太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置

技术领域

本发明涉及裂解CO

背景技术

目前，我国的能源消耗以化石燃料为主，其消耗量占总能源消耗的85％左右，而可再生能源消耗量仅为3％左右，极大地限制了能源结构的改革和社会经济的可持续发展。面对日趋严峻的能源资源形势和全球性环境问题，如何开发高效清洁能源技术以实现自然环境与人类社会的协调持续发展，已成为国际社会能源资源合理调度和开展碳减排工作的首要目标。其中，太阳能热化学技术以聚焦太阳能为热源，驱动高温吸热反应并以化学能的形式对太阳辐射进行高密度的能量转换和存储，被认为是未来清洁能源技术。该技术有效结合太阳能高效利用与碳基能源回收两大优势，为同时解决温室效应和能源短缺问题提供了新的研究思路。

太阳能热化学技术的最终目的是制取氢气或合成气产品。合成气的主要成分是H

发明内容

本发明的目的是为了解决现有高温热化学方法裂解二氧化碳制燃料的相关过程所需反应温度高、转化效率低的问题，提出了太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置。

太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置，所述装置包括碟式太阳能聚光器、石英玻璃、气路管件、石墨片、一号泡沫陶瓷、二号陶瓷和反应器；

一号泡沫陶瓷为具有多孔泡沫结构的陶瓷体，一号泡沫陶瓷的表面涂覆一号催化材料；

二号泡沫陶瓷为具有多孔泡沫结构的陶瓷体，二号泡沫陶瓷的表面涂覆二号催化材料；

反应器内部由石墨片分割成高温反应区和低温反应区，且高温反应区位于反应器开口侧，低温反应区位于反应器底侧；一号泡沫陶瓷设置在高温反应区内；二号泡沫陶瓷设置在低温反应区内；

反应器的一端开口，石英玻璃盖合在反应器的开口处，碟式太阳能聚光器位于石英玻璃外部，且碟式太阳能聚光器朝向石英玻璃放置，碟式太阳能聚光器，用于汇聚太阳光，将汇聚后的太阳光辐照到反应器内的高温反应区，进入到高温反应区内的太阳光一部分照射到一号泡沫陶瓷的表面，另一部分穿过一号泡沫陶瓷的孔隙，照射到石墨片上，石墨片吸收太阳光的热量将该热量传导给二号泡沫陶瓷；

低温反应区的一侧开设1:1的CH

优选地，石墨片为弧形；

所述弧形的凹面与高温反应区相对，所述弧形的凸面与低温反应区相对。

优选地，所述装置还包括气动阀门；

气动阀门设置在气路管件上；气动阀门用于控制合成气产物出口的开启或关闭。

优选地，所述装置还包括气体流量控制器；

气体流量控制器设置在气路管件上；气体流量控制器，用于控制向CO

优选地，所述装置还包括不锈钢外壳和氧化铝隔热层；

反应器的外壁为两层结构，两层结构由内至外依次为氧化铝隔热层和不锈钢外壳。

本发明的有益效果是：

结合甲烷湿重整反应与两步氧化还原循环反应的技术优势，本申请设计了直接/间接混合加热装置结构，本申请的技术核心是：(1)太阳能的梯级利用：通过一种高通量聚光太阳能直接照射高温反应区，在直接加热腔内(高温反应区，约1200℃)进行两步氧化还原循环反应，同时在间接加热腔内(低温反应区，约800℃)进行甲烷湿重整反应；(2)化学反应的梯级利用：将低温反应区产物(理论上为H

因此，本申请相比现有技术所需反应温度低、连续性好、能量效率高、转化效率高、气体产物因为合理的装置结构能够直接分离。

基于以上技术路线，可利用少量的CH

本申请首次提出一种太阳能驱动热化学梯级反应裂解CO

附图说明

图1为太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例一：

结合图1说明本实施例，太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置，所述装置包括碟式太阳能聚光器1、石英玻璃4、气路管件6、石墨片9、一号泡沫陶瓷、二号陶瓷和反应器；

一号泡沫陶瓷为具有多孔泡沫结构的陶瓷体，一号泡沫陶瓷的表面涂覆一号催化材料；

二号泡沫陶瓷为具有多孔泡沫结构的陶瓷体，二号泡沫陶瓷的表面涂覆二号催化材料；

反应器内部由石墨片9分割成高温反应区5和低温反应区12，且高温反应区5位于反应器开口侧，低温反应区12位于反应器底侧；一号泡沫陶瓷设置在高温反应区5内；二号泡沫陶瓷设置在低温反应区12内；

