工程熱物理所高溫太陽能熱化學循環(huán)制備燃料氣研究獲進展

　　近日，中國科學院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實驗室發(fā)現(xiàn)了一種通過利用化石燃料(例如CH4)吸熱反應來回收等溫法熱化學循環(huán)反應器下游廢熱和未反應氣體(例如H2O或者CO2)的方法，并提出了基于甲烷重整的太陽能熱化學多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

　　利用聚光太陽能的熱量來驅(qū)動吸熱反應的熱化學循環(huán)是一種重要的太陽能儲能技術，二氧化鈰及其衍生物催化的兩步法熱化學循環(huán)由于其能夠?qū)2O和CO2有效分解為H2和CO而受到廣泛關注，而兩者均是生產(chǎn)氨氣、甲醇和液態(tài)碳氫燃料的重要原料。鈰基H2O和CO2分解過程如下：首先，利用太陽能在高溫條件下將金屬氧化物的化合價降低，釋放氧原子；接著水或者CO2在低溫下被降價的金屬或者金屬氧化物還原，生成H2和CO。太陽能熱化學等溫法的氧化反應和還原反應溫度一致，相比較而言，由于沒有溫差，利用氣相進行熱回收要比固體熱回收簡單。高效熱回收和降低能耗是提高等溫法熱化學循環(huán)效率的關鍵。氧化過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以上的換熱器技術尚未成熟，等溫法的氧化過程下游氣相混合物的能量無法得到充分利用。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，提出了一種通過利用化石燃料 (例如CH4) 吸熱反應來回收等溫熱化學反應器下游廢熱和未反應氣體(例如H2O或者CO2)的方法。等溫法氧化反應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。在等溫熱化學反應器下游整合化石燃料能夠進一步提高合成氣的產(chǎn)量和利用太陽能。與直接太陽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循環(huán)反應，這種新方法有生產(chǎn)單位熱值燃料低碳排放的優(yōu)點。在此基礎上，科研人員提出了基于甲烷重整的甲醇動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，進一步證明了化學熱回收方式的優(yōu)點。對于1600°C下的CO2和H2O的分解過程，新系統(tǒng)的太陽能到合成氣轉(zhuǎn)化效率分別為45.7% 和38.1%，而沒有甲烷整合且無熱回收的等溫法熱化學循環(huán)過程的效率僅為21.0%和6.4%。同時分解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合成過程。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)過程的能耗低，最佳太陽能到甲醇的轉(zhuǎn)換效率可高達44%以上。

　　上述工作得到了青年千人項目和創(chuàng)新交叉團隊項目的支持，相關研究成果已在國際期刊《應用熱工程》（Applied Thermal Engineering）上發(fā)表。