基于膜分离的中低温太阳能甲烷重整热化学互补机理与能效提升方法

基本信息
批准号:51906179
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:24.00
负责人:王宏圣
学科分类:
依托单位:武汉大学
批准年份:2019
结题年份:2022
起止时间:2020-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:
关键词:
甲烷重整互补机理膜分离太阳能制氢能效提升方法
结项摘要

Mid/low-temperature solar methane reforming is an important solar thermal chemical storage method, but it is limited by low conversion rate and low energy efficiency, which is difficult to be widely used. Cognizing the irreversibility of solar thermal chemical conversion process and energy complementation mechanism is of great significance for improving system energy efficiency and promoting the development of solar thermal chemical storage. From the viewpoint of the interdisciplinarity of engineering thermodynamics, chemical thermodynamics, and heat and mass transfer, this research focuses on the low energy efficiency of mid/low-temperature solar methane reforming system based on membrane separation. Based on the energy cascade mechanism, the law of irreversibility in gas separation process of membrane reactor and the energy coupling mechanism of solar energy and chemical energy are explored, and the energy efficiency improvement method, including the novel ideal of multi-products separation in reforming reaction, is established with the combination of theory, simulation and experiment study. Through the establishment of multi-physics coupling model, the characteristic parameters of solar methane reforming system based on selective membrane are optimized, and the synergy changing relationship between energy efficiency and the characteristic parameters of reaction separation process is revealed; the irreversible loss of the system will be reduced; and the membrane reactor will be designed based on theoretical and simulation studies. Through experimental research to verify the theory and simulation results, the thermochemical complementary mechanism of solar methane reforming would be deepened. The results will provide new ideas and novel methods for high-efficiency solar methane reforming energy storage system and other similar thermochemical processes.

中低温太阳能甲烷重整是重要的太阳能热化学储能方式,但其受限于转化率低而致使能效较低,难以广泛应用。认知太阳能热化学转换过程的不可逆性与能量互补机理对于提升系统能效,促进太阳能热化学储能领域发展具有重要意义。本研究在工程热力学、化工热力学、传热传质学交叉领域针对中低温太阳能甲烷重整系统低能效问题,采用理论、模拟与实验相结合的研究方式,基于能的梯级利用原理和品位分析方法,探寻基于膜分离的中低温太阳能甲烷重整热化学储能过程不可逆规律及太阳热能和化学能品位互补机理,提出多产物分离的重整思路,建立能效提升方法。通过多物理场耦合模型的建立,对基于膜分离的太阳能甲烷重整系统特征参数进行优化研究,揭示其与系统能效的协同变化规律,减小系统不可逆损失;通过实验研究,验证与拓展理论和模拟结果,深化太阳能甲烷重整热化学互补机理。研究成果将为中低温高效太阳能热化学储能及其他相似热化学过程提供新思路与新方法。

项目摘要

本项目针对太阳能热化学甲烷重整燃料制取过程反应温度较高、系统热力学效率较低的问题,开展了基于产物膜分离太阳能热化学燃料制取过程的能效提升及能量耦合互补机理、能效提升方法与实验验证研究。基于物理能与化学能综合梯级利用原理与品位分析方法及产物膜分离过程不可逆性分析,建立了太阳热能驱动的基于单产物/多产物分离的高效燃料制取方法,阐明基于多产物分离的中低温太阳能甲烷重整能量匹配规律及太阳能和化学能品位互补机理,揭示了基于膜反应器的选择性气体产物分离过程不可逆性产生机制,提出高效气体产物分离方法,探索中低温槽式集热镜和膜反应器耦合实验平台的设计方法。在此基础上,进行太阳能热化学甲烷重整实验研究,验证能效提升机理与方法的可行性。研究成果为发展中低温高效太阳能热化学燃料制取技术及碳氢化合物源头碳捕集技术提供了新途径。.本项目已取得22项研究成果,其中项目负责人作为一作或通讯作者发表SCI期刊论文19篇,包括JCR一区论文15篇,申请国家发明专利2项,发表英文学术书籍章节一章。研究成果被国内外著名学者高度评价和正面引用,项目发表论文在执行期内被SCI他引110余次。项目负责人受邀担任国际期刊“Membranes”(SCI期刊,JCR一区)的客座主编。培养研究生获得国家奖学金一人次,参与项目的本科生均被海内外知名高校录取深造。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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