本發(fā)明屬于可再生能源領(lǐng)域的過程強(qiáng)化和系統(tǒng)集成，具體涉及一種用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置及方法。

背景技術(shù)：

發(fā)展可再生能源尤其是太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等是世界各國的研究重點(diǎn)。然而，可再生能源一般具有低能量密度、間歇性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，如何將其轉(zhuǎn)化為能量密度高、連續(xù)性輸出的“高級能源”是可再生能源真正走向?qū)嵱没M(jìn)程中亟待解決的關(guān)鍵問題。

天然氣是一種清潔、便捷、安全的優(yōu)質(zhì)能源，其主要成分為甲烷。一方面，預(yù)計(jì)到2020年，我國天然氣年消費(fèi)量將達(dá)3000億方，對外依存度將達(dá)到50％；另一方面，利用風(fēng)能或太陽能電解水制H₂，H₂與CO₂在甲烷化裝置內(nèi)生產(chǎn)出甲烷，而甲烷可以進(jìn)入天然氣管網(wǎng)、為汽車加氣或作為LNG儲存運(yùn)輸?shù)龋珻O₂則來自于沼氣廠產(chǎn)生的廢氣，這是一個典型的“閉環(huán)”CO₂零排放理念?？芍撨^程的核心技術(shù)是CO₂甲烷化，故提高甲烷化技術(shù)的能源利用效率則尤為關(guān)鍵。

CO₂甲烷化與合成氣甲烷化具有一定相似性，即：反應(yīng)為強(qiáng)放熱可逆反應(yīng)。目前，現(xiàn)有的合成氣甲烷化反應(yīng)器主要有多級串聯(lián)絕熱固定床反應(yīng)器、流化床甲烷化反應(yīng)器、漿態(tài)床甲烷化反應(yīng)器等三類，這些反應(yīng)器在優(yōu)缺點(diǎn)上各有千秋，但其傳熱問題均較突出，難以做到系統(tǒng)的高效傳熱，且通常適用于大產(chǎn)能場合，不適于小規(guī)模、分散化的可再生能源領(lǐng)域的CO₂甲烷化。

中國發(fā)明專利(CN102151531A)公開了一種屬于煤制天然氣技術(shù)領(lǐng)域的微通道反應(yīng)器及其合成氣完全甲烷化的方法，反應(yīng)器由反應(yīng)通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構(gòu)成，其主要用途為一氧化碳加氫甲烷化，且不涉及原料氣的預(yù)熱及反應(yīng)系統(tǒng)的室溫啟動模塊。

而針對可再生能源的利用問題，整個過程的能源綜合有效利用則顯得尤為重要。從原理上看，利用注重過程強(qiáng)化、系統(tǒng)微型化、模塊化、高度集成，可實(shí)現(xiàn)就地、按需生產(chǎn)與供貨的微化工技術(shù)，有望大幅度提高系統(tǒng)的能源利用效率，使分散式能源得到充分合理利用，增加其市場競爭能力與盈利空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置及方法，通過加熱板、微換熱器、隔熱板、微反應(yīng)器(CO₂甲烷化)等模塊的耦合，強(qiáng)化氣體物料的預(yù)熱、換熱及反應(yīng)性能，從而實(shí)現(xiàn)可再生能源利用過程中 能量的梯級利用及系統(tǒng)的過程強(qiáng)化、微型化及高度集成化，極大程度上提高系統(tǒng)的能源利用效率，充分利用分散式可再生能源。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

