CN100376468C - 一种将太阳能转换为燃料化学能的方法及装置 - Google Patents

一种将太阳能转换为燃料化学能的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种将太阳能转换为燃料化学能的方法及装置，甲醇、二甲醚等分解为CO和H2的反应过程所需热量由太阳能提供，将太阳热能转换为合成气燃料的化学能，提高燃料的热值，同时提高太阳热能的做功能力。装置包括：聚光型太阳能集热器，用于加热来自热介质储罐的热介质；催化反应器，内装填有固体催化剂，该催化反应器与太阳能集热器相连接，使加热后的热介质进入催化反应器；预热蒸发器，为间壁式换热设备，分别连接催化反应器和原料罐，接收来自催化反应器的热介质(无回热)或分解燃物(有回热)和来自原料罐的原料；冷凝分离器，连接催化反应器(无回热)或预热蒸发器(有回热)，实现分解产物的分离。

Description

一种将太阳能转换为燃料化学能的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种将太阳能转换为燃料化学能的方法。
本发明还涉及一种实现上述方法的能量转换装置。详细地，涉及一种碟式太阳能集热器与代用液体燃料分解催化反应设备的集成，二者连同各自的辅助系统构成了太阳能热化学转换装置。本发明的装置能够实现太阳能与常规能源的互补，具体的说本发明的装置可以实现包括甲醇或二甲醚等燃料化学能的梯级利用和低品位太阳热能向高品位燃料化学能的品位提升，利用太阳能将液体燃料转变为高热值清洁气体合成燃料。
背景技术
世界石油的储量与生产已经难以承受不断增长的消费需求，石油在国际能源领域的绝对地位将被打破。石油消费的高速增长已对人类的可持续发展产生不利影响。原油价格不断上涨预示着“石油时代”消退的事实，同时也加大了甲醇、二甲醚等液体清洁合成燃料逐步替代石油的需求。甲醇作为化工的“万能中间体”，可以从煤、天然气、生物质等能源合成，是除合成氨以外惟一可以由煤气化和天然气重整大规模合成的简单化学品。甲醇和二甲醚作为重要的清洁合成燃料，具有类似油品的燃烧特性和便于携带和运输的优点，在能源、动力方面将得到越来越广泛的应用，开展甲醇和二甲醚燃料高效利用研究势在必行。通常意义上的燃烧就是利用锅炉或炉灶，发生甲醇与氧气的直接氧化放热反应一直接燃烧，这是目前甲醇和二甲醚燃料的主要利用方式。
太阳能是地球上最广泛、直接的能源，但由于能量密度低和不连续等问题，在利用时通常需要将其转换成其它形式的能源，目前最广泛应用的转换方式是光热转换。太阳能的收集一般采用各种聚光器，从平板式、真空管式等低温集热器到碟式、塔式等高温集热器，将太阳能提升到更高的品位加以利用。一般集热温度越高，相应的成本也越高。解决能量不连续的问题，可以采用蓄热的手段，不过如何减小蓄热装置体积始终是一个难题，还有不可避免的热损失，应用受到限制。因此太阳能与常规能源综合互补使用的途径受到更大地关注，目前一般的做法在太阳能与燃料(包括电力)在各自独立基础上的功能互补，即在太阳能达不到所需温度或无太阳能可用的时候(阴天、夜晚)由燃料供给，这类简单物理意义上的互补系统在太阳能供热、制冷，以及太阳能热发电系统中广泛使用。这种互补系统仅是太阳能与化石燃料的简单叠加，或者仅局限于物理能的梯级利用，不能从根本上提高太阳能的利用效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将太阳能转换为燃料化学能的方法。
本发明的又一目的在于提供一种用于实现上述方法的能量转换装置。
