一种基于光热协同利用的太阳能甲烷重整反应器的制造方法
【专利摘要】一种基于光热协同利用的太阳能甲烷重整反应器，属于太阳能化学蓄能和甲烷催化重整等领域。该装置是由石英套管反应器、光束发生器、加热炉、温控仪以及热电偶等器件组成。解决在利用太阳能进行甲烷重整反应蓄能的过程中，太阳能仅作为热源利用，而不能兼以光波直接作用于催化剂和反应气体加以利用的问题。本发明既可光催化又可热催化。采用光束发生器来模拟太阳光提供光催化和热催化的能源，套筒式的石英管反应器用于放置整体式催化剂和原料气的预热与反应，使用开合式的加热炉、热电偶和温控仪作为石英管反应器的支撑、保温和温度控制装置，精确的控制反应点的温度。在新型整体式催化剂上的光热协同作用可使甲烷和二氧化碳高效重整转化为合成气。
【专利说明】一种基于光热协同利用的太阳能甲烷重整反应器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于光热协同利用的太阳能甲烷重整反应器，属于太阳能化学蓄能和甲烷催化重整等相关领域。
【背景技术】
[0002]对于甲烷重整反应，从热力学计算可知，在温度达到600°C以上时，才有合成气生成，且随反应温度升高，反应物转化率增大，合成气收率也提高。其高吸热特性使得工业生产能耗很高，但此特性可被用于储存太阳能、核能以及工业的高温废热。太阳能是资源极为丰富的可再生能源。但是它有随地理位置、天气条件变化大的缺点。为了扩大太阳能的利用范围，必需先聚集太阳能并转变成适于长期保存和远距离输送的形式。利用太阳能加热甲烷重整反应制取合成气，反应将太阳能转化为燃料的化学能，反应后的产物热值得以提升，同时使太阳能转化为易储存和利用的形式，解决了太阳能的不稳定性问题。太阳能甲烷重整反应所制取合成气可通过管道远程输送，再经可逆的放热反应释放能量，从而实现能量的转换、贮存和输送。所以太阳能甲烷重整反应是开发利用太阳能的有效途径，同时也对减少温室气体排放有重要意义。
[0003]而在太阳能甲烷重整反应中，提升这一热值所采用的反应器通常为传统的管式反应器。反应器是实现太阳能甲烷二氧化碳重整反应的关键部件。反应器的设计决定了太阳能提供能量的形式、甲烷的转化率以及能量的转换效率。目前大部分研究都集中在将太阳能作为单一热源利用。其所采用的反应器均为单一热催化反应器，而在这种单一热催化反应器中，太阳不直接加热催化剂和反应气体，热能首先被非透明的反应器壁吸收，然后再传输给催化剂。由于催化剂层 和器壁之间存在热阻，且催化剂的导热性低而使得热通量受到限制，即催化剂得不到足够的热量，从而导致甲烷和二氧化碳的转化率较低，太阳能的储能效率较低。而太阳能本质上是光能，辐射光谱包括7 %的紫外线、47 %的可见光和46 %的红外线，太阳能甲烷重整在进行热催化反应时，太阳能如果直接辐射催化剂和反应气体还可能引起光催化反应使得反应效率得到提高。在甲烷重整反应中通常采用具有高活性的贵金属作为催化剂，而如果考虑光助催化作用则可以开发能够取代贵金属并具有高活性的廉价的金属氧化物或复合物作为催化剂。
【发明内容】
[0004]本发明目的是解决在现有太阳能甲烷重整反应器，太阳能仅作为热源利用，而不能以光波直接作用于催化剂和反应气体加以利用，导致甲烷重整转化效率和太阳能储能效率均较低的问题。本发明提供一种既可以进行光催化又可进行热催化反应的反应器。
[0005]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0006]一种基于光热协同利用的太阳能甲烷重整反应器，其特征在于:该装置包括气固石英管反应器、光束发生器、加热炉、温控仪以及热电偶；石英管反应器放置于开合式的小型管式加热炉内；石英管反应器设计为套筒式的反应器，由内管和外管组成，内管的一端放置整体式催化剂，内外两管结合处设计为磨砂口 ；
[0007]石英管反应器外管两端设有两处支管，分别为底部支管和上部支管；底部支管用于放置热电偶，管末端采用橡胶塞封住保证气密性；上部支管为混合原料气的进口管，石英管反应器的底部支管放置于预留在加热炉开合处的小孔处，此支管用于放置热电偶；热电偶的末端穿过石英管的底部支管，放置于整体式催化剂处，直接测量反应点的温度，通过连接温控仪对反应温度精确控制；光束发生器采用氙灯模拟太阳光，通过金属反光镜聚焦于石英管底部整体催化剂放置处。
[0008]进一步，石英管反应器的中心线与加热炉炉膛的中心线以及光束发生器的聚焦中心点均在同一中心线上。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为基于光热协同利用的太阳能甲烷重整反应器的示意图
