一種用于CO2甲烷化的多層疊加微通道反應裝置的制作方法

本發明屬于可再生能源領域的過程強化和系統集成，具體涉及CO₂甲烷化的多層疊加微通道反應系統。

背景技術：

發展可再生能源尤其是太陽能、風能、生物質能等是世界各國的研究重點。然而，可再生能源一般具有低能量密度、間歇性和不穩定性等缺點，如何將其轉化為能量密度高、連續性輸出的“高級能源”是可再生能源真正走向實用化進程中亟待解決的關鍵問題。

利用風能或太陽能電解水制H₂，H₂與CO₂在甲烷化裝置內生產出甲烷，而甲烷可以進入天然氣管網、為汽車加氣或作為LNG儲存運輸等，CO₂則來自于沼氣廠產生的廢氣，這是一個典型的“閉環”CO₂零排放理念。可知，該過程的核心技術是CO₂甲烷化，故提高甲烷化技術的能源利用效率則尤為關鍵。

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

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，利用注重過程強化、系統微型化、模塊化、高度集成，可實現就地、按需生產與供貨的微化工技術，有望大幅度提高系統的能源利用效率，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。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用于CO₂甲烷化的多層疊加微通道反應裝置，通過微混合、氫氣催化燃燒、微換熱、CO₂甲烷化等模塊的耦合，強化不同氣體物料間的混合、預熱、換熱及反應性能，從而實現可再生能源利用過程中能量的梯級利用及系統的過程強化、微型化及高度集成化，極大程度上提高系統的能源利用效率，充分利用分散式可再生能源。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

所述多層疊加微反應裝置包括上蓋板、下蓋板以及依次密封安裝在上蓋板與下蓋板之間的微混合器-1、微混合器-2、微燃燒器、微換熱器-1、微反應器-1、微換熱器-2、微反應器-2；上蓋板、微混合器-1、微混合器-2、微燃燒器、微換熱器-1、微反應器-1、微換熱器-2、微反應器-2及下蓋板中的相鄰兩個模塊間的密封連接均采用真空擴散焊接方式。

所述上蓋板上設置有空氣和氫氣的進口通孔、原料氣二氧化碳和氫氣的進口通孔、預熱后原料氣二氧化碳和氫氣的進口通孔。

所述微混合器-1由一片或兩片以上的微混合板疊加組成，微混合板上設有微混合通道，微混合板上設置有與上蓋板上對應的空氣和氫氣的進口孔、與上蓋板對應的二氧化碳和氫氣的進口通孔、與上蓋板對應的預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔，除靠近微混合器-2的最底層微混合板上空氣和氫氣的進口孔為盲孔外，其余均為通孔；微混合通道的兩端分別與空氣和氫氣的進口孔、預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔相連通。

所述微混合器-2由一片或兩片以上的微混合板疊加組成，微混合板上設有微混合通道，微混合板上設置有混合后的二氧化碳和氫氣出口通孔，與微混合器-1對應的二氧化碳和氫氣的進口孔、與微混合器-1對應的預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔；除靠近微燃燒器的最底層微混合板上二氧化碳和氫氣的進口孔為盲孔外，其余均為通孔；微混合通道的兩端分別與二氧化碳和氫氣的進口孔、混合后的二氧化碳和氫氣出口通孔相連通。

所述微燃燒器由一片或兩片以上的微燃燒板疊加組成，微燃燒板上設有微燃燒通道，微燃燒板上設置有與微混合器-2對應的混合后空氣和氫氣的進口孔，空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔，與微混合器-2對應的混合后二氧化碳和氫氣的出口通孔；除靠近微換熱器-1的最底層微燃燒板上混合后空氣和氫氣的進口孔和靠近微混合器-2的最頂層微燃燒板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔為盲孔外，其余均為通孔；微燃燒通道的兩端分別與混合后空氣和氫氣的進口孔、空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔相連通。

