基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统

本发明属于太阳能热化学利用，具体涉及一种基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统。

背景技术：

1、积极发展可再生能源、构建新型清洁能源体系、深入推进能源生产和消费革命已成为全球的基本共识。氢气由于其热值高、燃烧只产生水，是一种理想的清洁可再生能源载体。如何有效实现高效率、低成本的规模化制氢技术发展已成为当前研究热点。特别是，氢的制取过程往往需要消耗大量的能量，若其仍然采用传统化石能源势必加剧资源枯竭、环境污染、温室效应与气候变暖，而采用可再生能源或可从根本上得到解决。这其中，太阳能储量无限、分布广泛，是一种非常理想的可再生能源，在制氢领域受到越来越多的关注。但是，太阳能自身具有间歇性和波动性等特点，如何将其高效收集、存储是太阳能利用中一个绕不开的问题。此外，基于太阳能而具体采取何种制氢技术也是一个需要全面权衡的难点。目前，对于不同太阳能制氢技术路线已有一定的理论与实验研究。

2、在各种制氢技术及其反应原料中，甲醇的氢碳比值高，资源丰富且可由生物质或二氧化碳加绿氢制取，常温呈液态易于存储运输，被认为是一种制氢的理想原料。而太阳能利用技术中，现有的中低温聚光式太阳能集热器相对而言技术比较成熟、成本低廉，且其所提供的温度与甲醇重整制氢吸热反应的最佳工作温度相匹配，因此可被用来为甲醇重整制氢热化学反应过程提供所需热能。目前，相关研究主要采用抛物面槽式太阳能集热器等技术来提供热能以驱动相对较为大型的催化剂颗粒堆积固定床反应器进行规模制氢。

3、然而，现有的太阳能热化学制氢系统在实际推广应用过程中仍有一些关键问题亟待解决。首先，前述大型固定床反应器响应速度较慢，有时难以调节以适应快速波动的太阳能辐照；其次，大型固定床反应器一般只能通过整体改变反应物原料流量的方法一定程度地适应不同大小太阳能辐照工况，调节范围有限、适用工况范围小；此外，反应器管壁上周向聚焦太阳热流分布极不均匀，且大型固定床反应器传热传质性能相对较差，共同导致了反应器温度分布也极不均匀，而其即使只在局部高温区域上受到催化剂烧结温度的限制，也会造成整个系统的甲醇重整转化率不高。如何有效解决这些问题也是本领域学者当前研究的重点方向。

技术实现思路

1、针对现有太阳能热化学制氢系统存在的前述问题，本发明提供了一种基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，可适应更广、更复杂的太阳辐照工况，进一步使制氢系统中能量和流量更加匹配，获得更均匀的温度分布和更高的甲醇重整转化率。

2、为达到上述目的，本发明所述一种基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，包括线性聚光太阳能反射镜、支撑架、玻璃管和微通道反应器单板组；所述支撑架将玻璃管和m个微通道反应器单板组支撑在线性聚光太阳能反射镜的焦线位置，m为偶数；所述微通道反应器单板组位于玻璃管内；所述微通道反应器单板组包括n个周向均匀分布的微通道反应器模块化单板，n≥3；所述微通道反应器模块化单板包括依次连通的盖板进口通道、微通道结构和盖板出口通道；同一个微通道反应器单板组的盖板进口通道依次通过第一类流量分配器以及输入气体管道与原料供给管路连接；同一个微通道反应器单板组的盖板出口通道通过第二类流量分配器以及输出气体管道与产物收集管路连接。

3、进一步的，第一类流量分配器和第二类流量分配器结构相同，作用不同；所述第一类流量分配器包括进口管和n个内径不同的出口管；所述进口管与原料供给管路连接，不同的出口管分别与n个微通道反应器模块化单板的盖板进口通道连接，用于为不同周向位置的微通道反应器模块化单板供给不同流量的反应物原料；所述第二类流量分配器的不同的出口管分别与n个微通道反应器模块化单板的盖板出口通道连接，第二流量分配器的进口管与产物收集管路连接，用于将流出不同微通道反应器模块化单板的盖板出口通道的气体集中到一起；

