一种太阳能甲烷化学链重整反应器及其使用方法技术

一种太阳能甲烷化学链重整反应器及其使用方法，包括能够转动的反应器以及与反应器相连的气源，反应器的中心位置固定有载氧体，反应器的中心部位外侧设有环形夹套，环形夹套内装有熔融盐；环形夹套的外部设置有长方体型腔体，腔体面向太阳光侧设置有石英玻璃窗。通过部分熔融盐的蓄热特性，减少由于外界太阳光波动造成的反应区温度变化。本发明专利技术既可以提高太阳能利用率，又可以均匀化太阳能热流密度，使反应更加稳定可控，同时也可以减少由于局部温度过高造成的载氧体失活，降低成本。

A solar energy methane chemical chain reforming reactor and its application

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能甲烷化学链重整反应器及其使用方法
本专利技术属于太阳能高效热化学储能和太阳能燃料制备与利用领域，具体涉及一种太阳能甲烷化学链重整反应器及其使用方法。
技术介绍
煤、石油和天然气的大量使用造成了化石能源枯竭和环境污染的问题，我国明确提出了要减少化学能源的使用，提高可再生能源使用比例的指导意见。太阳能是最丰富的可再生能源，具有解决全球能源需求问题的潜力，但是其间歇性和不稳定性极大的限制了其使用范围。如何实现太阳能高效、大规模的储存是太阳能高效利用的关键。太阳能热化学储能过程可以通过可逆反应有效的储存和释放太阳能，其反应式为：在吸热阶段，反应物A接收太阳能并转化为产物B和C，通过这一过程可以将太阳能储存在B和C中。当B和C作为反应物反应时，可以将能量释放出来以供使用。太阳能热化学储能有几个明显有点：(1)储能密度高；(2)正逆反应可以在高温下进行，得到高品质的能量；(3)热化学储能可以在环境温下长期无热损；(4)可通过催化剂或产物分离方式在常温下长期储存分解物，便于远距离运输。甲烷重整反应是甲烷与二氧化碳或者水蒸气反应生成合成气的过程(与二氧化碳反应为干重整、与水蒸气反应为湿重整、合成气是一氧化碳和氢气的混合物)。反应方程式如下：甲烷干重整：CH4+CO2→2H2+2CO甲烷湿重整：CH4+H2O→3H2+CO甲烷化学链重整是指将传统的甲烷重整过程分成两步反应，第一步是甲烷与载氧体中的晶格氧反应，使甲烷被部分氧化生产合成气。第二步是失去晶格氧的载氧体与氧化物(二氧化碳或水蒸气)反应而复原重生的过程。通过这一链式反应过程可以减少甲烷的完全氧化反应，从而提高合成气的选择性。甲烷化学链重整的反应式为：第一步：CH4+[O]L→CO+2H2甲烷干重整第二步：CO2→[O]L+CO甲烷湿重整第二步：H2O→H2+[O]L式中，[O]L为晶格氧。太阳能甲烷化学链重整是当太阳能为唯一外部能源时发生甲烷化学链重整的过程。其中，反应器的设计和载氧体的性能是影响反应的两个重要因素。太阳能甲烷重整的反应器按照其接收太阳光的方式不同可以分成直接加热式反应器和间接加热式反应器。直接加热式反应器是指反应器与接收器结合为一体，既可以接收太阳光、又可以为反应提供场所。间接加热式反应器需要与接收器配合使用，接收器接收太阳光后通过传热工质将能量传递给反应器，并为反应提供能量。为了方便研究，实验室规模的太阳能甲烷化学链重整反应常用石英玻璃管或腔体作为反应器，反应体系中常面临一些问题，如聚光系统不完善导致的太阳能利用率低和反应核心区温度分布不均匀等。目前有两类方法改善这一问题：(1)使太阳能在反应区分布均匀，例如在反应器前放置聚光装置；(2)改变催化剂床层的辐射吸收和传热特性，例如采用网状多孔陶瓷结构对太阳光通量进行吸收。因此，提出一种能够提高反应核心区温度均匀度的反应器对于提高太阳能利用率且保证反应的稳定性具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种太阳能甲烷化学链重整反应器及其使用方法，通过优化结构设计提高太阳能利用效率，同时实现在温度在反应核心区的均匀分布，使反应更加平稳可控，降低载氧体由于局部温度过高而烧结的可能性。由此可以延长载氧体的使用寿命，降低成本。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种太阳能甲烷化学链重整反应器，包括能够转动的反应器以及与反应器相连的气源，反应器的中心位置固定有载氧体，反应器的中心部位外侧设有环形夹套，环形夹套内装有熔融盐；环形夹套的外部设置有长方体型腔体，腔体面向太阳光侧设置有石英玻璃窗。本专利技术进一步的改进在于，用于甲烷干重整反应时，气源包括二氧化碳气源、甲烷气源以及氩气气源；二氧化碳气源为二氧化碳气瓶，二氧化碳气瓶与反应器之间的管路上设置有第一气体体积流量控制器，甲烷气源为甲烷气瓶，甲烷气瓶与反应器之间的管路上设置有第二气体体积流量控制器，氩气气源为氩气气瓶，氩气气瓶与反应器之间的管路上设置有第三气体体积流量控制器；用于甲烷湿重整反应时，气源包括水蒸气源、甲烷气源以及氩气气源；反应器与水蒸气源、甲烷气源以及氩气气源均相连。本专利技术进一步的改进在于，反应器内设置有石英砂，石英砂上设置有石英棉，载氧体放置在石英棉上。本专利技术进一步的改进在于，反应器为套管式反应器，包括内管和套设在内管外侧的外管；内管由透氢膜材料制成，外管为石英玻璃。本专利技术进一步的改进在于，腔体内壁均匀涂有太阳反射涂料；腔体上下表面留有用于反应器通过的通孔。本专利技术进一步的改进在于，载氧体为钙钛矿型载氧体SF-CM；载氧体中插有K型热电偶。本专利技术进一步的改进在于，反应器通过固定装置竖直设置，固定装置包括钢制底座，钢制底座上竖直设置有实心钢管，实心钢管上设置有上夹紧钢板和下夹紧钢板，上夹紧钢板与反应器上部相连，下夹紧钢板与反应器下部相连；反应器和上夹紧钢板之间、反应器和下夹紧钢板之间通过硅脂动态密封。本专利技术进一步的改进在于，反应器和上夹紧钢板和下夹紧钢板配合处设置有用于对硅脂冷却的循环水冷系统；太阳光经聚光镜汇聚后通过腔体面向光一侧的石英玻璃窗进入腔体，熔融盐为碳酸钠和氧化镁的混合物；载氧体设置在经过聚光镜汇聚的太阳光焦点所在的高度。本专利技术进一步的改进在于，反应器连接有动力装置，动力装置包括电动机、主动齿轮和从动齿轮，电动机与主动齿轮相连，主动齿轮与从动齿轮相啮合，从动齿轮与反应器相连。一种基于上述的太阳能甲烷化学链重整反应器的使用方法，进行湿重整反应时，开启甲烷气瓶并通过气体体积流量控制器设置通入反应器的甲烷流量，开始甲烷化学链湿重整的第一步反应，待第一步反应结束后关闭甲烷，通过氩气吹扫管路内的残留甲烷，然后水蒸气进入反应器发生甲烷化学链湿重整的第二步反应，待反应结束后使氢气收集在储罐，混合气体收集在第二储罐；进行干重整反应时，开启甲烷气瓶并通过气体体积流量控制器设置通入反应器的甲烷流量，开始甲烷化学链干重整的第一步反应，待第一步反应结束后关闭甲烷，通过氩气吹扫管路内的残留甲烷，然后二氧化碳进入反应器发生甲烷化学链干重整的第二步反应，待反应结束后使氢气收集在储罐，混合气体收集在第二储罐。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术通过在反应器核心段外侧设置盛有熔融盐的夹套，使得夹套内的熔融盐先吸收太阳光，再将能量传递至反应器内。熔融盐混合物具有蓄热功能，其温度随接收外界能量的多少变化较慢，有利于保证反应器核心段的温度更加平稳；反应器能够做匀速转动，可以使夹套接收太阳光的照射更加均匀；通过以上两点改进可使反应器核心段的载氧体受热更加均匀，减小温度梯度。进一步的，通过设置内壁涂有均匀太阳反射涂料的腔体，使得进入腔体内的光线通过若干次反射后绝大部分被夹套内熔融盐吸收，进而传递给反应器，提高太阳能利用率。进一步的，可以通过调节电动机的功率调节反应器的转速，使得其对于不同光照强度(温度)具有很强的适应性，以保证温度分布均匀性。进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太阳能甲烷化学链重整反应器，其特征在于，包括能够转动的反应器(13)以及与反应器(13)相连的气源，反应器(13)的中心位置固定有载氧体(21)，反应器(13)的中心部位外侧设有环形夹套，环形夹套内装有熔融盐；环形夹套的外部设置有长方体型腔体(6)，腔体(6)面向太阳光侧设置有石英玻璃窗(14)。/n

