锰氧化物与碳酸钠的太阳能热化学循环制氢系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种锰氧化物与碳酸钠的太阳能热化学循环制氢系统及方法，其中，该装置包括：太阳能热解反应器，用于加热到第一温度，使三氧化二锰发生释氧反应，产生四氧化三锰和氧气；太阳能燃料反应器，用于加热到第二温度，将产生的四氧化三锰与碳酸钠发生反应，产生亚锰酸钠、二氧化碳和一氧化碳；循环物质再生反应器，用于加热到第三温度，将产生的亚锰酸钠与二氧化碳发生反应，产生三氧化二锰和碳酸钠，实现物质循环；水汽变换反应器，用于加热到第四温度，将产生的一氧化碳与水蒸气发生反应，产生二氧化碳和氢气；聚光太阳能集热装置，用于为太阳能热解反应器和太阳能燃料反应器提供反应能量。提供反应能量。提供反应能量。

【技术实现步骤摘要】
锰氧化物与碳酸钠的太阳能热化学循环制氢系统及方法


[0001]本公开涉及太阳能热化学制氢
，尤其涉及一种锰氧化物与碳酸钠的太阳能热化学循环制氢系统及方法。

技术介绍

[0002]通过聚集太阳能为高温热能进行热解水制氢，借助热化学反应将太阳能转化为稳定、高密度的氢燃料化学能可有效解决太阳能间歇、不稳定供能影响，是实现太阳能高效、稳定利用的重要技术。然而热化学分解水制氢由于超高的反应温度(＞3000℃)以及氢、氧产物混合安全性差、不易分离等难题限制了该技术的发展与应用。
[0003]目前，通过两个或两个以上热化学反应的适当配置间接分解水制氢，可有效降低热化学直接分解水超高的制氢温度，并在不同反应阶段生成氢、氧产物。典型的太阳能热化学循环制氢方法包括两步循环法和三步循环法。
[0004]太阳能热化学两步循环法包括：首先在＞1500℃的高温条件下热解高价金属氧化物MO
n
生成低价金属氧化物MO
n
‑
δ
与氧气O2，然后低价金属氧化物降温至700℃～1000℃，与水发生氧化反应产生氢气，并重新获得高价金属氧化物实现物质的循环再生。该方法虽然降低了直接热解水反应温度，但仍然较高的反应温度(＞1500℃)导致了循环工质烧结、循环再生性差以及反应器材料高温运行稳定性差等问题。另一方面，将太阳能聚集到1500℃需要较大面积的聚光镜面积或较高聚光比装置，技术经济性差、热损失高、能量转化效率低。
[0005]太阳能热化学硫
‑
碘三步循环法包括：首先，硫酸在聚光太阳能的作用下被加热至1000℃～1100℃，分解生成二氧化硫(SO2)、水(H2O)以及氧气(O2)；然后，二氧化硫(SO2)在20℃～120℃条件下与水(H2O)和碘(I2)发生Bunsen反应生成氢碘酸(HI)与硫酸(H2SO4)；再生的硫酸(H2SO4)循环回硫酸分解反应，产生的氢碘酸(HI)在300～500℃分解制氢。该方法虽然将太阳能热化学两步循环的制氢温度进一步降低，但仍然存在相应问题：(1)该循环采用硫酸(H2SO4)与氢碘酸(HI)作为循环物质，高温条件下具有极强的腐蚀性，对反应器材料的耐腐蚀性提出了苛刻的要求，且安全性差，系统运行稳定性差、寿命低；(2)Bunsen反应生成的同相液态产物氢碘酸(HI)与硫酸(H2SO4)混合不易分离，难以获得高纯氢碘酸(HI)用于后续的分解产氢(H2)。
[0006]上述问题的存在，限制了太阳能热化学循环分解水制氢技术的进一步发展与应用，需要完善与改进。

