Jump to content

Термохимические циклы на основе Церерии

- Термохимический цикл на основе CERIA это тип двухэтапного термохимического цикла , который использует в качестве кислорода-оксидов церия (оксиды церия (оксид. / ) для производства синтетического топлива, таких как водород или синтез . [ 1 ] Эти циклы способны получить любой водород ( ) от расщепления молекул воды ( ), или также синтез, которая представляет собой смесь водорода ( ) и угарный окись ( ), также разделяя углекислый газ ( ) молекулы рядом с молекулами воды. [ 2 ] Этот тип термохимических циклов в основном изучается для концентрированных солнечных применений. [ 3 ]

Основная незвездометрическая схема цикла Церии. Защитный газ может быть заменен вакуумным насосом.

Типы циклов

[ редактировать ]

Эти циклы основаны на двухэтапном окислительно -восстановительном термохимическом цикле. На первом этапе оксид металла , такой как CERIA , уменьшается, обеспечивая тепло для материала, освобождая кислород . На втором этапе поток пара окисляет ранее полученную молекулу обратно в свою стартовое состояние, поэтому закрывает цикл. [ 1 ] В зависимости от стехиометрии реакций, которая является соотношением реагентов и продуктов химической реакции, эти циклы могут быть классифицированы в двух категориях. [ 4 ]

Стоихиометрический Цикл Цериал

[ редактировать ]

Цикл Stoichiometric Ceria использует оксид церия (IV) (оксид (IV) ( ) и оксид церия (III) ( ) пары оксида металла в виде носителей кислорода. [ 5 ] Этот цикл состоит из двух шагов:

Шаг восстановления , чтобы освободить кислород ( ) из материала:

И стадия окисления , чтобы разделить молекулы воды на водород ( ) и кислород ( ) и/или молекулы углекислого газа ( ) в угарном окиси ( ) и кислород ( ):

  • Реакция на производство водорода:
  • Реакция на производство угарного газа:

Стадия восстановления - это эндотермическая реакция , которая происходит при температуре около 2300 К (2 027 ºC), чтобы обеспечить достаточное сокращение. Чтобы улучшить снижение материала, требуется низкое частичное давление кислорода. Чтобы получить эти низкие частичные давления , существует две основные возможности, либо путем вакуумной камеры реакторной камеры, либо с использованием химически инертного газа, такого как азот (азот ( ) или аргона ( ). [ 5 ]

С другой стороны, этап окисления представляет собой экзотермическую реакцию , которая может происходить в значительном диапазоне температур, от 400 ºC до 1000ºC. [ 6 ] В этом случае, в зависимости от полученного топлива, поток пара, углекислый газ или смесь обоих вводится в реакционную камеру для водорода, монооксида углерода или производства сингаза соответственно. Разница температур между двумя этапами представляет собой проблему для восстановления тепла, поскольку существующие твердые до твердых теплообменников не являются высокоэффективными. [ 7 ] [ 8 ]

Тепловая энергия, необходимая для достижения этих высоких температур, обеспечивается концентрированным солнечным излучением. Из -за высокого коэффициента концентрации, необходимого для достижения этих высоких температур, основными используемыми технологиями являются концентрация солнечных башен (CST) или параболических блюд . [ 3 ]

Основным недостатком цикла стехиометрического церия заключается в том, что температура реакции восстановления оксида (IV) (IV) (IV) (IV) (IV) (IV) (IV) (IV) ) находится в том же диапазоне температуры плавления (1 687–2,230 ºC) оксида церия (IV) ( ), [ 5 ] что, в конце концов, приводит к некоторому плавлению и сублимации материала, который может создавать сбои реактора, такие как осаждение в окне или спекание частиц .

Нестучиометрический цикл Церии

[ редактировать ]

Нестучиометрический цикл Ceria использует только оксид церия (IV) , и вместо того, чтобы полностью сводить его к следующей молекуле окисления, он выполняет частичное восстановление. Количество этого сокращения обычно выражается в качестве снижения и обозначается как Полем Таким образом, путем частичного уменьшения CERIA, в материале создаются кислородные вакансии. [ 9 ] Два шага сформулированы как таковые:

Реакция восстановления :

Реакция окисления :

  • Для производства водорода:
  • Для производства угарного газа:

Основным преимуществом этого цикла является то, что температура снижения ниже, около 1773 К (1500ºC), что облегчает высокую температуру некоторых материалов и избегает определенных проблем, таких как сублимация или спекание. [ 9 ] Температура выше этого приведет к снижению материала до следующей молекулы окисления, которой следует избегать.