所述微反應(yīng)裝置包括加熱板、下蓋板以及依次密封安裝在加熱板與下蓋板之間的微反應(yīng)器-1、微換熱器-1、隔熱板、微換熱器-2、微反應(yīng)器-2；所述加熱板上設(shè)置有CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔、經(jīng)微換熱器-1換熱后CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔及出口通孔；所述加熱板的一個側(cè)面設(shè)置有一個或兩個以上的電加熱孔，電加熱孔內(nèi)插有電加熱棒；所述微反應(yīng)器-1由一片或兩片以上的微反應(yīng)板疊加組成，微反應(yīng)板上設(shè)置有與加熱板上對應(yīng)的CO₂和H₂原料混合氣的入口孔、與加熱板上對應(yīng)的經(jīng)微換熱器-1換熱后CO₂和H₂原料混合氣的入口孔、與加熱板上對應(yīng)的微反應(yīng)器-1的反應(yīng)原料入口孔及反應(yīng)產(chǎn)物出口孔，除靠近微換熱器-1的最底層微反應(yīng)板上微反應(yīng)器-1的反應(yīng)原料入口孔、靠近加熱板的最頂層微反應(yīng)板上微反應(yīng)器-1的反應(yīng)產(chǎn)物出口孔為盲孔外，其余均為通孔；微反應(yīng)板上設(shè)有微反應(yīng)通道，微反應(yīng)通道的兩端分別與微反應(yīng)器-1的反應(yīng)產(chǎn)物出口孔和微反應(yīng)器-1的反應(yīng)原料入口孔相連通；所述微換熱器-1由兩片或三片以上的微換熱板疊加組成，微換熱板上設(shè)置有與微反應(yīng)器-1相對應(yīng)的CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔、與微反應(yīng)器-1相對應(yīng)的經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂和H₂原料混合氣出口通孔、與微反應(yīng)器-1相對應(yīng)的經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物入口通孔、經(jīng)微換熱器-1換熱后的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔；微換熱板上設(shè)有微換熱通道，相鄰微換熱板上的微換熱通道一個的兩端分別與CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔和經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂和H₂原料混合氣出口通孔相連通，另一個的兩端分別與經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物入口通孔和經(jīng)微換熱器-1換熱后的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔相連通；所述隔熱板上設(shè)置有與微換熱器-1相對應(yīng)的經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口通孔；所述微換熱器-2由兩片或三片以上的微換熱板疊加組成，微換熱板上設(shè)置有與隔熱板對應(yīng)的經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口孔、微換熱器-2上的冷空氣入口孔和出口孔、經(jīng)微換熱器-2換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口孔，除靠近微反應(yīng)器-2的最底層微換熱板上經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口孔為盲孔外，其余均為通孔；微換熱板上設(shè)有微換熱通道，相鄰微換熱板上的微換熱通道一個的兩端分別與微換熱器-2上的冷空氣出口孔和微換熱器-2上的冷空氣入口孔相連通，另一個的兩端分別與經(jīng)微換熱器-2換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口孔和經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口孔相連通；所述微反應(yīng)器-2由一片或兩片以上的微反應(yīng)板疊加組成，微反應(yīng)板上設(shè)置有與微換熱器-2相對應(yīng)的冷空氣入口通孔和出口通孔、與微換熱器-2相對應(yīng)的微反應(yīng)器-2的反應(yīng)原料入口通孔和反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔；微反應(yīng)板上設(shè)有微反應(yīng)通道，微反應(yīng)通道的兩端分別與微反應(yīng)器-2的反應(yīng)原料入口通孔和微反應(yīng)器-2的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔相連通；所述下蓋板上設(shè)置有與微 反應(yīng)器-2相對應(yīng)的冷空氣入口通孔和出口通孔、與微反應(yīng)器-2相對應(yīng)的經(jīng)微反應(yīng)器-2反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔。

本發(fā)明提供的強(qiáng)化CO₂甲烷化微反應(yīng)裝置中，所述微反應(yīng)器-1的微反應(yīng)板上設(shè)置有由并行微通道組成的原料反應(yīng)腔，CO₂甲烷化催化劑以壁載或填充方式置于原料反應(yīng)腔內(nèi)，反應(yīng)腔兩側(cè)分別連接有反應(yīng)原料入口分布腔和反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔，兩個腔內(nèi)均填充有泡沫金屬板，原料入口分布腔內(nèi)設(shè)置有微反應(yīng)器-1的反應(yīng)原料入口孔，反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔內(nèi)設(shè)置有微反應(yīng)器-1的反應(yīng)產(chǎn)物出口孔。

本發(fā)明提供的強(qiáng)化CO₂甲烷化微反應(yīng)裝置中，所述微換熱器-1的換熱板包括冷卻板和加熱板，冷卻板與加熱板依次交替疊加；冷卻板上設(shè)置有由并行微通道組成的換熱腔，換熱腔兩側(cè)分別連接有CO₂和H₂原料混合氣的入口分布腔和經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂和H₂原料混合氣出口集流腔，該入口分布腔和出口集流腔內(nèi)分別設(shè)置有CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔與經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂和H₂原料混合氣出口通孔；加熱板上設(shè)置有由并行微通道組成的換熱腔，換熱腔兩側(cè)分別連接有經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物入口分布腔和經(jīng)微換熱器-1換熱后的反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔，該入口分布腔和出口集流腔內(nèi)分別設(shè)置有經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物入口通孔與經(jīng)微換熱器-1換熱后的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔。

