CN106884178A - 一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置,包括给水泵、太阳能热利用子系统、混合器、DC/DC变换器、光伏阵列、蓄电池、氧气储存器、电解池反应堆、氢气储存器、分离器、一氧化碳储存器。给水泵将水送至太阳能热利用子系统，经过太阳能加热后得到高温水蒸气，高温水蒸气与二氧化碳在混合器中混合后，送至电解池反应堆，电解池反应堆由光伏阵列经过DC/DC变换器供电，并配备蓄电池。电解池反应堆的阴极的出气口经过分离器将氢气、一氧化碳、水蒸气、二氧化碳进行分离，氢气存储与氢气储存器中，一氧化碳送至一氧化碳存储器中，水蒸气送至太阳能热利用子系统的进口端，二氧化碳送至混合器中。在阳极，产生的氧气送至氧气储存器中。利用太阳能热利用技术和太阳能光伏技术，结合低温固体氧化物电解池，可高效地将二氧化碳和水蒸气电解为氢气和一氧化碳。

Description

一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置
技术领域
本发明涉及一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置，具体说是利用太阳能和电解池共解二氧化碳和水蒸气，属于新能源利用技术领域。
背景技术
能源和环境是目前世界各国共同关注的焦点问题。科学研究表明，以全球变暖为明显特征的气候变化主要是人类过度使用化石燃料导致二氧化碳等温室气体排放量居高不下造成的。为了应对气候变化，我国正在积极调整能源结构，大力发展清洁能源和节能减排技术，降低对化石能源的依赖，减少温室气体的排放。将CO2转化成为具有工业利用价值的能源产品，无疑是一种较为理想的节能减排方式。碳氢合成燃料是一种液体碳氢燃料，在国民经济中可直接作为交通能源使用，而不需要另外铺设专用的能源运输系统设施。相比氢能经济，它可作为一种短期和中期的解决方案，充当通向未来氢能经济的桥梁。合成气是制备合成碳氢燃料的基本原料，其生产主要是通过煤气化和天然气重整来实现，这两种制备方法都消耗了化石能源并且最终都导致了温室气体CO2的大量排放，所以迫切需要开发出新的清洁碳氢燃料制备方法。利用固体氧化物陶瓷材料作为电解池的高温共电解技术，既可高效制备合成碳氢燃料的原料气：合成气( CO + H2) ，又可以实现CO2的减排和有效利用，近年来受到国际上的高度关注。
目前我国CO2的排放量逐年身高，并在2009年超过美国，CO2排放量位居世界第一，无论是国际上的压力，还是我国自身发展与环境要求，都迫使我国大力解决CO2排放问题。国务院发布一系列的节能减排中央文件，基于我国基本的国情，目前，CO2的排放很难大幅度的解决。这需要从另一个方面去考虑，从技术角度出发，将CO2转化为可利用的燃料。本发明即利用CO2与H2O的高温混合物，通入低温固体氧化物电解池，得到合成气( CO + H2)。一方面解决CO2排放问题，另一方面得到能源，特别是氢气，为清洁的能源。随着碳税政策的开始，CO2的问题是急需解决的问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有CO2处理技术的问题和不足，本发明的目的是提供了一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置，利用太阳能，可将CO2和H2O高效地转化为CO和H2。
技术方案：一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置，包括给水泵（1）、太阳能热利用子系统（2）、混合器（3）、DC/DC变换器（4）、光伏阵列（5）、蓄电池（6）、氧气储存器（7）、电解池反应堆（8）、氢气储存器（9）、分离器（10）、一氧化碳储存器（11）；其中太阳能热利用子系统（2）包括聚光镜（2-1）、真空集热管（2-2）、支撑机构（2-3）、驱动跟踪机构（2-4）；电解池反应堆（8）包括电解池（8-1）和辅助加热器（8-2）；
所述给水泵（1）将水泵入太阳能热利用子系统（2）的真空集热管（2-2）进口端，真空集热管（2-2）出口端的高温水蒸气与混合器（3）的输入端口一连接，混合器（3）的输入端口二与CO2的输入连接，混合器（3）的输出与电解池反应堆（8）的进气端口连接。
电解池反应堆（8）的阴极侧：
