基于菲涅尔镜高倍聚光的双循环焦炭制氢系统及制氢方法

本发明涉及制氢，涉及一种基于菲涅尔镜高倍聚光的双循环焦炭制氢系统及制氢方法。

背景技术：

1、随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。太阳能作为一种清洁、高效的新能源，各国都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。氢气是目前公认的清洁能源，也是非常重要的化工原料。氢气燃烧的热值高举各种燃料之冠，是石油的3到4倍；氢气燃烧的产物是水，对环境不产生任何污染；现世界各国对氢为新型能源的研究都颇为重视。但是目前制约氢能大规模商业应用的重要因素就是还未找到一种廉价的制氢技术。而太阳能是最普遍一次能源，太阳能集热供热技术的运行成本很低，完全绿色零排放，将太阳能与氢能结合，开发一种更廉价的制氢技术是本发明所关注的。

2、当前生产氢气主要有两种方法，一种采用其他含氢原子原料，如甲烷/水蒸气等通过化学反应制备氢气，甲烷/水蒸气重整制取氢气具有工艺简单、成本低等优点，是目前工业制氢气最为成熟的方法之一。不仅将温室气体甲烷进行转化，同时反应会产生大量氢气。此外，氢气作为最清洁的能源，具有广泛的应用领域。然而，甲烷/水蒸气重整反应是强吸热反应，为获得较高的甲烷转化率，反应一般需要在高温（600-800℃）的条件下进行，极高的反应温度成本高、代价大。因此，如何寻求廉价清洁的高温热源，提供甲烷/水蒸气重整反应所需的热量，是推进甲烷/水蒸气重整技术发展与应用的关键。另一种方法采用电解方式制造氢气，例如高温蒸汽电解制氢技术采用高温固体氧化物电解池(soec)电解水蒸汽，该技术具有电能消耗少、高效、成本较低等优点。为电解池提供800℃以上的高品质热能，可以由可再生能源或核能实现，但燃烧化石能源获得热能被认为并不经济也不环保。常规的太阳能光热聚光系统并不能提供稳定的热能，随着天气的变化或日落之后，系统就无法稳定、持续运行。

3、因此，如何提供一种具有稳定热源并且能够保证系统的持续稳定运行的制氢系统，是本领域人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于菲涅尔镜高倍聚光的双循环焦炭制氢系统及制氢方法，利用煤焦化后的焦炭作为制氢原料，不仅减少了工业副产品对环境的污染，太阳能的使用也提高了资源利用率和经济效应。

2、为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、基于菲涅尔镜高倍聚光的双循环焦炭制氢系统，包括二氧化碳与水制取单元、高倍聚光光电单元、一氧化碳生产单元、氢气生产单元、双循环单元和辅助加热单元；

4、双循环单元包括气路管道、水箱和水路管道；

5、二氧化碳与水制取单元、一氧化碳生产单元、氢气生产单元通过气路管道依次串联构成闭合管路结构；二氧化碳与水制取单元向一氧化碳生产单元中供给反应所需的二氧化碳，二氧化碳在一氧化碳生产单元中与焦炭反应生成的混合气经净化分离，分离后的一氧化碳进入氢气生产单元，分离后的废气经废气处理模块后无害排放；在氢气生产单元内，进入的一氧化碳与水反应，生成的高温混合气经降温分离，分离后的氢气进行收集；分离后的二氧化碳进入二氧化碳与水制取单元进入下一次循环，综上实现碳循环；

6、水路管道的两端均连接水箱，水路管道贯穿制氢系统，高倍聚光光电单元连接辅助加热单元，使流经一氧化碳生产单元和氢气生产单元的水路管道内的水通过换热降温回到水箱。进入下一次循环，综上实现水循环。

7、进一步的，二氧化碳与水制取单元包括冷凝加热单元和二氧化碳收集室；冷凝加热单元内部设置有半导体冷凝加热层，半导体冷凝加热层上分布有网状孔，半导体冷凝加热层将冷凝加热单元从上至下分割为冷凝室和气化室；冷凝室内设置有空气盘管，空气盘管上分布有若干圆孔，气化室包括第一腔室和第二腔室，第一腔室与二氧化碳收集室连通，第二腔室与水箱连通。

