一种利用太阳能生产气体燃料的膜反应系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新能源技术领域，具体设及一种利用太阳能生产气体燃料的膜反应系 统及方法。
【背景技术】
[0002] 化石能源不足及其利用造成的严重污染是影响人类长期可持续发展的重要问题。 清洁及可再生能源的开发、转化和利用已成为世界范围内的研究热点。在诸多可再生能源 中，太阳能储量丰富，分布广泛，清洁无污染，具有巨大的开发潜力。W金属氧化物为媒介， 通过两步热化学循环分解水或二氧化碳，从而将太阳能转化为化学能是太阳能转化的重要 途径之一。该循环的原理是利用较活泼的金属与其氧化物之间（如化/ZnO)或者金属的不 同价态氧化物之间（如化3〇4/化0)的氧化还原反应实现水和二氧化碳的分解。第一步为还 原反应，金属氧化物在高溫（> 1300°C)低氧分压条件下放出氧气，金属离子被还原至单质 或较低价态。第二步为氧化反应，可在较低溫度（400-1000°C)下进行，被还原的金属氧化 物与水蒸气或二氧化碳接触并获得其中的一个氧原子，产生氨气或一氧化碳，金属离子则 被氧化至还原前的状态。一些金属氧化物，如姉基氧化物（氧化姉及渗杂有其他金属离子 的氧化姉）和一些巧铁矿结构的氧化物（ab〇3型氧化物），在不同的溫度和氧分压条件下晶 格内可表现为不同数目的氧空位，利用运一性质，可在其发生非化学计量数变化的情况下 实现两步循环。
[0003] 针对此类循环，国际上多个科研团队从材料选择、材料优化、反应条件优化和反应 系统设计等方面进行了广泛研究。提高系统的能量转化效率是该领域研究的核屯、目标。热 力学分析显示气相热损失和固相热损失是此类转化过程中的主要能量损失，对总体的能量 转化效率具有决定性意义。其中，气相损失是指排出的气体由反应溫度降至常溫放出的热 量，运一部分热量如不加W回收则表现为能量损失。固相热损失是指完成第一步反应后的 金属氧化物降至第二步反应溫度过程中所放出的热量，运一部分能量如不加W回收也将表 现为能量损失。对于气相热损失，可W在系统内添加换热器，用反应器排出的气体加热进入 系统的气体，从而实现大部分气相热量的回收。对于固相热损失，目前有两种方法可W起到 降低甚至消除的作用。其一是设计能够实现固体间换热的反应器，用还原后的金属氧化物 加热氧化后的金属氧化物，实现能量的部分回收。已报道的旋转式反应器和循环输送式反 应器可实现固体之间的换热。然而，运两类反应器需要消耗机械功W实现金属氧化物在两 个反应区域内的转换。另外，两个反应区域之间的密封、高溫运动部件的正常运行和持续运 动的反应材料的机械强度均是十分具有挑战性的技术问题。第二种方法是采用等溫循环， 即将第二步反应控制在与第一步反应相同的溫度，仅改变氧化物周围气氛提高氧分压W达 到促进氧化反应进行的目的。运样可W避免在两步反应间对材料进行升降溫，也就避免了 固相热损失。然而，目前没有关于等溫循环反应系统的具体形式和运行方式的相关报道。 非等溫循环所采用的反应系统仍然适用，但是，若采用单个腔体的反应器，两步反应交替进 行，无法实现燃料气体的连续生产，若采用两个反应腔的反应系统，如旋转式或循环输送式 反应器，仍然无法避免金属氧化物输运需消耗机械功、金属氧化物材料在连续运动过程中 机械强度难W保证和两反应腔之间密封难度大等问题。
[0004]目前的有关等溫循环的报道中，仅仅是改变了第二步反应的溫度和气氛条件，金 属氧化物仍需经历与非等溫循环中相类似的两步循环的反应过程，即先在第一步进行还 原，然后在第二步进行氧化。对于单个腔体的反应器，运种反应方法无法实现气体的连续生 产，也难W避免两步反应之间的气体的混合。对于已报道的具有两个反应腔的反应器，为实 现连续生产，则需要耗费机械功将金属氧化物在两个反应腔之间进行连续输送；另外，两个 反应腔之间的密封和连续运动的金属氧化物的机械稳定性也是十分困难的技术问题。
