一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统及方法，该系统包括：热化学循环制氢模块：以水和氧化铈为原料实现热化学循环制氢，生成高温氢气和高温氧气；高温气体余热回收模块：接收热化学循环制氢模块生成的高温氢气和高温氧气进行发电；生物甲烷模块：以工业废气和经过余热回收的低温氢气为输入，以高温气体余热回收模块发电提供电压环境生成甲烷气体。与现有技术相比，本发明专利技术具有运行过程工艺简单、节能降耗、投资成本与运行成本较低、对环境友好，制得高品质、适合广泛应用的甲烷气体等优点。体等优点。体等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统及方法


[0001]本专利技术涉及新能源利用
，尤其是涉及一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统及方法。

技术介绍

[0002]为应对气候变化，2020年9月，中国在第75届联合国大会提出了2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。作为全球最大的发展中国家和碳排放国，处在工业化和城镇化快速发展的阶段，经济增长快，用能需求大，以煤为主的能源体系和高碳的产业结构，使我国碳排放总量和强度呈现
‘
双高
’
，要用不到10年时间实现碳达峰，再用30年左右时间实现碳中和，任务非常艰巨。化石能源大量开发和使用是碳排放问题的根源，加快推进清洁替代和电能替代，彻底摆脱化石能源依赖是实现我国碳达峰、碳中和的根本途径，因此，亟需建立清洁能源的利用、发展系统及方法。
[0003]在可持续清洁氢能源制备技术研究中，利用太阳能分解H2O制氢的方法主要有电解、光解、热解三种主要方法，目前技术上可以利用的是电解和热解，光伏电解水制氢技术虽然应用上比较广泛，但成本偏高，与其相比，太阳能热化学循环制氢的成本降低主要驱动力是反应器的成本日益下降，在政策的驱动下其成本下降速度更快，所以人们对太阳能热化学循环制氢的关注度越来越高。
[0004]热化学循环分解水制氢体系包括金属氧化物体系热化学循环、含硫体系、硫酸分解法和金属
‑
卤化物体系等，其中，金属氧化物体系的两步热化学循环分解水制氢方法因步骤简单、避免了气体分离问题和较高的过程效率，其中金属氧化物大部分采用ZnO。但存在的问题是：ZnO被还原后，产生的氧气如果没有及时分离，就会再次氧化生成ZnO，另外还原反应中，生成的ZnO会覆盖在Zn表面，影响反应速率，阻碍氢气的生成。主要的不可逆损失是二次辐射损失和淬火损失。
[0005]针对于该体系的缺点，Kanekoetal通过燃烧法制备了二氧化铈(CeO2)－MO
X
萤石结构固溶体复合氧化物。在1573－1773K下，发生还原反应，然后在1173K下进行热化学分解水制氢过程，氧化铈氧载体首先在高温T
H
时发生还原反应，释放出氧气，可以采用惰性气体吹扫或者真空泵等方式获取较低的氧分压，
[0006][0007]然后在温度为T
L
时，被还原的氧化铈与H2O发生氧化反应，在这个过程中释放H2，则有：
[0008][0009]复合氧化物有较好的制氢性能，避免使用淬火装置，而且有较低的分解温度。相比于氧化锌，二氧化铈对太阳辐射有着更好的吸收能力，但太阳能燃料转化效率未能提高的一个主要方面是由于没有进行热回收，氧化温度、还原温度都在1100k
‑
1700k之间，反应后
生成的气体随之携带大量热量，众多工程应用在将高温气体直接经过冷凝器达到降温的目的，会导致大量的能量白白浪费。
[0010]在目前已有的相关专利研究方面，中国专利CN201680033307.9“用于热量再生的处理系统和用于其运行的方法”解决了处理单元应在不同温度上被运行时，且在冷却的情形中获得的热量得以再生，这可实现降低热量损失且进而提高效率，但该方案未能将生成的气体分离而且未能体现出热化学循环制氢的间隙性加热。
[0011]中国专利CN202011134841.3“一种两步式热化学循环分解水进行制氢和产电的方法及系统”提出了以氧化锌为载体的两步式太阳能热化学循环制氢的方法，获得的氢气回收送入燃料电池中进行发电，以此实现所述氧气和氢气的回收和实现太阳能向电能的转化。该方案使用氧化锌作为载体，氧化锌被还原后，产生的氧气如果没有及时分离，就会再次氧化生成氧化锌，另外还原反应中，生成的氧化锌会覆盖在锌表面，影响反应速率，阻碍氢气的生成。同时存在一些不可逆损失例如二次辐射损失和淬火损失。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统及方法。
[0013]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0014]一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统，该系统包括：
[0015]热化学循环制氢模块：以水和氧化铈为原料实现热化学循环制氢，生成高温氢气和高温氧气；
[0016]高温气体余热回收模块：接收热化学循环制氢模块生成的高温氢气和高温氧气进行发电；
[0017]生物甲烷模块：以工业废气和经过余热回收的低温氢气为输入，以高温气体余热回收模块发电提供电压环境生成甲烷气体。
[0018]所述的热化学循环制氢模块包括：
[0019]还原反应器：用以进行氧化铈的高温还原反应过程，生成低价氧化铈和高温氧气；
[0020]氧化反应器：用以进行低价氧化铈的低温还原反应过程，生成氧化铈和高温氢气；
