CN107930552A - 太阳能透氢膜反应装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能透氢膜反应装置，包括太阳能集热装置和热化学反应器；太阳能集热装置包括太阳能聚光装置和设于太阳能聚光装置下方的太阳能集热管；太阳能集热管从外向内依次为增透减反膜、透光玻璃管、金属吸热内管，增透减反膜涂覆于透光玻璃管外表面，透光玻璃管和金属吸热内管间形成密封的真空夹层；热化学反应器设于金属吸热内管内；热化学反应器包括多孔陶瓷基底管，多孔陶瓷基底管外表面涂覆有选择性透氢膜；多孔陶瓷基底管和金属吸热内管间形成热化学反应通道，多孔陶瓷基底管内为氢气分离通道。本发明以太阳能为反应能量，节能环保，具有更高的能量利用效率；同时，将氢气的产生和分离一体化，简化了流程，并提高了反应转化率。

Description

太阳能透氢膜反应装置及使用方法
技术领域
本发明属于新能源及可再生能源技术领域，尤其涉及一种太阳能透氢膜反应装置及使用方法。
背景技术
氢气(H2)作为一种非常重要的能量载体和石油化工原料，在生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应等化工反应中拥有不可替代的位置。此外，氢气作为还原剂，被广泛用于电子工业中多晶硅的制备，以及冶金工业中金属氧化物的还原。另外，在食品加工工业中，氢气用于对许多天然不饱和食用油进行氢化处理，使所得产品可稳定贮存。氢气用途的多样性，使得氢气需求量较大。
现代工业制氢主要有两种方法，第一种是电解水制备氢气，即在充满电解质的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应分解成氢气和氧气，此方法工艺流程简单，运行稳定，操作简便。但电解水制氢需要消耗高品位的电能，制氢成本相对较高。第二种工业制氢方法为天然气重整制氢，反应温度一般为800℃，反应所需能量通常通过燃烧化石能源提供，此工艺存在氢气提纯工艺复杂、操作条件苛刻、设备设计制造要求高、消耗化石能源量较多等问题。
近年来，太阳能作为一种新兴的清洁可再生能源日益受到人们关注，其具有储量巨大、分布广泛等优势。虽然太阳能能流密度相对较低，但随着太阳能聚光技术以及太阳能集热器制造技术的快速发展，使得太阳能的利用方式和应用领域越来越广泛。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能透氢膜反应装置及使用方法。
本发明结合太阳能集热装置和热化学反应器，利用太阳能集热装置为热化学反应提供能量，同时利用选择性透氢膜对热化学反应中生成的氢气实时分离。
本发明太阳能透氢膜反应装置，包括太阳能集热装置和热化学反应器；
所述太阳能集热装置包括太阳能聚光装置和设于太阳能聚光装置下方的太阳能集热管；所述太阳能集热管从外向内依次为增透减反膜、透光玻璃管、金属吸热内管，所述增透减反膜涂覆于所述透光玻璃管外表面，所述透光玻璃管和所述金属吸热内管间形成密封的真空夹层；
所述热化学反应器设于所述金属吸热内管内；所述热化学反应器包括多孔陶瓷基底管，所述多孔陶瓷基底管外表面涂覆有选择性透氢膜；所述多孔陶瓷基底管和所述金属吸热内管间形成热化学反应通道，所述多孔陶瓷基底管内为氢气分离通道。
本发明太阳能集热装置中，太阳能聚光装置用来提高太阳能的能流密度。太阳能集热管用来将太阳能聚光装置聚焦的太阳能量转化为热能，为热化学反应器提供热化学反应所需要的能量。增透减反膜用来有效减小太阳能集热管对太阳光的反射率，增大太阳光的透过率，从而增大太阳能集热管对太阳光辐射能的吸收。透光玻璃管用来最大效率接收经过聚焦的太阳光，同时，与金属吸热内管间形成密封的真空夹层。真空夹层用来有效减小通过太阳能集热管的热对流和热传导所导致的能量损失，从而提高太阳能的利用效率。