【技术特征摘要】
1.一种太阳能甲烷化学链重整反应器，其特征在于，包括能够转动的反应器(13)以及与反应器(13)相连的气源，反应器(13)的中心位置固定有载氧体(21)，反应器(13)的中心部位外侧设有环形夹套，环形夹套内装有熔融盐；环形夹套的外部设置有长方体型腔体(6)，腔体(6)面向太阳光侧设置有石英玻璃窗(14)。


2.根据权利要求1所述的一种太阳能甲烷化学链重整反应器，其特征在于，
用于甲烷干重整反应时，气源包括二氧化碳气源、甲烷气源以及氩气气源；
二氧化碳气源为二氧化碳气瓶(1)，二氧化碳气瓶(1)与反应器(13)之间的管路上设置有第一气体体积流量控制器(3)，甲烷气源(2)为甲烷气瓶(2)，甲烷气瓶(2)与反应器(13)之间的管路上设置有第二气体体积流量控制器(4)，氩气气源为氩气气瓶(25)，氩气气瓶(25)与反应器(13)之间的管路上设置有第三气体体积流量控制器(26)；
用于甲烷湿重整反应时，气源包括水蒸气源、甲烷气源以及氩气气源；反应器(13)与水蒸气源、甲烷气源以及氩气气源均相连。


3.根据权利要求1所述的一种太阳能甲烷化学链重整反应器，其特征在于，反应器(13)内设置有石英砂(23)，石英砂(23)上设置有石英棉(22)，载氧体(21)放置在石英棉(22)上。


4.根据权利要求1所述的一种太阳能甲烷化学链重整反应器，其特征在于，反应器(13)为套管式反应器，包括内管和套设在内管外侧的外管；内管由透氢膜材料制成，外管为石英玻璃。


5.根据权利要求1所述的一种太阳能甲烷化学链重整反应器，其特征在于，腔体(6)内壁均匀涂有太阳反射涂料；腔体(6)上下表面留有用于反应器(13)通过的通孔。


6.根据权利要求1所述的一种太阳能甲烷化学链重整反应器，其特征在于，载氧体(21)为钙钛矿型载氧体SF-CM；载氧体(21)中插有K型热电偶(24)。


7.根据权利要求1所述的一种太阳能甲烷化学链重整反应器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏进家，刘彦铄，王新赫，张军社，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61