一種利用太陽(yáng)能生產(chǎn)氣體燃料的膜反應(yīng)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種利用太陽(yáng)能生產(chǎn)氣體燃料的膜反應(yīng)系 統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 化石能源不足及其利用造成的嚴(yán)重污染是影響人類長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題。 清潔及可再生能源的開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)化和利用已成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。在諸多可再生能源 中，太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，清潔無(wú)污染，具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力。W金屬氧化物為媒介， 通過(guò)兩步熱化學(xué)循環(huán)分解水或二氧化碳，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的重要 途徑之一。該循環(huán)的原理是利用較活潑的金屬與其氧化物之間（如化/ZnO)或者金屬的不 同價(jià)態(tài)氧化物之間（如化3〇4/化0)的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)水和二氧化碳的分解。第一步為還 原反應(yīng)，金屬氧化物在高溫（> 1300°C)低氧分壓條件下放出氧氣，金屬離子被還原至單質(zhì) 或較低價(jià)態(tài)。第二步為氧化反應(yīng)，可在較低溫度（400-1000°C)下進(jìn)行，被還原的金屬氧化 物與水蒸氣或二氧化碳接觸并獲得其中的一個(gè)氧原子，產(chǎn)生氨氣或一氧化碳，金屬離子則 被氧化至還原前的狀態(tài)。一些金屬氧化物，如姉基氧化物（氧化姉及滲雜有其他金屬離子 的氧化姉）和一些巧鐵礦結(jié)構(gòu)的氧化物（ab〇3型氧化物），在不同的溫度和氧分壓條件下晶 格內(nèi)可表現(xiàn)為不同數(shù)目的氧空位，利用運(yùn)一性質(zhì)，可在其發(fā)生非化學(xué)計(jì)量數(shù)變化的情況下 實(shí)現(xiàn)兩步循環(huán)。
[0003] 針對(duì)此類循環(huán)，國(guó)際上多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)從材料選擇、材料優(yōu)化、反應(yīng)條件優(yōu)化和反應(yīng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了廣泛研究。提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率是該領(lǐng)域研究的核屯、目標(biāo)。熱 力學(xué)分析顯示氣相熱損失和固相熱損失是此類轉(zhuǎn)化過(guò)程中的主要能量損失，對(duì)總體的能量 轉(zhuǎn)化效率具有決定性意義。其中，氣相損失是指排出的氣體由反應(yīng)溫度降至常溫放出的熱 量，運(yùn)一部分熱量如不加W回收則表現(xiàn)為能量損失。固相熱損失是指完成第一步反應(yīng)后的 金屬氧化物降至第二步反應(yīng)溫度過(guò)程中所放出的熱量，運(yùn)一部分能量如不加W回收也將表 現(xiàn)為能量損失。對(duì)于氣相熱損失，可W在系統(tǒng)內(nèi)添加換熱器，用反應(yīng)器排出的氣體加熱進(jìn)入 系統(tǒng)的氣體，從而實(shí)現(xiàn)大部分氣相熱量的回收。對(duì)于固相熱損失，目前有兩種方法可W起到 降低甚至消除的作用。其一是設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)固體間換熱的反應(yīng)器，用還原后的金屬氧化物 加熱氧化后的金屬氧化物，實(shí)現(xiàn)能量的部分回收。已報(bào)道的旋轉(zhuǎn)式反應(yīng)器和循環(huán)輸送式反 應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)固體之間的換熱。