本发明热化学反应器中，多孔陶瓷基底管起到支持作用，热化学反应原料气体通入热化学反应通道，在热化学反应通道内进行热化学反应，反应产物中的氢气通过选择性透氢膜透入到氢气分离通道内，从而实现氢气的选择性分离。
作为优选，所述氢气分离通道内设有载气管，通过所述载气管向所述氢气分离通道通入载气，以降低氢气分离通道内的氢气分压，从而保证选择性透氢膜两侧的氢气分压差，给氢气透过选择性透氢膜提供势能，提高氢气透过的速率。
所述载气管的一种具体形式为带喷嘴的射流式载气道，该射流式载气道喷出的高速射流气体可带走氢气分离通道内部分氢气，从而达到降低氢气分离通道内氢气分压的目的。
为便于调节载气管在氢气分离通道内位置，可将载气管设计为长度可调。
作为优选，所述氢气分离通道一端设有真空泵，通过真空泵对氢气分离通道进行抽真空，从而达到降低氢气分离通道内氢气分压的目的。
为了降低氢气分离通道内氢气分压，除了采用上述载气管和真空泵外，还可以直接从氢气分离通道端口向氢气分离通道吹扫载气，同样可以达到降低氢气分离通道内氢气分压，提高氢气透过速率的目的。
作为优选，所述太阳能集热管固定于所述太阳能聚光装置的焦线上，以获得能流密度最大的太阳能。
进一步的，所述选择性透氢膜可以为渗透率高、机械性能好的钯膜或钯合金膜、或Tb掺杂的BaCeO3钙钛矿中空纤维陶瓷膜、或Ni-BaCe0.6Zr0.2Nd0.2O3-δ金属陶瓷双相透氢膜、或对钨酸镧的铕(Eu)位与铼(Re)位进行双掺杂的压片膜。
进一步的，所述太阳能聚光装置为线性菲涅尔式太阳能聚光装置或槽式太阳能聚光装置。
本发明太阳能透氢膜反应装置的使用方法，包括：
调节太阳能聚光装置的聚光比，使热化学反应通道内温度达到热化学反应所需温度；
原料气体通入热化学反应通道，并在热化学反应通道进行反应；
热化学反应进行的同时，向氢气分离通道吹扫载气或抽真空，以分离氢气。
作为优选，所述热化学反应通道内填充有催化剂。
本发明将热化学反应器嵌入太阳能集热管内，并将嵌入了热化学反应器的太阳能集热管固定于太阳能聚光装置下方，根据太阳能集热温度与热化学反应温度的耦合关系，利用太阳能为热化学反应提供能量。反应原料气体通入热化学反应通道并在热化学反应通道内进行热化学反应。同时，反应产物中的氢气通过选择性透氢膜被选择性分离到氢气分离通道。通过对氢气分离通道进行载气吹扫或抽真空的方式，降低氢气分离通道内氢气分压，保证选择性透氢膜两侧的氢气分压差，从而实现氢气的快速透渗和分离。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明利用太阳能作为能源输入，通过选择性分离氢气使反应平衡向正向移动，从而可提高反应物转化率，降低反应温度，减少反应过程中的热辐射能量损失，节省镜场面积，节约成本。且同时实现了氢气的生产和分离的一体化，简化了氢气制备过程中氢气分离的工序步骤，操作简单，具有很好的应用前景。
本发明中，由于氢气的产生和分离可同时进行，从而提高了反应转化率。
附图说明
图1为本实施例中太阳能透氢膜反应装置的整体结构示意图；
图2为本实施例中太阳能透氢膜反应装置的横截面结构示意图。
图中，1-增透减反膜，2-透光玻璃管，3-金属吸热内管，4-选择性透氢膜，5-氢气分离通道，6-载气管，7-多孔陶瓷基底管，8-热化学反应通道，9-真空夹层，10-太阳能聚光装置。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
