一种耦合化学链循环的太阳能热化学制备燃料系统及方法

技术特征：
1.一种耦合化学链循环的太阳能热化学制备燃料系统，其特征在于，包括聚光集热装置(1)、两步法热化学循环制备燃料反应器(2)、热化学循环氧载体(3)、惰性气体供给装置(4)、真空泵(5)、氧传感器(6)、高温显热回收装置(7)、热化学循环原料供给装置(8)、储热装置(9)、中温显热回收装置(10)、气体分离装置(11)、化学链循环子系统(12)、化学链循环供气装置(13)、换热器(14)、混合气(15)、化学链循环还原步反应器(16)、压缩机(17)、化学链循环氧化步反应器(18)、透平(19)、发电机(20)、氧气(21)、空气(22)、阀门(a)、阀门(b)、阀门(c)，其中：聚光集热装置(1)，用于将太阳光聚焦，提高能量密度，为系统提供能量；聚光集热装置(1)包括抛物线槽式、塔式、碟式、线性菲涅尔式、圆形菲涅尔式、平面聚光器中的一种或者多种；两步法热化学循环制备燃料反应器(2)利用聚光集热装置(1)的热量加热热化学循环氧载体(3)，使热化学循环氧载体(3)发生还原反应释放氧气，之后隔绝聚光集热装置，向被还原的氧载体中通入水(或二氧化碳)，发生氧化反应产生氢气(或一氧化碳)并释放热量；惰性气体供给装置(4)主要用于提供惰性气体，在热化学还原步反应时吹扫反应器还原步反应产生的o2，降低热化学循环还原步氧分压以提高太阳能到燃料的转换效率；真空泵(5)用于抽吸两步法热化学燃料制备反应器(2)还原步产生的氧气以降低氧分压；氧传感器(6)连接在真空泵(5)之后，用于检测气体中氧含量；阀门(a)、阀门(b)、阀门(c)用于控制气路开闭从而将惰性气体供给装置(4)和真空泵(5)接入系统或断开；热化学循环原料供给装置(8)将用于向热化学循环提供反应需要消耗的水(或二氧化碳)；气体分离装置(11)主要用于分离反应产物和未参与反应的反应物，即氢气和水蒸气、一氧化碳和二氧化碳，获得纯净的氢气或一氧化碳；高温显热回收装置(7)和中温显热回收装置(10)两部分主要用于回收余热，系统可以利用的余热包括热化学循环反应后的生成气、氧载体、未反应气体和惰性气体的热量，这些余热用于热化学循环和化学链循环反应物、惰性气体的预热，提供热化学循环和化学链循环过程反应的吸热量；储热装置(9)接收并储存显热回收装置回收的热量，并将这些热量供给热化学循环氧化步反应物和化学链循环的吸热还原反应；化学链循环子系统(12)包括化学链循环供气装置(13)、换热器(14)、化学链循环还原步反应器(16)、压缩机(17)、化学链循环氧化步反应器(18)、透平(19)、发电机(20)；化学链循环子系统(12)用于吸收热化学循环还原反应步的氧气，降低热化学循环还原反应过程的氧分压，提高热化学循环还原反应限度从而提高燃料制备效率；热化学循环还原步为化学链循环氧化步反应提供氧气，化学链循环氧化步反应产生高温高压气体，之后高温高压气体通过透平(19)和发电机(20)做功发电；热化学循环余热驱动化学链循环还原步反应进行，利用化学链循环还原剂还原或者自身高温分解中的一种或者两种结合的方式将化学链循环氧载体还原，使反应能够循环进行；化学链循环氧化步能够吸收热化学循环还原过程吹扫所用的惰性气体中携带的氧气，使惰性气体能循环利用。
2.根据权利要求1所述的一种耦合化学链循环的太阳能热化学制备燃料系统，其特征在于，两步法热化学循环制备燃料反应器(2)包括热化学循环氧载体(3)、管道支架、反应器外壳、透光材料、进气控制器、传感器、其他附件；所述传感器包括进口的气流流量传感器、出口氧传感器、压力传感器、温度传感器；所述热化学循环氧载体可以是钙钛矿、尖晶石和/或铁、锰、锌、铈、镍、钴、铌、铟、锡的一种或多种金属氧化物或金属掺杂氧化物。3.根据权利要求1所述的一种耦合化学链循环的太阳能热化学制备燃料系统，其特征在于，高温显热回收装置(7)利用热化学循环还原步产生的气体、未反应气体、吹扫用的惰性气体以及氧载体的热量加热热化学循环氧化步反应所需的水蒸气或二氧化碳，中温显热回收装置(10)则是利用热化学循环氧化步出口气体的热量来为化学链循环反应提供能量，储热装置(9)能够收集储存高温显热回收装置(7)和中温显热回收装置(10)的热量，从而在不同时间利用热量，解决了热量利用时间不匹配的问题。4.根据权利要求1所述的一种耦合化学链循环的太阳能热化学制备燃料系统，其特征在于，化学链循环供气装置(13)主要用于向化学链循环还原步反应提供还原剂，还原剂可以是甲烷、二甲醚、煤、一氧化碳、氢气以及化学链燃烧常用还原剂；所述化学链循环氧载体可以是ni-基氧载体、co-基氧载体、fe-基氧载体、cu-基氧载体、mn-基氧载体、尖晶石、钙钛矿以及其他混合氧化物氧载体。5.根据权利要求1所述的一种耦合化学链循环的太阳能热化学制备燃料系统，其特征在于，化学链循环还原步反应器(16)和化学链循环氧化步反应器(18)是同一反应器。6.根据权利要求1所述的一种耦合化学链循环的太阳能热化学制备燃料系统，其特征在于，根据泵效率和惰性气体吹扫效率综合计算得到系统最优临界压力，当高于系统最优临界压力时先使用真空泵进行热化学循环还原步氧气移除，随着两步法热化学循环制备燃料反应器(2)中氧分压降低，当低于系统最优临界压力时使用惰性气体吹扫进行热化学循环还原步氧气移除；热化学循环还原步反应中，当氧分压高于系统最优临界压力时，打开阀门(b)，关闭阀门(a)和阀门(c)以使用真空泵(5)降低氧分压，当氧传感器(6)检测到的氧分压低于系统最优临界压力时，打开阀门(a)和阀门(c)，关闭阀门(b)以使用惰性气体代替真空泵(5)在热化学还原步反应时吹扫反应器，再次降低热化学循环还原步反应器氧分压以提高太阳能到燃料的转换效率，通过化学链循环氧化步反应吸收吹扫用的惰性气体中携带的氧气后，重新将惰性气体通回惰性气体供给装置(4)中，以达到惰性气体循环再利用的目的；所述系统最优临界压力为0-10-4
