CN216403847U - 一种光热耦合热化学制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种光热耦合热化学制氢系统，包括光热系统、储热系统、热力供应系统和热化学反应系统，所述光热系统聚光太阳能直接照射到储热系统中的储热介质上，所述储热介质直接吸收太阳辐射能，所述热力供应系统套设于所述热化学反应系统外侧，所述热力供应系统用于向所述热化学反应系统供热，通过光热系统和储热系统将太阳辐射能转化为热能，然后通过热力供应系统将热能供应到热化学反应系统进行热化学制氢，采用可再生能源发热与生物质热化学制氢相结合，在实现可再生能源利用的同时，也为生物质废物的资源化提供了方法。相比于光电制氢的方式，该方法为生物质废物产量大的地区提供了一种消纳生物质废物的资源化手段。
Description
技术领域
本申请涉及热化学制氢技术领域，尤其涉及一种光热耦合热化学制氢系统。
背景技术
H2是一种清洁能源，对于碳减排和碳中和目标的实现具有重要意义。目前90％的H2来自于化石燃料的重整反应，但是化石燃料不可再生，所以寻找化石能源的替代品尤为重要。生物质能可替代化石能源进行产氢反应，其具有可再生性，并且总量丰富。生物质能的潜力在2050年后，每年将高达500EJ。将生物质能转化为氢能的有效方式之一是热化学制氢，而热能又可以从光热系统得到，目前尚没有通过光热耦合热化学制氢的方式实现光能协同生物质能到氢能的转化。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的目的在于提出一种光热耦合热化学制氢系统，通过光热系统和储热系统将太阳辐射能转化为热能，然后通过热力供应系统将热能供应到热化学反应系统进行热化学制氢，采用可再生能源发热与生物质热化学制氢相结合，在实现可再生能源利用的同时，也为生物质废物的资源化提供了方法。相比于光电制氢的方式，该方法为生物质废物产量大的地区提供了一种消纳生物质废物的资源化手段。
为达到上述目的，本申请提出的一种光热耦合热化学制氢系统，包括光热系统、储热系统、热力供应系统和热化学反应系统，所述光热系统聚光太阳能直接照射到储热系统中的储热介质上，所述储热介质直接吸收太阳辐射能，所述热力供应系统套设于所述热化学反应系统外侧，所述热力供应系统用于向所述热化学反应系统供热，所述储热系统与所述热力供应系统通过供热管道和回流管道双向连接形成循环流路，所述储热系统用于提供高温储热介质到所述热力供应系统中，同时收集所述热力供应系统中回流的低温储热介质。
进一步地，所述光热系统为槽式系统、菲涅尔式系统、盘式系统或者塔式系统中的一种或几种。
进一步地，所述热化学反应系统为为气化炉、热解炉、立式炉、卧式炉、两段炉、三段炉中的一种或几种。
进一步地，所述热化学反应系统的上端具有进料口，所述进料口用于投入生物质或生物质废物。
进一步地，还包括气体纯化系统，所述热化学反应系统的上端具有出气口，所述气体纯化系统与所述热化学反应系统的出气口连通，所述气体纯化系统用于对所述热化学反应系统产出的气体进行纯化。
进一步地，所述储热介质为熔融碳酸盐、氯化钾、氟化钠或氯化钠中的一种。
进一步地，所述热力供应系统的温度在500℃-800℃之间。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请一实施例提出的一种光热耦合热化学制氢系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
图1是本申请一实施例提出的一种光热耦合热化学制氢系统的结构示意图。
参见图1，一种光热耦合热化学制氢系统，包括光热系统1、储热系统2、热力供应系统 3和热化学反应系统4，储热系统2可以为煅烧炉，煅烧炉里面注入储热介质，通过储热介质的相变实现光能和热能的转化。所述光热系统1聚光太阳能直接照射到储热系统中的储热介质上，所述储热介质直接吸收太阳辐射能，具体地，光热系统1可以围绕设置在储热系统 2的周围，将太阳光均匀地聚焦照射到储热系统2内的储热介质上，让太阳光子与储热介质直接作用，直接加热反应物颗粒，储热介质能够全光谱捕获与吸收太阳辐射能，实现太阳能体吸收，把太阳能转换为热能，驱动热化学反应，从而把太阳能转换为化学能。所述热力供应系统3套设于所述热化学反应系统4外侧，所述热力供应系统3用于向所述热化学反应系统4供热，当高温储热介质流进热力供应系统3后，高温储热介质通过热化学反应系统4的外侧壁直接对热化学反应系统4进行加热，使热化学反应系统4内的温度迅速升高，发生热化学反应。所述储热系统2与所述热力供应系统3通过供热管道和回流管道双向连接形成循环流路，所述热力供应系统3的上端具有分别与所述供热管道和所述回流管道连接的第一接口和第二接口，具体地，供热管道和第一接口连接，回流管道和第二接口连接，高温储热介质注入热力供应系统内，并从热力供应系统的上端流出，延长了高温储热介质在热力供应系统内的停留时间，能够充分对热化学反应系统进行加热，有助于热化学反应系统内的热化学反应发生。所述储热系统2用于提供高温储热介质到所述热力供应系统3中，同时收集所述热力供应系统3中回流的低温储热介质，储热介质在循环流路中不断流动，持续不断地为热化学反应系统进行供热，实现光能和热能的转化。