技术实现思路

[0007]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种锰氧化物与碳酸钠的太阳能热化学循环制氢系统及方法，以解决上述现有技术不足的问题。
[0008]本公开一方面提供了一种锰氧化物与碳酸钠的太阳能热化学循环制氢系统，包括：太阳能热解反应器，用于加热到第一温度，使三氧化二锰发生释氧反应，产生四氧化三锰和氧气；太阳能燃料反应器，上游连接所述太阳能热解反应器，用于在第二温度，将所述
太阳能热解反应器产生的四氧化三锰与碳酸钠发生反应，产生亚锰酸钠、二氧化碳和一氧化碳；循环物质再生反应器，上游连接所述太阳能燃料反应器，用于在第三温度，将所述太阳能燃料反应器产生的亚锰酸钠与二氧化碳发生反应，产生三氧化二锰和碳酸钠，实现物质循环；水汽变换反应器，上游连接所述循环物质再生反应器，用于在第四温度，将循环物质再生反应器出口的一氧化碳与水蒸气发生反应，产生二氧化碳和氢气；聚光太阳能集热装置，连接所述太阳能热解反应器和所述太阳能燃料反应器，用于为所述太阳能热解反应器和所述太阳能燃料反应器提供反应能量。
[0009]根据本公开的实施例，该系统还包括：第一冷却器，上游连接所述太阳能热解反应器，用于冷却所述太阳能热解反应器产生的氧气。
[0010]根据本公开的实施例，该系统还包括：第二冷却器，上游连接所述循环物质再生反应器，用于冷却所述循环物质再生反应器产生的三氧化二锰和碳酸钠的混合物；分离干燥单元，上游连接所述第二冷却器，下游连接所述太阳能热解反应器和所述太阳能燃料反应器，用于分离和干燥所述三氧化二锰和所述碳酸钠，将所述三氧化二锰输回所述太阳能热解反应器，将所述所述碳酸钠输回所述太阳能燃料反应器。
[0011]根据本公开的实施例，该系统还包括：第三冷却器，上游连接所述水汽变换反应器，用于冷却所述水汽变换反应器产生的二氧化碳和氢气；变压吸附单元，上游连接所述第三冷却器，用于分离所述二氧化碳和氢气。
[0012]根据本公开的实施例，该系统还包括：混合器，上游连接所述太阳能燃料反应器和所述变压吸附单元，下游连接所述循环物质再生反应器，用于将所述太阳能燃料反应器产生的二氧化碳和一氧化碳与所述变压吸附单元分离的二氧化碳混合，并输出给循环物质再生反应器。
[0013]根据本公开的实施例，该系统还包括：蒸汽发生器，下游连接所述水汽变换反应器，用于将常温液态水加热后产生水蒸气，并将所述水蒸气输出给所述水汽变换反应器。
[0014]根据本公开的实施例，该系统所述聚光太阳能集热装置包括：第一太阳能集热模块，连接所述太阳能热解反应器，用于给所述太阳能热解反应器供能；第二太阳能集热模块，连接所述太阳能燃料反应器，用于给所述太阳能燃料反应器供能。
[0015]本公开另一方面提供了一种锰氧化物与碳酸钠的太阳能热化学循环制氢方法，应用于如上一方面任意一项所述的系统，包括：在第一温度下，使三氧化二锰发生释氧反应，产生四氧化三锰和氧气；在第二温度下，将所述四氧化三锰与碳酸钠发生反应，产生亚锰酸钠、二氧化碳和一氧化碳；在第三温度下，将所述亚锰酸钠与二氧化碳发生反应，产生三氧化二锰和碳酸钠，实现物质循环；在第四温度下，将预热后的一氧化碳与水蒸气发生反应，产生二氧化碳和氢气；上述温度条件均由太阳能提供。
[0016]根据本公开的实施例，所述第一温度为800～900℃，所述第二温度为600～700℃，所述第三温度为300～400℃，所述第四温度为100～200℃。
[0017]根据本公开的实施例，所述三氧化二锰、所述碳酸钠和所述水蒸气的比例为3∶3∶1。
[0018]在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
[0019]本专利技术提供一种锰氧化物与碳酸钠的太阳能热化学循环制氢系统及方法，将太阳能热化学两步循环的分解H2O制H2温度降低至1000℃以下，温度的降低能够有效延长循环物
质的寿命，提升反应器材料的高温运行稳定性。并且较低的反应温度还可以减小聚光镜场面积或聚光比，有效节约成本、减小热损失，提升技术经济性及能效。
[0020]本专利技术提供的系统和方法利用中性的Mn2O3以及弱碱性的Na2CO3进行循环分解H2O制H2，能够有效避免传统太阳能热化学硫
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碘循环高温酸腐蚀所造成的安全性差、寿命低问题。另一方面，本专利技术提供的系统和方法产生的中间产物多为异相，仅有的同相产物也均可利用较为简单、成熟的分离技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锰氧化物与碳酸钠的太阳能热化学循环制氢系统，其特征在于，包括：太阳能热解反应器(102)，用于加热到第一温度，使三氧化二锰发生释氧反应，产生四氧化三锰和氧气；太阳能燃料反应器(105)，上游连接所述太阳能热解反应器(102)，用于在第二温度条件下，将所述太阳能热解反应器(102)产生的四氧化三锰与碳酸钠发生反应，产生亚锰酸钠、二氧化碳和一氧化碳；循环物质再生反应器(106)，上游连接所述太阳能燃料反应器(105)，用于在第三温度条件下将所述亚锰酸钠与二氧化碳发生反应，产生三氧化二锰和碳酸钠，实现物质循环；水汽变换反应器(111)，上游连接所述循环物质再生反应器(106)，用于在第四温度条件下将所述循环物质再生反应器(106)出口的一氧化碳与水蒸气发生反应，产生二氧化碳和氢气；聚光太阳能集热装置，连接所述太阳能热解反应器(102)和所述太阳能燃料反应器(105)，用于为所述太阳能热解反应器(102)和所述太阳能燃料反应器(105)提供反应能量。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：第一冷却器(103)，上游连接所述太阳能热解反应器(102)，用于冷却所述太阳能热解反应器(102)产生的氧气。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：第二冷却器(107)，上游连接所述循环物质再生反应器(106)，用于冷却所述循环物质再生反应器(106)产生的三氧化二锰和碳酸钠的混合物；分离干燥单元(108)，上游连接所述第二冷却器(107)，下游连接所述太阳能热解反应器(102)和所述太阳能燃料反应器(105)，用于分离和干燥所述三氧化二锰和所述碳酸钠，将所述三氧化二锰输回所述太阳能热解反应器(102)，将所述碳酸钠输回所述太阳能燃料反应器(105)。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：第三冷却器(112)，上游连接所述水汽变换反应器(111)，用于冷却所述水汽变换反应器(111)产生的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘启斌，焦钒，金红光，龙怡彪，刘泰秀，
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：