所述微換熱器-1由兩片或三片以上的微換熱板疊加組成，微換熱板上設有微換熱通道，微換熱板上設置有與微燃燒器對應的空氣和氫氣的燃燒尾氣或預熱后二氧化碳和氫氣的進口孔、空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后或預熱后二氧化碳和氫氣的出口孔、與微混合器-2對應的二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔、二氧化碳和氫氣混合氣換熱后的出口孔；除靠近微燃燒器的最頂層微換熱板上空氣和氫氣的燃燒尾氣經微換熱器-1換熱后的出口孔及預熱后二氧化碳和氫氣經微換熱器-1換熱后的出口孔、靠近微反應器-1的最底層微換熱板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔及二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔為盲孔外，其余均為通孔；相鄰微換熱板上的微換熱通道一個的兩端分別與空氣和氫氣的燃燒尾氣或預熱后二氧化碳和氫氣的進口孔、空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后或預熱后二氧化碳和氫氣的出口孔相連通，另一個的兩端分別與二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔、二氧化碳和氫氣混合氣換熱后的出口孔相連通。

所述微反應器-1由一片或兩片以上的微反應板疊加組成，微反應板上設有微反應通道，微反應板上設置有經微換熱器-1換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔及出口孔、與微換熱器-1對應的經微換熱器-1換熱后二氧化碳和氫氣混合氣的進口通孔，除靠近微換熱器-2的最底層微反應板上空 氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔、靠近微換熱器-1的最頂層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔為盲孔外，其余均為通孔；微反應通道的兩端分別與經微換熱器-1換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔及出口孔相連通。

所述微換熱器-2由兩片或三片以上的微換熱板疊加組成，微換熱板上設有微換熱通道，微換熱板上設置有空氣和氫氣的燃燒尾氣或經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣進口孔和出口孔、與微反應器-1對應的二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔和出口孔，除靠近微反應器-1的最頂層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔及二氧化碳和氫氣混合氣的出口孔、靠近微反應器-2的最底層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔及二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔為盲孔外，其余均為通孔；相鄰微換熱板上的微換熱通道一個的兩端分別與空氣和氫氣的燃燒尾氣或經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣進口孔及出口孔相連通，另一個的兩端分別與二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔及出口孔相連通。

所述微反應器-2由一片或兩片以上的微反應板疊加組成，微反應板上設有微反應通道，微反應板上設置有空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔和出口孔、經微換熱器-2換熱后的二氧化碳和氫氣混合氣的進口通孔，除靠近下蓋板的最底層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔、靠近微換熱器-2的最頂層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔為盲孔外，其余均為通孔；微反應通道的兩端分別與空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔及出口孔相連通。

所述下蓋板上設置有與微反應器-2對應的空氣和氫氣的燃燒尾氣出口通孔或二氧化碳和氫氣的反應尾氣出口通孔、與微反應器-2對應的預熱后二氧化碳和氫氣的出口通孔。

所述微混合器-1中，微混合板上的預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔也作為混合后空氣和氫氣的出口通孔。

所述微混合器-2中，微混合板上的預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔也作為混合后空氣和氫氣的進口通孔。

所述微燃燒器中，空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔也作為預熱后二氧化碳和氫氣的出口孔，微燃燒板上的混合后空氣和氫氣的進口孔也作為預熱后二氧化碳和氫氣的進口孔。

所述微換熱器-1中，微換熱板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔也作為預熱后二氧化碳和氫氣的進口孔，空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后出口孔也作為預熱后二氧化碳和氫氣的出口孔。

所述微反應器-1中，微反應板上經微換熱器-1換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔也作為經微換熱器-1換熱后的預熱后二氧化碳和氫氣進口孔，經微換熱器-1換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔也作為經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣出口孔。

所述微換熱器-2中，微換熱板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔也作為 經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣進口孔，微換熱板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔也作為經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣出口孔。

所述微反應器-2中，微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔也作為經微反應器-2反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣出口孔，空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔也作為經微換熱器-2換熱后的7二氧化碳和氫氣反應尾氣進口孔。

所述下蓋板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口通孔也作為二氧化碳和氫氣的反應尾氣出口通孔。

所述微混合器-1中，微混合板的上表面設置有由并行微通道組成的混合腔，混合腔兩側分別連接有入口分布腔和出口集流腔，入口分布腔內設有空氣和氫氣的進口孔，出口集流腔內設有預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔。

所述微混合器-2中，微混合板的上表面設置有由并行微通道組成的混合腔，混合腔兩側分別連接有出口集流腔和入口分布腔，出口集流腔內設有混合后的二氧化碳和氫氣出口通孔，入口分布腔內設有二氧化碳和氫氣的進口孔。

