本發(fā)明屬于能源化工領(lǐng)域，具體涉及一種耦合太陽(yáng)能儲(chǔ)能和吸附強(qiáng)化甲烷水蒸氣重整的調(diào)度制氫系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、氫能是一種清潔、高效的二次能源，由于其儲(chǔ)量豐富和零碳排放潛力，近年來(lái)成為能源領(lǐng)域的重要研究方向。目前，工業(yè)制氫主要依賴于煤氣化、甲烷水蒸氣重整和水電解等技術(shù)。其中，甲烷水蒸氣重整因其具有較高的轉(zhuǎn)化效率和較低的制氫成本，被廣泛應(yīng)用。然而，這一傳統(tǒng)工藝需要消耗大量化石燃料，同時(shí)伴隨大量二氧化碳的排放，對(duì)環(huán)境造成較大壓力。隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨笤黾蛹疤贾泻湍繕?biāo)的提出，開(kāi)發(fā)能夠減少碳排放并結(jié)合可再生能源的高效制氫技術(shù)尤為重要。

2、吸附強(qiáng)化甲烷水蒸氣重整技術(shù)(se-smr)是近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的一種先進(jìn)制氫技術(shù)。通過(guò)吸附劑動(dòng)態(tài)移除反應(yīng)中生成的二氧化碳，該技術(shù)打破了反應(yīng)平衡的限制，從而顯著提高了氫氣產(chǎn)率和反應(yīng)效率。在現(xiàn)有研究中，鈣基材料(如cao)被廣泛用于吸附二氧化碳，其在高溫條件下發(fā)生碳酸化反應(yīng)(cao+co2→caco3)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳的高效捕獲。

3、太陽(yáng)能作為一種清潔可再生的能源，因其廣泛的可得性和低碳特性，逐步成為工業(yè)領(lǐng)域的重要能量來(lái)源。然而，太陽(yáng)能由于其間歇性和波動(dòng)性導(dǎo)致供能穩(wěn)定性較差，難以滿足工業(yè)上能源穩(wěn)定供應(yīng)需求?，F(xiàn)有研究中，太陽(yáng)能儲(chǔ)能技術(shù)可以解決這一問(wèn)題，包括潛熱儲(chǔ)能、顯熱儲(chǔ)能和熱化學(xué)儲(chǔ)能，其中以鈣基材料為介質(zhì)的熱化學(xué)儲(chǔ)能由于其價(jià)格低廉、儲(chǔ)熱密度高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于聚光式太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的穩(wěn)定儲(chǔ)存與供應(yīng)。

4、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)已分別在吸附強(qiáng)化甲烷水蒸氣重整制氫領(lǐng)域和太陽(yáng)能儲(chǔ)能發(fā)電領(lǐng)域都有大量研究，然而對(duì)于如何推動(dòng)可再生能源與吸附強(qiáng)化甲烷水蒸氣重整制氫技術(shù)結(jié)合的研究不足，因此探索將可再生能源高效應(yīng)用于制氫過(guò)程，是推動(dòng)這一領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的有效方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種耦合太陽(yáng)能儲(chǔ)能和吸附強(qiáng)化甲烷水蒸氣重整的調(diào)度制氫系統(tǒng)。

2、基于上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種耦合太陽(yáng)能儲(chǔ)能和吸附強(qiáng)化甲烷水蒸氣重整的調(diào)度制氫系統(tǒng)，包括反應(yīng)模塊、換熱模塊和儲(chǔ)存模塊；運(yùn)行模式分為日間模式和夜間模式；

4、所述反應(yīng)模塊包括煅燒反應(yīng)器、第一氣固分離器、第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器、第二氣固分離器、碳酸化反應(yīng)器、第三氣固分離器、第二吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器、第四氣固分離器，氣固分離器的入口皆與反應(yīng)器出口相連，第三氣固分離器和第四氣固分離器的兩個(gè)出口均與換熱器相連；所述換熱模塊包括12個(gè)換熱器和2個(gè)渦輪機(jī)，換熱器進(jìn)出口分別與氣固分離器出口和反應(yīng)器入口直接或間接相連，第一渦輪機(jī)入口與第七換熱器熱出口相連，第一渦輪機(jī)出口與co2高壓氣瓶入口相連，第二渦輪機(jī)入口與第十一換熱器冷出口相連，第二渦輪機(jī)出口與第十二換熱器冷入口相連；

