太陽能熱化學(xué)處理系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求在2012年7月26日提交的名稱為"太陽能熱化學(xué)處理系統(tǒng)和方 法（SOLARTHERMOCHEMICALPROCESSINGSYSTEMANDMETHOD)" 的美國專利申請序列號 13/559, 127的優(yōu)先權(quán)，對其所有教導(dǎo)以其整體通過引用結(jié)合在此。
[0003] 關(guān)于聯(lián)邦資助的研宄或開發(fā)的聲明
[0004] 本發(fā)明在由美國能源部提供的合同DE-AC05-76RL01830下的政府支持下完成。政 府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明涉及太陽能熱化學(xué)反應(yīng)。更具體地，本發(fā)明涉及這樣的系統(tǒng)和方法，其利用 可得自太陽能集中器（solarconcentrator)的高溫?zé)?，從而增加反?yīng)流的化學(xué)能含量和/ 或改變反應(yīng)流的化學(xué)組成。
[0006] 發(fā)明背景
[0007] 對于集中式太陽能發(fā)電（concentratedsolarpower) (CSP)系統(tǒng)，能源部的目標(biāo) 包括：增加CSP在美國的使用，使得到2015年CSP在腰荷電力市場（intermediatepower market)中具有競爭力，以及開發(fā)使得CSP到2020年在基荷市場中具有競爭力的先進(jìn)技術(shù)。 CSP傳統(tǒng)上利用集中的太陽能驅(qū)動熱力發(fā)動機(jī)，如蘭金循環(huán)（RankineCycle)循環(huán)、布雷登 循環(huán)（BraytonCycle)和斯特林循環(huán)（StirlingCycle)循環(huán)，產(chǎn)生電力。傳統(tǒng)的CSP系統(tǒng) 具有在20-25%范圍內(nèi)的有限利用率，因為它們僅在可利用直射陽光時才產(chǎn)生電力。這限制 了將CSP用于產(chǎn)生基荷發(fā)電的能力。CSP系統(tǒng)的利用率可以通過將在收集器處接收到的能 量以能夠在以后的時間轉(zhuǎn)換為電力的形式儲存而增大。將太陽能作為顯熱或潛熱儲存是一 種選擇。
[0008] 另一種有前途的選擇是在熱化學(xué)反應(yīng)中將太陽能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能。在這種情況下， 能量儲存在化學(xué)產(chǎn)品中，并且此化學(xué)能可以在以后的時間在放熱化學(xué)反應(yīng)中作為用于發(fā)電 的熱釋放。此封閉型循環(huán)途徑的優(yōu)點在于，化學(xué)產(chǎn)品可以在環(huán)境溫度下儲存，簡化了運輸和 儲存的要求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在沒有能量衰減的情況下長期儲存。用于太陽熱能至化學(xué)能轉(zhuǎn) 換的開放型循環(huán)途徑也是可能的。例如，可以利用太陽能重整來在可以利用陽光時將燃料 流（如來自天然氣或生物質(zhì)的甲烷）的化學(xué)能含量提升，并且此提升的燃料流可以用來利 用熱力發(fā)動機(jī)或燃料電池產(chǎn)生電力。在不可利用直射陽光時，化石燃料或生物質(zhì)能量源仍 然可以用來利用相同的基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生電力。這樣的系統(tǒng)可以用于基荷發(fā)電，并且可以在可 用時以高轉(zhuǎn)換效率利用太陽能。熱化學(xué)能量轉(zhuǎn)換也可以使得CSP系統(tǒng)能夠利用工業(yè)廢熱產(chǎn) 生電力，以及用于其他市場（例如，運輸）的燃料。甲醇和長鏈烴是能夠由作為重整反應(yīng)器 的產(chǎn)物的合成氣生產(chǎn)的產(chǎn)物的實例。
[0009] 發(fā)明概述
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，公開了 一種太陽能熱化學(xué)處理系統(tǒng)（solar thermochemicalprocessingsystem)。該系統(tǒng)包括用于接收集中的太陽能的第一操作單 元（第一單元操作，firstunitoperation)，利用來自太陽能的熱來驅(qū)動所述第一操作單 元，其中所述第一操作單元還接收第一組反應(yīng)物并產(chǎn)生第一組產(chǎn)物。該系統(tǒng)還包括用于接 收來自所述第一操作單元的第一組產(chǎn)物并且用于產(chǎn)生第二組產(chǎn)物的第二操作單元。該系統(tǒng) 還包括用于接收來自所述第二操作單元的熱以產(chǎn)生一部分所述第一組反應(yīng)物的第三操作 單元。
[0011] 在一個實施方案中，第一操作單元是吸熱反應(yīng)器，第二操作單元是放熱反應(yīng)器，并 且第三操作單元是汽化器（vaporizer)。
[0012] 在一個實施方案中，吸熱反應(yīng)器是太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器或反向水煤氣變換反 應(yīng)器（reverse-watergasshiftreactor)。放熱反應(yīng)器是甲醇合成反應(yīng)器、費-托 (Fischer-Tropsch)反應(yīng)器、水煤氣變換反應(yīng)器或甲烷化反應(yīng)器。水煤氣變換反應(yīng)用于增加 合成氣流中的氫含量，如對于PEM燃料電池或其中所需產(chǎn)物是氫的化學(xué)工藝來說可能是期 望的。