所述微燃燒器中，微燃燒板的上表面設置有由并行微通道組成的燃燒腔，燃燒催化劑以壁載或填充方式置于燃燒腔內，燃燒腔兩側分別連接有出口集流腔和入口分布腔，出口集流腔內設有空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔，入口分布腔內設有混合后空氣和氫氣的進口孔。

所述微換熱器-1中的微換熱板包括冷卻板和加熱板，冷卻板的上表面設置有由并行微通道組成的換熱腔，換熱腔兩側分別連接有冷流體(二氧化碳和氫氣的混合氣)入口分布腔和冷流體出口集流腔，冷流體入口分布腔內設有二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔，冷流體出口集流腔設有二氧化碳和氫氣混合氣換熱后的出口孔；加熱板的上表面設置有由并行微通道組成的換熱腔，換熱腔兩側分別連接有熱流體入口分布腔和熱流體出口集流腔，熱流體入口分布腔內設有空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔，熱流體出口集流腔設有空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后出口孔。

所述微反應器-1中，微反應板的上表面設置有由并行微通道組成的反應腔，甲烷化催化劑以壁載或填充方式置于反應腔內，反應腔兩側分別連接有出口集流腔和入口分布腔，出口集流腔內設有換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔，入口分布腔內設有換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔。

所述微換熱器-2中的微換熱板包括冷卻板和加熱板，冷卻板的上表面設置有由并行微通道組成的換熱腔，換熱腔兩側分別連接有冷流體(二氧化碳和氫氣的混合氣)出口集流腔和冷流體入口分布腔，冷流體出口集流腔內設有二氧化碳和氫氣混合氣換熱后的出口孔，冷流體入口分布腔設有 二氧化碳和氫氣混合氣的入口孔；加熱板的上表面設置有由并行微通道組成的換熱腔，換熱腔兩側分別連接有熱流體入口分布腔和熱流體出口集流腔，熱流體入口分布腔內設有空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔，熱流體出口集流腔設有空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后出口孔。

所述微反應器-2中，微反應板的上表面設置有由并行微通道組成的反應腔，甲烷化催化劑以壁載或填充方式置于反應腔內，反應腔兩側分別連接有出口集流腔和入口分布腔，出口集流腔內設有換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔，入口分布腔內設有換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔。

所述上蓋板的上方連接有用于切換原料氣的三通閥門。

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行焊接密封。

所述并行微通道的當量直徑為50～3000μm、截面形狀為圓形或長方形或正方形，混合腔的形狀為長方形或正方形，入口分布腔和出口集流腔的形狀為三角形，進口孔及出口孔的當量直徑為2～6mm。

本發明的目的是提供一種用于CO₂甲烷化的多層疊加微通道反應裝置，該裝置所涉及的氫氣催化燃燒催化劑及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用于本發明。

鑒于本發明的以上特點，與現有技術相比具有以下技術效果：

(1)不同氣相物料間的混合效果可大大提高，在混合效果相當的情況下，混合時間由原來的數秒鐘縮短為毫秒級。

(2)系統體積縮減1～2個數量級，反應系統內的反應物料瞬時持有量小，過程安全性高。

(3)系統裝置包含氫氣催化燃燒模塊，通過原料氣切換可實現CO₂甲烷化反應過程的室溫啟動，無需外加能量。

(4)鑒于換熱單元與反應單元、混合單元等緊密相連，可實現反應熱的原位移出、原料氣的原位預熱，有利于反應的快速啟動和轉化，易實現系統的能源梯級利用效率和高度集成。

(5)該裝置的各個功能模塊均為平板式結構，且各板間的密封方式為真空擴散焊接，易實現系統的并行放大。

本發明可實現可再生能源領域CO₂甲烷化反應過程的室溫啟動和反應熱的梯級利用，反應啟動時間小于30分鐘，在H₂/CO₂為4的條件下，H₂轉化率均大于98％。

附圖說明

圖1為多層疊加微通道反應裝置的上蓋板的結構示意圖；

1-1為空氣和氫氣的進口通孔；1-2為原料氣二氧化碳和氫氣的進口通孔；1-3為預熱后原料氣二氧化碳和氫氣的進口通孔。

圖2為多層疊加微通道反應裝置的微混合器-1的結構示意圖；

2-1為空氣和氫氣的進口孔；2-2為二氧化碳和氫氣的進口通孔；2-3為預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔或混合后空氣和氫氣的出口通孔；2-4為微混合器-1的入口分布腔；2-5為微混合器-1的混合腔；2-6為微混合器-1的出口集流腔。

