CN115353071A - 一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，换热器的一号入口用于通入CO2，换热器的一号出口与二氧化碳转化反应系统中的CO2入口连接；二氧化碳转化反应系统中的CO出口与换热器的二号入口连接，换热器的二号出口与水煤气变化反应器的CO入口连接，水煤气变化反应器的气体出口与气体分离器的入口连接，气体分离器的H2出口与H2收集装置连接，气体分离器的CO2出口与换热器的一号入口连接，一号太阳能聚光系统用于对焦炭室进行加热，二号太阳能聚光系统用于为二水煤气变化反应器进行供热。本发明耦合利用了可再生能源太阳能及温室气体二氧化碳，高效转化利用二氧化碳，过程能耗成本趋于零。转化得到的含一氧化碳也具有较高的利用价值。

Description

一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置
技术领域
本发明属于绿氢生产技术领域，具体涉及一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置。
背景技术
太阳能是一种没有污染、取之不尽、用之不竭的洁净能源，随着太阳能热技术的日趋成熟，太阳能的开发和利用正在融入人们的生产、生活之中。随着可持续发展战略在世界范围内的实施，太阳能的开发利用将被推到新的高度。至本世纪中叶，世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用。
近年来，光-化学转换逐渐受到重视。太阳能聚光化学转化技术主要利用聚集太阳光提供的光效应和热效应，通过光热耦合克服单纯高温的热化学过程中的高能量消耗，能够高效驱动化学反应，是当前太阳能利用的研究焦点，在能源和环境领域占据着重要价值。
同时，自从碳中和概念提出之后，如何减少二氧化碳排放，以及如何处置、利用二氧化碳便成了当下人们关注的焦点。目前，二氧化碳的处理和利用主要有食品利用、CCUS及工业加氢利用。但是，这几种方式都有明显的缺点，食品领域利用有限，CCUS目前的成本非常的高，工业加氢利用前提是有低成本的绿氢。
氢能具有广泛的应用场景。氢能作为一种来源广泛、低碳环保的二次能源，可广泛应用于交通运输、能源、工业等领域。既可通过燃料电池技术，应用于汽车、船舶、轨道交通等领域，有效降低长距离、高负荷交通对燃油燃气的依赖，推动交通终端用能清洁化；也可与电力、热力等能源品种实现互联互补，提高能源利用效率，并有效弥补电能存储性差的短板，有力支撑可再生能源发展；还可与炼化、钢铁、冶金等行业有机融合，在更大尺度上实现产业耦合，有效减少碳排放。传统的制氢工艺主要有天然气制氢、煤制氢及电解水制氢等，以上各种制氢方式都属于高耗能耗电的产业。生产成本高是阻碍绿氢发展的一大障碍，发电成本、电解槽设施成本是绿氢制取的两大成本要素。同时，未来大量氢能使用的情况下，氢能本身的制取也需要脱碳，目前主流制氢方式中，化石能源制氢与工业副产氢仍有碳排放，绿氢才是未来主流。
因而，如何利用可再生的太阳能高效地转化温室气体二氧化碳并清洁制取绿氢是研究人员关注的问题。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置。
为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，包括水煤气变化反应器、气体分离器、换热器、二氧化碳转化反应系统、一号太阳能聚光系统和二号太阳能聚光系统，所述换热器的一号入口用于通入CO2，所述换热器的一号出口与二氧化碳转化反应系统中的CO2入口连接；在所述二氧化碳转化反应系统中的焦炭室处设置有测温点，所述二氧化碳转化反应系统中的CO出口与换热器的二号入口连接，所述换热器的二号出口与水煤气变化反应器的CO入口连接，所述水煤气变化反应器上还设置有进水口，所述水煤气变化反应器的气体出口与气体分离器的入口连接，用于将水煤气变化反应器中产生的H2和CO2进行分离，所述气体分离器的H2出口与H2收集装置连接，所述气体分离器的CO2出口与换热器的一号入口以及CO2收集装置连接，所述一号太阳能聚光系统用于对焦炭室进行加热，所述二号太阳能聚光系统用于为二水煤气变化反应器进行供热。
进一步，所述一号太阳能聚光系统和二号太阳能聚光系统为菲涅尔透镜阵列系统。
再进一步，所述一号太阳能聚光系统和二号太阳能聚光系统中反光板的角度可根据太阳光角度变化而自动变化。
更进一步，所述一号太阳能聚光系统和二号太阳能聚光系统的照射温度可基于反光板的角度变化实现稳定控制。
更进一步，所述焦炭室的结构为上下端开口的倒圆锥筒结构、倒方锥筒结构、椭球筒结构、圆柱筒结构或球形结构，在所述的焦炭室的下端设有炉篦子。