本發(fā)明提供的強(qiáng)化CO₂甲烷化微反應(yīng)裝置中，所述加熱板上設(shè)置有經(jīng)微換熱器-1換熱后CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔和出口通孔的連接管；所述隔熱板是指中間鏤空的環(huán)狀框板，中間鏤空部分的面積和位置與微換熱器-1及微換熱器-2的換熱腔相同，鏤空部分填充有珍珠巖或石英棉等隔熱材料。

本發(fā)明提供的強(qiáng)化CO₂甲烷化微反應(yīng)裝置中，所述微換熱器-2的換熱板包括冷卻板和加熱板，冷卻板與加熱板交替疊加；冷卻板上設(shè)置有由并行微通道組成的換熱腔，換熱腔兩側(cè)分別連接有微換熱器-2的冷空氣入口分布腔和出口集流腔，該入口分布腔和出口集流腔內(nèi)分別設(shè)置有微換熱器-2的冷空氣入口孔和出口孔；加熱板上設(shè)置有由并行微通道組成的換熱腔，換熱腔兩側(cè)分別連接有經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口分布腔和經(jīng)微換熱器-2換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口集流腔，該入口分布腔和出口集流腔內(nèi)分別設(shè)置有經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口孔與經(jīng)微換熱器-2換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口孔。

本發(fā)明提供的強(qiáng)化CO₂甲烷化微反應(yīng)裝置中，所述微反應(yīng)器-2的微反應(yīng)板上設(shè)置有由并行微通道組成的原料反應(yīng)腔，CO₂甲烷化催化劑以壁載或填充方式置于原料反應(yīng)腔內(nèi)，反應(yīng)腔兩側(cè)分別連接有反應(yīng)原料入口分布腔和反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔，兩個腔內(nèi)均填充有泡沫金屬板，原料入口分布腔內(nèi)設(shè)置有微反應(yīng)器-2的反應(yīng)原料入口孔，反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔內(nèi)設(shè)置有微反應(yīng)器-2的反應(yīng)產(chǎn)物出口孔。

本發(fā)明提供的強(qiáng)化CO₂甲烷化微反應(yīng)裝置中，所述加熱板、微反應(yīng)器-1、微換熱器-1、隔熱板、微換熱器-2、微反應(yīng)器-2及下蓋板的材質(zhì)相同，可為不銹鋼、銅、鈦等金屬材質(zhì)中的任意一種，所述相鄰兩個模塊間的密封連接均采用真空擴(kuò)散焊接方式；所述相鄰兩個模塊間的密封連接具體指模塊上除微通道、通孔所占面積之外的其余部分均進(jìn)行焊接密封。

本發(fā)明提供的強(qiáng)化CO₂甲烷化微反應(yīng)裝置中，所述并行微通道的當(dāng)量直徑為50～3000μm、截面形狀為圓形或長方形或正方形，入口分布腔和出口集流腔的形狀為三角形，入口通孔及出口通孔的當(dāng)量直徑為2～6mm。

本發(fā)明提供的微反應(yīng)裝置用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的方法中，利用電加熱棒將微反應(yīng)器-1的內(nèi)部溫度提高至180～200℃，停止加熱；將CO₂和H₂的原料混合氣依次經(jīng)加熱板及微反應(yīng)器-1上的通孔，進(jìn)入微換熱器-1，在微換熱器-1內(nèi)與經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行換熱，換熱后依次經(jīng)微反應(yīng)器-1及加熱板上的通孔返回微反應(yīng)器-1，在微反應(yīng)器-1內(nèi)進(jìn)行第一次CO₂甲烷化反應(yīng)；反應(yīng)后產(chǎn)物經(jīng)微反應(yīng)器-1上的通孔進(jìn)入微換熱器-1，在微換熱器-1內(nèi)與CO₂和H₂的原料混合氣進(jìn)行換熱；換熱后的第一次CO₂甲烷化反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)隔熱板上的通孔，進(jìn)入微換熱器-2，在微換熱器-2內(nèi)與冷空氣進(jìn)行換熱，換熱后經(jīng)微換熱器-2上的通孔進(jìn)入微反應(yīng)器-2，在微反應(yīng)器-2內(nèi)進(jìn)行第二次CO₂甲烷化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)下蓋板上的通孔流出微反應(yīng)裝置。