Чтобы уменьшить тепловые потери цикла, необходимо оптимизировать разницу температур между камерами восстановления и окисления. Это приводит к частично окисленным состояниям, а не к полному окислению церии. Из -за этого химическая реакция обычно экспрессируется с учетом этих двух сокращений: [ 4 ]

Реакция восстановления:

Реакция окисления:

  • Для производства водорода:
  • Для производства угарного газа:

Основным недостатком этих циклов является низкая протяженность снижения из-за низкой нестехиометрии, следовательно, оставляя меньше вакансий для процесса окисления, что в конце концов приводит к снижению скорости производства топлива. [ 10 ]

Из -за свойств Ceria изучаются другие материалы, в основном перовскиты на основе Ceria, для улучшения термодинамических и химических свойств оксида металла. [ 11 ] [ 12 ]

Управляемый метаном нестехиометрический цикл Цериал

[ редактировать ]

Поскольку температура, необходимые для достижения снижения материала, значительно высоки, снижение оксида церия может быть повышено, обеспечивая метатан для реакции. Это значительно снижает температуру, необходимые для достижения снижения церии, в диапазоне от 800 до 1000 ºC, а также производит синтез-синтез в восстановительном реакторе. [ 13 ] В этом случае реакция восстановления заключается в следующем:

Основными недостатками этого цикла является осаждение углерода на материале, которое в конечном итоге деактивирует его после нескольких циклов и необходимо заменить, и приобретение метана.

Типы реакторов

[ редактировать ]

В зависимости от типа и топологии реакторов, [ 10 ] Циклы будут функционировать либо в непрерывном производстве, либо в производстве партии. Существует два основных типа реакторов для этих специфических циклов:

Монолитные реакторы

[ редактировать ]
Монолитный Ceria Reactor для цикла, управляемого метаном. Концентрированное солнечное излучение попадает в полость через кварцевое окно и нагревает RPC, запуская реакцию снижения при повышении температуры. В этом случае метан входит в полость через впускные порты во время сокращения. [ 14 ]

Этот тип реакторов состоят на кусочке твердого материала, который формируется как сетчатая пористая пена (RPC) в другом, чтобы увеличить как площадь поверхности, так и проникновение солнечного излучения. [ 15 ] [ 16 ] Эти реакторы формируются как приемники полости, чтобы уменьшить тепловые потери из -за рерадиации. Они обычно учитываются в окне кварца (слитого кремнезема), чтобы позволить солнечному излучению внутри полости. [ 17 ]

Поскольку оксид металла является твердой структурой, обе реакции должны быть выполнены в одном и том же реакторе, что приводит к прерывистому производству, выполняя один шаг за другим. Чтобы избежать этого остановок во время производства, могут быть организованы несколько реакторов для приближения к непрерывному производству. Обычно это называется партийным процессом. Намерение состоит в том, чтобы всегда иметь одну или несколько реакторов, работающих на стадии окисления одновременно, следовательно, всегда генерируя водород. [ 18 ]

Изучаются некоторые новые концепции реактора, в которых RPC могут быть перемещены из одного реактора в другой, чтобы иметь один единственный восстановительный реактор. [ 19 ]

Твердые частицы реакторы

[ редактировать ]

Этот тип реакторов пытается решить проблему разрыва цикла, используя твердые частицы оксида металла вместо наличия твердых структур. Эти частицы могут быть перемещены от восстановительного реактора в реактор окисления, что позволяет непрерывному производству топлива. Многие типы реакторов работают с твердыми частицами, от свободных падающих приемников до упакованных слоев , псевдоожиженных слоев или вращающихся печей . [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

Основным недостатком этого подхода является то, что из -за достигнутых высоких температур твердые частицы подвержены спеканию, который представляет собой процесс, при котором мелкие частицы тают и прилипают к другим частицам, создавая большие частицы, что уменьшает их площадь и площадь трудный процесс транспорта.

