[发明专利]一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统及方法

说明书

本发明涉及一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统及方法，该系统包括：热化学循环制氢模块：以水和氧化铈为原料实现热化学循环制氢，生成高温氢气和高温氧气；高温气体余热回收模块：接收热化学循环制氢模块生成的高温氢气和高温氧气进行发电；生物甲烷模块：以工业废气和经过余热回收的低温氢气为输入，以高温气体余热回收模块发电提供电压环境生成甲烷气体。与现有技术相比，本发明具有运行过程工艺简单、节能降耗、投资成本与运行成本较低、对环境友好，制得高品质、适合广泛应用的甲烷气体等优点。

技术领域

本发明涉及新能源利用技术领域，尤其是涉及一种太阳能热化学循环制氢的甲烷化系统及方法。

背景技术

为应对气候变化，2020年9月，中国在第75届联合国大会提出了2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。作为全球最大的发展中国家和碳排放国，处在工业化和城镇化快速发展的阶段，经济增长快，用能需求大，以煤为主的能源体系和高碳的产业结构，使我国碳排放总量和强度呈现‘双高’，要用不到10年时间实现碳达峰，再用30年左右时间实现碳中和，任务非常艰巨。化石能源大量开发和使用是碳排放问题的根源，加快推进清洁替代和电能替代，彻底摆脱化石能源依赖是实现我国碳达峰、碳中和的根本途径，因此，亟需建立清洁能源的利用、发展系统及方法。

在可持续清洁氢能源制备技术研究中，利用太阳能分解H₂O制氢的方法主要有电解、光解、热解三种主要方法，目前技术上可以利用的是电解和热解，光伏电解水制氢技术虽然应用上比较广泛，但成本偏高，与其相比，太阳能热化学循环制氢的成本降低主要驱动力是反应器的成本日益下降，在政策的驱动下其成本下降速度更快，所以人们对太阳能热化学循环制氢的关注度越来越高。

热化学循环分解水制氢体系包括金属氧化物体系热化学循环、含硫体系、硫酸分解法和金属-卤化物体系等，其中，金属氧化物体系的两步热化学循环分解水制氢方法因步骤简单、避免了气体分离问题和较高的过程效率，其中金属氧化物大部分采用ZnO。但存在的问题是：ZnO被还原后，产生的氧气如果没有及时分离，就会再次氧化生成ZnO，另外还原反应中，生成的ZnO会覆盖在Zn表面，影响反应速率，阻碍氢气的生成。主要的不可逆损失是二次辐射损失和淬火损失。

针对于该体系的缺点，Kanekoetal通过燃烧法制备了二氧化铈(CeO₂)－MO_X萤石结构固溶体复合氧化物。在1573－1773K下，发生还原反应，然后在1173K下进行热化学分解水制氢过程，氧化铈氧载体首先在高温T_H时发生还原反应，释放出氧气，可以采用惰性气体吹扫或者真空泵等方式获取较低的氧分压，

然后在温度为T_L时，被还原的氧化铈与H₂O发生氧化反应，在这个过程中释放H₂，则有：

复合氧化物有较好的制氢性能，避免使用淬火装置，而且有较低的分解温度。相比于氧化锌，二氧化铈对太阳辐射有着更好的吸收能力，但太阳能燃料转化效率未能提高的一个主要方面是由于没有进行热回收，氧化温度、还原温度都在1100k-1700k之间，反应后生成的气体随之携带大量热量，众多工程应用在将高温气体直接经过冷凝器达到降温的目的，会导致大量的能量白白浪费。

在目前已有的相关专利研究方面，中国专利CN201680033307.9“用于热量再生的处理系统和用于其运行的方法”解决了处理单元应在不同温度上被运行时，且在冷却的情形中获得的热量得以再生，这可实现降低热量损失且进而提高效率，但该方案未能将生成的气体分离而且未能体现出热化学循环制氢的间隙性加热。