本發(fā)明提供的微反應(yīng)裝置用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的方法中，所述原料混合氣中H₂/CO₂摩爾比為3～4，第一次CO₂甲烷化的反應(yīng)溫度為240～280℃，第二次CO₂甲烷化的反應(yīng)溫度為200～240℃，反應(yīng)過程為自供熱運(yùn)行。

本發(fā)明的目的是提供一種用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置及方法，該裝置所涉及的CO₂甲烷化催化劑，在所公知的各類催化體系中的催化劑均可應(yīng)用于本發(fā)明；該裝置所涉及的電加熱棒，在所公知的各種材質(zhì)的電加熱棒均可應(yīng)用于本發(fā)明。

鑒于本發(fā)明的以上特點(diǎn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下技術(shù)效果：

1.系統(tǒng)集成度更高，系統(tǒng)體積縮減1～2個數(shù)量級，更加緊湊，反應(yīng)溫度更加易于控制，微反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)物料瞬時持有量小，過程安全性高。

2.系統(tǒng)啟動為電加熱啟動，操作方便、快捷，易于實(shí)現(xiàn)自動化操作。

3.鑒于換熱單元與反應(yīng)單元、混合單元等緊密相連，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)熱的原位移出、原料氣的原位預(yù)熱，有利于反應(yīng)的快速啟動和轉(zhuǎn)化，易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能源梯級利用效率和高度集成。

4.該系統(tǒng)的各個功能模塊均為平板式結(jié)構(gòu)，且各板間的密封方式為真空擴(kuò)散焊接，易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的并行放大。

本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)可再生能源領(lǐng)域CO₂甲烷化反應(yīng)過程的室溫啟動和反應(yīng)熱的梯級利用，反應(yīng)啟動時間小于30分鐘，在H₂/CO₂為4的條件下，H₂轉(zhuǎn)化率均大于98％。最終實(shí)現(xiàn)可再生能源領(lǐng)域的CO₂甲烷化反應(yīng)的過程強(qiáng) 化和設(shè)備小型化，極大程度上提高系統(tǒng)的能源利用效率，充分利用分散式可再生能源。

附圖說明

圖1為用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置的加熱板結(jié)構(gòu)示意圖；

1-1為CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔；1-2為經(jīng)微換熱器-1換熱后CO₂和H₂原料混合氣的出口通孔；1-3為經(jīng)微換熱器-1換熱后CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔。

圖2為用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置的微反應(yīng)器-1結(jié)構(gòu)示意圖；

2-1為CO₂和H₂原料混合氣的入口孔；2-2為微反應(yīng)器-1的反應(yīng)產(chǎn)物出口孔；2-3為經(jīng)微換熱器-1換熱后CO₂和H₂原料混合氣的入口孔；2-4為微反應(yīng)器-1的反應(yīng)原料入口孔；2-5為微反應(yīng)器-1的反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔；2-6為微反應(yīng)器-1的反應(yīng)腔；2-7為微反應(yīng)器-1的反應(yīng)原料入口分布腔。

圖3為用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置的微換熱器-1結(jié)構(gòu)示意圖；

3-1為CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔；3-2為經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物入口通孔；3-3為經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂和H₂原料混合氣出口通孔；3-4為經(jīng)微換熱器-1換熱后的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔；3-5-1為微換熱器-1中加熱板的經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物入口分布腔；3-6-1為微換熱器-1中加熱板的換熱腔；3-7-1為微換熱器-1中加熱板的經(jīng)微換熱器-1換熱后的反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔；3-5-2為微換熱器-1中冷卻板的CO₂和H₂原料混合氣的入口分布腔；3-6-2為微換熱器-1中冷卻板的換熱腔；3-7-2為微換熱器-1中冷卻板的經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂和H₂原料混合氣出口集流腔。

圖4為用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置的隔熱板結(jié)構(gòu)示意圖；

4-1為經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口通孔。

圖5為用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置的微換熱器-2結(jié)構(gòu)示意圖；

5-1為微換熱器-2上的冷空氣出口孔；5-2為經(jīng)微換熱器-2換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口孔；5-3為微換熱器-2上的冷空氣入口孔；5-4為經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口孔；5-5-1為微換熱器-2中加熱板的經(jīng)微換熱器-2換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口集流腔；5-6-1為微換熱器-2中加熱板的換熱腔；5-7-1為微換熱器-2中加熱板的經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口分布腔；5-5-2為微換熱器-2中冷卻板的冷空氣出口集流腔；5-6-2為微換熱器-2中冷卻板的換熱腔；5-7-2為微換熱器-2中冷卻板的冷空氣入口分布腔。