圖3為多層疊加微通道反應裝置的微混合器-2的結構示意圖；

3-1為混合后的二氧化碳和氫氣出口通孔；3-2為二氧化碳和氫氣的進口孔；3-3為預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔或混合后空氣和氫氣的進口通孔；3-4為微混合器-2的出口集流腔；3-5為微混合器-2的混合腔；3-6為微混合器-2的入口分布腔。

圖4為多層疊加微通道反應裝置的微燃燒器的結構示意圖；

4-1為空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔或預熱后二氧化碳和氫氣的出口孔；4-2為混合后二氧化碳和氫氣的出口通孔；4-3為混合后空氣和氫氣的進口孔或預熱后二氧化碳和氫氣的進口孔；4-4為微燃燒器的出口集流腔；4-5為微燃燒器的燃燒腔；4-6為微燃燒器的入口分布腔。

圖5為多層疊加微通道反應裝置的微換熱器-1的結構示意圖；

5-1為空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔或預熱后二氧化碳和氫氣的進口孔；5-2為二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔；5-3為空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后出口孔或預熱后二氧化碳和氫氣的出口孔；5-4為二氧化碳和氫氣混合氣換熱后的出口孔；5-4-1為微換熱器-1中冷卻板的冷流體入口分布腔；5-5-1為微換熱器-1中冷卻板的換熱腔；5-6-1為微換熱器-1中冷卻板的冷流體出口集流腔；5-4-2為微換熱器-1中加熱板的熱流體入口分布腔；5-5-2為微換熱器-1中加熱板的換熱腔；5-6-2為微換熱器-1中加熱板的熱流體出口集流腔。

圖6為多層疊加微通道反應裝置的微反應器-1的結構示意圖；

6-1為空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔或經微換熱器-1換熱后的預熱后二氧化碳和氫氣進口孔；6-2為空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔或經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣出口孔；6-3為經微換熱器-1換熱后的二氧化碳和氫氣混合氣的進口通孔；6-4為微反應器-1的出口集流腔；6-5為微反應器-1的反應腔；6-6為微反應器-1的入口分布腔。

圖7為多層疊加微通道反應裝置的微換熱器-2的結構示意圖；

7-1為空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔或經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣進口孔；7-2為二氧化碳和氫氣混合氣的出口孔；7-3為空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔或經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣出口孔；7-4為二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔；7-4-1為微換熱器-2中冷卻板的冷流體出口集流腔；7-5-1為微換熱器-2中冷卻板的換熱腔；7-6-1為微換熱器-2中冷卻板的冷流體入口分布腔；7-4-2為微換熱器-2中加熱板的熱流體入口分布腔；7-5-2為微換熱器-2中加熱板的換熱腔；7-6-2為微換熱器-2中加熱板的熱流體出口集流腔。

圖8為多層疊加微通道反應裝置的微反應器-2的結構示意圖；

8-1為空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔或經微反應器-2反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣出口孔；8-2為經微換熱器-2換熱后的二氧化碳和氫氣混合氣的進口通孔；8-3為空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔或經微換熱器-2換熱后的二氧化碳和氫氣反應尾氣進口孔；8-4為微反應器-2的出口集流腔；8-5為微反應器-2的反應腔；8-6為微反應器-2的入口分布腔。

圖9為多層疊加微通道反應裝置的下蓋板的結構示意圖；

9-1為空氣和氫氣的燃燒尾氣出口通孔或二氧化碳和氫氣的反應尾氣出口通孔；9-2為預熱后二氧化碳和氫氣的出口通孔。

圖10為多層疊加微通道反應裝置。

具體實施方式

以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。本發明對于微反應器或微化工領域和合成氣甲烷化領域的技術人員來說是較為熟悉的，本發明涉及的是CO₂甲烷化反應裝置的發明設計，實質是利用微混合器、微換熱器及微反應器高度集成，以最終實現CO₂甲烷化反應的室溫啟動和反應過程強化，是針對可再生能源高效利用的系列技術之一。