电解池反应堆（8）的出气端口与分离器（10）的输入端口连接，分离器（10）有四个输出口，分离器（10）输出口一与氢气储存器（9）的输入连接，分离器（10）输出口二与一氧化碳储存器（11）的输入连接，分离器（10）输出口三与真空集热管（2-2）的输入连接，分离器（10）输出口四与混合器（3）的输入端口二连接。
电解池反应堆（8）的阳极侧：
输入为空气，输出与氧气储存器（7）的输入连接。
所述光伏阵列（5）发电输出分别与DC/DC变换器（4）和蓄电池（6）的输入连接，蓄电池（6）的输出与DC/DC变换器（4）的输入连接，DC/DC变换器（4）与蓄电池（6）呈并联形式，DC/DC变换器（4）有两路输出，DC/DC变换器（4）输出一与电解池（8-1）连接，DC/DC变换器（4）的输出二与辅助加热器（8-2）连接。
一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置，其特征在于电解池反应堆（8）包括电解池（8-1）和辅助加热器（8-2）；辅助加热器（8-2）的电能来源于光伏阵列（5），电解池（8-1）的电能同样来源于光伏阵列（5），电解池（8-1）所需要的热能一方面来自高温混合气体，一方面来自辅助加热器（8-2）。
所述给水泵（1）将水泵入太阳能热利用子系统（2）中，冷水在太阳能热利用子系统（2）中加热后转换为高温水蒸气。
所述太阳能热利用子系统（2）是将太阳能聚光后加热水，包括聚光镜（2-1）、真空集热管（2-2）、支撑机构（2-3）、驱动跟踪机构（2-4），包括聚光镜（2-1）是由抛物面状的镜面构成，用于反射太阳光，焦线在真空集热管（2-2）处，真空集热管（2-2）用于吸收太阳能，支撑机构（2-3）包括聚光镜（2-1）支撑、真空集热管（2-2）以及基础支撑，驱动跟踪机构（2-4）主要用于太阳能跟踪，主要有液压驱动和传动结构构成。
述混合器（3）是将高温水蒸气与CO2混合，由保温的气室构成。
所述DC/DC变换器（4）用于将光伏阵列（5）产生的电能变换为系统所需要的直流电能，包括电解池（8-1）和辅助加热器（8-2）所需要的电能。
所述光伏阵列（5）用于将太阳能直接转换为电能，由单晶硅或者多晶硅光伏电池构成，输出的电能直接送给DC/DC变换器（4）或者蓄电池（6）。
所述蓄电池（6）是由铅酸蓄电池或者免维护蓄电池等构成，用于储存光伏阵列（5）的剩余电能，或者在阳光不充足的情况下，给DC/DC变换器（4）提供电源。
所述氧气储存器（7）是由高压氧气储存装置构成，用于储存系统产生的氧气。
所述电解池反应堆（8）包括电解池（8-1）和辅助加热器（8-2）；
所述氢气储存器（9）由高压氢气储存装置构成，用于储存系统产生的氢气。
所述分离器（10）是综合气体分离器，实现CO、H2、CO2、以及水蒸气的分离。
所述一氧化碳储存器（11）由高压一氧化碳储存装置构成，用于储存系统产生的一氧化碳。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点。
（1）利用太阳能提供热能和电能，清洁运行。
（2）将CO2和H2O高效地转换为CO和H2，解决CO2排放问题。
（3）运行温度低，约为500度，制作材料成本低、运行可靠，而传统的高温固体氧化电解池运行温度为900度。
（4）采用纳米复合技术制得低温固体氧化电解池，并结合我国稀土资源，可发展我国自主高新技术产业。
（5）可实现模块化设计，根据不同的用户，可设计不同的装机容量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1是给水泵、2是太阳能热利用子系统、3是混合器、4是DC/DC变换器、5是光伏阵列、6是蓄电池、7是氧气储存器、8是电解池反应堆、9是氢气储存器、10是分离器、11是一氧化碳储存器。
图2为太阳能热利用子系统示意图。
图中：2-1是聚光镜、2-2是真空集热管、2-3是支撑机构、2-4是驱动跟踪机构。
图3为电解池反应堆结构图。
图中：8-1是电解池、8-2是辅助加热器。
具体实施方式
参照图1、图2和图3，一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置，包括给水泵（1）、太阳能热利用子系统（2）、混合器（3）、DC/DC变换器（4）、光伏阵列（5）、蓄电池（6）、氧气储存器（7）、电解池反应堆（8）、氢气储存器（9）、分离器（10）、一氧化碳储存器（11）；其中太阳能热利用子系统（2）包括聚光镜（2-1）、真空集热管（2-2）、支撑机构（2-3）、驱动跟踪机构（2-4）；电解池反应堆（8）包括电解池（8-1）和辅助加热器（8-2）。