[0013] 太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)部的通道容納有活性催化劑。第一組反應(yīng)物在該催化劑的 存在下發(fā)生反應(yīng)。
[0014] 在一個實施方案中，甲醇合成反應(yīng)器向汽化器提供熱并產(chǎn)生合成氣和甲醇。將合 成氣和甲醇通到（passto)分離器，在那里甲醇被回收。合成氣的組分可以用于通過燃燒 過程為熱力發(fā)動機(jī)提供熱和/或用于為燃料電池提供動力（供電，power)。
[0015] 在一些實施方案中，所述系統(tǒng)包括熱泵，所述熱泵用于從甲醇合成反應(yīng)器吸收熱 并向汽化器提供額外的熱。所述系統(tǒng)還包括換熱器，所述換熱器用于在反應(yīng)物進(jìn)入所述反 應(yīng)器中的至少一個之前對其進(jìn)行預(yù)熱，并且用于冷卻離開（exit)所述反應(yīng)器中的至少一 個的產(chǎn)物。
[0016] 換熱器可以是微通道或介孔通道（中通道，meso-channel)換熱器，并且可以具有 約85%的最小放熱效率（minimumexergeticefficiency)和約10瓦/cm3的最小傳熱功 率密度（minimumheattransferpowerdensity) 〇
[0017] 在本發(fā)明的另一個實施方案中，公開了一種生產(chǎn)燃料的方法。該方法包括將第一 組反應(yīng)物送入第一操作單元中以產(chǎn)生第一組產(chǎn)物，以及將所述第一組產(chǎn)物送入第二操作單 元中以產(chǎn)生第二組產(chǎn)物。該方法還包括利用來自第二操作單元的熱來加熱第三操作單元， 以產(chǎn)生所述第一組反應(yīng)物的一部分。使第二組產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)從而產(chǎn)生燃料。該方法還包 括在燃料生產(chǎn)中實現(xiàn)高于大約85%的碳利用率。
[0018] 在本發(fā)明的另一個實施方案中，公開了一種對太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器提供溫度控制 的方法。該方法包括：提供包含第一材料的太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器，所述第一材料具有進(jìn)口 和出口。該方法還包括提供多個流動機(jī)構(gòu)（flowmechanism)，其用于將進(jìn)口分別地連接至 (親接至，coupleto)至少一個出口。該方法還包括調(diào)節(jié)流動機(jī)構(gòu)以響應(yīng)于反應(yīng)器內(nèi)的條 件來控制流動通過進(jìn)口和至少一個出口的流體的比例。流動機(jī)構(gòu)可以具有與所述第一材料 不同的熱膨脹系數(shù)。
[0019] 在本發(fā)明的另一個實施方案中，公開了一種儲存太陽能的方法。該方法包括預(yù)熱 反應(yīng)物，然后將該反應(yīng)物導(dǎo)入第一吸熱反應(yīng)器中以產(chǎn)生第一組產(chǎn)物。該方法還包括冷卻第 一組產(chǎn)物，然后在第一放熱反應(yīng)器中使第一組產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)以產(chǎn)生第二組產(chǎn)物。來自放 熱反應(yīng)器的反應(yīng)的熱被用來產(chǎn)生所述第一組反應(yīng)物的一部分。該方法也包括分離第二組產(chǎn) 物，以使得燃料能夠被儲存。所述分離允許甲醇或長鏈烴被回收，其中未反應(yīng)合成氣被繼續(xù) 運送以為熱力發(fā)動機(jī)通過燃燒過程提供熱或為燃料電池提供動力。
[0020] 在本發(fā)明的另一個實施方案中，公開了一種發(fā)電的方法。該方法包括將反應(yīng)物預(yù) 熱，然后將該反應(yīng)物導(dǎo)入第一吸熱反應(yīng)器中以產(chǎn)生第一組產(chǎn)物。該方法還包括將第一組產(chǎn) 物冷卻，然后在第一放熱反應(yīng)器中使第一組產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)以產(chǎn)生第二組產(chǎn)物。來自放熱 反應(yīng)器的反應(yīng)的熱被用來產(chǎn)生所述第一組反應(yīng)物的一部分。該方法還包括分離第二組產(chǎn)物 以為熱力發(fā)動機(jī)和燃料電池中的至少一個提供熱。
[0021] 在另一個實施方案中，公開了一種對反應(yīng)物流的化學(xué)能含量提供太陽能增加 (augment)的方法。該方法包括從太陽能集中器加熱太陽能重整反應(yīng)器；將反應(yīng)物在進(jìn)入 反應(yīng)器之前進(jìn)行預(yù)熱；以及在反應(yīng)器中使反應(yīng)物在催化劑存在下發(fā)生反應(yīng)，從而以大于約 60%的太陽能-至-化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生產(chǎn)物流。產(chǎn)物流包括合成氣并且使該合成氣在化 學(xué)反應(yīng)器中反應(yīng)以產(chǎn)生燃料。該方法還可以包括將產(chǎn)物流在換熱器中冷卻并將經(jīng)冷卻的產(chǎn) 物流送至放熱反應(yīng)器，由此生產(chǎn)更高能量產(chǎn)品。
[0022] 在本發(fā)明的另一個實施方案中，公開了一種用于接收熱和實施反應(yīng)的太陽能 熱化學(xué)反應(yīng)器。該反應(yīng)器包括：太陽能接收前板；具有支撐肋（supportrib)和進(jìn)入口 (entranceport)的背板；歧管（集管，ma