 生反应，获得氢气H2及该金属的氧化物，再将该金属氧化物回送到熔融盐反应器(1)中，让该 金属氧化物再次与甲烷反应，还原为金属单质及合成气，金属单质再与水发生7jC解反应，又获得 金属单质，如此循环反复，形成整套化学循环制取氢气及合成气的工艺。所述熔融盐反应器(1)底部有甲，气口，熔融盐反应器(1)顶部有合成气出气口，金属 氧化物粉末皿融盐反应器(1)顶部喷入，甲^^部SA与金属氧化t^熔融盐介质中发生反 应，获得的合成气Mil熔融盐反应器(1)顶部 输出，获得金属单质在熔融盐吸收作用下，沉 向熔融盐反应器(1)底部，将熔融盐与金属单质分离。所述的碱金属盐是艦属碳酸盐，或者是几种碱金属碳鹏的混合物。所述的碱金属碳酸盐是碳酸钠与碳酸钾混合物体系，熔融M用碳酸钠Na2C03和碳酸钾 K2C03混合而成，其质量比为Na2C03 : K2C03 =10 99.9 : 90 0.1 。所述的金属氧化物为氧化锌。金属氧化物粉**立度为100目一300目。在熔融盐反应器中，金属氧化物与熔融SM量的比为1: 1 10。氧化锌以熔融碳酸钠与碳酸钾组成的混合物体系，按质量比为1: 7.5 8.5，在熔融盐反应 器(1)中进行撤虫反应。金属单质~#在水，反应器(2)中与水发生分解反应，获得氢气H2和氧化锌ZnO，两者的摩尔比是锌水=1: 10 50。禾,太阳能聚^^置，将熔融盐加热到反应所需的1073K 1373K鹏，再送到熔融盐反应 器(1)内。工作原理该专利技术系统主要由一个熔融盐反应器(1)和一个7K她反应器(2)构成，其工艺流程见附图l。在熔融盐反应器(1)中，利用太阳能聚皿置将熔融盐加热到一定温度，所用的熔融盐体系可采用碳,(Na2C03)、碳酸钾(K2C03)混合物组成，其质量ttNa2C03 : K2C03 =(10% 100%):拜 9TO);也可以直接是碳酸钠，其具術中类或比例根据实际需要确定。氧化物 粉末从熔融盐反应器(1)顶部喷入，氧化锌质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能熔融盐化学循环制取氢气及合成气的方法，其特征在于利用太阳能聚光装置或者其它加热方式为热源，将碱金属碳酸盐加热熔融，以甲烷ＣＨ↓［４］为原料，金属氧化物粉末为氧化甲烷ＣＨ↓［４］的氧源，在熔融盐反应器（１）中，熔融盐作为反应介质，甲烷ＣＨ↓［４］作为还原剂，将金属氧化物还原为金属单质并同时获得合成气，还原后金属单质再送进水分解反应器（２）里面，与水发生反应，获得氢气Ｈ↓［２］及该金属的氧化物，再将该金属氧化物回送到熔融盐反应器（１）中，让该金属氧化物再次与甲烷反应，还原为金属单质及合成气，金属单质再与水发生水解反应，又获得金属单质，如此循环反复，形成整套化学循环制取氢气及合成气的工艺。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王华，敖先权，胡建杭，魏永刚，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：53[中国|云南]