(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210490964.3 (22)申请日 2022.05.07 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 张凯　许翠萍　 (74)专利代理 机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 专利代理师 柏尚春 (51)Int.Cl. B01J 19/00(2006.01) B01J 19/12(2006.01) B01J 4/00(2006.01) B01J 4/02(2006.01) B01J 8/00(2006.01)B01J 8/02(2006.01) C01B 3/26(2006.01) C07C 1/12(2006.01) C07C 9/04(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种光热复合催化多功能反应系统及其运 行方法和应用 (57)摘要 本发明公开了一种光热复合催化多功能反 应系统， 包括给料气路模块、 光热耦合反应模块、 反应产物检测模块和系统集 成控制模块。 所采用 的进气设计和出气设计可满足不同反应体系的 需求； 所采用的光源为高均匀性模拟太阳光源并 配有行程可调移动支架， 输出均匀光斑， 所采用 的检测设备为串联气相色谱仪系统， 提高检测灵 敏度， 控制装置为气路控制单元和保护控制单 元， 实现流体速度、 反应温度压力等影响因素的 在线控制和数据同步。 区别于目前大多数只针对 单一反应的系统设计， 构建了一种可集合不同太 阳能驱动碳氢燃料转化反应体系， 实现能量高效 有序转换， 并对转化效率和性能进行实时监测， 从而达到实验和生产需求的多功能反应测试平 台。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 114733458 A 2022.07.12 CN 114733458 A 1.一种光热复合催化多功能反应系统， 其特征在于， 包括给料气路模块、 光热耦合反应 模块、 反应产物检测模块和系统集成控制模块； 其中所述给料气路模块包括给气管道集合 装置和压力调节装置， 所述光热耦合反应模块包括模拟太阳光源和反应转化装置， 所述反 应产物检测模块包括产物采集冷凝伴热气路和气相色谱检测分析装置， 所述系统集成控制 模块包括气路控制单 元和保护控制单 元。 2.根据权利要求1所述的光热复合催化多功能反应系统， 其特征在于， 所述给气管路集 合装置由1～5条气体进气管路和1条液体蒸发伴热进气管路构成， 气体反应物从防爆柜(1) 的高压钢瓶中流出， 途径 安全阀(2)、 压力调节阀(4)、 质量流量计(5)和球阀(6)流入到混气 罐(7)； 液体反应物通过高精度进样泵(8)在蒸气发生器(9)中转化为气态， 由混气罐(7)中 的气体反应物带入反应系统。 3.根据权利要求1所述的光热复合催化多功能反应系统， 其特征在于， 所述模拟太阳光 源(11)包括氙灯、 汞灯、 LED灯。 4.根据权利要求1所述的光热复合催化多功能反应系统， 其特征在于， 所述反应装置为 连续流动式固定床反应釜(12)， 反应釜材质为 不锈钢或石英 。 5.根据权利要求1所述的光热复合催化多功能反应系统， 其特征在于， 所述产物采集冷 凝伴热气路为装配有冷凝罐(15)的冷凝气路(16)和管路外围包裹保温隔热层的伴热气路 (17)。 6.根据权利要求1所述的光热复合催化多功能反应系统， 其特征在于， 所述气路控制单 元采用反应信号处 理系统与在线操作用户界面。 7.根据权利要求1所述的光热复合催化多功能反应系统， 其特征在于， 所述气相色谱检 测分析装置利用串联 的气相色谱仪， 通过热导检测器和氢火焰离子化检测器， 实现高低浓 度不同混合气体单个组分的精准定性和定量； 所述串联的气相色谱仪， 针对不易鉴定测量 的气体， 可采用不同载气以提高检测灵敏度。 