一種基于光熱協(xié)同利用的太陽能甲烷重整反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】一種基于光熱協(xié)同利用的太陽能甲烷重整反應(yīng)器，屬于太陽能化學(xué)蓄能和甲烷催化重整等領(lǐng)域。該裝置是由石英套管反應(yīng)器、光束發(fā)生器、加熱爐、溫控儀以及熱電偶等器件組成。解決在利用太陽能進行甲烷重整反應(yīng)蓄能的過程中，太陽能僅作為熱源利用，而不能兼以光波直接作用于催化劑和反應(yīng)氣體加以利用的問題。本發(fā)明既可光催化又可熱催化。采用光束發(fā)生器來模擬太陽光提供光催化和熱催化的能源，套筒式的石英管反應(yīng)器用于放置整體式催化劑和原料氣的預(yù)熱與反應(yīng)，使用開合式的加熱爐、熱電偶和溫控儀作為石英管反應(yīng)器的支撐、保溫和溫度控制裝置，精確的控制反應(yīng)點的溫度。在新型整體式催化劑上的光熱協(xié)同作用可使甲烷和二氧化碳高效重整轉(zhuǎn)化為合成氣。
【專利說明】一種基于光熱協(xié)同利用的太陽能甲烷重整反應(yīng)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于光熱協(xié)同利用的太陽能甲烷重整反應(yīng)器，屬于太陽能化學(xué)蓄能和甲烷催化重整等相關(guān)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]對于甲烷重整反應(yīng)，從熱力學(xué)計算可知，在溫度達到600°C以上時，才有合成氣生成，且隨反應(yīng)溫度升高，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大，合成氣收率也提高。其高吸熱特性使得工業(yè)生產(chǎn)能耗很高，但此特性可被用于儲存太陽能、核能以及工業(yè)的高溫廢熱。太陽能是資源極為豐富的可再生能源。但是它有隨地理位置、天氣條件變化大的缺點。為了擴大太陽能的利用范圍，必需先聚集太陽能并轉(zhuǎn)變成適于長期保存和遠距離輸送的形式。利用太陽能加熱甲烷重整反應(yīng)制取合成氣，反應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為燃料的化學(xué)能，反應(yīng)后的產(chǎn)物熱值得以提升，同時使太陽能轉(zhuǎn)化為易儲存和利用的形式，解決了太陽能的不穩(wěn)定性問題。太陽能甲烷重整反應(yīng)所制取合成氣可通過管道遠程輸送，再經(jīng)可逆的放熱反應(yīng)釋放能量，從而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、貯存和輸送。所以太陽能甲烷重整反應(yīng)是開發(fā)利用太陽能的有效途徑，同時也對減少溫室氣體排放有重要意義。
[0003]而在太陽能甲烷重整反應(yīng)中，提升這一熱值所采用的反應(yīng)器通常為傳統(tǒng)的管式反應(yīng)器。反應(yīng)器是實現(xiàn)太陽能甲烷二氧化碳重整反應(yīng)的關(guān)鍵部件。反應(yīng)器的設(shè)計決定了太陽能提供能量的形式、甲烷的轉(zhuǎn)化率以及能量的轉(zhuǎn)換效率。目前大部分研究都集中在將太陽能作為單一熱源利用。其所采用的反應(yīng)器均為單一熱催化反應(yīng)器，而在這種單一熱催化反應(yīng)器中，太陽不直接加熱催化劑和反應(yīng)氣體，熱能首先被非透明的反應(yīng)器壁吸收，然后再傳輸給催化劑。由于催化劑層 和器壁之間存在熱阻，且催化劑的導(dǎo)熱性低而使得熱通量受到限制，即催化劑得不到足夠的熱量，從而導(dǎo)致甲烷和二氧化碳的轉(zhuǎn)化率較低，太陽能的儲能效率較低。