圖10所示為用于CO₂甲烷化的多層疊加微反應裝置結構示意圖的一個例子，該多層疊加微反應裝置由上蓋板(圖1)、下蓋板(圖9)以及依次密封安裝在上蓋板與下蓋板之間的微混合器-1(圖2)、微混合器-2(圖3)、微燃燒器(圖4)、微換熱器-1(圖5)、微反應器-1(圖6)、微換熱器-2(圖7)、微反應器-2(圖8)等構成；上蓋板、微混合器-1、微混合器-2、微燃燒器、微換熱器-1、微反應器-1、微換熱器-2、微反應器-2及下蓋板中的相鄰兩個模塊間的密封連接均采用真空擴散焊接方式。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述上蓋板上設置有空氣和氫氣的進口通孔(圖1，1-1)、原料氣二氧化碳和氫氣的進口通孔(圖1，1-2)、預熱后原料氣二氧化碳和氫氣的進口通孔(圖1，1-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微混合器-1由一片或兩片以上的微混合板疊加組成，微混合板上設有微混合通道，微混合板上設置有與上蓋板對應的空氣和氫氣的進口孔(圖2，2-1)、與上蓋板對應的二氧化碳和氫氣的進口通孔(圖2，2-2)、與上蓋板對應的預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔(圖2，2-3)；除靠近微混合器-2的最底層微混合板上空氣和氫氣的進口孔為盲孔外，其余均為通孔；微混合通道的兩端分別與空氣和氫氣的進口孔、預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔相連通；所述微混合器-1中，微混合板上的預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔(圖2，2-3)也作為混合后空氣和氫氣的出口通孔(圖2，2-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微混合器-2由一片或兩片以上的微混合板疊加組成，微混合板上設有微混合通道，微混合板上設置 有混合后的二氧化碳和氫氣出口通孔(圖3，3-1)、與微混合器-1對應的二氧化碳和氫氣的進口孔(圖3，3-2)、與微混合器-1對應的預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔(圖3，3-3)；除靠近微燃燒器的最底層微混合板上二氧化碳和氫氣的進口孔為盲孔外，其余均為通孔；微混合通道的兩端分別與二氧化碳和氫氣的進口孔、混合后的二氧化碳和氫氣出口通孔相連通；所述微混合器-2中，微混合板上的預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔(圖3，3-3)也作為混合后空氣和氫氣的進口通孔(圖3，3-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微燃燒器由一片或兩片以上的微燃燒板疊加組成，微燃燒板上設有微燃燒通道，微燃燒板上設置有與微混合器-2對應的混合后空氣和氫氣的進口孔(圖4，4-3)、空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔(圖4，4-1)、與微混合器-2對應的混合后二氧化碳和氫氣的出口通孔(圖4，4-2)；除靠近微換熱器-1的最底層微燃燒板上混合后空氣和氫氣的進口孔和靠近微混合器-2的最頂層微燃燒板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔為盲孔外，其余均為通孔；微燃燒通道的兩端分別與混合后空氣和氫氣的進口孔、空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔相連通；所述微燃燒器中，空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔(圖4，4-1)也作為預熱后二氧化碳和氫氣的出口孔(圖4，4-1)，微燃燒板上的混合后空氣和氫氣的進口孔(圖4，4-3)也作為預熱后二氧化碳和氫氣的進口孔(圖4，4-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微換熱器-1由兩片或三片以上的微換熱板疊加組成，微換熱板上設有微換熱通道，微換熱板上設置有與微燃燒器對應的空氣和氫氣的燃燒尾氣或預熱后二氧化碳和氫氣的進口孔(圖5，5-1)、空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后或預熱后二氧化碳和氫氣的出口孔(圖5，5-3)、與微混合器-2對應的二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔(圖5，5-2)、二氧化碳和氫氣混合氣換熱后的出口孔(圖5，5-4)；除靠近微燃燒器的最頂層微換熱板上空氣和氫氣的燃燒尾氣經微換熱器-1換熱后的出口孔及預熱后二氧化碳和氫氣經微換熱器-1換熱后的出口孔、靠近微反應器-1的最底層微換熱板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔及二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔為盲孔外，其余均為通孔；相鄰微換熱板上的微換熱通道一個的兩端分別與空氣和氫氣的燃燒尾氣或預熱后二氧化碳和氫氣的進口孔、空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后或預熱后二氧化碳和氫氣的出口孔相連通，另一個的兩端分別與二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔、二氧化碳和氫氣混合氣換熱后的出口孔相連通；所述微換熱器-1中，微換熱板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖5，5-1)也作為預熱后二氧化碳和氫氣的進口孔(圖5，5-1)，空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后出口孔(圖5，5-3)也作為預熱后二氧化碳和氫氣的出口孔(圖5，5-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微反應器-1由一片或兩片以上的微反應板疊加組成，微反應板上設有微反應通道，微反應板上設置有經微換熱器-1換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖6，6-1)及出 