见图1～2，本具体实施方式中，太阳能透氢膜反应装置包括太阳能集热装置和热化学反应器。所述太阳能集热装置包括太阳能聚光装置10和设于太阳能聚光装置10下方的太阳能集热管；所述太阳能集热管从外向内依次为增透减反膜1、透光玻璃管2、金属吸热内管3，所述增透减反膜1涂覆于所述透光玻璃管2外表面，所述透光玻璃管2 和所述金属吸热内管3间形成密封的真空夹层9。所述热化学反应器设于所述金属吸热内管3内；所述热化学反应器包括多孔陶瓷基底管7，所述多孔陶瓷基底管7外表面涂覆有选择性透氢膜4；所述多孔陶瓷基底管7和所述金属吸热内管3间形成热化学反应通道8，所述多孔陶瓷基底管7内为氢气分离通道5。
为提高氢气透过的速率，进行热化学反应的同时，可向氢气分离通道内吹扫载气，载气可带出氢气分离通道内氢气，降低氢气分通道内氢气分压，保证选择性透氢膜两侧的氢气分压差，从而提高氢气透过的速率。更具体的，可直接从氢气分离通道端口向氢气分离通道内吹扫载气，或者将载气管插入氢气分离通道内。为便于调节，载气管可设计为长度可调。此外，还可以采用对氢气分离通道进行抽真空的方式，来降低氢气分通道内氢气分压。更具体的，在氢气分离通道一端设置真空泵。
本发明中，太阳能聚光装置主要用于提高太阳能的能流密度，并通过太阳能集热管将聚焦的太阳能量转化为热能，为热化学反应器提供热化学反应所需要的能量。具体应用时，将太阳能聚光装置的聚光透镜光滑面正对太阳，利用支架将嵌入了热化学反应器的太阳能集热管固定于太阳能聚光装置的焦线上，以获得能流密度最大的太阳能。
热化学反应器通过不锈钢支架固定于太阳能集热管的金属吸热内管内。太阳能集热管接收到的太阳能通过金属吸热内管被转化为热能，为热化学反应通道内原料气体进行热化学反应提供能量。为加快热化学反应速率，一种优选方案为，在热化学反应通道内填充热化学反应相应的催化剂。
热化学反应所产生的氢气通过选择性透氢膜，被选择性地从产物气体中分离，并透过多孔陶瓷基底管进入氢气分离通道。再通过对氢气分离通道进行载气吹扫或抽真空，将氢气分离通道内氢气分离出来。载气吹扫或抽真空可有效降低氢气分离通道内氢气的分压，从而保证选择性透氢膜两侧有足够的分压差，以提高氢气透过选择性透氢膜的速率。
本发明中，氢气的产生和分离可同时进行，从而提高了反应转化率。由于本发明热化学反应器降低了热化学反应的温度，从而可减小热辐射损失，提高太阳能利用效率。同时，由于热化学反应所耗能量来源于太阳能，从而节约了化石能源，清洁环保。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例，并参照附图对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例为甲烷水蒸气重整制氢的制备。
太阳能集热管安装于太阳能聚光装置的焦线上。在相同的转化率要求下，相比于传统的高温甲烷水蒸气重整制氢，本实施例中热化学反应温度可降低至300℃～400℃。本实施例中，太阳能聚光装置采用线性菲涅尔式太阳能聚光装置，其聚光比范围是30～100，其焦线上的太阳能集热管温度可达400℃。根据甲烷水蒸气重整反应所需温度与太阳能集热装置集热温度的耦合关系，可以将太阳能作为甲烷水蒸气重整反应的热量来源。热化学反应通道内填充具有良好催化效果和高温稳定性的Ru/ZrO2-La2O3作为催化剂，选择性透氢膜采用钯膜。
甲烷水蒸气重整制氢的反应方程式如下：
第一个反应方程式中化学反应的能量变化ΔHθ 298＝206.2kJ/mol；第二个反应方程式中化学反应的能量变化ΔHθ 298＝165kJ/mol。
本实施例中，将嵌入了热化学反应器的太阳能真空集热管固定于线性菲涅尔式太阳能聚光装置的焦线上，原料气甲烷和水蒸气以一定的流量被通入到热化学反应通道内并被金属吸热内管逐渐加热。同时，反应产物中氢气透过钯膜被选择性地从热化学反应通道分离至氢气分离通道。通过对氢气分离，热化学反应通道内氢气分压降低。根据勒夏特列平衡移动原理可知，反应平衡被打破并向生成氢气的方向进行，随着氢气分离通道的延长，氢气被不断分离，反应平衡被不断打破，从而可以高效地提高甲烷水蒸气的转化率。另外，为了保证钯膜内侧较低的氢气分压，以供氢气从钯膜材料晶格中析出，向氢气分离通道内通入一根载气管，反应进行时通过载气管通入惰性气体氩气，将氢气分离通道内氢气分离出系统。
