化学链制氢技术的研究进展与展望

归纳总结了化学链技术在制氢方面的研究和应用,目前主要应用方式有三种:化学链重整制氢(CLR)、钙链循环制氢(Ca-CLP)、化学链制氢(CLHG)。为制得高纯氢气CLR和Ca-CLP都需要水汽变换、变压吸附等后续处理过程,而CLHG在实现CO_2捕集的同时不需要额外的氢气净化过程,优势明显。氧载体的选择、制备和反应器结构设计是CLHG的关键。与其它氧载体相比,由于铁基氧载体具有制氢效率高、廉价易得、环境友好度高等特点更适合CLHG过程。而未经修饰的铁基氧载体容易失活,通过添加惰性组分和其它金属元素能增加其可循环性、抗积碳性、反应性。气固两相的热力学特性分析有助于CLHG反应器的设计,气固逆流接触的两段流化床和移动床两类反应器适合CLHG过程。以煤为燃料的CLHG过程将是化学链制氢的重要研究方向。     

化学链制氢技术的研究进展与展望

归纳总结了化学链技术在制氢方面的研究和应用,目前主要应用方式有三种:化学链重整制氢(CLR)、钙链循环制氢(Ca-CLP)、化学链制氢(CLHG)。为制得高纯氢气CLR和Ca-CLP都需要水汽变换、变压吸附等后续处理过程,而CLHG在实现CO_2捕集的同时不需要额外的氢气净化过程,优势明显。氧载体的选择、制备和反应器结构设计是CLHG的关键。与其它氧载体相比,由于铁基氧载体具有制氢效率高、廉价易得、环境友好度高等特点更适合CLHG过程。而未经修饰的铁基氧载体容易失活,通过添加惰性组分和其它金属元素能增加其可循环性、抗积碳性、反应性。气固两相的热力学特性分析有助于CLHG反应器的设计,气固逆流接触的两段流化床和移动床两类反应器适合CLHG过程。以煤为燃料的CLHG过程将是化学链制氢的重要研究方向。     

基于化学链技术制氢的研究进展

利用氢能替代常规化石能源是运输行业应对气候变化和环境污染问题的一个重要突破口。将化学链技术应用于制氢过程不仅可以提高能量转换效率、减少环境污染,还可以在制氢的同时捕捉该过程产生的CO2,具有广阔的发展前景。本文概述了化学链制氢的两种方式的原理及特点,总结了不同过程在载氧体的筛选、反应器的形式以及系统模拟方面的研究现状。指出高效载氧体的筛选和制备是各个过程成功运行的关键。化学链水蒸气重整制氢[CLR(s)]过程需要考虑管束的磨损问题,而自热化学链重整制氢[CLR(a)]过程需要注意过程中的反应热量平衡。廉价载氧体的筛选、固体燃料的化学链制氢及其系统开发是化学链制氢(CLH)过程未来研究方向。     

双流化床反应器化学环制氢工艺建模与优化

化学环制氢工艺现有流程模拟平台无法对其进行有效仿真,限制了反应器尺寸设计及工艺优化过程。基于轴向扩散模型建立了双流化床反应器化学环制氢工艺,优化了反应器的结构及操作参数,为化学环制氢工艺提供了理论指导;所建立的流化床反应器轴向扩散模型可充分模拟工业尺度反应器中天然气与金属氧化物的重整反应过程;优化结果表明,利用商业化模拟平台建立的化学环制氢工艺流程可高效产出氢气,氢气/甲烷比例达到232%,平均制氢成本为1.1万元/t。     

甘油膜分离-吸附协同强化化学链重整评估

作为生物柴油的副产物,甘油理论氢气产量高,是蒸汽重整的潜在原料。基于化学链技术,结合氢气膜分离和二氧化碳吸附,对甘油化学链重整制氢过程进行热力学模拟研究,分析反应器操作压力和膜渗透侧压力的改变对氢气产量和系统热量需求的影响。结果表明,反应器压力的提高和渗透侧压力的降低可以有效的增强氢气产量,抑制甲烷的生成,系统的反应热对压力的变化并不敏感,而吸附剂甘油比的提高能够提高重整所需的热量,进而实现系统的自热。     

甘油膜分离-吸附协同强化化学链重整评估

作为生物柴油的副产物,甘油理论氢气产量高,是蒸汽重整的潜在原料。基于化学链技术,结合氢气膜分离和二氧化碳吸附,对甘油化学链重整制氢过程进行热力学模拟研究,分析反应器操作压力和膜渗透侧压力的改变对氢气产量和系统热量需求的影响。结果表明,反应器压力的提高和渗透侧压力的降低可以有效的增强氢气产量,抑制甲烷的生成,系统的反应热对压力的变化并不敏感,而吸附剂甘油比的提高能够提高重整所需的热量,进而实现系统的自热。     