4、平均热流密度较大的微通道反应器模块化单板连接较大内径的出口管、较小热流密度的则连接较小内径的出口管。

5、进一步的，所有的输入气体管道以及输出气体管道上均设置有阀门，通过控制各个阀门的状态以串联或并联微通道反应器单板组。

6、进一步的，产物收集管路上设置有k型热电偶，所述k型热电偶与流量反馈系统连接，所述流量反馈系统与质量流量控制器连接。

7、进一步的，微通道结构的前端歧管结构采用a型流道圆形分叉结构；微通道中间流道纵截面为矩形，后端结构采用矩形结构。

8、进一步的，由于甲醇重整反应是分子数增多的反应，所述盖板出口通道内径比盖板进口通道内径大0.4倍。

9、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

10、1、本发明提供的一种基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，采用线性聚光太阳能反射镜收集太阳能，转换为热能以用于驱动多个微通道反应器模块化单板中的甲醇重整热化学反应进行制氢。本发明根据不同微通道反应器模块化单板获得的太阳热流密度分布设计分配反应物原料流量，可使能量分配与流量分配更合理、温度分布更均匀，从而提高转化率上限。

11、2、微通道反应器模块化单板所采用的模块化设计思路，可降低生产成本，可在实际运行中遇到故障时迅速地进行更换维护。

12、3、根据太阳辐照的大小可调节微通道反应器单板组的连接方式，适应的工况范围更广，微通道反应器单板组的级联连接方式，可根据太阳辐照大小、季节、天气等进行串联或并联调节，可适应更广的工况范围。

13、4、在太阳辐照发生波动时，可利用微通道反应器响应较快的特点，根据出口温度实时迅速反馈调节进口流量，从而保证整个系统能够在安全温度范围内高效、稳定运行。

14、综上所述，本发明提供的一种基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，采用模块化设计方便更换维护，它可以根据热流密度设置相应的反应物原料流量，也可以根据不同的太阳辐照情况调节微通道反应器模块化单板的级联连接方式，还可以根据出口温度变化迅速改变反应物原料流量，从而能够针对实际变化工况迅速做出调整响应，适应更广的工况范围。

技术特征：

1.基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，其特征在于，包括线性聚光太阳能反射镜(1)、支撑架(2)、玻璃管(3)和微通道反应器单板组(6)；

2.根据权利要求1所述的基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，其特征在于，所述第一类流量分配器和第二类流量分配器结构相同，作用不同；

3.根据权利要求1所述的基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，其特征在于，所有的输入气体管道以及输出气体管道上均设置有阀门，通过控制各个阀门的状态以串联或并联微通道反应器单板组(6)。

4.根据权利要求1所述的基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，其特征在于，所述产物收集管路(19)上设置有k型热电偶(18)，所述k型热电偶(18)与流量反馈系统(17)连接，所述流量反馈系统(17)与质量流量控制器(15)连接。

5.根据权利要求1所述的基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，其特征在于，所述微通道结构(30)的前端歧管结构采用a型流道圆形分叉结构；微通道中间流道纵截面为矩形，后端结构采用矩形结构。

6.根据权利要求1所述的基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，其特征在于，由于甲醇重整反应是分子数增多的反应，所述盖板出口通道(29)内径比盖板进口通道(26)内径大0.4倍。

技术总结
本发明公开了一种基于模块化微通道级联的太阳能驱动甲醇重整制氢系统，包括线性聚光太阳能反射镜，微通道反应器模块化单板，微通道反应器单板组，流量分配器，质量流量控制器，原料供给管路，流量反馈系统，K型热电偶，产物收集管路，阀门动作系统及太阳跟踪系统等。本发明可根据实际太阳辐照大小或工作温度水平设计不同数量模块、调节级联方式。可根据太阳能辐照大小、季节、天气等通过阀门动作系统切换为串联或并联，并在太阳辐照发生波动时通过流量反馈系统迅速响应调节，使能量与原料流量分配更合理，提高温度分布均匀性、甲醇转化率上限。本发明具有生产成本低、故障更换快、工况适应范围广、温度分布均匀、甲醇转化率高等优点。

技术研发人员：程泽东,张俊东,方晓龙,许最高,高乾鹏
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31