为实现上述目的，本发明提供的一种将太阳能转换为燃料化学能的方法，是将太阳能转换为180℃～300℃的中低温太阳热能，并用循环的热介质吸收太阳热能，为分解的燃料反应供热，得到分解产物；在该过程中，太阳热能被转换、储存在分解产物的化学能中，进一步作燃料使用；
所述的热介质是使用温度为200℃以上的导热油。
所述的燃料为甲醇或二甲醚液体；
所述的分解产物为以H2和CO为主要成分的合成气。
本发明提供的用于实现上述方法的转换装置可以是无回热装置，主要包括：
聚光型太阳能集热器，用于加热来自热介质储罐的热介质；
催化反应器，为固定床换热式反应器，内装填有固体催化剂，该催化反应器与太阳能集热器相连接，使被加热后的热介质进入催化反应器；
预热蒸发器，为间壁式换热设备，分别连接催化反应器和原料罐，接收来自原料罐的原料在此换热，原料被预热、蒸发；热源是来自催化反应器的热介质；
冷凝分离器，为间壁式换热设备，连接催化反应器，分离来自催化反应器的分解产物；
所述的热介质是使用温度为200℃以上的导热油；
由上述装置，来自热介质储罐的热介质被送到太阳能集热器被加热后，进入催化反应器，向固体催化剂床层和分解反应供热，然后进入预热蒸发器对原料进行供热，之后返回热介质储罐循环使用；原料先经过预热蒸发器再进入催化反应器进行反应，反应后的产物进入冷凝分离器分离出气体和液体。
本发明提供的能量转换装置还可以是有回热装置，包括：
聚光型太阳能集热器，用于加热来自热介质储罐的热介质；
催化反应器，为固定床换热式反应器，内装填有固体催化剂，该催化反应器与太阳能集热器相连接，使被加热后的热介质进入催化反应器；
预热蒸发器，为间壁式换热设备，分别连接催化反应器和原料罐，接收来自原料罐的原料在此换热，原料被预热、蒸发；热源是来自催化反应器排出的分解产物，是回热利用；
冷凝分离器，为间壁式换热设备，连接预热蒸发器，分离来自预热蒸发器的分解产物；
所述的热介质是使用温度为200℃以上的导热油；
由上述装置，来自热介质储罐的热介质被送到太阳能集热器被加热后，进入催化反应器，向固体催化剂床层和分解反应供热，之后返回热介质储罐循环使用；原料先经过预热蒸发器再进入催化反应器进行反应，反应后的分解产物作为热源进入预热蒸发器，再进入冷凝分离器分离出气体和液体。
上述装置中太阳能集热器是各种单碟或多碟形式的旋转抛物面集热器。
上述装置中催化反应器是单管或多管的列管式催化反应器。
上述装置中冷凝分离器分离出的液相产物返回原料罐进行循环反应。
上述装置中冷凝分离器连接有冷却水。
上述装置中热介质通过热介质泵进行循环。
上述装置中原料罐连接一原料泵。
本发明具有以下两方面优点：
1)能量转换及利用方面：分解后甲醇、二甲醚的燃料化学能转换为H2和CO的燃料化学能，同时太阳热能也转换为H2和CO的化学能。本系统在热力学第一定律层面的效果是增加了甲醇、二甲醚燃料的热值，增加的部分等于分解反应吸收的太阳热能；在热力学第二定律层面上的效果体现在太阳热能品位的提升，低品位的太阳热能转换为高品位的H2和CO的化学能，增加了太阳热能的做功能力。总的效果是减少传统燃烧过程中燃料化学能向热能转换过程的
Figure C20051005445700071
损失，提高了能源利用效率。
2)对下列用户具有更大优势：需要气体燃料而没有燃气接入条件的用户(如城市周边，天然气管网覆盖不到的地区，山区、岛屿等地形条件不利于送气的地区)；太阳辐照资源良好(我国的大部分地区，尤其是西部地区)；甲醇、二甲醚燃料消费具备一定规模(分布式能源站、甲醇、二甲醚供热或动力、发电系统)，以甲醇、二甲醚为原料制备合成气的用户。
附图说明
图1为本发明太阳能分解代用液体燃料反应能量系统示意图。
图2为本发明无回热装置的连接示意图。
图3为本发明有回热装置的连接示意图。
具体实施方式