Смотрите также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а беременный Ле Гал, Алекс; Джульбе, Энн; Абанадс, Стефан (январь 2023 г.). «Термохимическая активность одно- и двухфазных оксидных соединений на основе Ceria, ферритов и перовскитов для двухэтапного производства синтетического топлива» . Молекулы . 28 (11): 4327. doi : 10.3390/molecules28114327 . ISSN   1420-3049 . PMC   10254557 . PMID   37298803 .
  2. ^ Фурлер, Филипп; Шефф, Джонатан Р.; Steinfeld, Aldo (2012). «Производство Syngas путем одновременного расщепления H2O и CO 2 с помощью окислительно-восстановительных реакций Ceria в высокотемпературном солнечном реакторе» . Энергетическая среда. Наука 5 (3): 6098–6103. doi : 10.1039/c1ee02620h . ISSN   1754-5692 .
  3. ^ Jump up to: а беременный Сместад, Грег П.; Steinfeld, Aldo (2012-09-19). «Обзор: фотохимическое и термохимическое производство солнечного топлива от H 2 O и CO 2 с использованием катализаторов оксида металлов» . Исследования промышленной и инженерной химии . 51 (37): 11828–11840. doi : 10.1021/IE3007962 . ISSN   0888-5885 .
  4. ^ Jump up to: а беременный Лу, ты -джун; Чжу, Лия; Аграфиотис, Христос; Вьетен, Джосуа; Роуб, Мартин; Саттлер, Кристиан (ноябрь 2019). «Производство солнечного топлива: двухэтапные термохимические циклы с оксидами на основе церия» . Прогресс в области энергии и сжигания . 75 : 100785. Bibcode : 2019pecs ... 7500785L . doi : 10.1016/j.pecs.2019.100785 .
  5. ^ Jump up to: а беременный в Абанадс, Стефан; Flamant, Жиль (декабрь 2006 г.). «Термохимическое производство водорода из двухступенчатого солнечного цикла расщепления воды на основе оксидов церия» . Солнечная энергия . 80 (12): 1611–1623. Bibcode : 2006soen ... 80.1611a . doi : 10.1016/j.solener.2005.12.005 .
  6. ^ Гокон, Нобуюки; Сагава, Сачи; Кодама, Тацуя (ноябрь 2013 г.). «Сравнительное исследование активности оксида церия при температурах термического восстановления 1300–1550 ° C для солнечного термохимического двухступенчатого цикла расщепления воды» . Международный журнал водородной энергии . 38 (34): 14402–14414. Bibcode : 2013ijhe ... 3814402g . doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.08.108 .
  7. ^ Аграфиотис, Христос; Пейн, Матиас; Giasafaki, Dimitra; Тескари, Стефания; Роуб, Мартин; Саттлер, Кристиан (2019-04-01). «Солнечная термохимия на основе окислительно-восстановительных оксидов и ее материализация с концепциями реактора/теплообменника для эффективного сбора, трансформации и хранения солнечной энергии» . Журнал солнечной энергии . 141 (2). doi : 10.1115/1.4042226 . ISSN   0199-6231 .
  8. ^ Бренделбергер, Стефан; Хольцемер-Рэнерхусен, Филипп; фон Сторх, Хенрик; Саттлер, Кристиан (2019-04-01). «Оценка эффективности системы резубции тепла для монолитных приемника-реакторов» . Журнал солнечной энергии . 141 (2). doi : 10.1115/1.4042241 . ISSN   0199-6231 .
  9. ^ Jump up to: а беременный Чуэ, Уильям С.; Смешиваться, Кристоф; Эббот, Мэнди; Scipio, Danien; Фурлер, Филипп; Haile, Sossina M.; Steinfeld, Aldo (2010-12-24). «Термохимическая диссоциация с высоким содержанием солнечной энергии CO 2 и H 2 o с использованием неациометрической церии» . Наука . 330 (6012): 1797–1801. doi : 10.1126/science.1197834 . ISSN   0036-8075 . PMID   21205663 .
  10. ^ Jump up to: а беременный Koepf, E.; Alxneit, я.; Wieckert, C.; Meier, A. (2017-02-15). «Обзор высокотемпературной технологии реакторов, управляемых солнечной энергией: 25 -летний опыт работы в исследованиях и разработках в Институте Пола Шеррера» . Прикладная энергия . 188 : 620–651. Bibcode : 2017apen..188..620K . doi : 10.1016/j.apenergy.2016.11.088 . ISSN   0306-2619 .
  11. ^ Шефф, Джонатан Р.; Steinfeld, Aldo (2012-03-15). «Термодинамический анализ оксидов на основе церия для производства солнечного термохимического топлива» . Энергия и топливо . 26 (3): 1928–1936. doi : 10.1021/ef201875v . ISSN   0887-0624 .
  12. ^ Ле Гал, Алекс; Abanades, Stéphane (2012-06-28). «Включение легирования в Ceria для повышения активности с распылением воды во время солнечной термохимической генерации водорода» . Журнал физической химии c . 116 (25): 13516–13523. doi : 10.1021/jp302146c . ISSN   1932-7447 .