所述光热系统1为槽式系统、菲涅尔式系统、盘式系统或者塔式系统中的一种或几种，光热系统1的具体形式可以根据场地及用户要求进行确定，本申请对此不作限制，能够实现对太阳光能的有效收集即可。
所述热化学反应系统4为为气化炉、热解炉、立式炉、卧式炉、两段炉、三段炉中的一种或几种，热化学反应系统4的具体形式可以根据场地及用户要求进行确定，本申请对此不作限制，能够实现对生物质充分转化即可，本实施例中，优选为热解炉。
所述热化学反应系统4的上端具有进料口，所述进料口用于投入生物质或生物质废物，值得注意的是，反应物料生物质与催化剂同时投入，可以及时吸收热化学反应产生的CO2，把CO2转换为碳酸盐复合物，可以在热化学制氢的过程中实现碳减排的目标。
一种光热耦合热化学制氢系统还包括气体纯化系统5，所述热化学反应系统4的上端具有出气口，所述气体纯化系统5与所述热化学反应系统4的出气口连通，所述气体纯化系统 5用于对所述热化学反应系统4产出的气体进行纯化。纯化方式可以为变压吸附、变温吸附、膜分离法和金属氢化物法中的一种或几种，相应地，气体纯化系统可以为变压吸附制氢装置、低温吸附法制氢工业装置、膜分离法制氢装置和用金属氢化物提取超纯氢装置其中一种或几种。纯化后的氢气可用于质子交换膜燃料电池发电系统、固体氧化物燃料电池发电系统、熔融碳酸盐燃料电池发电系统、磷酸燃料电池发电系统中的一种或几种。
所述储热介质为熔融碳酸盐、氯化钾、氟化钠或氯化钠中的一种，本实施例中，优选为熔融碳酸盐，具有较好的储热能力，可以高效率、高能量密度存储太阳能。
所述热力供应系统3的温度在500℃-800℃之间。为热化学反应系统4热化学反应提高较佳地温度条件，具有较高的产气效率。
一种光热耦合热化学制氢方法，应用于上述的光热耦合热化学制氢系统，包括如下步骤：
通过光热系统1将太阳能转化为热能并储存在储热系统2的储热介质中；
将储热系统2中储热介质泵入热力供应系统3；
以热力供应系统3为热源将热化学反应系统4进行加热，热化学反应系统4中的生物质发生热化学反应并产出气体。
所述热化学反应为碱热反应。碱热反应后的气体产物不含碳氧化物，可以在热化学制氢的过程中实现碳减排的目标。
在所述碱热反应中，催化剂为碱金属氢氧化物。在碱热反应中，碱催化剂可以为以氢氧化钠为代表的第一主族碱金属氢氧化物，或者以氢氧化钙为代表的第二主族碱金属氢氧化物，催化剂的活性高，具有较高的催化效率。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种光热耦合热化学制氢系统，其特征在于，包括光热系统、储热系统、热力供应系统和热化学反应系统，所述光热系统聚光太阳能直接照射到储热系统中的储热介质上，所述储热介质直接吸收太阳辐射能，所述热力供应系统套设于所述热化学反应系统外侧，所述热力供应系统用于向所述热化学反应系统供热，所述储热系统与所述热力供应系统通过供热管道和回流管道双向连接形成循环流路，所述储热系统用于提供高温储热介质到所述热力供应系统中，同时收集所述热力供应系统中回流的低温储热介质。
2.如权利要求1所述的光热耦合热化学制氢系统，其特征在于，所述光热系统为槽式系统、菲涅尔式系统、盘式系统或者塔式系统中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的光热耦合热化学制氢系统，其特征在于，所述热化学反应系统为为气化炉、热解炉、立式炉、卧式炉、两段炉、三段炉中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的光热耦合热化学制氢系统，其特征在于，所述热化学反应系统的上端具有进料口，所述进料口用于投入生物质或生物质废物。
5.如权利要求1所述的光热耦合热化学制氢系统，其特征在于，还包括气体纯化系统，所述热化学反应系统的上端具有出气口，所述气体纯化系统与所述热化学反应系统的出气口连通，所述气体纯化系统用于对所述热化学反应系统产出的气体进行纯化。
6.如权利要求1所述的光热耦合热化学制氢系统，其特征在于，所述储热介质为熔融碳酸盐、氯化钾、氟化钠或氯化钠中的一种。
7.如权利要求1所述的光热耦合热化学制氢系统，其特征在于，所述热力供应系统的温度在500℃-800℃之间。
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