本发明装置的工作原理图请参阅图1。本发明是利用180℃～300℃的中低温太阳能向原料甲醇或二甲醚吸热分解反应提供热能，生产主要成份为H2和CO的合成气，将中低温太阳能转变为合成气的化学能。
为了更清楚地理解本发明，以下举两个实例进行描述。
实例1：太阳能分解代用液体燃料无回热装置。请结合图2，本发明由太阳能集热器、催化反应器、热介质循环系统及其它辅助设备组成。
热介质储罐5，其内储存的热介质为使用温度200℃以上的导热油，通过热介质泵7和管道21送入太阳能集热器8的吸收器9中，接收来自太阳能集热器8的太阳能，通过阀10可以控制热介质的流量；热介质被加热至180℃～300℃，通过管道22于催化反应器3下部进入催化反应器3的壳程，将催化反应器3内的反应温度维持在160-280℃，而后从催化反应器3的上部通过管道23进入预热蒸发器2的上部，提供进料的汽化热和升温热至160-280℃。释放热量、温度降低后的热介质通过预热蒸发器2下部的管道24回到热介质储罐5，完成热介质的循环。
原料罐1内的原料甲醇或二甲醚经过原料泵6按空速500-10000h-1通过管道14、15从预热蒸发器2下部送入，于160-280℃下加热、蒸发后，从预热蒸发器2的上部通过管道16进入催化反应器3，在表压0-6atm反应压力下，160-280℃反应温度及催化剂作用下发生分解反应，产生成含有H2、CO和未反应原料及副产品的混合产物，该混合产物通过管道17进入冷凝分离器4的壳程中部，冷却至20℃以下进行分离，其中主要成份H2和CO是性能良好的气体合成燃料，由冷凝分离器4上端通过管道19排出，由阀11控制送往下游直接利用或储存。未反应的原料和少量液体副产物从冷凝分离器4下端分离出来，通过管道18返回原料罐1，与罐内的原料混合进入预热蒸发器2循环反应。冷凝分离器4的冷却水通过管道25、26对冷凝分离器4进行冷却，冷却水由阀12控制。
实例2：太阳能分解代用液体燃料有回热装置。结合图3，对照图2可知，实例2与实例1的主要区别在于来自吸收器9的180℃～300℃的热介质，通过管道22进入催化反应器3释放热量后，直接从催化反应器3上部通过管道27返回热介质储罐5，完成热介质的循环。
同时来自催化反应器3的分解产物通过管道28进入预热蒸发器2的上部，提供进料的汽化热和升温热至160-280℃。释放热量、温度降低后的分解产物通过预热蒸发器2下部的管道29进入冷凝分离器4冷凝分离。
两个实例的区别在于：在实施例1中，原料的预热蒸发靠热介质(太阳能)提供热量，称为无回热流程；实施例2中回收分解产物所携带的160-280℃的热量，用其预热原料，称为有回热流程。
需要说明的是，本发明装置中的各种设备均为公知技术，如：
本发明采用的太阳能集热器可以是各种旋转抛物面集热器，包括单碟或多碟形式。
本发明的催化反应器为固定床换热式反应器，可以是单管或多管的列管式催化反应器，固体催化剂装填在管内或管间的一段中。
本发明的预热蒸发器可以是各种间壁式换热设备。
本发明采用的催化剂可以是公知的用于甲醇或二甲醚合成反应的催化剂，如固体金属氧化物催化剂等
本发明的冷凝分离器可以是立式套管式换热器。
由于本发明讨论的重点是通过太阳能热化学过程将太阳能转变为燃料产品的化学能，所以对上述属于公知技术的具体设备不作详细描述。
以下的实施例可以说明本发明的效果：
采用无回热流程，用一个最大输出热功率为5kW的多碟式太阳能集热器，热介质为使用温度200℃以上的导热油，原料为常温常压下99.9％浓度的液体工业甲醇，催化剂为Cu/ZnO/Al2O3系列固体金属氧化物催化剂。
从冷凝分离器下端分离出来的液相产品，主要是未反应的原料和少量液体副产物，冷凝分离器上端分离出来的气相产品是90％以上的H2和CO，加上少量可燃的原料组成的合成气。