[0021]太阳光聚热器：用以吸收太阳能为还原反应器提供高温环境；
[0022]水箱：用以为氧化反应器提供水源；
[0023]热量循环回路：包括与还原反应器连接的第一储热瓶、与氧化反应器连接的第二储热瓶、连接管路、阀门和循环泵以及循环回路介质。
[0024]所述的循环回路介质为氩气。
[0025]所述的热化学循环制氢模块还包括高温氧气换热器、高温氢气换热器以及与高温氧气换热器通过阀门和循环泵连接的氧气瓶。
[0026]所述的高温气体余热回收模块由相互连接的热机和发电机构成，所述的热机分别接收高温氧气换热器和高温氢气换热器的高温水蒸气介质后推动发电机转子转动完成发电过程，发电机发出的电能一部分并入电网，另一部分为生物甲烷模块提供电压环境。
[0027]所述的生物甲烷模块包括生物甲烷池、二氧化碳捕捉装置和气体提纯塔，所述的二氧化碳捕捉装置用以在工业废气中捕捉得到高浓度的二氧化碳并输入生物甲烷池，所述
的高温氢气换热器生成的低温氢气通过阀门和循环泵输入生物甲烷池，所述的生物甲烷池的中活性污泥在发电机电能提供的生长环境下反应生成掺杂少量氢气和二氧化碳的甲烷气体后，通过气体提纯塔提纯后通入燃气管道供应用户使用。
[0028]一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化方法，包括以下步骤：
[0029]1)氧化铈氧载体在高温T
H
时在还原反应器中发生还原反应，并释放氧气，生成低价氧化铈CeO2‑
δ
‑
α
后进入氧化反应器中，在低温T
L
下与H2O发生氧化反应并释放氢气，生成的氧化铈CeO2‑
δ
返回到还原反应器中循环反应；
[0030]在氧化还原循环反应过程中，太阳光经过太阳能聚热器使热量集中对还原反应器提供高温环境，水箱经过循环泵为氧化反应器提供水；
[0031]2)在还原反应结束后未被利用的热量按第一循环方向进入氧化反应器为其氧化反应过程提供低温环境；
[0032]3)在氧化反应结束后未被利用的热量按第二循环方向进入还原反应器中结合太阳能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统，其特征在于，该系统包括：热化学循环制氢模块：以水和氧化铈为原料实现热化学循环制氢，生成高温氢气和高温氧气；高温气体余热回收模块：接收热化学循环制氢模块生成的高温氢气和高温氧气进行发电；生物甲烷模块：以工业废气和经过余热回收的低温氢气为输入，以高温气体余热回收模块发电提供电压环境生成甲烷气体。2.根据权利要求1所述的一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统，其特征在于，所述的热化学循环制氢模块包括：还原反应器(1)：用以进行氧化铈的高温还原反应过程，生成低价氧化铈和高温氧气；氧化反应器(2)：用以进行低价氧化铈的低温还原反应过程，生成氧化铈和高温氢气；太阳光聚热器(3)：用以吸收太阳能为还原反应器(1)提供高温环境；水箱(6)：用以为氧化反应器(2)提供水源；热量循环回路：包括与还原反应器(1)连接的第一储热瓶(4)、与氧化反应器(2)连接的第二储热瓶(5)、连接管路、阀门和循环泵以及循环回路介质。3.根据权利要求2所述的一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统，其特征在于，所述的循环回路介质为氩气。4.根据权利要求2所述的一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统，其特征在于，所述的热化学循环制氢模块还包括高温氧气换热器(10)、高温氢气换热器(15)以及与高温氧气换热器(10)通过阀门和循环泵连接的氧气瓶(12)。5.根据权利要求4所述的一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统，其特征在于，所述的高温气体余热回收模块由相互连接的热机(13)和发电机(14)构成，所述的热机(13)分别接收高温氧气换热器(10)和高温氢气换热器(15)的高温水蒸气介质后推动发电机(14)转子转动完成发电过程，发电机(14)发出的电能一部分并入电网，另一部分为生物甲烷模块提供电压环境。6.根据权利要求5所述的一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统，其特征在于，所述的生物甲烷模块包括生物甲烷池(17)、二氧化碳捕捉装置(18)和气体提纯塔(19)，所述的二氧化碳捕捉装置(18)用以在工业废气中捕捉得到高浓度的二氧化碳并输入生物甲烷池(17)，所述的高温氢气换热器(15)生成的低温氢气通过阀门和循环泵输入生物甲烷池(17)，所述的生物甲烷池(17)的中活性污泥在发电机(14)电能提供的生长环境下反应生成掺杂少量氢气和二氧化碳的甲烷气体后，通过气体提纯塔(19)提纯后通入燃气管道供应用户使用。7.应用如权利要求1
‑
6任一项所述的太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统的甲烷化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)氧化铈氧载...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜晓晓，李琦芬，杨涌文，赵祥珑，丁冠文，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：