[0010]图2为反应器中的石英管反应的示意图
[0011]图3为开合式的加热炉的示意图
[0012]图4为LaFeO3 (3%)-Al2O3 (10%)/AISI316整体式催化剂的有光和无光下的甲烷转化率
[0013]图5 为 LaFeO3(3%)-Al2O3(10%)/AISI316 整体式催化剂的 H2/C0 的比率【具体实施方式】[0014]石英管反应器是套筒式的反应器，由内管和外管组成，这一设计主要用于整体式催化剂的安装与拆卸。内外两管结合处设计为磨砂口，主要为保证反应器的气密性，防止反应过程中漏气。内管的底部设计为直径20_的圆盘，用于放置整体式催化剂，内管整个为连同管，用于重整反应后合成气的排出。出气口端管径设计为直径6mm，便于连接气体管路，连接出口端的部件是直径6mm~3mm的转接头,连接管路采用直径3mm的塑料管连接。石英管外管有两处支管，底部支管用于放置热电偶，管末端采用橡胶塞封住保证反应器的气密性。上部支管为混合原料气的进口管，两支管设计为相距较远，这一设计使得气体进入石英管反应器后还可以有一个充分混合的过程，令原料气体比(CH4 = CO2)更加接近于1:1。
[0015]石英管反应器放置于开合式的管式加热炉内。设计为开合式便于反应器的拆卸。在开合处距离底部60mm处开一直径IOmm的小孔，小孔是为放置石英管反应器的底部支管，而石英管反应器的上部支管则紧靠炉子外侧。
[0016]热电偶的末端穿过石英管的底部支管，放置于整体式催化剂处。这一设计可直接测量反应点的温度，并通过连接温控仪对反应温度进行精确控制。
[0017]石英管反应器的中心线与加热炉炉膛的中心线以及光束发生器的聚焦中心点均在同一中心线上。光束发生器采用氙灯模拟太阳光，通过精密贵金属反光镜聚焦于石英管底部整体催化剂放置处，聚焦后的圆斑大小为直径20_。从而可以直接作用于整体式催化剂和反应气体。
[0018]本发明适用于太阳能甲烷重整，实施方式以实验室常压下的太阳能甲烷重整进行实验。参照图1连接整个反应器，以纯度99.999%的CH4和纯度99.999%的CO2作为反应气体，测量计算其在600°C、700°C、800°C、900°C温度点时，模拟太阳光直射和非直射时的甲烷转化率和h2/co的比率。具体实施方案如下:
[0019]将LaFeO3 (3%)-Al2O3 (10%)/AISI316整体式催化剂装填在石英管底部整体式催化剂放置处，进气口通入经过混合器混合后的原料气(CH4: CO2=1:1)，连接好其他所有管路并检漏，确保无漏气后进行升温。开启光束发生器用氙灯模拟太阳能，开合式加热炉提供一个稳定的温度环境且其具有保温的作用。利用K型热电偶分别控制温度在600°C、70(TC、800°C、90(TC这些温度点，稳定30min后进行重整反应。
[0020]工艺条件:原料气流量均为10ml/min，反应温度控制在600°C、700°C、800°C、900°C这些温度点，稳定30min后进行重整反应。 [0021]反应结果:在氙灯模拟太阳光的条件下，甲烷转化率在每个温度点均高于单一热催化反应下的转化率。图4和图5为本实例的测试结果图。
【权利要求】
1.一种基于光热协同利用的太阳能甲烷重整反应器，其特征在于:该装置包括气固石英管反应器、光束发生器、加热炉、温控仪以及热电偶；石英管反应器放置于开合式的小型管式加热炉内；石英管反应器设计为套筒式的反应器，由内管和外管组成，内管的一端放置整体式催化剂，内外两管结合处设计为磨砂口 ；
石英管反应器外管两端设有两处支管，分别为底部支管和上部支管；底部支管用于放置热电偶，管末端采用橡胶塞封住保证气密性；上部支管为混合原料气的进口管，石英管反应器的底部支管放置于预留在加热炉开合处的小孔处，此支管用于放置热电偶；热电偶的末端穿过石英管的底部支管，放置于整体式催化剂处，直接测量反应点的温度，通过连接温控仪对反应温度精确控制；光束发生器采用氙灯模拟太阳光，通过金属反光镜聚焦于石英管底部整体催化剂放置处。
2.根据权利要求1所述的基于光热协同利用的太阳能甲烷重整反应器，其特征在于石英管反应器的中心线与加热炉炉膛的中心线以及光束发生器的聚焦中心点均在同一中心线上。
【文档编号】C01B3/26GK103738918SQ201310742774
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】桑丽霞, 王国瑞 申请人:北京工业大学