利用太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的装置及系统的制作方法

1.本实用新型涉及环保技术领域，尤其是一种利用太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的装置及系统。


背景技术：

2.由于近年来人口激增，人类活动频繁，矿物燃料用量的猛增，再加上森林植被破坏，使得大气中的温室气体含量不断增加，造成温室效应的一步步逼近，从而使温室效应的防治迫在眉睫。温室效应主要由于现代化工业社会过多燃烧煤炭，石油和天然气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。温室效应导致全球气候变暖，据联合国政府间气候变化专门委员会(ipcc)不久前公布的研究结果，目前全球平均温度经1000年前上升了0.3～0.6℃。温室效应对生物的多样性也有严重的影响，由于温室效应导致的全球大面积的温度及气候的变化必然导致物种迁移。许多物种不能以高的迁移速度跟上现今的气候迅速变化，所以许多分布局限或扩散能力差的物种在迁移过程中无疑走向灭绝。因此控制co2向大气的排放量，减缓全球气候变暖的根本对策是全球参与控制co2向大气的排放量。
3.科学数据表明当前严重威胁人类生存与发展气候变化主要是工业革命以来人类活动造成的二氧化碳排放所致，应对气候变化的关键在于控碳，必由之路是先实现碳达峰，再实现碳中和。碳达峰是指2030年中国碳排放要达到116亿吨的峰值，之后必须开始下降。碳中和是指到2060年，全国排放的二氧化碳通过造林、碳捕捉等方式全部吸收。现阶段co2的主要依靠碱吸收、高压地底填埋的方式进行处理，传统方法耗时久，成本高，所需人力资源大，且其产物经济价值低，导致其处理成本要远高于其产物价值。另一种方法是利用甲烷干重整反应将温室气体co2、甲烷转化为化工原料合成气h2/co，实现碳中和。但此反应具有较高的能垒，反应所需较高的能耗。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种利用太阳能转换甲烷二氧化碳制备合成气的装置。
5.利用甲烷干重整反应将温室气体co2、甲烷转化为化工原料合成气h2/co，实现碳中和。但此反应具有较高的能垒，反应所需较高的能耗。因此本实用新型中引入了太阳能聚光系统，将分散且较为低效的太阳能聚集转换为热能，供给甲烷干重整反应。其产物合成气h2/co可通过费托合成制备高级烃类用清洁燃料，具有较高的利用价值。
6.本实用新型提供的利用太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的装置，其结构包括太阳能聚光器和光热重整反应器。所述光热重整反应器包括半球形反应管，反应管内装有催化剂，反应管内侧壁面设置热电偶，所述热电偶通过电线与外部电源连接。反应管上端设置喇叭形的光通道，喇叭形上端开口由凸透镜密封；反应管和光通道的外侧均包覆隔热层，隔热层与光通道之间设有原料气的进气管，进气管末端与反应管连接，反应管底部设置出气管。
7.所述太阳能聚光器为开口向上的半球形聚光器，光热重整反应器位于聚光器上方，喇叭形光通道正对聚光器。太阳能聚光器将太阳能聚集并转换为热能提供重整反应热。
8.本实用新型还提供了一种利用太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的系统，其结构包括，太阳能甲烷干重整子系统、光伏发电子系统、储能子系统和气体分离子系统。所述太阳能甲烷干重整子系统采用上述的利用太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的装置。所述光伏发电子系统同时连接储能子系统和气体分离子系统，光伏发电子系统将太阳能转化为电能为气体分离系统供电，并将多余的电能储存在储能子系统。所述太阳能甲烷干重整子系统与储能子系统连接，并且，太阳能甲烷干重整子系统的出气管连接气体分离子系统，气体分离子系统的未反应原料气出气口连接至太阳能甲烷干重整子系统的进气管。
9.上述的利用太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的制备中的热电偶通过电线与外部的储能子系统连接，利用储能子系统中的电能为热电偶供电。制备合成气的装置的出气管连接气体分离子系统，气体分离子系统的甲烷出气口连接至制备合成气的装置的进气管。
10.所述光伏发电子系统包括发电模块、逆变器、交流柜、电线电缆，其中，发电模块采用硅太阳能电池板或薄膜太阳电池；硅太阳能电池采用单晶硅、多晶硅或非晶硅，薄膜太阳电池采用砷化镓、碲化镉、铜铟硒多元化合物作为材料。
11.甲烷/二氧化碳重整反应为强吸热反应，当太阳能充足时，重整反应所需的热量由太阳能聚光器将太阳能转换为热能提供；当太阳能不足时，重整反应所需热能通过热电偶加热将储能子系统的电能转换为热能，供甲烷干重整反应所需能耗。所述光伏发电系统为整个系统供电，真正实现系统完全自给自足，做到高效利用太阳能的同时，固定了二氧化碳等温室气体，且其他有害物质的排放。
12.所述气体分离子系统采用变压吸附的方式，将制备合成气的装置排出的混合气中的合成气氢气/一氧化碳分离出来，并将未反应的原料气甲烷/二氧化碳循环至光热重整反应器，继续参与反应，同时动态调节甲烷/二氧化碳进气比，提供甲烷/二氧化碳转换率。
