工程熱物理所高溫太陽(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)制備燃料氣研究獲進(jìn)展

　　近日，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一種通過(guò)利用化石燃料(例如CH4)吸熱反應(yīng)來(lái)回收等溫法熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)器下游廢熱和未反應(yīng)氣體(例如H2O或者CO2)的方法，并提出了基于甲烷重整的太陽(yáng)能熱化學(xué)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

　　利用聚光太陽(yáng)能的熱量來(lái)驅(qū)動(dòng)吸熱反應(yīng)的熱化學(xué)循環(huán)是一種重要的太陽(yáng)能儲(chǔ)能技術(shù)，二氧化鈰及其衍生物催化的兩步法熱化學(xué)循環(huán)由于其能夠?qū)2O和CO2有效分解為H2和CO而受到廣泛關(guān)注，而兩者均是生產(chǎn)氨氣、甲醇和液態(tài)碳?xì)淙剂系闹匾?。鈰基H2O和CO2分解過(guò)程如下：首先，利用太陽(yáng)能在高溫條件下將金屬氧化物的化合價(jià)降低，釋放氧原子；接著水或者CO2在低溫下被降價(jià)的金屬或者金屬氧化物還原，生成H2和CO。太陽(yáng)能熱化學(xué)等溫法的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)溫度一致，相比較而言，由于沒(méi)有溫差，利用氣相進(jìn)行熱回收要比固體熱回收簡(jiǎn)單。高效熱回收和降低能耗是提高等溫法熱化學(xué)循環(huán)效率的關(guān)鍵。氧化過(guò)程下游的氣相混合物包含大量的顯熱，回收這些熱量能夠用于加熱供給側(cè)的CO2和H2O原料。

　　目前，1100­oC以上的換熱器技術(shù)尚未成熟，等溫法的氧化過(guò)程下游氣相混合物的能量無(wú)法得到充分利用。工程熱物理所科研人員研究了取代換熱器的直接換熱方式，提出了一種通過(guò)利用化石燃料 (例如CH4) 吸熱反應(yīng)來(lái)回收等溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)器下游廢熱和未反應(yīng)氣體(例如H2O或者CO2)的方法。等溫法氧化反應(yīng)后的混合氣體溫度能夠降低至600-850°C且混合氣體的熱值能夠提高。在等溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)器下游整合化石燃料能夠進(jìn)一步提高合成氣的產(chǎn)量和利用太陽(yáng)能。與直接太陽(yáng)能重整或直接燃燒相同的化石燃料相比，由于合并了上游的等溫法熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)，這種新方法有生產(chǎn)單位熱值燃料低碳排放的優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，科研人員提出了基于甲烷重整的甲醇動(dòng)力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，進(jìn)一步證明了化學(xué)熱回收方式的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于1600°C下的CO2和H2O的分解過(guò)程，新系統(tǒng)的太陽(yáng)能到合成氣轉(zhuǎn)化效率分別為45.7% 和38.1%，而沒(méi)有甲烷整合且無(wú)熱回收的等溫法熱化學(xué)循環(huán)過(guò)程的效率僅為21.0%和6.4%。同時(shí)分解CO2和H2O與甲烷重整相結(jié)合能夠獲取可調(diào)的CO/H2 比例以滿足不同的化學(xué)合成過(guò)程。生產(chǎn)單位質(zhì)量的甲醇需要的化石燃料消耗大約為22GJ/ton，比目前典型的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的能耗低，最佳太陽(yáng)能到甲醇的轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)44%以上。

　　上述工作得到了青年千人項(xiàng)目和創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的支持，相關(guān)研究成果已在國(guó)際期刊《應(yīng)用熱工程》（Applied Thermal Engineering）上發(fā)表。