需要说明的是，对实施例1而言，载气并不限于氩气，采用其他惰性气体同样可行。另外，也可以采用对氢气分离通道抽真空的方式进行氢气分离。
实施例2
本实施例为氨分解制氢反应，此反应也是一个吸热反应，反应方程式如下：
该反应中化学反应的能量变化ΔHθ 298＝92.4kJ/mol。本实施例中，以氨气为原料气，反应装置以及反应过程同实施例1，通过调整线性菲涅尔式太阳能聚光装置的聚光比来控制太阳能集热管的温度稳定在400℃。热化学反应通道内填充专门用于氨气催化反应的催化剂La1-xSrxNiO3。其他工艺条件参照实施例1。
综上所述，本装置通过将制氢反应的反应温度降低到与太阳能聚光集热装置温度相耦合，利用中低温太阳能技术，降低了热辐射损失，一方面提高了太阳能的利用效率，另一方面，对太阳能的利用不仅大大节约了化石能源，同时还保护了大气环境，符合可持续发展的要求。可以看到，本发明装置将氢气的产生和分离两个过程一体化，使得整个反应装置结构简单，反应流程顺畅，操作简便，具有很大的应用前景。
以上具体的实施例，对本发明的目的、技术方案以及有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，其只是本发明的具体实施例，但并不用于限制本发明，凡在本发明的原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.太阳能透氢膜反应装置，其特征是：
包括太阳能集热装置和热化学反应器；
所述太阳能集热装置包括太阳能聚光装置和设于太阳能聚光装置下方的太阳能集热管；所述太阳能集热管从外向内依次为增透减反膜、透光玻璃管、金属吸热内管，所述增透减反膜涂覆于所述透光玻璃管外表面，所述透光玻璃管和所述金属吸热内管间形成密封的真空夹层；
所述热化学反应器设于所述金属吸热内管内；所述热化学反应器包括多孔陶瓷基底管，所述多孔陶瓷基底管外表面涂覆有选择性透氢膜；所述多孔陶瓷基底管和所述金属吸热内管间形成热化学反应通道，所述多孔陶瓷基底管内为氢气分离通道。
2.如权利要求1所述的太阳能透氢膜反应装置，其特征是：
所述氢气分离通道内设有向氢气分离通道通入载气的载气管。
3.如权利要求2所述的太阳能透氢膜反应装置，其特征是：
所述载气管为带喷嘴的射流式载气管。
4.如权利要求2所述的太阳能透氢膜反应装置，其特征是：
所述载气管长度可调。
5.如权利要求1所述的太阳能透氢膜反应装置，其特征是：
所述氢气分离通道一端设有对氢气分离通道进行抽真空的真空泵。
6.如权利要求1所述的太阳能透氢膜反应装置，其特征是：
所述太阳能集热管设于所述太阳能聚光装置的焦线上。
7.如权利要求1所述的太阳能透氢膜反应装置，其特征是：
所述选择性透氢膜为钯膜、钯合金膜、钙钛矿中空纤维陶瓷膜、金属陶瓷双相透氢膜或压片膜。
8.如权利要求1所述的太阳能透氢膜反应装置，其特征是：
所述太阳能聚光装置为线性菲涅尔式太阳能聚光装置或槽式太阳能聚光装置。
9.权利要求1所述的太阳能透氢膜反应装置的使用方法，其特征是，包括：
调节太阳能聚光装置的聚光比，使热化学反应通道内温度达到热化学反应所需温度；
原料气体通入热化学反应通道，并在热化学反应通道进行反应；
热化学反应进行的同时，向氢气分离通道吹扫载气或抽真空，以分离氢气。
10.如权利要求9所述的使用方法，其特征是：
所述热化学反应通道内填充有催化剂。
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