太阳能驱动化学链燃烧：实现低碳排放与可持续制氢的能源转型新路径

为解决化石燃料燃烧导致的温室气体排放问题，伊朗研究人员创新性地将太阳能与化学链燃烧(CLC)技术耦合，开发了高温(>2500°C)和低温(667°C)两种模型。研究表明，优化铁蒸汽反应器压力(40 bar)可使氢气产量提升28%，高温模型产氢量达10,500 kmol/h，较传统CLC提高135%。该研究为可再生能源制氢系统提供了关键设计参数，发表于《Fuel Processing Technology》。

　　

全球能源结构转型迫在眉睫。据世界能源署数据，伊朗2015年CO₂排放量已达5.52亿吨，而可再生能源占比不足20%。传统蒸汽重整制氢工艺存在高碳排放瓶颈，化学链燃烧(CLC)技术虽能实现CO₂内分离，但依赖化石燃料供能。如何将CLC与可再生能源结合，成为破解"氢能-减排"悖论的关键。

伊朗研究人员创新提出太阳能驱动CLC系统，通过建立高温(>2500°C)和低温(667°C)双模型，采用Aspen Plus软件模拟四反应器串联系统：铁燃料反应器(Fe-FR)、铁蒸汽反应器(Fe-SR)、镍燃料反应器(Ni-FR)和镍空气反应器(Ni-AR)。研究整合10个伊朗城市的直接法向辐射(DNI)数据，并引入NaCl-CaCl₂相变材料(PCM)储热模块(22.45 m³容量)解决太阳能间歇性问题。

系统描述
高温模型采用 Nakamura 设计的聚焦太阳能反应器，在窄带区域实现Fe₃O₄高温分解(>2500°C)，产生的铁蒸汽与H₂O反应生成氢气。低温模型则利用667°C太阳能驱动Fe-SR和Ni-AR反应。

性能评估
通过氢效率(η_H2)和总效率(η_E)指标评估系统性能。高温模型氢产量达10,578 kmol/h，较低温模型(5,348 kmol/h)提升96%。RGIBBS模型验证显示，CH₄转化率误差<2%。

优化分析
敏感性分析揭示：铁蒸汽反应器压力升至40 bar可提升H₂产量28%，而太阳能铁反应器压力增加会因反应平衡限制降低产出19%。最优热交换器序列为燃料→NiO→空气→蒸汽。

地理差异
Shiraz因最高DNI(123.2 kWh/m²)需最少镜场(200面)，而Ahvaz(88.6 kWh/m²)需281面。Chabahar凭借最长日照(11.01 h)实现最高日产氢量(11,803 kmol)。

储热系统
3.662 MWh的PCM模块可维持夜间运行，Shiraz因短日照需最多模块(40%>Chabahar)。泡沫玻璃隔热(0.036 W/mK)使日间储热效率达90%。

结论与意义
该研究证实太阳能CLC在高温模式下具有显著优势，铁蒸汽反应器展现90%的优异效率。地理分析为区域化部署提供依据，如Shiraz可减少32%的镜场需求。相变储热方案破解了太阳能间歇性难题，使系统具备24小时连续运行能力。这项发表于《Fuel Processing Technology》的研究，为石化企业氢能转型提供了可落地的技术路线，其高温分解Fe₃O₄的创新方法，突破了传统材料对极端温度的耐受限制。未来研究需重点解决热循环应力(500°C/cm梯度)对反应器寿命的影响，并优化启停阶段的产氢稳定性(当前启动阶段效率仅60-75%)。