圖6為用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置的微反應(yīng)器-2結(jié)構(gòu)示意圖；

6-1為冷空氣的出口通孔；6-2為微反應(yīng)器-2的反應(yīng)原料入口通孔；6-3為冷空氣的入口通孔；6-4為微反應(yīng)器-2的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔；6-5為微反應(yīng)器-2的反應(yīng)原料入口分布腔；6-6為微反應(yīng)器-2的反應(yīng)腔；6-7為微反應(yīng)器-2的反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔。

圖7為用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置的下蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；

7-1為冷空氣的出口通孔；7-2為冷空氣的入口通孔；7-3為經(jīng)微反應(yīng)器-2(6)反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔。

圖8為用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明對于微反應(yīng)器或微化工領(lǐng)域和合成氣甲烷化領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是較為熟悉的，本發(fā)明涉及的是CO₂甲烷化反應(yīng)裝置的發(fā)明設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)是利用加熱板、隔熱板、微換熱器及微反應(yīng)器的高度集成，以最終實(shí)現(xiàn)CO₂甲烷化反應(yīng)的快速啟動、反應(yīng)自熱運(yùn)行和反應(yīng)過程強(qiáng)化，是針對可再生能源高效利用的系列技術(shù)之一。

圖8所示為用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖的一個例子，該微反應(yīng)裝置由加熱板(圖1)、下蓋板(圖7)以及依次密封安裝在加熱板與下蓋板之間的微反應(yīng)器-1(圖2)、微換熱器-1(圖3)、隔熱板(圖4)、微換熱器-2(圖5)、微反應(yīng)器-2(圖6)等構(gòu)成。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述加熱板上設(shè)置有CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔(圖1，1-1)、經(jīng)微換熱器-1換熱后CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔(圖1，1-3)及出口通孔(圖1，1-2)；所述加熱板的一個側(cè)面設(shè)置有一個或兩個以上的電加熱孔，電加熱孔內(nèi)插有電加熱棒。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述微反應(yīng)器-1由一片或兩片以上的微反應(yīng)板疊加組成，微反應(yīng)板上設(shè)置有與加熱板上對應(yīng)的CO₂和H₂原料混合氣的入口孔(圖2，2-1)、與加熱板上對應(yīng)的經(jīng)微換熱器-1換熱后CO₂和H₂原料混合氣的入口孔(圖2，2-3)、與加熱板上對應(yīng)的微反應(yīng)器-1的反應(yīng)原料入口孔(圖2，2-4)及反應(yīng)產(chǎn)物出口孔(圖2，2-2)，除靠近微換熱器-1的最底層微反應(yīng)板上微反應(yīng)器-1的反應(yīng)原料入口孔(圖2，2-4)、靠近加熱板的最頂層微反應(yīng)板上微反應(yīng)器-1的反應(yīng)產(chǎn)物出口孔(圖2，2-2)為盲孔外，其余均為通孔；微反應(yīng)板上設(shè)有微反應(yīng)通道，微反應(yīng)通道的兩端分別與微反應(yīng)器-1的反應(yīng)產(chǎn)物出口孔和微反應(yīng)器-1的反應(yīng)原料入口孔相連通。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述微換熱器-1由兩片或三片以上的微換熱板疊加組成，微換熱板上設(shè)置有與微反應(yīng)器-1相對應(yīng)的CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔(圖3，3-1)、與微反應(yīng)器-1相對應(yīng)的經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂和H₂原料混合氣出口通孔(圖3，3-3)、與微反應(yīng)器-1相對應(yīng)的經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物入口通孔(圖3，3-2)、經(jīng)微換熱器-1換熱后的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔(圖3，3-4)；微換熱板上設(shè)有微換熱通道，相鄰微換熱板上的微換熱通道一個的兩端分別與CO₂和 H₂原料混合氣的入口通孔和經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂和H₂原料混合氣出口通孔相連通，另一個的兩端分別與經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物入口通孔和經(jīng)微換熱器-1換熱后的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔相連通。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述隔熱板上設(shè)置有與微換熱器-1相對應(yīng)的經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口通孔(圖4，4-1)。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述微換熱器-2由兩片或三片以上的微換熱板疊加組成，微換熱板上設(shè)置有與隔熱板對應(yīng)的經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口孔(圖5，5-4)、微換熱器-2上的冷空氣入口孔(圖5，5-3)和出口孔(圖5，5-1)、經(jīng)微換熱器-2換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口孔(圖5，5-2)，除靠近微反應(yīng)器-2的最底層微換熱板上經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口孔(5-4)為盲孔外，其余均為通孔；微換熱板上設(shè)有微換熱通道，相鄰微換熱板上的微換熱通道一個的兩端分別與微換熱器-2上的冷空氣出口孔和微換熱器-2上的冷空氣入口孔相連通，另一個的兩端分別與經(jīng)微換熱器-2換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口孔和經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口孔相連通。