而太陽能本質(zhì)上是光能，輻射光譜包括7 %的紫外線、47 %的可見光和46 %的紅外線，太陽能甲烷重整在進行熱催化反應(yīng)時，太陽能如果直接輻射催化劑和反應(yīng)氣體還可能引起光催化反應(yīng)使得反應(yīng)效率得到提高。在甲烷重整反應(yīng)中通常采用具有高活性的貴金屬作為催化劑，而如果考慮光助催化作用則可以開發(fā)能夠取代貴金屬并具有高活性的廉價的金屬氧化物或復(fù)合物作為催化劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是解決在現(xiàn)有太陽能甲烷重整反應(yīng)器，太陽能僅作為熱源利用，而不能以光波直接作用于催化劑和反應(yīng)氣體加以利用，導(dǎo)致甲烷重整轉(zhuǎn)化效率和太陽能儲能效率均較低的問題。本發(fā)明提供一種既可以進行光催化又可進行熱催化反應(yīng)的反應(yīng)器。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種基于光熱協(xié)同利用的太陽能甲烷重整反應(yīng)器，其特征在于:該裝置包括氣固石英管反應(yīng)器、光束發(fā)生器、加熱爐、溫控儀以及熱電偶；石英管反應(yīng)器放置于開合式的小型管式加熱爐內(nèi)；石英管反應(yīng)器設(shè)計為套筒式的反應(yīng)器，由內(nèi)管和外管組成，內(nèi)管的一端放置整體式催化劑，內(nèi)外兩管結(jié)合處設(shè)計為磨砂口 ；
[0007]石英管反應(yīng)器外管兩端設(shè)有兩處支管，分別為底部支管和上部支管；底部支管用于放置熱電偶，管末端采用橡膠塞封住保證氣密性；上部支管為混合原料氣的進口管，石英管反應(yīng)器的底部支管放置于預(yù)留在加熱爐開合處的小孔處，此支管用于放置熱電偶；熱電偶的末端穿過石英管的底部支管，放置于整體式催化劑處，直接測量反應(yīng)點的溫度，通過連接溫控儀對反應(yīng)溫度精確控制；光束發(fā)生器采用氙燈模擬太陽光，通過金屬反光鏡聚焦于石英管底部整體催化劑放置處。
[0008]進一步，石英管反應(yīng)器的中心線與加熱爐爐膛的中心線以及光束發(fā)生器的聚焦中心點均在同一中心線上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為基于光熱協(xié)同利用的太陽能甲烷重整反應(yīng)器的示意圖
[0010]圖2為反應(yīng)器中的石英管反應(yīng)的示意圖
[0011]圖3為開合式的加熱爐的示意圖
[0012]圖4為LaFeO3 (3%)-Al2O3 (10%)/AISI316整體式催化劑的有光和無光下的甲烷轉(zhuǎn)化率
[0013]圖5 為 LaFeO3(3%)-Al2O3(10%)/AISI316 整體式催化劑的 H2/C0 的比率【具體實施方式】[0014]石英管反應(yīng)器是套筒式的反應(yīng)器，由內(nèi)管和外管組成，這一設(shè)計主要用于整體式催化劑的安裝與拆卸。內(nèi)外兩管結(jié)合處設(shè)計為磨砂口，主要為保證反應(yīng)器的氣密性，防止反應(yīng)過程中漏氣。內(nèi)管的底部設(shè)計為直徑20_的圓盤，用于放置整體式催化劑，內(nèi)管整個為連同管，用于重整反應(yīng)后合成氣的排出。出氣口端管徑設(shè)計為直徑6mm，便于連接氣體管路，連接出口端的部件是直徑6mm~3mm的轉(zhuǎn)接頭,連接管路采用直徑3mm的塑料管連接。石英管外管有兩處支管，底部支管用于放置熱電偶，管末端采用橡膠塞封住保證反應(yīng)器的氣密性。上部支管為混合原料氣的進口管，兩支管設(shè)計為相距較遠，這一設(shè)計使得氣體進入石英管反應(yīng)器后還可以有一個充分混合的過程，令原料氣體比(CH4 = CO2)更加接近于1:1。
[0015]石英管反應(yīng)器放置于開合式的管式加熱爐內(nèi)。設(shè)計為開合式便于反應(yīng)器的拆卸。在開合處距離底部60mm處開一直徑IOmm的小孔，小孔是為放置石英管反應(yīng)器的底部支管，而石英管反應(yīng)器的上部支管則緊靠爐子外側(cè)。