5、在日間模式下，caco3固體在煅燒反應(yīng)器內(nèi)吸收聚光式太陽(yáng)能接收器產(chǎn)生的熱量煅燒生成cao固體和co2氣體，其中將一部分cao固體進(jìn)入第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器中生成caco3固體，再重新進(jìn)入煅燒反應(yīng)器中被煅燒，剩余的cao固體直接進(jìn)入cao儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，與此同時(shí)，第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器吸收太陽(yáng)能熱量，反應(yīng)器內(nèi)ch4和h2o反生反應(yīng)得到h2氣體；煅燒反應(yīng)器和第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器中產(chǎn)物攜帶的余熱通過(guò)第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器和第四換熱器回收利用；

6、在夜間模式下，co2高壓氣瓶中的高壓co2氣體進(jìn)入第二渦輪機(jī)中釋能發(fā)電，而后進(jìn)入碳酸化反應(yīng)器中與從cao儲(chǔ)罐中輸送的一部分cao固體發(fā)生碳酸化反應(yīng)釋放熱量，通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)物為甲烷水蒸氣重整反應(yīng)提供熱量；與此同時(shí)，從cao儲(chǔ)罐中輸送的剩余的cao固體直接進(jìn)入第二吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器參與反應(yīng)；另外，第一渦輪機(jī)和第二渦輪機(jī)所產(chǎn)生的電能通過(guò)電加熱的方式給第二吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器補(bǔ)充熱源，使反應(yīng)完全進(jìn)行。

7、進(jìn)一步地，所述煅燒反應(yīng)器用于接收塔式聚光太陽(yáng)能輻射使反應(yīng)物caco3顆粒吸熱分解為cao和co2，以化學(xué)能和顯熱形式儲(chǔ)存太陽(yáng)能，所述碳酸化反應(yīng)器與cao儲(chǔ)罐和co2高壓氣瓶間接相連，用于發(fā)生cao的碳酸化反應(yīng)，釋放以化學(xué)能形式儲(chǔ)存的能量，作為吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)能量來(lái)源，所述第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器和第二吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器用于甲烷水蒸氣重整制氫反應(yīng)，并利用氣固分離器與各反應(yīng)器出口處相連，將反應(yīng)產(chǎn)物氣相和固相分離，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

8、進(jìn)一步地，在日間模式下，煅燒反應(yīng)器產(chǎn)生的co2氣體進(jìn)入第一換熱器中與輸入系統(tǒng)的常溫液態(tài)水換熱，使之形成水蒸氣進(jìn)入第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器中，而后co2氣體繼續(xù)進(jìn)入第四換熱器中與輸入系統(tǒng)的ch4氣體換熱。

9、進(jìn)一步地，在夜間模式下，碳酸化反應(yīng)器內(nèi)cao和co2氣體發(fā)生反應(yīng)釋放熱量，以顯熱形式由產(chǎn)物caco3固體和反應(yīng)剩余的co2氣體帶出碳酸化反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)第三氣固分離器分離后分別通過(guò)第七換熱器和第八換熱器將碳酸化反應(yīng)釋放的熱量傳遞給輸入系統(tǒng)的h2o，為甲烷水蒸氣重整反應(yīng)提供熱量，而后分別儲(chǔ)存于caco3儲(chǔ)罐和co2高壓氣瓶。

10、進(jìn)一步地，所述煅燒反應(yīng)器煅燒生成cao固體進(jìn)入cao儲(chǔ)罐儲(chǔ)存和用于第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)的用量比為7：2；所述cao儲(chǔ)罐中的cao固體用于碳酸化反應(yīng)和用于第二吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)的用量比為3：2。

11、進(jìn)一步地，所述煅燒反應(yīng)器和碳酸化反應(yīng)器均為流化床反應(yīng)器，所述煅燒反應(yīng)器與聚光式太陽(yáng)能接收器相連，所述第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器和第二吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器均為固定床反應(yīng)器；所述換熱器均為逆流管殼式換熱器。