  13. ^ Кренцке, Питер Т.; Дэвидсон, Джейн Х. (2014-06-19). «Термодинамический анализ продукции синтез-синтез-синтез-синтез-синтез-синтез-синтез-синтез-музыки через солнечный термохимический окислительный цикл оксида церия с восстановлением, управляемым метаном» . Энергия и топливо . 28 (6): 4088–4095. doi : 10.1021/ef500610n . ISSN   0887-0624 .
  14. ^ Зубер, Марио; Патриарх, Мориц; Аккерманн, Саймон; Фурлер, Филипп; Conceição, Ricardo; Гонсалес Агилар, Хосе; Ромеро, Мануэль; Steinfeld, Aldo (2023-04-11). «Метановое сухое реформирование с помощью окислительно-восстановительного цикла на основе Ceria в концентрирующей солнечной башне» . Устойчивая энергия и топливо . 7 (8): 1804–1817. Doi : 10.1039/d2se01726a . ISSN   2398-4902 .
  15. ^ Чо, HS; Gokon, N.; Kodama, T.; Кан, да; Ли, HJ (январь 2015 г.). «Улучшенная работа солнечного реактора для двухступенчатого водосбережения H 2 производства с помощью керамической пены с покрытием Ceria» . Международный журнал водородной энергии . 40 (1): 114–124. doi : 10.1016/j.ijhydene.2014.10.084 .
  16. ^ Takacs, M.; Ackermann, S.; Бонк, А.; Neiss-von Puttkamer, M.; Haueter, Ph.; Шефф, младший; Vogt, uf; Steinfeld, A. (апрель 2017 г.). «Расщепление CO 2 с окислительно-восстановительным циклом на основе CERIA в солнечном термогравиметрическом анализаторе» . AISHE Journal . 63 (4): 1263–1271. Bibcode : 2017aiche..63.1263t . doi : 10.1002/aic.15501 . ISSN   0001-1541 . PMC   5367271 . PMID   28405030 .
  17. ^ Lorentzou, Souzana; Zygogianni, Александра; Пагкура, Крисула; Карагиннакис, Джордж; Konstandopoulos, Athanasios G.; Сак, Ян Питер; Брейер, Стефан; Ланге, Матиас; Лапп, Джастин; Фенд, Томас; Роуб, Мартин; Гонсалес, Аурелио Хосе; Дельгадо, Альфонсо Видал; Брауэр, Ян Питер; Makkus, Robert C. (2018). «Гидрозольный завод: структурированные окислительно-восстановительные реакторы для производства H2 из солнечного термохимического расщепления H2O» . Солнечные . AIP Conference Conference. 2033 : 130010. DOI : 10.1063/1.5067144 .
  18. ^ Schäppi, Remo; Хюслер, Вивьен; Steinfeld, Aldo (2024-02-28). «Солнечное термохимическое производство синтез -синтез -файлов из H 2 O и CO 2 ─ Экспериментальное параметрическое исследование, управление и автоматизацию» . Исследования промышленной и инженерной химии . 63 (8): 3563–3575. doi : 10.1021/acs.iecr.3c03044 . HDL : 20.500.11850/660384 . ISSN   0888-5885 .
  19. ^ Бренделбергер, Стефан; Хольцемер-Рэнерхусен, Филипп; Вега Пуга, Эстефания; Роуб, Мартин; Саттлер, Кристиан (март 2022 г.). «Изучение новой системы полости приемника с несколькими мобильными окислительно-восстановительными единицами для солнечного термохимического расщепления воды» . Солнечная энергия . 235 : 118–128. Bibcode : 2022soen..235..118b . doi : 10.1016/j.solener.2022.02.013 . ISSN   0038-092X .
  20. ^ Kodama, T.; Gokon, N.; Matsubara, K.; Йошида, К.; Koikari, S.; Nagase, Y.; Накамура, К. (2014). «Измерение потока новой системы концентрации солнечной энергии в Миядзаки для демонстрации термохимических реакторов расщепления воды» . Энергетические процедуры . 49 : 1990–1998. Bibcode : 2014enpro..49.1990K . doi : 10.1016/j.egypro.2014.03.211 . ISSN   1876-6102 .
  21. ^ Etori, t.; Gokon, N.; Takeuchi, A.; Мики, Т.; Yokota, M.; Kodama, T. (май 2015). «Контроль потока материалов слоя в реактор с жидким слоем для солнечного термохимического процесса» . Энергетические процедуры . 69 : 1741–1749. Bibcode : 2015enpro..69.1741e . doi : 10.1016/j.egypro.2015.03.143 . ISSN   1876-6102 .
  22. ^ Милан, Марко; Колангело, Гианпиеро; Якобаззи, Фабрицио; Де Риси, Артуро (февраль 2017 г.). «Моделирование двойного петлевого плавника солнечного реактора для эффективного производства термохимического топлива» . Солнечные энергетические материалы и солнечные элементы . 160 : 174–181. BIBCODE : 2017SEMSC.160..174M . doi : 10.1016/j.solmat.2016.10.028 .
  23. ^ Аррибас, Люсия; Гонсалес-Агилар, Хосе; Ромеро, Мануэль (2018-09-15). «Термохимическая вода, управляемая солнечной энергией, оксидом церия: определение условий эксплуатации в непосредственно облученном реакторе с фиксированным слоем» . Энергии . 11 (9): 2451. DOI : 10.3390/en11092451 . ISSN   1996-1073 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9c590191fdd253d039a44b52ff293d2b__1724209500
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9c/2b/9c590191fdd253d039a44b52ff293d2b.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Ceria based thermochemical cycles - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)