口孔(圖6，6-2)、與微換熱器-1對應的經微換熱器-1換熱后的二氧化碳和氫氣混合氣的進口通孔(圖6，6-3)；除靠近微換熱器-2的最底層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔、靠近微換熱器-1的最頂層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔為盲孔外，其余均為通孔；微反應通道的兩端分別與經微換熱器-1換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔及出口孔相連通；所述微反應器-1中，微反應板上經微換熱器-1換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖6，6-1)也作為經微換熱器-1換熱后的預熱后二氧化碳和氫氣進口孔(圖6，6-1)，經微換熱器-1換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔(圖6，6-2)也作為經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣出口孔(圖6，6-2)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微換熱器-2由兩片或三片以上的微換熱板疊加組成，微換熱板上設有微換熱通道，微換熱板上設置有空氣和氫氣的燃燒尾氣或經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣進口孔(圖7，7-1)和出口孔(圖7，7-3)、與微反應器-1對應的二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔(圖7，7-4)和出口孔(圖7，7-2)；除靠近微反應器-1的最頂層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔及二氧化碳和氫氣混合氣的出口孔、靠近微反應器-2的最底層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔及二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔為盲孔外，其余均為通孔；相鄰微換熱板上的微換熱通道一個的兩端分別與空氣和氫氣的燃燒尾氣或經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣進口孔及出口孔相連通，另一個的兩端分別與二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔及出口孔相連通；所述微換熱器-2中，微換熱板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖7，7-1)也作為經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣進口孔(圖7，7-1)，微換熱板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔(圖7，7-3)也作為經微反應器-1反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣出口孔(圖7，7-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微反應器-2由一片或兩片以上的微反應板疊加組成，微反應板上設有微反應通道，微反應板上設置有空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖8，8-3)和出口孔(圖8，8-1)、經微換熱器-2換熱后的二氧化碳和氫氣混合氣的進口通孔(圖8，8-2)；除靠近下蓋板的最底層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔、靠近微換熱器-2的最頂層微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔為盲孔外，其余均為通孔；微反應通道的兩端分別與空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔及出口孔相連通；所述微反應器-2中，微反應板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔(圖8，8-1)也作為經微反應器-2反應后的二氧化碳和氫氣反應尾氣出口孔(圖8，8-1)，空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖8，8-3)也作為經微換熱器-2換熱后的二氧化碳和氫氣反應尾氣進口孔(圖8，8-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述下蓋板上設置有與微反應器-2對應的空氣和氫氣的燃燒尾氣出口通孔或二氧化碳和氫氣的反應尾氣 