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述微反應(yīng)器-2由一片或兩片以上的微反應(yīng)板疊加組成，微反應(yīng)板上設(shè)置有與微換熱器-2相對應(yīng)的冷空氣入口通孔(圖6，6-3)和出口通孔(圖6，6-1)、與微換熱器-2相對應(yīng)的微反應(yīng)器-2的反應(yīng)原料入口通孔(圖6，6-2)和反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔(圖6，6-4)；微反應(yīng)板上設(shè)有微反應(yīng)通道，微反應(yīng)通道的兩端分別與微反應(yīng)器-2的反應(yīng)原料入口通孔和微反應(yīng)器-2的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔相連通。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述下蓋板上設(shè)置有與微反應(yīng)器-2相對應(yīng)的冷空氣入口通孔(圖7，7-2)和出口通孔(圖7，7-1)、與微反應(yīng)器-2相對應(yīng)的經(jīng)微反應(yīng)器-2反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔(圖7，7-3)。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述微反應(yīng)器-1(圖2)的微反應(yīng)板上設(shè)置有由并行微通道組成的原料反應(yīng)腔(圖2，2-6)，CO₂甲烷化催化劑以壁載或填充方式置于原料反應(yīng)腔內(nèi)，反應(yīng)腔兩側(cè)分別連接有反應(yīng)原料入口分布腔(圖2，2-7)和反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔(圖2，2-5)，兩個腔內(nèi)均填充有泡沫金屬板，原料入口分布腔內(nèi)設(shè)置有微反應(yīng)器-1的反應(yīng)原料入口孔(圖2，2-4)，反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔內(nèi)設(shè)置有微反應(yīng)器-1的反應(yīng)產(chǎn)物出口孔(圖2，2-2)。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述微換熱器-1(圖3)的換熱板包括冷卻板和加熱板，冷卻板與加熱板依次交替疊加；冷卻板上設(shè)置有由并行微通道組成的換熱腔(圖3，3-6-2)，換熱腔兩側(cè)分別連接有CO₂和H₂原料混合氣的入口分布腔(圖3，3-,5-2)和經(jīng)微換熱器-1 換熱后的CO₂和H₂原料混合氣出口集流腔(圖3，3-7-2)，該入口分布腔和出口集流腔內(nèi)分別設(shè)置有CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔(圖3，3-1)與經(jīng)微換熱器-1換熱后的CO₂和H₂原料混合氣出口通孔(圖3，3-3)；加熱板上設(shè)置有由并行微通道組成的換熱腔(圖3，3-6-1)，換熱腔兩側(cè)分別連接有經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物入口分布腔(圖3，3-5-1)和經(jīng)微換熱器-1換熱后的反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔(圖3，3-7-1)，該入口分布腔和出口集流腔內(nèi)分別設(shè)置有經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物入口通孔(圖3，3-2)與經(jīng)微換熱器-1換熱后的反應(yīng)產(chǎn)物出口通孔(圖3，3-4)。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述加熱板上設(shè)置有經(jīng)微換熱器-1換熱后CO₂和H₂原料混合氣的入口通孔(圖1，1-2)和出口通孔(圖1，1-3)的連接管；所述隔熱板(圖4)是指中間鏤空的環(huán)狀框板，中間鏤空部分的面積和位置與微換熱器-1及微換熱器-2的換熱腔相同，鏤空部分填充有珍珠巖或石英棉等隔熱材料。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述微換熱器-2(圖5)的換熱板包括冷卻板和加熱板，冷卻板與加熱板交替疊加；冷卻板上設(shè)置有由并行微通道組成的換熱腔(圖5，5-6-2)，換熱腔兩側(cè)分別連接有微換熱器-2的冷空氣入口分布腔(圖5，5-7-2)和出口集流腔(圖5，5-5-2)，該入口分布腔和出口集流腔內(nèi)分別設(shè)置有微換熱器-2的冷空氣入口孔(圖5，5-3)和出口孔(圖5，5-1)；加熱板上設(shè)置有由并行微通道組成的換熱腔(圖5，5-6-1)，換熱腔兩側(cè)分別連接有經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口分布腔(圖5，5-7-1)和經(jīng)微換熱器-2換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口集流腔(圖5，5-5-1)，該入口分布腔和出口集流腔內(nèi)分別設(shè)置有經(jīng)隔熱板流出的CO₂甲烷化產(chǎn)物入口孔(圖5，5-4)與經(jīng)微換熱器-2換熱后的CO₂甲烷化產(chǎn)物出口孔(圖5，5-2)。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述微反應(yīng)器-2(圖6)的微反應(yīng)板上設(shè)置有由并行微通道組成的原料反應(yīng)腔(圖6，6-6)，CO₂甲烷化催化劑以壁載或填充方式置于原料反應(yīng)腔內(nèi)，反應(yīng)腔兩側(cè)分別連接有反應(yīng)原料入口分布腔(圖6，6-5)和反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔(圖6，6-7)，兩個腔內(nèi)均填充有泡沫金屬板，原料入口分布腔內(nèi)設(shè)置有微反應(yīng)器-2的反應(yīng)原料入口孔(圖6，6-2)，反應(yīng)產(chǎn)物出口集流腔內(nèi)設(shè)置有微反應(yīng)器-2的反應(yīng)產(chǎn)物出口孔(圖6，6-4)。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述加熱板(圖1)、微反應(yīng)器-1(圖2)、微換熱器-1(圖3)、隔熱板(圖4)、微換熱器-2(圖5)、微反應(yīng)器-2(圖6)及下蓋板(圖7)的材質(zhì)相同，可為不銹鋼、銅、鈦等金屬材質(zhì)中的任意一種，所述相鄰兩個模塊間的密封連接均采用真空擴(kuò)散焊接方式；所述相鄰兩個模塊間的密封連接具體指模塊上除微通道、通孔所占面積之外的其余部分均進(jìn)行焊接密封。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置中，所述并行微通道 的當(dāng)量直徑為50～3000μm，優(yōu)選為150～2000μm；截面形狀為圓形或長方形或正方形，優(yōu)選為長方形；入口分布腔和出口集流腔的形狀為三角形；入口通孔及出口通孔的當(dāng)量直徑為2～6mm，優(yōu)選為4～6mm。

