太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置制造方法及图纸

太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置，属于太阳能热化学技术领域。现有裂解二氧化碳过程存在所需反应温度高、转化效率低的问题。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；低温反应区和高温反应区同侧的一端分别开设1:1的甲烷和水原料气入口和CO产物出口；在低温反应区和高温反应区同侧的另一端分别开设合成气产物出口和二氧化碳原料气入口；二氧化碳原料气入口和合成气产物出口与气路管件连通。用于裂解二氧化碳。解二氧化碳。解二氧化碳。

【技术实现步骤摘要】
太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置


[0001]本专利技术涉及裂解CO2的燃料制取装置，属于太阳能热化学


技术介绍

[0002]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。
[0003]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H2和CO，可直接作为燃料或多种化工产品的原料气，在化学工业中具有极其重要的地位。以主要温室气体CO2和CH4为原料，目前能够将其转化为氢气或合成气产品的热化学技术路径有三种：(1)甲烷湿重整反应；(2)甲烷干重整反应；(3)两步氧化还原循环反应。上述三种反应体系所需的反应温度依次升高，工业化程度则依次降低。其中，甲烷湿重整反应以CH4和H2O为原料，在约700℃的反应温度下可制取理论上接近H2:CO＝3:1的合成气产品，是工业化制氢的主要技术途径。每年通过该反应所制得的氢气量超过5000万吨，占全球能源消耗量的2％
–r/>5％，具有非常高的技术成熟度。甲烷干重整反应以CH4和CO2为原料，工业反应温度在800
–
1000℃之间。其主要优势在于可产生理论上H2:CO＝1:1的合成气，适合作为利用费托合成法进行多种化学工艺再加工的原材料。两步氧化还原循环反应所需的操作温度通常为1200
–
1800℃，其突出优势是能够直接裂解H2O或CO2，但苛刻的高温反应条件导致目前尚无成熟的反应装置设计。截至现在，相关系统的能量效率仍然不足6％，因此，现有的制取合成气的方式存在能量效率低、反应温度高、连续性差、转化效率低的问题，严重限制了实际的工程应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]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；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]低温反应区的一侧开设1:1的CH4和H2O原料气入口；与1:1的CH4和H2O原料气入口同侧的高温反应区上开设CO产物出口；在低温反应区的另一侧开设合成气产物出口；与合成气产物出口同侧的高温反应区上开设CO2原料气入口；CO2原料气入口和合成气产物出口与气路管件连通。
[0011]优选地，石墨片为弧形；
[0012]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。
[0013]优选地，所述装置还包括气动阀门；
[0014]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。
[0015]优选地，所述装置还包括气体流量控制器；
[0016]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CO2原料气入口中通入的合成气的流量。
[0017]优选地，所述装置还包括不锈钢外壳和氧化铝隔热层；
[0018]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。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020]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H2:CO＝3:1的合成气)作为辅助性气体通入高温反应区，利用其中的还原性H2将CO2原位还原为CO，在显著降低反应温度的同时大幅提升CO2转化率。
[0021]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。
[0022]基于以上技术路线，可利用少量的CH4气体实现大量CO2的裂解还原，并将太阳能高效存储为合成气产品中的化学能，同时有望突破当前高温热化学领域的太阳能
‑
燃料转化效率，推动CO2资源化利用的工业化进程。
[0023]本申请首次提出一种太阳能驱动热化学梯级反应裂解CO2制燃料装置，结合了甲烷湿重整和两步氧化还原循环反应的技术优势，可在高效回收碳废气的同时将其转化为高附加值太阳能燃料，具有切实的社会环境的经济效益。本申请对于CO2资源化利用、太阳能
燃料高效制取，以及零碳清洁能源技术的发展具有重要的理论与现实意义。
附图说明
[0024]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
[0025]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0027]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。
[0028]实施例一：
[0029]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，所述装置包括碟式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置，其特征在于，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CH4和H2O原料气入口(IV)；与1:1的CH4和H2O原料气入口(IV)同侧的高温反应区(5)上开设CO产物出口(III)；在低温反应区(12)的另一侧开设合成气产物出口(II)；与合成气产物出口(II)同侧的高温反应区(5)上开设CO2原料气入口(I)；CO2原料气入口(I)和合成气产物出口(II)与气路管件(6)连通。2.根据权利要求1所述的太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的太阳能驱动热化学梯级反应裂解二氧化碳制燃料装置，其特征在于，所述装置还包...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昊，杨大智，张小密，杨国铭，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：