出口通孔(圖9，9-1)、與微反應器-2對應的預熱后二氧化碳和氫氣的出口通孔(圖9，9-2)；所述下蓋板上空氣和氫氣的燃燒尾氣出口通孔(圖9，9-1)也作為二氧化碳和氫氣的反應尾氣出口通孔(圖9，9-1)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微混合器-1中，微混合板的上表面設置有由并行微通道組成的混合腔(圖2，2-5)，混合腔(圖2，2-5)兩側分別連接有入口分布腔(圖2，2-4)和出口集流腔(圖2，2-6)，入口分布腔(圖2，2-4)內設有空氣和氫氣的進口孔(圖2，2-1)，出口集流腔(圖2，2-6)內設有預熱后二氧化碳和氫氣的進口通孔(圖2，2-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微混合器-2中，微混合板的上表面設置有由并行微通道組成的混合腔(圖3，3-5)，混合腔(圖3，3-5)兩側分別連接有出口集流腔(圖3，3-4)和入口分布腔(圖3，3-6)，出口集流腔(圖3，3-4)內設有混合后的二氧化碳和氫氣出口通孔(圖3，3-1)，入口分布腔(圖3，3-6)內設有二氧化碳和氫氣的進口孔(圖3，3-2)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微燃燒器中，微燃燒板的上表面設置有由并行微通道組成的燃燒腔(圖4，4-5)，燃燒催化劑以壁載或填充方式置于燃燒腔(圖4，4-5)內，燃燒腔(圖4，4-5)兩側分別連接有出口集流腔(圖4，4-4)和入口分布腔(圖4，4-6)，出口集流腔(圖4，4-4)內設有空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔(圖4，4-1)，入口分布腔(圖4，4-6)內設有混合后空氣和氫氣的進口孔(圖4，4-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微換熱器-1中的微換熱板包括冷卻板和加熱板，冷卻板的上表面設置有由并行微通道組成的換熱腔(圖5，5-5-1)，換熱腔(圖5，5-5-1)兩側分別連接有冷流體(二氧化碳和氫氣的混合氣)入口分布腔(圖5，5-4-1)和冷流體出口集流腔(圖5，5-6-1)，冷流體入口分布腔(圖5，5-4-1)內設有二氧化碳和氫氣混合氣的進口孔(圖5，5-2)，冷流體出口集流腔(圖5，5-6-1)設有二氧化碳和氫氣混合氣換熱后的出口孔(圖5，5-4)；加熱板的上表面設置有由并行微通道組成的換熱腔(圖5，5-5-2)，換熱腔(圖5，5-5-2)兩側分別連接有熱流體入口分布腔(圖5，5-4-2)和熱流體出口集流腔(圖5，5-6-2)，熱流體入口分布腔(圖5，5-4-2)內設有空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖5，5-1)，熱流體出口集流腔(圖5，5-6-2)設有空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后出口孔(圖5，5-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微反應器-1中，微反應板的上表面設置有由并行微通道組成的反應腔(圖6，6-5)，甲烷化催化劑以壁載或填充方式置于反應腔(圖6，6-5)內，反應腔(圖6，6-5)兩側分別連接有出口集流腔(圖6，6-4)和入口分布腔(圖6，6-6)，出口集流腔(圖6，6-4)內設有換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖6，6-2)，入口分布腔(圖6，6-6)內設有換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖 6，6-1)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微換熱器-2中的微換熱板包括冷卻板和加熱板，冷卻板的上表面設置有由并行微通道組成的換熱腔(圖7，7-5-1)，換熱腔(圖7，7-5-1)兩側分別連接有冷流體(二氧化碳和氫氣的混合氣)出口集流腔(圖7，7-4-1)和冷流體入口分布腔(圖7，7-6-1)，冷流體出口集流腔(圖7，7-4-1)內設有二氧化碳和氫氣混合氣換熱后的出口孔(圖7，7-2)，冷流體入口分布腔(圖7，7-6-1)設有二氧化碳和氫氣混合氣的入口孔(圖7，7-4)；加熱板的上表面設置有由并行微通道組成的換熱腔(圖7，7-5-2)，換熱腔(圖7，7-5-2)兩側分別連接有熱流體入口分布腔(圖7，7-4-2)和熱流體出口集流腔(圖7，7-6-2)，熱流體入口分布腔(圖7，7-4-2)內設有空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖7，7-1)，熱流體出口集流腔(圖7，7-6-2)設有空氣和氫氣的燃燒尾氣換熱后出口孔(圖7，7-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述微反應器-2中，微反應板的上表面設置有由并行微通道組成的反應腔(圖8，8-5)，甲烷化催化劑以壁載或填充方式置于反應腔(圖8，8-5)內，反應腔(圖8，8-5)兩側分別連接有出口集流腔(圖8，8-4)和入口分布腔(圖8，8-6)，出口集流腔(圖8，8-4)內設有換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣出口孔(圖8，8-1)，入口分布腔(圖8，8-6)內設有換熱后的空氣和氫氣的燃燒尾氣進口孔(圖8，8-3)。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述上蓋板的上方連接有用于切換原料氣的三通閥門。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，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行焊接密封。