一個具體實(shí)施過程為：利用電加熱棒(圖1)將微反應(yīng)器-1(圖2)的內(nèi)部溫度提高至180～200℃，停止加熱；將CO₂和H₂的原料混合氣依次經(jīng)加熱板上的通孔(圖1，1-1)、微反應(yīng)器-1上的通孔(圖2，2-1)，進(jìn)入微換熱器-1(圖2)，在微換熱器-1內(nèi)與經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行換熱，換熱后依次經(jīng)微反應(yīng)器-1上的通孔(圖2，2-3)、加熱板上的通孔(圖1，1-2；圖1，1-3)返回微反應(yīng)器-1，在微反應(yīng)器-1內(nèi)進(jìn)行第一次CO₂甲烷化反應(yīng)；反應(yīng)后產(chǎn)物經(jīng)微反應(yīng)器-1上的通孔(圖2，2-2)進(jìn)入微換熱器-1(圖3)，在微換熱器-1內(nèi)與CO₂和H₂的原料混合氣進(jìn)行換熱；換熱后的第一次CO₂甲烷化反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)隔熱板上的通孔(圖4，4-1)，進(jìn)入微換熱器-2(圖5)，在微換熱器-2內(nèi)與冷空氣進(jìn)行換熱，換熱后經(jīng)微換熱器-2上的通孔(圖5，5-2)進(jìn)入微反應(yīng)器-2(圖6)，在微反應(yīng)器-2內(nèi)進(jìn)行第二次CO₂甲烷化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)下蓋板上的通孔(圖7，7-3)流出微反應(yīng)裝置(圖8)。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置及方法中，所述原料混合氣中H₂/CO₂摩爾比為3～4，優(yōu)選為3.5～4；第一次CO₂甲烷化的反應(yīng)溫度為240～280℃，優(yōu)選為250～280℃；第二次CO₂甲烷化的反應(yīng)溫度為200～240℃，優(yōu)選為220～230℃；反應(yīng)過程為自供熱運(yùn)行。

