[發明專利]一種甲烷低溫催化重整制取太陽能燃料的裝置和方法

有效

• 申請號: 201810035314.3
• 申請日: 2018-01-15
• 公開（公告）號: CN108455528B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 李清海;張衍國
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C01B3/48
• 分類號: C01B3/48
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

本發明公開了一種甲烷低溫催化重整制取太陽能燃料的裝置和方法。該裝置包括太陽能集熱器、催化重整反應器、熔鹽泵、蒸汽發生器，太陽能集熱器通過管道與熔鹽泵、蒸汽發生器、催化重整反應器串聯，形成環路。甲烷催化重整反應需要的熱能由太陽能集熱器吸收，將熱能傳遞給熔鹽，熔鹽作為傳熱介質，在太陽能集熱器、蒸汽發生器、催化重整反應由管導串聯形成的環路中流動傳遞熱量，周而復始，不斷將太陽熱能轉移到“太陽燃料”中，以化學能形式存儲起來。本發明簡便易行，經濟可靠。

技術領域

本發明涉及太陽能和燃燒技術領域，尤其涉及一種利用甲烷低溫催化重整制取富氫高熱值的“太陽能燃料”的技術，特別適合于在太陽能豐富的地區將太陽能富集、存儲和集中利用。

背景技術

能源是人類發展生存的根本保證，隨著經濟的發展、人口增長，能源的消耗量與日劇增，化石能源面臨枯竭。做一個簡單的猜測：地球直徑12000km，表面積為4.52×10¹⁴m²，假設地球表面都都覆蓋著8m厚的厚煤層，則地球的煤炭儲量約為4.34×10¹⁵t。目前，每年全球約消耗200億噸煤炭，則基于此假設情景的煤炭尚可供人類消耗21萬年。如果不是8m厚煤層，只是1m厚的薄煤層，則減少為2.7萬年；如果再假設海洋內的煤層無法開采，則進一步減少為7800年；再考慮其他折減因素，就可能減少到1000年以內！從以上的估算可以看出，化石能源的大量開發和利用，不可逆轉地使之終將枯竭。事實上，據2012年BP能源統計，按照儲采比R/P估算，全世界的天然氣只還夠利用56年，石油還只夠利用53年，煤炭還可以利用110年。不管是否是杞人憂天，解決能源危機問題的確迫在眉睫！

要解決未來人類的能源利用問題就要大力發展新能源、清潔能源，用新能源替代舊能源是必然趨勢。太陽能以其獨特的儲量“無限性”、存在的普遍性、開發利用的清潔性，在未來的能源結構中占有重要之地。我國陸地每年接收的太陽輻射總量相當于2.4×10⁴億噸標準煤，約相當于為我國年均能源消耗的600倍，即只要有1/600的太陽能被利用起來，就可以解決我國的能源供給問題。利用太陽能，將水、二氧化碳、碳氫化合物等轉變為燃料，不僅能消除二氧化碳的影響，而且可以使碳資源有效循環起來。但是，太陽能的不連續、能流密度低等缺點制約了自身的發展。因此，尋找新的能源利用方式，特別是化石能源與可再生的太陽能互補利用、太陽能的存儲成為研究和開發熱點。

太陽能在利用時通常需要將其轉換成其它形式的能源，目前最廣泛應用的轉換方式是光熱轉換。太陽能的收集器一般為各種聚光器，從平板式、真空管式等低溫集熱器到槽式、碟式、塔式等高溫集熱器，將太陽能提升到更高的品位。為解決太陽能量周期性變化的問題，可以采用蓄能的手段或者與常規能源綜合互補使用。目前一般的做法是在太陽能與燃料(包括電力)在各自獨立基礎上的功能互補，即在太陽能達不到所需溫度或無太陽能可用的時候(陰天、夜晚)由燃料供給。這種互補系統僅是太陽能與化石燃料的簡單疊加，無法提高太陽能的利用強度。利用化學反應，將富集的太陽的熱能轉化為燃料，則可現實太陽能向太陽能燃料的轉化，而太陽能燃料具有可轉運、可集中使用、能量密度高的優點，可在太陽能豐富的沙漠等地區生產太陽能燃料，然后轉運到能源利用的終端消費地進行使用。

中國專利CN101042261A公布了一種將太陽能轉換為燃料化學能的方法和及裝置，利用150-300℃的太陽熱能分解甲醇或者二甲醚等液體燃料，從而生產富含氫氣和一氧化碳的太陽能燃料。中國專利CN103803491A公布了中低溫太陽能與化石燃料熱化學互補的系統與方法，首先利用太陽能和甲醇、乙醇、二甲醚等生產富氫太陽能燃料，然后太陽能燃料用來發電。液體燃料的能量密度高，利用能量密度高的燃料生產氣體燃料會降低燃料密度，因而亟需開發在低溫條件下以氣體為原料生產太陽能燃料的技術。

發明內容

本發明充分考慮太陽能集熱裝置的經濟運行溫度、甲烷重整反應的溫度特征、催化劑活性等，提出一種甲烷低溫催化重整制取太陽能燃料的裝置和方法。采用本裝置和方法，可以將太陽能集熱器接收的熱能轉化為燃料的化學能，從而生產太陽能燃料。