13.与现有技术相比，本实用新型的有益之处在于：
14.(1)本实用新型利用新能源太阳能将ch
4.
/co2协同作用转换制备合成气，该方法利用太阳能光/热协同耦合作用，将太阳能的光能与光热效应所产生的热能，进行特定的ch4./co2化学转换制合成气反应，将太阳能转换和储存为化学能，同时实现了co2的减排与有效利用。
15.(2)在利用太阳能发电的同时，将多余的电能储存起来，在太阳能不足的情况下，利用储存的电能供应反应所需能耗。
16.(3)原料气甲烷和二氧化碳管路依次流经光热重整反应器和气体分离子系统并形成循环，甲烷干重整产物中的一氧化碳与氢气被分离，促使甲烷干重整反应平衡向正向移动，使甲烷转换率大幅度提升。
17.(4)此系统能量全部来自太阳能，同时利用太阳能光热、光电两个部分，构成太阳能转换与储能系统，具有绿色、安全、低排放和可持续的特点，实现了碳捕捉，降低了温室气体对环境的危害，同时为太阳能资源利用提供了新的途径。
18.本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
19.图1、本实用新型的利用太阳能转换甲烷二氧化碳制备合成气的装置结构示意图。
20.图2、本实用新型的光热重整反应器结构示意图。
21.图3、本实用新型的利用太阳能转换甲烷二氧化碳制备合成气的系统原理图。
具体实施方式
22.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
23.如图1
‑
3所示，本实用新型提供的利用太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的装置，其结构包括太阳能聚光器1和光热重整反应器2。所述光热重整反应器2包括半球形反应管21，反应管内装有催化剂22，反应管内侧壁面设置热电偶23，所述热电偶通过电线24与外部电源连接。反应管上端设置喇叭形的光通道25，喇叭形上端开口由凸透镜26密封；反应管和光通道的外侧均包覆隔热层27，隔热层与光通道之间设有原料气的进气管28，进气管末端与反应管连接，反应管底部设置出气管29。
24.所述太阳能聚光器1为开口向上的半球形聚光器，光热重整反应器位于聚光器上方，喇叭形光通道正对聚光器。太阳能聚光器将太阳能聚集并转换为热能提供重整反应热。
25.本实用新型还提供了一种利用太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的系统，其结构包括，太阳能甲烷干重整子系统3，光伏发电子系统4、储能子系统5和气体分离子系统6。其中，所述太阳能甲烷干重整子系统采用的是上述太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的装置。所述光伏发电子系统同时连接储能子系统和气体分离子系统。光伏发电子系统将太阳能转化为电能为气体分离系统供电，并将多余的电能储存在储能子系统。上述的利用太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的制备中的热电偶通过电线24与外部的储能子系统连接，利用储能子系统中的电能为热电偶供电。上述的制备合成气的装置的出气管29连接气体分离子系统，气体分离子系统的未反应原料气出气口连接至制备合成气的装置的进气管28。
26.所述光伏发电子系统包括发电模块、逆变器及交流柜，其中，发电模块采用硅太阳能电池板或薄膜太阳电池。硅太阳能电池采用单晶硅、多晶硅或非晶硅，薄膜太阳电池采用砷化镓、碲化镉、铜铟硒多元化合物作为材料。由于光伏发电子系统可以采用现有技术中公开的现有发电装置。
27.甲烷/二氧化碳重整反应为强吸热反应，当太阳能充足时，重整反应所需的热量由太阳能聚光器将太阳能转换为热能提供；当太阳能不足时，重整反应所需热能通过热电偶加热将储能子系统的电能转换为热能，供甲烷干重整反应所需能耗。
28.所述气体分离子系统采用变压吸附的方式，将制备合成气的装置排出的混合气中的合成气氢气/一氧化碳分离出来，并将未反应的原料气甲烷/二氧化碳循环至光热重整反应器，继续参与反应，同时动态调节甲烷/二氧化碳进气比，提供甲烷/二氧化碳转换率。例如，可以采用变压吸附分离装置(大连凯特利催化剂工程技术有限公司生产)。
29.作为一种优选方式，上述的利用太阳能转化甲烷二氧化碳制备合成气的装置中，所述隔热层与光通道之间左右对称设有两个进气管28，一个是原料气的进气管，另一个是与气体分离子系统分离出的未反应原料气出气口连接，作为回收原料气的进气管，实现原
料气的回收再利用。
30.与传统的甲烷重整反应制氢(约800℃)相比，通过太阳能干重整方法可将反应温度降低至500℃以下，该反应温度可与低聚光比的槽式聚光太阳能相结合，降低辐射热损失，提升太阳能利用效率。原料气ch4和co2与催化剂接触后，在外加太阳光的条件下，降低了反应的能垒，提升了drm反应在低温下的转换率。聚光太阳能干重整不仅实现了太阳能的高效利用，同时能够减少温室气体排放，实现了高效、低碳、清洁地太阳能利用。
31.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。