圖1為本發(fā)明中用于微反應(yīng)裝置電加熱啟動、承載原料氣進(jìn)出的整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)常見模式，在具體實(shí)施過程中并不限于這種模式，可在以圖1為基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行其它優(yōu)化改進(jìn)。

圖2為本發(fā)明中用于第一次CO₂甲烷化反應(yīng)的微反應(yīng)器-1的整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)常見模式，兩者在具體實(shí)施過程中并不限于這種模式，可在以圖2為基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行其它優(yōu)化改進(jìn)。

圖3和圖5為本發(fā)明中用于冷熱流體進(jìn)行換熱的微換熱器的整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)常見模式，在具體實(shí)施過程中并不限于這種模式，可在以圖3和圖5為基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行其它優(yōu)化改進(jìn)。

圖4為本發(fā)明中用于降低微換熱器-1和微換熱器-2間傳熱速率、形成較高溫度梯度的隔熱板的整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)常見模式，在具體實(shí)施過程中并不限于這種模式，可在以圖4為基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行其它優(yōu)化改進(jìn)。

圖6為本發(fā)明中用于第二次甲烷化反應(yīng)的微反應(yīng)器-2的整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)常見模式，在具體實(shí)施過程中并不限于這種模式，可在以圖6為基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行其它優(yōu)化改進(jìn)。

本發(fā)明提供的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置及方法主要通過電加熱啟動、微換熱、溫度梯度(隔熱)、CO₂甲烷化等模塊的耦合，強(qiáng)化物料的預(yù)熱、換熱及反應(yīng)性能，從而實(shí)現(xiàn)可再生能源利用過程中能量的梯級利 用及系統(tǒng)的過程強(qiáng)化、微型化及高度集成化，極大程度上提高系統(tǒng)的能源利用效率，充分利用分散式可再生能源。

一個具體實(shí)施過程為：首先開啟電加熱棒(圖1)開關(guān)，當(dāng)微反應(yīng)器-1(圖2)的內(nèi)部溫度升高到180～200℃時，停止加熱，同時開啟CO₂和H₂的原料混合氣的進(jìn)口閥門；將CO₂和H₂原料混合氣依次經(jīng)加熱板上的通孔(圖1，1-1)、微反應(yīng)器-1上的通孔(圖2，2-1)，進(jìn)入微換熱器-1(圖2)，在微換熱器-1內(nèi)與經(jīng)微反應(yīng)器-1反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行換熱，換熱后依次經(jīng)微反應(yīng)器-1上的通孔(圖2，2-3)、加熱板上的進(jìn)出口通孔(圖1，1-2；圖1，1-3)返回微反應(yīng)器-1，在微反應(yīng)器-1內(nèi)進(jìn)行第一次CO₂甲烷化反應(yīng)；反應(yīng)后產(chǎn)物經(jīng)微反應(yīng)器-1上的通孔(圖2，2-2)進(jìn)入微換熱器-1(圖3)，在微換熱器-1內(nèi)與CO₂和H₂的原料混合氣進(jìn)行換熱；換熱后的第一次CO₂甲烷化反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)隔熱板上的通孔(圖4，4-1)，進(jìn)入微換熱器-2(圖5)，在微換熱器-2內(nèi)與冷空氣進(jìn)行換熱，換熱后經(jīng)微換熱器-2上的通孔(圖5，5-2)進(jìn)入微反應(yīng)器-2(圖6)，在微反應(yīng)器-2內(nèi)進(jìn)行第二次CO₂甲烷化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)下蓋板上的通孔(圖7，7-3)流出微反應(yīng)裝置(圖8)，結(jié)果如表1所示。

表1.微反應(yīng)裝置內(nèi)的CO₂甲烷化反應(yīng)結(jié)果

由此可見，本發(fā)明的用于強(qiáng)化CO₂甲烷化的微反應(yīng)裝置及方法，通過加熱板、隔熱板、微換熱器、微反應(yīng)器等多功能模塊的匹配組合，可實(shí)現(xiàn)可再生能源領(lǐng)域的CO₂甲烷化反應(yīng)的過程強(qiáng)化和設(shè)備小型化，極大程度上提高系統(tǒng)的能源利用效率。