一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及高温太阳能热化学循环双温法制取燃料技术领域，尤其是通过转化 C〇2或H2〇制取CO和的一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 氨气作为一种清洁能源在工业、医学等方面有越来越多的用途。传统的方式是通 过电解水或甲烧重整制氨，该无疑间接增加了化石能源的消耗。化石能源日益枯竭的今天， 通过结合太阳能等可再生能源水分解制氨方式凸显出很多优势。另外，分解二氧化碳制取 一氧化碳的过程可W实现减少温室气体排放，减少化石能源的消耗，是二氧化碳捕集和封 存（CC巧的一种补充方式。此外，合成气制备后可化合成甲醇、二甲離等化工产品或者通过 Fischer-Tropsch转换成液体燃料。
[0003] 在太阳能热化学两步法循环制氨中，氧化锦作为一种催化剂，具有储量丰富且反 应中不存在相变的特点，与Fe基氧化物相比，不存在烧结的问题，与Zn基氧化物相比不必 使用泽火，并且不存在ZnO膜覆盖问题。反应中，高温下将氧化锦进行部分热分解后释放氧 气（即发生还原反应），还原后的氧化物在较低温度下被水或二氧化碳氧化，放出氨气或者 一氧化碳。催化剂W氧化锦为例。
[0004] 目前与本发明相关的技术主要有传统双温法高温热化学循环制备燃料、等温法热 化学循环制备燃料。下面分别对W上两种技术进行描述：
[0005] 传统双温法高温热化学循环制备燃料
[0006] 高温Th下的反应（还原反应）
[0007]
【主权项】
1. 一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在于，该系统包括聚光 装置（a)、接触换热装置（b)、反应器（c)、氧气收集装置（d)、换热器（e)和气体分离收集装 置（f)，其中： 聚光装置（a)，用于将太阳光会聚至反应器（c)，提供还原反应需要的热量； 反应器（c)，用于吸收聚光装置（a)会聚的热量，使反应器（c)中的氧载体发生还原反 应释放出氧气；在还原反应后隔绝聚光装置（a)会聚的热量，将C02/H20注入到还原反应后 的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将C02/H20进一步加热到IV，使被 还原的氧载体在温度IY下与CO2/H20发生氧化反应，产生C0/H2并且释放出热量Qz，产生的 0)/??未反应完全的CO2/H20通过换热器（e)进入气体分离收集装置（f)，释放出的热量 Qd皮产生的〇)/112及未反应完全的C02/H20携带至换热器（e); 氧气收集装置（d)，用于收集还原反应释放出来的氧气； 换热器（e)，用于将氧化反应产生的0)/112及未反应完全的CO2/H20携带的热量与室温 下的入口原料CO2M2O进行热量交换，加热入口原料CO2M2O至温度T1，加热后的入口原料 CO2M2O被通入接触换热装置（b); 接触换热装置（b)，用于将加热后的入口原料C02/H20直接喷洒在氧载体（3)上，将氧 载体⑶的温度降低到温度IV，同时将入口原料co2/h2o的温度提高到IY; 气体分离收集装置（f)，用于收集氧化反应产生的C0/H2以及未反应完全的CO2/H20,并 进行气体分离，得到纯净的co/h2。
2. 根据权利要求1所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在 于，所述反应器（C)，自外向内依次设置有耐高温金属（1)、耐火材料（2)和氧载体（3)。
3. 根据权利要求2所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在 于，所述氧载体（3)作为催化剂，采用金属氧化物氧化铈、氧化锌或氧化铁，或者采用钙钛 矿、尖晶石或金属离子变价的金属氧化物材料。
4. 根据权利要求1所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特 征在于，所述反应器（c)中的氧载体（3)发生还原反应时，反应器（c)中的温度^为 100(TC -1800。。。
5. 根据权利要求1所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在 于，所述温度IY为500 °C至TH。
6. 根据权利要求1所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在 于，所述温度！\为251：至1\。
7. 根据权利要求1所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在 于，在该系统中，还原反应和氧化反应交替在同一个反应器中进行，氧载体位置固定。
8. 根据权利要求1所述的提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统，其特征在 于，在该系统中，还原反应采用太阳能照射，氧化反应隔绝太阳能照射，并在氧化反应时将 反应器的照射窗口遮盖，降低二次辐射损失。
9. 一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的方法，应用于权利要求1-8中任一项 所述的系统，其特征在于，该方法包括： 反应器（c)中的氧载体吸收聚光装置（a)会聚的热量，发生还原反应释放出氧气，释放 出的氧气被氧气收集装置（d)收集； 在还原反应后反应器（C)隔绝聚光装置（a)会聚的热量，将C02/H20注入到还原反应后 的被还原的氧载体中，利用还原反应后氧载体的高温热量将温度为1\的CO2/H20加热到温 度1\，使被还原的氧载体在温度1\下与〇)2/1120发生氧化反应，产生〇)/112并且释放出热量 Qm产生的0)/??未反应完全的C02/H20通过换热器（e)进入气体分离收集装置（f)，释放 出的热量％被产生的C0/H2及未反应完全的CO2/H20携带至换热器（e); 换热器（e)将氧化反应产生的0)/??未反应完全的CO2/H20携带的热量与室温下的CO2M2O进行热量交换，加热室温下的CO2M2O至温度T1，加热后的CO2M2O被通入接触换热 装置（b); 接触换热装置（b)将加热后的CO2M2O直接喷洒在反应器（C)中的氧载体上，将氧载体 的温度降低到温度IV，同时将CO2M2O的温度由T1提高到 气体分离收集装置（f)收集氧化反应产生的co/H2以及未反应完全的C02/H20,并进行 气体分离，得到纯净的co/h2。
【专利摘要】本发明公开了一种提高太阳能热化学燃料制取速度和效率的系统及方法，该系统包括聚光装置(a)、接触换热装置(b)、反应器(c)、氧气收集装置(d)、换热器(e)和气体分离收集装置(f)。本发明提供的提高太阳能热化学循环制取燃料速度和效率的系统及方法，与太阳能热化学等温法相比，都是致力于消除加热催化剂的能量损耗，但等温法的温度不变，氧化反应温度比双温法高，使还原后的氧化铈与H2O氧化反应时氧空位变化较小，不利于燃料产量。利用本发明，通水带来的催化剂主动降温，可以把反应器每个循环所需的时间大大缩短，同时与等温法相比每个循环产生更多的氢气，并且可以提高氧化步骤的反应速度，合理地利用了高温还原步热量，提高了太阳能燃料转换效率，避免了固-固换热器的使用，提升了反应器的机械性能。
【IPC分类】C01B3-06, C01B31-18, F24J2-10
【公开号】CN104724673
【申请号】CN201510082834
【发明人】郝勇, 孔慧
【申请人】中国科学院工程热物理研究所
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年2月15日