反应器的一端开口，石英玻璃4盖合在反应器的开口处，碟式太阳能聚光器1位于石英玻璃4外部，且碟式太阳能聚光器1朝向石英玻璃4放置，碟式太阳能聚光器1，用于汇聚太阳光，将汇聚后的太阳光辐照到反应器内的高温反应区5，进入到高温反应区5内的太阳光一部分照射到一号泡沫陶瓷的表面，另一部分穿过一号泡沫陶瓷的孔隙，照射到石墨片9上，石墨片9吸收太阳光的热量将该热量传导给二号泡沫陶瓷；

低温反应区12的一侧开设1:1的CH

本实施方式中，一号泡沫陶瓷的孔隙比二号泡沫陶瓷的孔隙大，一号泡沫陶瓷的孔隙大是为了能够使太阳光穿过孔隙将太阳光传递给石墨片，为石墨片加热。

工作原理：

本装置以太阳能为驱动源，太阳能光线经过碟式太阳能聚光器1后形成高通量辐照，透过耐高温石英玻璃4后输送至反应器内，由一号泡沫陶瓷吸收后形成高温环境，并在一号泡沫陶瓷表面催化剂的作用下激发强吸热的化学反应，使得催化剂生成MO

反应原理：整个反应的起始端为CH

甲烷湿重整总反应：

CH

两步氧化还原循环反应(M表示金属元素，δ为CO

还原步骤：MO

氧化步骤：MO

总反应：CO

该反应装置的技术核心有两点：一是通过直接加热和间接加热相结合的设计结构，实现太阳能的梯级利用，保证高温区两步氧化还原循环和低温区甲烷湿重整反应的同时进行；二是利用甲烷湿重整产物中的H

此外，本申请针对高温、低温反应区的传热和化学反应特性，分别填充了表面涂覆催化剂的一号泡沫陶瓷(有利于直接加热过程中的热辐射传输)和二号泡沫陶瓷(有利于间接加热过程中的热传导和热对流)，能够在增大反应面积的同时强化反应区内的传热传质和气固界面交换，进而提升反应效率。同时，弧形石墨片的形状设计能够很好地缓解高通量聚光太阳辐照在泡沫陶瓷中心位置的热集中现象，在提升热机械强度的同时使两侧反应区的温度分布更加均匀，促进化学转化效率。

与传统高温热化学还原CO

本申请中高温反应区5内部的一号泡沫陶瓷上的孔隙比低温反应区11内部的二号泡沫陶瓷上的孔隙大。石英玻璃4的材质为耐高材质。

优选的实施方式，石墨片9为弧形；

所述弧形的凹面与高温反应区5相对，所述弧形的凸面与低温反应区12相对。

优选的实施方式，所述装置还包括气动阀门8；

气动阀门8设置在气路管件6上；气动阀门8用于控制合成气产物出口II的开启或关闭。

优选的实施方式，所述装置还包括气体流量控制器7；

气体流量控制器7设置在气路管件6上；气体流量控制器7，用于控制通入CO

优选的实施方式，所述装置还包括不锈钢外壳10和氧化铝隔热层11；

反应器的外壁为两层结构，两层结构由内至外依次为氧化铝隔热层11和不锈钢外壳10。

本实施方式中，氧化铝隔热层11为保温材料。

优选的实施方式，所述装置还包括固定件；

通过固定件将石英玻璃4固定在不锈钢外壳9上。

优选的实施方式，固定件包括紧固螺栓2和法兰盘3；

法兰盘3设置在石英玻璃4上表面边缘处，紧固螺栓2穿过法兰盘3固定在不锈钢外壳10上，将石英玻璃4夹紧在法兰盘3和不锈钢外壳9之间。

本实施方式中，紧固螺栓2和法兰盘3的主要功能为固定耐高温石英玻璃4。

还可以在法兰盘3中设置水冷管道，用于冷却石英玻璃4。

优选的实施方式，一号泡沫陶瓷和二号泡沫陶瓷均为碳化硅泡沫陶瓷；

一号催化材料为铁基催化剂，二号催化材料为镍基催化剂。

本实施方式中，碳化硅泡沫陶瓷是用碳化硅粉末烧制后呈现的多孔泡沫结构的陶瓷体。泡沫陶瓷及碳化硅泡沫陶瓷的结构均为现有结构。

优选的实施方式，低温反应区11内是基于镍基催化剂发生的甲烷湿重整反应；高温反应区5内是基于铁基催化剂发生的两步氧化还原循环反应。

优选的实施方式，甲烷湿重整反应：

CH

还原反应：

MO

氧化反应：

MO

式中，δ为CO

总反应：

CO

本实施方式中，MO

该反应装置的技术核心有两点：一是通过直接加热和间接加热相结合的设计结构，实现太阳能的梯级利用，保证高温区两步氧化还原循环和低温区甲烷湿重整反应的同时进行；二是利用甲烷湿重整产物中的H

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。