atm。7.根据权利要求1所述的一种耦合化学链循环的太阳能热化学制备燃料系统，其特征在于，惰性气体降低热化学循环还原步装置内的氧分压后，携带氧气进入化学链子系统(12)中，利用化学链循环氧载体吸收其中的氧气，惰性气体得到纯化，纯化后的惰性气体进一步吸收储热装置(9)热量、吸收化学链循环氧化放热反应的热量、或直接经聚光集热装置(1)太阳能加热中的任意一种、任意两种结合或三种结合方式后温度得到提升，纯化后的惰性气体用于热化学循环下一个循环的还原步中氧分压的降低。8.根据权利要求1所述的一种耦合化学链循环的太阳能热化学制备燃料系统，其特征在于，当惰性气体中的氧气量不能满足化学链循环氧化步所需时，向化学链循环氧化步反应器内通入适量的氧气(21)或空气(22)，提高化学链循环氧载体的氧化程度，增加氧化反应产生的高温气体中的能量；所述化学链循环氧化步反应中，通入空气(22)时，先通入携带
氧气的惰性气体反应后，再通入空气(22)与化学链循环氧载体发生反应，或空气(22)与携带氧气的惰性气体在不同的反应室内与化学链循环氧载体发生反应，避免空气(22)与携带氧气的惰性气体掺混。9.一种耦合化学链循环的太阳能两步法热化学循环制备燃料的方法，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：在两步法热化学循环制备燃料反应器(2)密闭的环境下，通过两步法热化学循环制备燃料反应器(2)的透光材料接收聚光集热装置(1)的能量，将热化学循环氧载体(3)加热至还原反应温度；选用的热化学循环不同，还原反应温度不同，一般温度区间为1300k至2300k；当氧分压高于系统最优临界压力时，打开阀门(b)，关闭阀门(a)和阀门(c)，使用真空泵(5)降低氧分压，当氧传感器(6)检测到的氧分压低于系统最优临界压力时，打开阀门(a)和阀门(c)，关闭阀门(b)，使用惰性气体吹扫反应器将残余氧气带出反应器，从而使得反应持续进行、提高反应限度最终提高系统的燃料制备效率；还原步流出两步法热化学循环制备燃料反应器(2)的气流为高温惰性气体和氧气的混合气(15)，混合气(15)将先通过高温显热回收装置(7)，此热量将用于加热热化学循环原料供给装置(8)中的水蒸气(或二氧化碳)至热化学循环氧化温度，多余的热量将储存在储热装置(9)中；混合气(15)温度下降后，进入化学链循环子系统(12)，首先利用混合气(15)以及储热装置(9)中的热量加热化学链循环供气装置(13)，在化学链还原步反应器(16)中还原化学链循环氧载体，将热能转化为化学能；将氧载体还原后，向化学链氧化步反应器(18)中通入压缩机(17)压缩后的混合气(15)以使其中的氧气与还原后的产物发生反应，放出大量的热量、重新生成化学链循环氧载体并排出不含氧气的惰性气体，再利用透平(19)和发电机(20)将热能转变为电能输出；当热化学循环还原反应完成后，隔绝聚光集热装置(1)，向两步法热化学循环制备燃料反应器(2)中通入水蒸气(或二氧化碳)，被还原的热化学循环氧载体(3)和水蒸气(或二氧化碳)发生氧化反应生成氢气(或一氧化碳)，热化学循环氧载体(3)氧化后在下一个热化学循环中利用；热化学循环氧化步产生的混合气为未反应完的高温水蒸气和氢气的混合气(或高温二氧化碳和一氧化碳的混合气)，经过中温显热回收装置(10)，将混合气的热量传递给储热装置(9)；降温后的混合气经过气体分离装置(11)将水和氢气(或二氧化碳和一氧化碳)分离，得到纯净的氢气(或一氧化碳)。

技术总结
本发明提供一种耦合化学链循环的太阳能热化学制备燃料系统及方法，该系统由聚光集热装置、两步法热化学循环制备燃料反应器、惰性气体供给装置、真空泵、显热回收装置、储热装置、化学链循环子系统等部分组成；太阳光聚集后为两步法热化学循环还原步供能，通过耦合化学链循环降低热化学循环还原步氧分压提高反应限度。热化学循环还原步为化学链循环氧化步提供部分氧气，产生高温高压气体做功发电；热化学循环余热驱动化学链循环还原步进行，使反应循环进行。通过增加真空泵和惰性气体吹扫提高热化学循环还原反应的除氧速率，利用化学链循环氧化步吸收惰性气体中的氧气使惰性气体循环利用。利用储热装置收集储存热量后在不同时间利用。时间利用。时间利用。


技术研发人员：孔慧 陈靖
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.03.24
技术公布日：2022/6/7