本發明提供的多層疊加微反應裝置中，所述并行微通道的當量直徑為50～3000μm、截面形狀為圓形或長方形或正方形，混合腔的形狀為長方形或正方形，入口分布腔和出口集流腔的形狀為三角形，進口孔及出口孔的當量直徑為2～6mm。

圖2為本發明中用于空氣與氫氣混合的微混合器-1的整體結構及內部結構常見模式，兩者在具體實施過程中并不限于這種模式，可在以圖2為基本結構的基礎上進行其它優化改進。

圖3為本發明中用于二氧化碳與氫氣混合的微混合器-2的整體結構及內部結構常見模式，兩者在具體實施過程中并不限于這種模式，可在以圖3為基本結構的基礎上進行其它優化改進。

圖4為本發明中用于空氣與氫氣催化燃燒的微燃燒器的整體結構及內部結構常見模式，在具體實施過程中并不限于這種模式，可在以圖4為基本結構的基礎上進行其它優化改進。

圖5和圖7為本發明中用于冷熱流體進行換熱的微換熱器的整體結構 及內部結構常見模式，在具體實施過程中并不限于這種模式，可在以圖5和圖7為基本結構的基礎上進行其它優化改進。

圖6和圖8為本發明中用于二氧化碳和氫氣進行反應的微反應器的整體結構及內部結構常見模式，在具體實施過程中并不限于這種模式，可在以圖6和圖8為基本結構的基礎上進行其它優化改進。

本發明提供的用于CO₂甲烷化的多層疊加微反應裝置主要通過微混合、氫氣催化燃燒、微換熱、CO₂甲烷化等模塊的耦合，強化不同氣體物料間的混合、預熱、換熱及反應性能，從而實現可再生能源利用過程中能量的梯級利用及系統的過程強化、微型化及高度集成化，極大程度上提高系統的能源利用效率，充分利用分散式可再生能源。

一個具體實施過程為：首先利用上蓋板(圖1)上方的三通閥關閉CO₂和H₂的進口管，將空氣和H₂經上蓋板(圖1)進入微混合器-1(圖2)，進行氣體混合，混合后依次經微混合器-1上的通孔(圖2，2-3)、微混合器-2上的通孔(圖3，3-3)進入微燃燒器(圖4)，在燃燒腔(圖4，4-5)內進行表面催化燃燒，燃燒尾氣再依次進入微換熱器-1(圖5)、微反應器-1(圖6)、微換熱器-2(圖7)、微反應器-2(圖8)，對整個裝置進行預熱，待微反應器-1的反應腔(圖6，6-5)溫度達到180～200℃時，停止供應空氣；利用上蓋板(圖1)上方的三通閥關閉空氣和H₂的進口管，將CO₂和H₂依次經上蓋板上的通孔(圖1，1-2)、微混合器-1上的通孔(圖2，2-2)，進入微混合器-2(圖3)，進行原料氣的混合，混合后依次經微混合器-2上的通孔(圖3，3-1)、微燃燒器的通孔(圖4，4-2)，進入微換熱器-1(圖5)進行換熱，經第一次換熱后的物料依次經微換熱器-1上的通孔(圖5，5-4)、微反應器-1上的通孔(圖6，6-3)，進入微換熱器-2(圖7)進行換熱，經第二次換熱后的物料再依次經微換熱器-2上的通孔(圖7，7-2)、微反應器-2上的通孔(圖8，8-2)、下蓋板上的通孔(圖9，9-2)、上蓋板上通孔(圖1，1-3)、微混合器-1上的通孔(圖2，2-3)、微混合器-2上的通孔(圖3，3-3)，進入微燃燒器(圖4)，經微燃燒器上的通孔(圖4，4-1)進入微換熱器-1(圖5)，進行換熱，換熱后經微換熱器-1上的通孔(圖5，5-3)進入微反應器-1(圖6)進行甲烷化反應，在微反應器-1內反應后的物料經微反應器-1上的通孔(圖6，6-2)進入微換熱器-2(圖7)，在微換熱器-2(圖7)內進行換熱，經第二次換熱后的反應產物再經微換熱器-2上的通孔(圖7，7-3)，進入微反應器-2(圖8)進行甲烷化反應，反應后經微反應器-2上的通孔(圖8，8-1)、下蓋板上的通孔(圖9，9-1)流出多層疊加微反應裝置(圖10)，結果如表1所示。

表1.多層疊加微反應裝置的CO₂甲烷化反應結果

由此可見，本發明的用于CO₂甲烷化的多層疊加微反應裝置，通過微混合器、微燃燒器、微換熱器、微反應器等多功能模塊的匹配組合，可實現可再生能源領域的CO₂甲烷化反應的過程強化和設備小型化，極大程度上提高系統的能源利用效率。