更进一步，所述焦炭室所用焦炭为煤焦、沥青焦或石油焦中的任意一种。
更进一步，所述换热器的二号出口与净化系统的入口连接，所述净化系统的出口与水煤气变化反应器的CO入口连接。
更进一步，所述净化系统的出口还与CO收集装置连接。
更进一步，所述二氧化碳转化反应系统中的反应温度为770～1300℃。
更进一步，所述水煤气变化反应器中的反应温度为180～350℃。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
二氧化碳与碳化学反应过程为强吸热反应，耗能巨大；本发明耦合利用了可再生能源太阳能及温室气体二氧化碳，高效转化利用二氧化碳，过程能耗成本趋于零。转化得到的含一氧化碳具有较高的利用价值，可用于制取几乎所有的基础化学品，如氨、光气以及醇、酸、酐、酯、醛、醚、胺、烷烃和烯烃等。二氧化碳的化学转化利用有效减少了碳排放，助力国家双碳目标。同时，本发明基于可再生太阳能所制得的氢气为绿氢，在其生产过程中完全没有碳排放，从源头上实现了二氧化碳零排放，是纯正的绿色新能源。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明倒圆锥筒结构焦炭室的结构示意图；
图3为本发明倒方锥筒结构焦炭室的结构示意图；
图中，水煤气变化反应器—1、气体分离器—2、换热器—3、二氧化碳转化反应系统—5、一号太阳能聚光系统—6、二号太阳能聚光系统—7、焦炭室—8、测温点—9、H2收集装置—10、CO2收集装置—11、炉篦子—12、CO收集装置—13。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
如图1、图2所示，一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，包括水煤气变化反应器1、气体分离器2、换热器3、二氧化碳转化反应系统5、一号太阳能聚光系统6和二号太阳能聚光系统7，所述换热器3的一号入口用于通入CO2，所述换热器3的一号出口与二氧化碳转化反应系统5中的CO2入口连接；在所述二氧化碳转化反应系统5中的焦炭室8处设置有测温点9，所述二氧化碳转化反应系统5中的CO出口与换热器3的二号入口连接，所述换热器3的二号出口与净化系统4的入口连接，所述净化系统4的出口与CO收集装置13和水煤气变化反应器1的CO入口连接，所述水煤气变化反应器1上还设置有进水口，所述水煤气变化反应器1的气体出口与气体分离器2的入口连接，用于将水煤气变化反应器1中产生的H2和CO2进行分离，所述气体分离器2的H2出口与H2收集装置10连接，所述气体分离器2的CO2出口与换热器3的一号入口以及CO2收集装置11连接，所述一号太阳能聚光系统6用于对焦炭室8进行加热，所述二号太阳能聚光系统7用于为水煤气变化反应器1进行供热。
所述一号太阳能聚光系统6和二号太阳能聚光系统7为菲涅尔透镜阵列系统。所述一号太阳能聚光系统6和二号太阳能聚光系统7中反光板的角度可根据太阳光角度变化而自动变化。所述一号太阳能聚光系统6和二号太阳能聚光系统7的照射温度可基于反光板的角度变化实现稳定控制，所述二氧化碳转化反应系统5中的反应温度为770～1300℃，所述水煤气变化反应器1中的反应温度为180～350℃。
所述焦炭室8的结构为上下端开口的倒圆锥筒结构、倒方锥筒结构、椭球筒结构、圆柱筒结构或球形结构，在所述的焦炭室8的下端设有炉篦子12。所述焦炭室8所用焦炭为煤焦、沥青焦或石油焦中的任意一种。
工艺：在二氧化碳转化反应系统5的焦炭室8中装入焦炭，优选煤焦，也可以是沥青焦或石油焦。反应前，先向二氧化碳转化反应系统5中通入CO2，排出二氧化碳转化反应系统5及其气路中的空气，打开一号太阳能聚光系统6采集的太阳能，获得二氧化碳转化反应系统5所需要的热量，并对所获得的热量进行调节，获得用于焦炭室8还原二氧化碳所需要的热量，无外加其它能量来源。通过调节一号太阳能聚光系统6中反光板的角度使得焦炭室8内的温度为1000℃，待温度达到要求后，继续向二氧化碳转化反应系统5中持续通入CO2，在一号太阳能聚光系统6的照射下进行二氧化碳转化反应，反应后的炉灰及未参与反应的细小焦炭残杂从炉篦子12漏下收集。焦炭室8的温度可基于一号太阳能聚光系统6中反光板的角度变化实现稳定控制。
在焦炭室8中，进行二氧化碳的转化反应，二氧化碳与焦炭生成一氧化碳，生成的一氧化碳经换热器3的二号入口与来自换热器3一号入口的二氧化碳冷气进行热交换后，经换热器3的二号出口排出，对换热器3二号出口的一氧化碳浓度进行在线检测。达到稳定状态后，换热器3二号出口的一氧化碳先进入净化系统4除去硫砷等杂质，再进入水煤气变化反应器1与水进行水煤气变换反应，所述水煤气变换反应的温度为260℃，生成的氢气和二氧化碳进入气体分离器17进行气体分离；分离后，经H2收集装置10对氢气进行收集，二氧化碳则进入换热器3进行换热，并再次进入二氧化碳转化反应系统5循环利用；也可以经CO2收集装置11对二氧化碳进行收集。