然而，運(yùn)兩類反應(yīng)器需要消耗機(jī)械功W實(shí)現(xiàn)金屬氧化物在兩 個(gè)反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)換。另外，兩個(gè)反應(yīng)區(qū)域之間的密封、高溫運(yùn)動(dòng)部件的正常運(yùn)行和持續(xù)運(yùn) 動(dòng)的反應(yīng)材料的機(jī)械強(qiáng)度均是十分具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)問(wèn)題。第二種方法是采用等溫循環(huán)， 即將第二步反應(yīng)控制在與第一步反應(yīng)相同的溫度，僅改變氧化物周圍氣氛提高氧分壓W達(dá) 到促進(jìn)氧化反應(yīng)進(jìn)行的目的。運(yùn)樣可W避免在兩步反應(yīng)間對(duì)材料進(jìn)行升降溫，也就避免了 固相熱損失。然而，目前沒(méi)有關(guān)于等溫循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)的具體形式和運(yùn)行方式的相關(guān)報(bào)道。 非等溫循環(huán)所采用的反應(yīng)系統(tǒng)仍然適用，但是，若采用單個(gè)腔體的反應(yīng)器，兩步反應(yīng)交替進(jìn) 行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)燃料氣體的連續(xù)生產(chǎn)，若采用兩個(gè)反應(yīng)腔的反應(yīng)系統(tǒng)，如旋轉(zhuǎn)式或循環(huán)輸送式 反應(yīng)器，仍然無(wú)法避免金屬氧化物輸運(yùn)需消耗機(jī)械功、金屬氧化物材料在連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 機(jī)械強(qiáng)度難W保證和兩反應(yīng)腔之間密封難度大等問(wèn)題。
[0004]目前的有關(guān)等溫循環(huán)的報(bào)道中，僅僅是改變了第二步反應(yīng)的溫度和氣氛條件，金 屬氧化物仍需經(jīng)歷與非等溫循環(huán)中相類似的兩步循環(huán)的反應(yīng)過(guò)程，即先在第一步進(jìn)行還 原，然后在第二步進(jìn)行氧化。對(duì)于單個(gè)腔體的反應(yīng)器，運(yùn)種反應(yīng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣體的連續(xù)生 產(chǎn)，也難W避免兩步反應(yīng)之間的氣體的混合。對(duì)于已報(bào)道的具有兩個(gè)反應(yīng)腔的反應(yīng)器，為實(shí) 現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，則需要耗費(fèi)機(jī)械功將金屬氧化物在兩個(gè)反應(yīng)腔之間進(jìn)行連續(xù)輸送；另外，兩個(gè) 反應(yīng)腔之間的密封和連續(xù)運(yùn)動(dòng)的金屬氧化物的機(jī)械穩(wěn)定性也是十分困難的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽(yáng)〇化]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種利用太陽(yáng)能生產(chǎn) 氣體燃料的膜反應(yīng)系統(tǒng)及方法，該膜反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，簡(jiǎn)化了密封問(wèn)題，同時(shí)能夠提 高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。
[0006] 本發(fā)明是通過(guò)W下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0007] 本發(fā)明公開(kāi)了一種利用太陽(yáng)能生產(chǎn)氣體燃料的膜反應(yīng)系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能聚光器和 設(shè)置在其一側(cè)的膜反應(yīng)器，在膜反應(yīng)器的兩側(cè)分別為還原區(qū)和氧化區(qū)，還原區(qū)設(shè)有還原側(cè) 換熱器和還原側(cè)冷卻器，氧化區(qū)設(shè)有氧化側(cè)換熱器和氧化側(cè)冷卻器；