所述给水泵（1）将水泵入太阳能热利用子系统（2）的真空集热管（2-2）进口端，真空集热管（2-2）出口端的高温水蒸气与混合器（3）的输入端口一连接，混合器（3）的输入端口二与CO2的输入连接，混合器（3）的输出与电解池反应堆（8）的进气端口连接；
电解池反应堆（8）的阴极侧：
电解池反应堆（8）的出气端口与分离器（10）的输入端口连接，分离器（10）有四个输出口，分离器（10）输出口一与氢气储存器（9）的输入连接，分离器（10）输出口二与一氧化碳储存器（11）的输入连接，分离器（10）输出口三与真空集热管（2-2）的输入连接，分离器（10）输出口四与混合器（3）的输入端口二连接。
电解池反应堆（8）的阳极侧：
输入为空气，输出与氧气储存器（7）的输入连接。
所述光伏阵列（5）发电输出分别与DC/DC变换器（4）和蓄电池（6）的输入连接，蓄电池（6）的输出与DC/DC变换器（4）的输入连接，DC/DC变换器（4）与蓄电池（6）呈并联形式，DC/DC变换器（4）有两路输出，DC/DC变换器（4）输出一与电解池（8-1）连接，DC/DC变换器（4）的输出二与辅助加热器（8-2）连接。
工作原理：采用上述技术方案，当有阳光时，启动该装置，给水泵（1）将水泵入太阳能热利用子系统（2），利用太阳能将水加热为高温水蒸气，得到高温水蒸气后送至混合器（3），与CO2混合后送至电解池反应堆（8），电解池反应堆（8）的电解池（8-1）和辅助加热器（8-2）所需要的电能来自于DC/DC变换器（4），DC/DC变换器（4）的电能来自于光伏阵列（5）或蓄电池（6），这样在电解池反应堆（8）的阴极和阳极将发生化学反应，并得到相应的气体。
电解池反应堆（8）的阴极侧：得到CO、H2，还有没有完全反应的CO2和水蒸气，经过分离器（10）将四种气体分离，CO和H2分别储存与一氧化碳储存器（11）和氢气储存器（9），CO2气体返回混合器（3），水蒸气返回太阳能热利用子系统（2）中。
电解池反应堆（8）的阳极侧可以直接得到氧气，并储存于氧气储存器（7）。这样利用太阳能，将CO2和H2O共解得到CO、H2和O2。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置，包括给水泵（1）、太阳能热利用子系统（2）、混合器（3）、DC/DC变换器（4）、光伏阵列（5）、蓄电池（6）、氧气储存器（7）、电解池反应堆（8）、氢气储存器（9）、分离器（10）、一氧化碳储存器（11）；其中太阳能热利用子系统（2）包括聚光镜（2-1）、真空集热管（2-2）、支撑机构（2-3）、驱动跟踪机构（2-4）；电解池反应堆（8）包括电解池（8-1）和辅助加热器（8-2）；
所述给水泵（1）将水泵入太阳能热利用子系统（2）的真空集热管（2-2）进口端，真空集热管（2-2）出口端的高温水蒸气与混合器（3）的输入端口一连接，混合器（3）的输入端口二与CO2的输入连接，混合器（3）的输出与电解池反应堆（8）的进气端口连接；
电解池反应堆（8）的阴极侧：
电解池反应堆（8）的出气端口与分离器（10）的输入端口连接，分离器（10）有四个输出口，分离器（10）输出口一与氢气储存器（9）的输入连接，分离器（10）输出口二与一氧化碳储存器（11）的输入连接，分离器（10）输出口三与真空集热管（2-2）的输入连接，分离器（10）输出口四与混合器（3）的输入端口二连接；
电解池反应堆（8）的阳极侧：
输入为空气，输出与氧气储存器（7）的输入连接；
所述光伏阵列（5）发电输出分别与DC/DC变换器（4）和蓄电池（6）的输入连接，蓄电池（6）的输出与DC/DC变换器（4）的输入连接，DC/DC变换器（4）与蓄电池（6）呈并联形式，DC/DC变换器（4）有两路输出，DC/DC变换器（4）输出一与电解池（8-1）连接，DC/DC变换器（4）的输出二与辅助加热器（8-2）连接。
2. 根据权利1所述的一种基于太阳能和低温固体氧化物的二氧化碳处理装置，其特征在于电解池反应堆（8）包括电解池（8-1）和辅助加热器（8-2）；
辅助加热器（8-2）的电能来源于光伏阵列（5），电解池（8-1）的电能同样来源于光伏阵列（5），电解池（8-1）所需要的热能一方面来自高温混合气体，一方面来自辅助加热器（8-2）。
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