在本实施例中，当太阳辐照780W/m2，甲醇进料量6升/小时，即太阳能热输出功率4.8kW，太阳热能温度260℃，反应体积空速1700h-1条件下，甲醇转化率达到60.5％，氢气和一氧化碳选择性分别达到83.8％和56.4％，反应系统吸热4.2kW，太阳热能利用效率达到87.5％，热损失主要包括热介质输送过程和反应装置自身的散热损失。
本实施例从能量品位的角度，优点更加明显。能量品位的概念，对于热能其值等于卡诺循环效率。在上述反应条件下，260℃太阳热能经过甲醇分解反应转换为分解产物混合气体的化学能，能量品位由0.44被提升到0.98，大大增加了其做功能力，同时可以使能量利用系统在燃料燃烧环节相对直接燃烧过程中损失减少30.8％。
本发明可用于多种用途，如供热、制冷、燃料-太阳能联合发电、燃气生产等，利用太阳能为用户提供优质的合成气燃料或原料。

Claims (9)

1.一种将太阳能转换为燃料化学能的方法，其特征在于：
将太阳能转换为180℃～300℃的太阳热能，并用循环的热介质吸收太阳热能，为燃料的分解反应供热，得到分解产物；在该过程中，太阳热能被转换、储存在分解产物的化学能中，进一步作燃料使用；
所述的热介质是使用温度为200℃以上的导热油；
所述的燃料为甲醇或二甲醚液体；
所述的分解产物为以H2和CO为主要成分的合成气。
2.一种实现权利要求1所述方法的转换装置，主要包括：
聚光型太阳能集热器，用于加热来自热介质储罐的热介质；
催化反应器，为固定床换热式反应器，内装填有固体催化剂，该催化反应器与太阳能集热器相连接，使被加热后的热介质进入催化反应器；
预热蒸发器，为间壁式换热设备，分别连接催化反应器和原料罐，接收来自原料罐的原料在此换热，原料被预热、蒸发；热源是来自催化反应器的热介质；
冷凝分离器，为间壁式换热设备，连接催化反应器，分离来自催化反应器的分解产物；
所述的热介质是使用温度为200℃以上的导热油；
由上述装置，来自热介质储罐的热介质被送到太阳能集热器被加热后，进入催化反应器，向固体催化剂床层和分解反应供热，然后进入预热蒸发器对原料进行供热，之后返回热介质储罐循环使用；原料先经过预热蒸发器再进入催化反应器进行反应，反应后的产物进入冷凝分离器分离出气体和液体。
3.一种实现权利要求1所述方法的转换装置，主要包括：
聚光型太阳能集热器，用于加热来自热介质储罐的热介质；
催化反应器，为固定床换热式反应器，内装填有固体催化剂，该催化反应器与太阳能集热器相连接，使被加热后的热介质进入催化反应器；
预热蒸发器，为间壁式换热设备，分别连接催化反应器和原料罐，接收来自原料罐的原料在此换热，原料被预热、蒸发；热源是来自催化反应器排出的分解产物；
冷凝分离器，为间壁式换热设备，连接预热蒸发器，分离来自预热蒸发器的分解产物；
所述的热介质是使用温度为200℃以上的导热油；
由上述装置，来自热介质储罐的热介质被送到太阳能集热器被加热后，进入催化反应器，向固体催化剂床层和分解反应供热，之后返回热介质储罐循环使用；原料先经过预热蒸发器再进入催化反应器进行反应，反应后的分解产物作为热源进入预热蒸发器，再进入冷凝分离器分离出气体和液体。
4.权利要求2或3的装置，其特征在于，太阳能集热器是单碟或多碟形式的旋转抛物面集热器。
5.权利要求2或3的装置，其特征在于，催化反应器是单管或多管的列管式催化反应器。
6.权利要求2或3的装置，其特征在于，冷凝分离器分离出的液相产物返回原料罐进行循环反应。
7.权利要求2或3的装置，其特征在于，冷凝分离器连接有冷却水。
8.权利要求2或3的装置，其特征在于，热介质通过热介质泵进行循环。
9.权利要求2或3的装置，其特征在于，原料罐连接一原料泵。
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