[0016]熱電偶的末端穿過石英管的底部支管，放置于整體式催化劑處。這一設(shè)計可直接測量反應(yīng)點的溫度，并通過連接溫控儀對反應(yīng)溫度進行精確控制。
[0017]石英管反應(yīng)器的中心線與加熱爐爐膛的中心線以及光束發(fā)生器的聚焦中心點均在同一中心線上。光束發(fā)生器采用氙燈模擬太陽光，通過精密貴金屬反光鏡聚焦于石英管底部整體催化劑放置處，聚焦后的圓斑大小為直徑20_。從而可以直接作用于整體式催化劑和反應(yīng)氣體。
[0018]本發(fā)明適用于太陽能甲烷重整，實施方式以實驗室常壓下的太陽能甲烷重整進行實驗。參照圖1連接整個反應(yīng)器，以純度99.999%的CH4和純度99.999%的CO2作為反應(yīng)氣體，測量計算其在600°C、700°C、800°C、900°C溫度點時，模擬太陽光直射和非直射時的甲烷轉(zhuǎn)化率和h2/co的比率。具體實施方案如下:
[0019]將LaFeO3 (3%)-Al2O3 (10%)/AISI316整體式催化劑裝填在石英管底部整體式催化劑放置處，進氣口通入經(jīng)過混合器混合后的原料氣(CH4: CO2=1:1)，連接好其他所有管路并檢漏，確保無漏氣后進行升溫。開啟光束發(fā)生器用氙燈模擬太陽能，開合式加熱爐提供一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境且其具有保溫的作用。利用K型熱電偶分別控制溫度在600°C、70(TC、800°C、90(TC這些溫度點，穩(wěn)定30min后進行重整反應(yīng)。
[0020]工藝條件:原料氣流量均為10ml/min，反應(yīng)溫度控制在600°C、700°C、800°C、900°C這些溫度點，穩(wěn)定30min后進行重整反應(yīng)。 [0021]反應(yīng)結(jié)果:在氙燈模擬太陽光的條件下，甲烷轉(zhuǎn)化率在每個溫度點均高于單一熱催化反應(yīng)下的轉(zhuǎn)化率。圖4和圖5為本實例的測試結(jié)果圖。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光熱協(xié)同利用的太陽能甲烷重整反應(yīng)器，其特征在于:該裝置包括氣固石英管反應(yīng)器、光束發(fā)生器、加熱爐、溫控儀以及熱電偶；石英管反應(yīng)器放置于開合式的小型管式加熱爐內(nèi)；石英管反應(yīng)器設(shè)計為套筒式的反應(yīng)器，由內(nèi)管和外管組成，內(nèi)管的一端放置整體式催化劑，內(nèi)外兩管結(jié)合處設(shè)計為磨砂口 ；
石英管反應(yīng)器外管兩端設(shè)有兩處支管，分別為底部支管和上部支管；底部支管用于放置熱電偶，管末端采用橡膠塞封住保證氣密性；上部支管為混合原料氣的進口管，石英管反應(yīng)器的底部支管放置于預(yù)留在加熱爐開合處的小孔處，此支管用于放置熱電偶；熱電偶的末端穿過石英管的底部支管，放置于整體式催化劑處，直接測量反應(yīng)點的溫度，通過連接溫控儀對反應(yīng)溫度精確控制；光束發(fā)生器采用氙燈模擬太陽光，通過金屬反光鏡聚焦于石英管底部整體催化劑放置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光熱協(xié)同利用的太陽能甲烷重整反應(yīng)器，其特征在于石英管反應(yīng)器的中心線與加熱爐爐膛的中心線以及光束發(fā)生器的聚焦中心點均在同一中心線上。
【文檔編號】C01B3/26GK103738918SQ201310742774
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】桑麗霞, 王國瑞 申請人:北京工業(yè)大學(xué)