【发明内容】
阳〇化]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用太阳能生产 气体燃料的膜反应系统及方法，该膜反应系统结构设计合理，简化了密封问题，同时能够提 高系统的能量转化效率。
[0006] 本发明是通过W下技术方案来实现：
[0007] 本发明公开了一种利用太阳能生产气体燃料的膜反应系统，包括太阳能聚光器和 设置在其一侧的膜反应器，在膜反应器的两侧分别为还原区和氧化区，还原区设有还原侧 换热器和还原侧冷却器，氧化区设有氧化侧换热器和氧化侧冷却器；
[0008] 还原侧换热器的冷流体出口与膜反应器的还原侧入口相连，膜反应器的还原侧出 口与还原侧换热器的热流体入口相连，还原侧换热器的热流体出口与还原侧冷却器的入口 相连；
[0009] 氧化侧换热器的冷流体出口与膜反应器的氧化侧入口相连，膜反应器的氧化侧出 口与氧化侧换热器的热流体入口相连，氧化侧换热器的热流体出口与氧化侧冷却器入口相 连。
[0010] 在氧化区内还设有压缩机，压缩机的出口端与氧化侧换热器的冷流体入口相连。
[0011] 所述膜反应器的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构。
[0012] 所述的金属氧化物为氧化姉、巧铁矿结构氧化物或渗杂金属离子的姉基氧化物。
[0013] 本发明还公开了一种利用太阳能生产气体燃料的方法，利用太阳能生产气体燃料 的膜反应系统，包括：
[0014] 太阳能聚光器，用于聚焦太阳能；
[0015] 膜反应器，用于将流入的二氧化碳分解产生一氧化碳，或者将流入的水蒸汽分解 产生氨气；
[0016] 还原侧换热器和氧化侧换热器，用于回收气体热量及对气体进行预热；
[0017] 还原侧冷却器和氧化侧冷却器，用于对换热器流出的气体进行降溫；
[0018] 基于上述膜反应系统生产气体燃料的方法为：
[0019] 不活泼气体由进入还原侧换热器的冷流体端进行预热，流出还原侧换热器后进入 膜反应器的还原侧，由膜反应器的还原侧出口流出后进入还原侧换热器的热流体端对流入 气体进行预热，气体经还原侧换热器换热后进入还原侧冷却器降至室溫，最后排出系统；
[0020] 二氧化碳或水进入氧化侧换热器的冷流体端进行预热，流出氧化侧换热器后进入 膜反应器的氧化侧，由膜反应器的氧化侧出口流出后进入氧化侧换热器的热流体端对流入 气体进行预热，气体流出氧化侧换热器后，进入氧化侧冷却器降至室溫，最后排出系统。
[0021] 所述膜反应系统还包括用于对二氧化碳或水进行加压的压缩机，二氧化碳或水经 压缩机加压后进入氧化侧换热器的冷流体端进行预热。
[0022] 所述膜反应器的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构。
[0023] 所述的金属氧化物为氧化姉、巧铁矿结构氧化物或渗杂金属离子的姉基氧化物。 阳024] 所述不活泼气体为氮气、氣气或氮气。
[00巧]与现有技术相比，本发明具有W下有益的技术效果：
[00%] 本发明公开的利用太阳能生产气体燃料的膜反应系统，在膜反应器的两侧分别为 还原区和氧化区，还原区设有还原侧换热器和还原侧冷却器，氧化区设有氧化侧换热器和 氧化侧冷却器；控制一侧为低氧环境，一侧为氧化环境时，膜反应器能够与两侧气体发生氧 化还原反应，同时起到隔离两侧气体和压力，传输横向氧离子的作用。本发明的膜反应系统 发生氧化反应和还原反应的反应溫度相同，消除了不等溫循环中的固体热量损失，相比于 该领域内其他反应系统，该系统可实现燃料气体的连