基于SnO2/Sn/CH4两步法生产太阳能燃料的热力学研究

哈尔散巴依·努拉合买提，楼波，王水安，郑海红，陈珍燕

(华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

清洁能源对我国完善能源结构等具有重要意义，太阳能是丰富的可再生能源[1-2]。太阳能热化学(STC)技术具有太阳能燃料化、全光谱利用等优点[3]，主要分为一步法、两步法和多步法[4]，其中基于金属氧化物的两步法更具潜力[5-14]。

本研究基于SnO2/Sn甲烷还原与水分裂的两步STC循环，运用HSC化学热力学软件研究反应物配比nCH4/nSnO2和nH2O/nSn对反应平衡组分和反应温度的影响，得到压力、温度对产物选择性、燃料能量升级和太阳能燃料转换效率的影响规律。

1 太阳能热化学(STC)技术原理与方法

SnO2/Sn的STC碳还原循环因还原温度低更受人们青睐[15-18]，典型的是甲烷还原循环，循环式如下：

SnO2+2CH4=Sn+2CO+4H2

(1)

Sn+2H2O=SnO2+2H2

(2)

本文用HSC化学热力学软件及其数据库进行了STC循环的热力学和平衡成分计算，STC(太阳能热化学)循环的能量分析则使用热力学第一、二定律进行。图1示出了基于SnO2/Sn的STC循环的循环流程图。CH4和SnO2在太阳能反应器中混合加热，产生CO、H2和Sn，然后将混合气体隔离引到氧化反应器，与通入预热的水蒸气进行反应，所产生的SnO2传输回还原反应器，形成循环。

图1 SnO2/Sn的STC循环流程图Fig.1 STC cycle flow chart of SnO2/Sn

某些物质，如烃类摩尔质量小于10-5，与其他主要成分相比可以忽略不计，因此本文中摩尔分数小于10-5的物质种类不包括在平衡组成分析中。计算基于吉布斯自由能理论，假设反应达到稳态下，将反应吉布斯能量变化最小化以预测平衡组分。另外，假设太阳反应器是一个绝热的等温黑体腔反应器，忽略热传导和热对流的能量损失，只考虑辐射损失。……