8、进一步的，高倍聚光光电单元为制氢系统提供电能，包括菲涅尔镜ⅰ、光伏发电板、低温水盘管和蓄电池；菲涅尔镜ⅰ嵌设在光伏发电板上方，低温水盘管设置在光伏发电板的背面，低温水盘管的输入端与水箱连接，输出端与氢气生产单元连接；光伏发电板连接蓄电池。

9、进一步的，氢气生产单元包括菲涅尔镜高倍聚光光热模块、氢气反应室和混合气体处理模块，菲涅尔镜高倍聚光光热模块设置在氢气反应室的上方；混合气体处理模块连接氢气反应室的输出端。

10、进一步的，氢气反应室由外向内依次为集热层，水层ⅰ和氢气反应腔，菲涅尔镜高倍聚光光热模块聚光至集热层，低温水盘管的输出端分别与水层ⅰ和氢气反应腔的输入端连接。

11、进一步的，混合气体处理模块包括气体冷却单元、氢气和二氧化碳分离模块、氢气收集室和残余气体净化室，气体冷却单元设置在氢气反应室的输出端并连接氢气和二氧化碳分离模块，氢气和二氧化碳分离模块分离后的氢气进入氢气收集室，分离后的二氧化碳进入二氧化碳与水制取单元；其他残余气体进入残余气体净化室。

12、进一步的，一氧化碳生产单元包括依次连接的焦炭原料室、一氧化碳反应室和一氧化碳混合气体净化分离室；一氧化碳混合气体净化分离室的输出端连接氢气反应腔。

13、进一步的，一氧化碳反应室包括一氧化碳反应腔，以及包裹在一氧化碳反应腔外的水层ⅱ，水层ⅰ的输出端连接水层ⅱ。

14、进一步的，辅助加热单元包括电加热板ⅰ、电加热板ⅱ和储能箱；电加热板ⅰ设置在一氧化碳生产单元内，电加热板ⅱ设置在氢气生产单元内，蓄电池连接电加热板ⅰ和电加热板ⅱ，储能箱的输入端连接一氧化碳生产单元，输出端连接混合气体处理模块。

15、本发明的目的之二是提供一种基于菲涅尔镜高倍聚光的双循环焦炭制氢系统的制氢方法，具有同样的技术效果。

16、本发明所涉及的化学反应为：

17、c+co2=2co（高温）；co+h2o=co2+h2（高温）。

18、一种基于菲涅尔镜高倍聚光的双循环焦炭制氢系统的制氢方法，包括如下步骤：

19、s01：二氧化碳与水制取单元生成的二氧化碳沿气路管道的输送方向进入一氧化碳生产单元；与一氧化碳生产单元内部的焦炭发生反应，生成一氧化碳；

20、s02：水路管道中经加热的高温水蒸气进入氢气反应室中，与从一氧化碳生产单元输出的一氧化碳发生反应生成氢气和二氧化碳的混合气体；

21、s03：对步骤s02中生成的混合气体进行分离，收集氢气，并将分离后的二氧化碳输入二氧化碳与水制取单元中，参与下次反应；

22、s04：步骤s02中未反应的高温水蒸气通过辅助加热单元实现换热降温，并回到水箱。

23、本发明的有益效果为：

24、本发明通过二氧化碳与水制取单元将二氧化碳传送至一氧化碳生产单元中用于生产一氧化碳，再通过一氧化碳与水反应生成氢气和二氧化碳，再利用双循环单元实现了二氧化碳和水的双重循环，提高了资源利用率，进一步通过高倍聚光光电单元为整个系统提供电能，通过其与辅助加热单元的连接，利用太阳能的光能和热能直接或间接创造一氧化碳生产单元和氢气生产单元所需的高温环境，清洁环保；保证制氢系统的制氢生产力。与现有技术相比，本系统实现了二氧化碳和水的循环利用，不仅节约成本、提高资源利用率和经济效益，又能降低污染、改善环境。

25、绿色化学在国际上有重要地位。“5r”原则是绿色化学的核心内容，本发明利用焦炭作为制氢原料，与二氧化碳反应制备一氧化碳，将工业副产品充分利用，不仅节约成本、提高资源利用率和经济效益，又能降低污染、改善环境。利用高倍聚光加热、循环水加热、电磁热管加热多种方式实现反应所需的高温条件，控制器的加入实现反应的可控与安全的保障。通过双循环单元实现了二氧化碳和水的循环利用，反应中能够减少废弃物的产生且能实现综合回收，与现有技术相比，本发明实现了太阳能综合利用，开发一种更廉价的制氢技术。