所述焦炭室6内的反应温度还可为770℃、950℃、1100℃、1150℃、1300℃。所述水煤气变换反应的温度还可为108℃、200℃、300℃、350℃。
从换热器3二号出口出来的一氧化碳可以经CO收集装置13收集备用。
所述二氧化碳转化反应系统5中所用的二氧化碳来自于二氧化碳储罐，或者来自配套的二氧化碳捕集系统。
本发明二氧化碳转化反应系统5的补焦作业优选为间歇作业式，即在夜间补焦，保证白天用量，下部的焦炭在转化后，上部的焦炭下移。在加焦时进行真空处理或以其它方法将空气排除。
本发明二氧化碳转化反应系统5的补焦作业也可以是流水作业式，给焦炭室8配备自动加焦供给系统，根据太阳能的聚光强度适时调节加焦速率，并在加焦时进行真空处理或以其它方法将空气排除。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，其特征在于：包括水煤气变化反应器(1)、气体分离器(2)、换热器(3)、二氧化碳转化反应系统(5)、一号太阳能聚光系统(6)和二号太阳能聚光系统(7)，所述换热器(3)的一号入口用于通入CO2，所述换热器(3)的一号出口与二氧化碳转化反应系统(5)中的CO2入口连接；在所述二氧化碳转化反应系统(5)中的焦炭室(8)处设置有测温点(9)，所述二氧化碳转化反应系统(5)中的CO出口与换热器(3)的二号入口连接，所述换热器(3)的二号出口与水煤气变化反应器(1)的CO入口连接，所述水煤气变化反应器(1)上还设置有进水口，所述水煤气变化反应器(1)的气体出口与气体分离器(2)的入口连接，用于将水煤气变化反应器(1)中产生的H2和CO2进行分离，所述气体分离器(2)的H2出口与H2收集装置(10)连接，所述气体分离器(2)的CO2出口与换热器(3)的一号入口以及CO2收集装置(11)连接，所述一号太阳能聚光系统(6)用于对焦炭室(8)进行加热，所述二号太阳能聚光系统(7)用于为水煤气变化反应器(1)进行供热。
2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，其特征在于：所述一号太阳能聚光系统(6)和二号太阳能聚光系统(7)为菲涅尔透镜阵列系统。
3.根据权利要求2所述的一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，其特征在于：所述一号太阳能聚光系统(6)和二号太阳能聚光系统(7)中反光板的角度可根据太阳光角度变化而自动变化。
4.根据权利要求2所述的一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，其特征在于：所述一号太阳能聚光系统(6)和二号太阳能聚光系统(7)的照射温度可基于反光板的角度变化实现稳定控制。
5.根据权利要求1所述的一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，其特征在于：所述焦炭室(8)的结构为上下端开口的倒圆锥筒结构、倒方锥筒结构、椭球筒结构、圆柱筒结构或球形结构，在所述的焦炭室(8)的下端设有炉篦子(12)。
6.根据权利要求5所述的一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，其特征在于：所述焦炭室(8)所用焦炭为煤焦、沥青焦或石油焦中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，其特征在于：所述换热器(3)的二号出口与净化系统(4)的入口连接，所述净化系统(4)的出口与水煤气变化反应器(1)的CO入口连接。
8.根据权利要求7所述的一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，其特征在于：所述净化系统(4)的出口还与CO收集装置(13)连接。
9.根据权利要求1所述的一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，其特征在于：所述二氧化碳转化反应系统(5)中的反应温度为770～1300℃。
10.根据权利要求1所述的一种利用太阳能转化二氧化碳联产氢气的反应装置，其特征在于：所述水煤气变化反应器(1)中的反应温度为180～350℃。
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