12、進(jìn)一步地，所述儲(chǔ)存模塊包括caco3儲(chǔ)罐、cao儲(chǔ)罐、co2高壓氣瓶、冷卻器和壓縮機(jī)；caco3儲(chǔ)罐一個(gè)入口與碳酸化反應(yīng)器出口之間依次經(jīng)過(guò)第三氣固分離器和第八換熱器間接相連，caco3儲(chǔ)罐另一個(gè)入口與第二吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器出口之間依次經(jīng)過(guò)第四氣固分離器、第九換熱器、第五換熱器和第六換熱器間接相連，caco3儲(chǔ)罐出口通過(guò)第二換熱器與煅燒反應(yīng)器頂部入口相連；cao儲(chǔ)罐入口依次通過(guò)第一氣固分離器、第一分流器與碳酸化反應(yīng)器出口間接相連，cao儲(chǔ)罐出口經(jīng)過(guò)第二分流器分別與碳酸化反應(yīng)器下部入口和第二吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器上部入口相連；冷卻器出口與壓縮機(jī)入口相連，壓縮機(jī)出口與co2高壓氣瓶其中一個(gè)入口相連，co2高壓氣瓶出口依次經(jīng)過(guò)第六換熱器和第十一換熱器與第二渦輪機(jī)相連。

13、進(jìn)一步地，所述caco3儲(chǔ)罐為常溫常壓儲(chǔ)存罐，cao儲(chǔ)罐為高溫常壓儲(chǔ)存罐，采用保溫隔熱儲(chǔ)罐，儲(chǔ)存溫度為700℃，co2高壓氣瓶為常溫高壓氣瓶，儲(chǔ)存壓力為75bar。

14、進(jìn)一步地，所述煅燒反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)介質(zhì)為固體碳酸鈣基材料；所述的碳酸化反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)介質(zhì)為固體氧化鈣基材料和二氧化碳?xì)怏w；所述的第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器和第二吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)介質(zhì)為甲烷氣體、液態(tài)水和固體氧化鈣顆粒，反應(yīng)器裝填的催化劑為ni基催化劑。

15、進(jìn)一步地，所述固體碳酸鈣基材料為固體碳酸鈣顆粒；所述固體氧化鈣基材料為固體氧化鈣顆粒。

16、進(jìn)一步地，在日間太陽(yáng)能充足情況下，第一吸附強(qiáng)化甲烷水蒸氣重整反應(yīng)器由太陽(yáng)能提熱源，在夜間無(wú)太陽(yáng)能時(shí)，第二吸附強(qiáng)化甲烷水蒸氣重整反應(yīng)器由碳酸化反應(yīng)器釋放的熱量提供熱源。

17、進(jìn)一步地，所述煅燒反應(yīng)器和第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器太陽(yáng)能輸入功率之和100mw；所述煅燒反應(yīng)器溫度為900℃，壓力為1bar；所述第一吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器和第二吸附強(qiáng)化甲烷重整反應(yīng)器內(nèi)ch4：h2o的比為體積比1：2，反應(yīng)溫度為650℃，反應(yīng)壓力為1bar。

18、進(jìn)一步地，cao儲(chǔ)罐內(nèi)的儲(chǔ)存溫度為700℃；co2高壓氣瓶?jī)?nèi)的儲(chǔ)存壓力為75bar。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

20、(1)系統(tǒng)在日間和夜間的兩種運(yùn)行模式有利于在陽(yáng)光充足時(shí)，將一部分太陽(yáng)能通過(guò)caco3煅燒反應(yīng)以化學(xué)能形式儲(chǔ)存，用作陽(yáng)光不足或夜間時(shí)甲烷重整制氫反應(yīng)的儲(chǔ)備熱源，克服了太陽(yáng)能存在的間歇性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能利用的可調(diào)度性，完成了高純度氫氣的連續(xù)制備。

21、(2)系統(tǒng)利用固體cao顆粒吸附強(qiáng)化甲烷水蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生的co2氣體，促進(jìn)氫氣生成的同時(shí)可得到高純度氫氣。

22、(3)系統(tǒng)利用換熱模塊，尤其是換熱模塊包括12個(gè)換熱器和2個(gè)渦輪機(jī)，換熱器進(jìn)出口分別與氣固分離器出口和反應(yīng)器入口直接或間接相連，第一渦輪機(jī)入口與第七換熱器熱出口相連，第一渦輪機(jī)出口與co2高壓氣瓶入口相連，第二渦輪機(jī)入口與第十一換熱器冷出口相連，第二渦輪機(jī)出口與第十二換熱器冷入口相連，形成換熱網(wǎng)絡(luò)回收利用物質(zhì)余熱，使系統(tǒng)的能量利用率大幅提升，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)節(jié)能。