8.根据权利要求3所述的光热复合催化多功能反应系统， 其特征在于， 所述模拟太阳光 源(11)配有行程为0～300mm的自动升降台， 光斑大小在直径0～50mm范围内以满足使用不 同光源强度的需求。 9.根据权利要求4所述的光热复合催化多功能反应系统， 其特征在于， 所述反应釜腔室 底部设置有石英制多孔催化剂放置平台， 催化剂放置平台的材质为石英、 不锈钢或陶瓷； 催 化剂放置形式包括悬浮式、 床层式或基板 涂层式。 10.根据权利要求1所述的光热复合催化多功能反应系统， 其特征在于， 应用于光热催 化领域， 包括逆水煤气转换反应、 二氧化碳加氢反应体系、 二氧化碳甲烷干重整反应、 甲醇 重整或裂解反应、 一氧化 碳加氢体系 、 光催化CO2反应中的应用。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114733458 A 2一种光热复合催化多功能反 应系统及其运行方 法和应用 技术领域 [0001]本发明属于可再生能源与储能技术领域， 尤其涉及一种太阳能光热利用与热化学 有机结合的新技术。 更具体地， 涉及一种太阳能驱动碳氢燃料转化， 从而满足生产生活中不 同场景下的需求， 实现太阳能高效有序转换利用的光热复合催化多功能反应系统及其方法 和应用。 背景技术 [0002]目前， 根据国家在 “碳达峰碳中和 ”方面的战略部署， 利用清洁高效低碳的先进能 源技术， 提升可再生能源如太阳能、 风能等的转化利用效率， 满足各种生产生活应用场景， 构造多能互补智慧能源系统， 创建零碳能源社会。 其中， 通过光热复合形式， 以太阳能驱动 碳氢燃料转化已逐渐成为解决能源和环境问题的重要发展方向之一。 反应系统设计是实现 太阳能梯级高效利用同时驱动碳氢燃料定 向有序转化的重要支撑。 特别是， 反应系统作为 高性能光热耦合过程的核心设备， 其技术的先进程度直接影响规模化生产的投资和成本， 因此得到了国际的普遍关注和研究。 [0003]然而， 多数实验室光热复合催化反应系统创新成果通常只着眼于特定的燃料转 化， 现有的系统往往结构固定且功能单一， 鲜有可同时满足多种碳基燃料体系合成和测试 分析需求的一体化综合反应系统平台。 现有技术中， 针对太阳能甲醇重整制氢反应体系中 由于太阳辐射间歇波动造成热化学反应器的转化率降低、 催化剂高温烧结失活甚至系统突 然关停的问题， 利用相变材料二元共晶硝酸盐对管式反应器进 行改造(马朝等.清华大学学 报.2021,25,002)； CN105220172A公开了一种将二氧化碳及水蒸气混合气直接转化为富含 甲烷的气体的管式结构及其制备方法和应用， 从而实现一个系统中完成 高温二氧化碳和水 蒸气共电解和 低温甲烷化催化两个过程； 目前太阳能甲烷干重整反应中为了提升反应器的 性能进行了许多设计， 最常见 的为腔式反应器、 膜反应器、 旋转式反应器、 流化床反应器和 其他一些新颖反应器， 更好地匹配太阳光通量分布， 减少热损失(刘彦铄等.化工进展 .2019,38,12)。 显然地， 这些改造存在着只能解决特定光热催 化转化问题的局限性， 是否普 适于更多的反应体系有待商榷。 因此， 构建一种 可集合不同太阳能驱动碳氢燃料转化反应 体系， 实现能量高效有序转换， 并对转化效率和性能进 行实时监测， 从而达到实验和生产需 求的多功能反应测试平台是十分必要的。 发明内容 [0004]发明目的： 本发明的目的在于提供一种光热复合催化多功能反应系统。 该反应系 统平台设计包括给料气路模块、 光热耦合反应模块、 反应产物检测模块和系统集成控制模 块， 从而满足多功能反应体系智能操作， 有效实现太阳能驱动碳氢燃料转化， 为绿色低碳能 源发展构建一套便捷 多效的反应系统。 [0005]本发明的第二个目的在于提供一种光热复合催化多功能反应系统的运行方法及 其应用。说　明　书 1/5 页 3 CN 114733458 A 3