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光液技术细节之一:基本原理及路线图

导读: 以水、碳、沼气为原料。在铁,锰的催化下,低于800~1600℃的太阳能光热热源,可以生产甲醇、氧气和液态肥料,并得到电能。

摘要:(1)以水、碳、沼气为原料。在铁,锰的催化下,低于800~1600℃的太阳能光热热源,可以生产甲醇、氧气和液态肥料,并得到电能。

(2)本文简要介绍光液工艺的基本原理及生产过程。从资源特性上讨论实现的技术路线。

关键词:光热;沼气;锰;发电;光液。

0、引言

根据研究,光合作用的过程是在含锰的催化剂进行的。这一过程是常温常压下进行的化学反应。如果化学反应条件提高,相当于进行了人工光合作用。本文的研究是在这一指导思路下进行的。

 这个基本原理的背景是在另一篇《太阳能光热发电并生产液态阳光一种方法》文章。该基本原理是利用吸热化学反应替代了光合作用将太阳能为化学能。这是一个利用生物质、阳光产生电力、光液和肥料的方法。遵循了自然界碳循环的规律。

1、“LLL”基本原理

1.1、“LLL”基本化学反应介绍 

1.1.1、反应过程

该化学反应过程是由一系列的吸热和放热化学组成。主要反应如下示意图。

光液技术细节之一:基本原理及路线图

 图1 基本原理图示

如上图所示,这是锰、铁及其复合物组成的在太阳能热源下进行的一系列化学反应。该过程的总反应方程如下:

C+H2O(g)+ CH4(g)+ CO2(g) → CH4O(L)+O2(g)  (公式一)

该反应的条件是在最高1600℃温度下,利用锰、铁等物质的催化下,通过控制不同的进气原料比,更替地变换进气成分,得到富含CO或H2的复合气体。该复合气体作为传热介绍给水汽汽轮机发电,降温为400℃,在继续传热给甲醇蒸汽汽轮机发电,降温为200℃。得到一股含CO体积分数20%以上的复合气体,另外一股含H2体积分数40%以上的复合气体。这两股复合气体在200~250℃催化床的作用下,80~90%的H2和CO转换为CH4O。CH4O经压缩到6~8MPa后,变成液体,气体分离。液体甲醇打入甲醇锅炉蒸汽发电。

1.1.2、原理讨论

由上面的公式可以知道不同的原料成分组成,需要的能量不一样。产物都可以得到甲醇。需求能量最低的组分如下

C+2H2O(g)+ CH4(g)= 2CH4O(L) (公式二)

25℃、101kPa下,炭、氢气、甲烷和甲醇理论净热值33MJ/KG、143MJ/KG、56MJ/KG、23MJ/KG。室温燃烧放热反应过程如下:

C(s)+0.5O2(g)=CO(g)△H=-396kJ·mol-1

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H=-896kJ·mol-1

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)△H=-286kJ·mol-1

CH3OH(l)+1.5O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H=+736kJ·mol-1

公式二的左边假定有12KG炭、36KG水、16KG甲烷(室温,1大气压力),得到64KG的甲醇。如果炭、甲烷直接燃烧。产生热值为1292MJ。经过光液处理后热值为1472MJ。增加180MJ,也就是说甲烷和木炭能量增加14%。1KG甲醇需求2.82MJ能量。

能量需求最高的过程是

8H2O(L)+ 2CO2(g)= 2CH4O(L)+5O2(g) (公式三)

该过程需要最少能量为2616MJ。1KG甲醇需求40.88MJ能量。

最优的能源需求、最佳产出为甲醇、木炭。光液工艺最佳反应为(在沼气甲烷:二氧化碳=6:4情况下)。

4C+16H2O(g)+6CH4(g)+ 4CO2(g) =14CH4O(L)+5O2(g)(公式四)

该反应需求能量最少为11734MJ。1KG甲醇需求26.2MJ能量。

1.1.3、路线选择 

在所有的可能下,降低最高反应温度为400℃~600℃,将会使得这个系统更具备经济竞争力。二氧化锰在530~560℃会释放出氧气,碳和二氧化碳的反应启动温度480℃。这个目标是可以达成。不过工艺过程可能会很长,除非找到一个非常高效的催化反应剂。不然可靠方法还是铁锰反应容器,不同组分交替进料。

在日照条件非常好的情况下,选公式三,作为主反应是最佳的。在日照条件很差的情况下,选公式二作为主反应。在生物质资源丰富的地方,选择公式四为主反应。

最佳的产出是甲醇、沼渣炭。生物质转化甲醇的年储量是2000~8000吨/平方公里。1平方公里生物质的光液聚光面积需求面积不超过1公顷。1平方公里生物质聚集成本非常低廉。可以得到光液工厂年面积产量密度是0.2~0.8万吨/公顷。

聚光器件是整个光液生产最大成本组成,按光热发电约占到40~50%。而在最高反应温度降为400℃~600℃时,可以直接使用槽式聚光,成本将会大幅降低。(作者已经设计出低廉成本的聚光系统,在数月之后公布)。

在锰铁最高1600℃直接反应催化的情况下,这个方案的经济性大大折扣。

2、“LLL”基本原理的论证仿真实验过程 

2.1、“LLL”当前阶段 

该原理、工艺的论证还在进行中,仿真也是刚刚启动。由于作者的知识少,能力不足。无法再这么短的时间内完成。可是作者目前所有的学习、研究结果表明这个方案不仅原理上可行,技术实现容易,经济上具备和太阳能光伏、煤炭、石油、天然气直接竞争的潜质。

也许十年之后,人类使用能源如同使用水一样,家里有电线、水管和光液管。而光液的容易获得,分布广泛将会使得人人生而平等的理念得到更优物质基础、经济结构的支撑。

环境方面,这个系统如果能够实现。人类生活的环境将如原始森林般,毫无污染。

但这个过程没有人相信,也没有人去研究。我一个人无法完成这么庞大的系统。

3、结论

“LLL”光液方案值得学习、研究。

特别说明:本文为个人学习心得,观点文章。内容原创。

作者:梁云(1985)

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