[0008] 還原側(cè)換熱器的冷流體出口與膜反應(yīng)器的還原側(cè)入口相連，膜反應(yīng)器的還原側(cè)出 口與還原側(cè)換熱器的熱流體入口相連，還原側(cè)換熱器的熱流體出口與還原側(cè)冷卻器的入口 相連；
[0009] 氧化側(cè)換熱器的冷流體出口與膜反應(yīng)器的氧化側(cè)入口相連，膜反應(yīng)器的氧化側(cè)出 口與氧化側(cè)換熱器的熱流體入口相連，氧化側(cè)換熱器的熱流體出口與氧化側(cè)冷卻器入口相 連。
[0010] 在氧化區(qū)內(nèi)還設(shè)有壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的出口端與氧化側(cè)換熱器的冷流體入口相連。
[0011] 所述膜反應(yīng)器的膜采用金屬氧化物制成的致密膜結(jié)構(gòu)。
[0012] 所述的金屬氧化物為氧化姉、巧鐵礦結(jié)構(gòu)氧化物或滲雜金屬離子的姉基氧化物。
[0013] 本發(fā)明還公開(kāi)了一種利用太陽(yáng)能生產(chǎn)氣體燃料的方法，利用太陽(yáng)能生產(chǎn)氣體燃料 的膜反應(yīng)系統(tǒng)，包括：
[0014] 太陽(yáng)能聚光器，用于聚焦太陽(yáng)能；
[0015] 膜反應(yīng)器，用于將流入的二氧化碳分解產(chǎn)生一氧化碳，或者將流入的水蒸汽分解 產(chǎn)生氨氣；
[0016] 還原側(cè)換熱器和氧化側(cè)換熱器，用于回收氣體熱量及對(duì)氣體進(jìn)行預(yù)熱；
[0017] 還原側(cè)冷卻器和氧化側(cè)冷卻器，用于對(duì)換熱器流出的氣體進(jìn)行降溫；
[0018] 基于上述膜反應(yīng)系統(tǒng)生產(chǎn)氣體燃料的方法為：
[0019] 不活潑氣體由進(jìn)入還原側(cè)換熱器的冷流體端進(jìn)行預(yù)熱，流出還原側(cè)換熱器后進(jìn)入 膜反應(yīng)器的還原側(cè)，由膜反應(yīng)器的還原側(cè)出口流出后進(jìn)入還原側(cè)換熱器的熱流體端對(duì)流入 氣體進(jìn)行預(yù)熱，氣體經(jīng)還原側(cè)換熱器換熱后進(jìn)入還原側(cè)冷卻器降至室溫，最后排出系統(tǒng)；
[0020] 二氧化碳或水進(jìn)入氧化側(cè)換熱器的冷流體端進(jìn)行預(yù)熱，流出氧化側(cè)換熱器后進(jìn)入 膜反應(yīng)器的氧化側(cè)，由膜反應(yīng)器的氧化側(cè)出口流出后進(jìn)入氧化側(cè)換熱器的熱流體端對(duì)流入 氣體進(jìn)行預(yù)熱，氣體流出氧化側(cè)換熱器后，進(jìn)入氧化側(cè)冷卻器降至室溫，最后排出系統(tǒng)。
[0021] 所述膜反應(yīng)系統(tǒng)還包括用于對(duì)二氧化碳或水進(jìn)行加壓的壓縮機(jī)，二氧化碳或水經(jīng) 壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入氧化側(cè)換熱器的冷流體端進(jìn)行預(yù)熱。
[0022] 所述膜反應(yīng)器的膜采用金屬氧化物制成的致密膜結(jié)構(gòu)。
[0023] 所述的金屬氧化物為氧化姉、巧鐵礦結(jié)構(gòu)氧化物或滲雜金屬離子的姉基氧化物。 陽(yáng)024] 所述不活潑氣體為氮?dú)?、氣氣或氮?dú)狻?br>[00巧]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益的技術(shù)效果：
[00%] 本發(fā)明公開(kāi)的利用太陽(yáng)能生產(chǎn)氣體燃料的膜反應(yīng)系統(tǒng)，在膜反應(yīng)器的兩側(cè)分別為 還原區(qū)和氧化區(qū)，還原區(qū)設(shè)有還原側(cè)換熱器和還原側(cè)冷卻器，氧化區(qū)設(shè)有氧化側(cè)換熱器和 氧化側(cè)冷卻器；控制一側(cè)為低氧環(huán)境，一側(cè)為氧化環(huán)境時(shí)，膜反應(yīng)器能夠與兩側(cè)氣體發(fā)生氧 化還原反應(yīng)，同時(shí)起到隔離兩側(cè)氣體和壓力，傳輸橫向氧離子的作用。本發(fā)明的膜反應(yīng)系統(tǒng) 發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的反應(yīng)溫度相同，消除了不等溫循環(huán)中的固體熱量損失，相比于 該領(lǐng)域內(nèi)其他反應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)燃料氣體的連