化学链干重整联合制氢热力学分析及实验

提出了一种化学链甲烷干重整联合制氢工艺。该工艺由还原反应器、干重整反应器、蒸汽反应器和空气反应器组成,在实现制氢的同时获得可变H_2/CO比的合成气。借助ASPEN plus软件和小型流化床实验台,在等温条件下,温度900℃,采用Fe_2O_3/Al_2O_3载氧体,对该工艺进行热力学分析和实验验证。结果显示,当铁氧化物被还原至FeO/Fe时,干重整反应器内甲烷转化率可以达到98%,CO产率可以达到94%。干重整反应器中同时发生甲烷干重整和部分氧化反应,载氧体内部晶格氧可以有效降低积炭并提高合成气H_2/CO比。积炭发生于晶格氧消耗殆尽时。积炭进入蒸汽反应器,发生气化反应,降低氢气纯度。     

化学链干重整联合制氢热力学分析及实验

提出了一种化学链甲烷干重整联合制氢工艺。该工艺由还原反应器、干重整反应器、蒸汽反应器和空气反应器组成，在实现制氢的同时获得可变H₂/CO比的合成气。借助ASPEN plus软件和小型流化床实验台，在等温条件下，温度900℃，采用Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体，对该工艺进行热力学分析和实验验证。结果显示，当铁氧化物被还原至FeO/Fe时，干重整反应器内甲烷转化率可以达到98%，CO产率可以达到94%。干重整反应器中同时发生甲烷干重整和部分氧化反应，载氧体内部晶格氧可以有效降低积炭并提高合成气H₂/CO比。积炭发生于晶格氧消耗殆尽时。积炭进入蒸汽反应器，发生气化反应，降低氢气纯度。     

化学链制氢技术研究进展

化学链制氢是一种新型的制氢方式,具有高效、产品纯度高且分离简单、内分离 CO₂、低 NO_x等特点,具有广阔的发展前景。阐述了化学链制氢的基本技术原理,并从载氧体的筛选与制备、化学链制氢反应器的发展、化学链制氢原料的选择等方面对当前化学链制氢技术的发展现状和存在不足进行了总结分析,指出了化学链制氢发展的 3个重点方向:筛选制备性能优异的载氧体、设计优化反应器、固体燃料化学链制氢及其系统开发。     

吸附强化式煤化学链气化系统热力学评估

化学链系统因其二氧化碳内分离、低能耗优势,已经逐渐应用于煤气化工艺中。基于吉布斯最小自由能原理,对吸附强化的煤化学链气化制氢系统进行热力学评估,分析操作温度、吸附剂和载氧体循环流量对氢气产量和系统热量需求的影响。结果表明,过高的燃料反应器温度会使吸附过程失效且增加了系统的热量需求;吸附剂循环量的提高能显著提高氢气纯度,且可以减少系统总热量需求;过高的氧载体循环量虽能减低系统热量需求,但会降低氢气产量。     

Layered Mg-Al spinel supported Ce-Fe-Zr-O oxygen carriers for chemical looping reforming

A series of layered Mg-Al spinel supported Ce-Fe-Zr-O oxygen carriers were prepared for co-production of syngas and pure hydrogen via chemical looping steam reforming (CLSR). The presence of magnesium-aluminum layered double oxides (MgAl-LDO) significantly increases the specific surface area of the mixed oxides, reduces the particle size of CeO₂-based solid solution and promotes the dispersion of free Fe₂O₃. When reacting with methane, MgAl-LDO supported oxygen carrier shows much lower temperature for methane oxidation than the pure CeFe-Zr-O sample, indicating enhanced low-temperature reactivity. Among different Ce-Fe-Zr-O(x)/MgAl-LDO samples, the Ce-Fe-Zr-O(40 wt%)/MgAl-LDO sample shows the best performance for the selective oxidation of methane to syngas and the H₂ production by water splitting. After a long period of high temperature redox experiment, the Ce-Fe-Zr-O(40 wt%)/MgAl-LDO oxygen carrier still shows high activity for syngas generation. The comparison on the morphology of the fresh and cycled oxygen carriers indicates that the Mg-Al spinel support still forms a stable skeleton structure with high dispersion of active components on the surface after the long-term cycling, which contributes to excellent redox stability of the Ce-Fe-Zr-O(40 wt%)/MgAl-LDO oxygen carrier.     

基于硫酸钙固体燃料化学链气化过程制备合成气的研究(英文)

Chemical-looping gasification (CLG) is a novel process for syngas generation from solid fuels,sharing the same basic principles as chemical-looping combustion (CLC).It also uses oxygen carriers (mainly metal oxide and calcium sulfate) to transfer heat and oxygen to the fuel.In this paper,the primary investigation into the CLG process with CaSO4 as oxygen carrier was carried out by thermodynamic analysis and experiments in the tube reactor.Sulfur-contained gas emission was mainly H2S rather than SO2 in the CLG process,showing some different features from the CLC.The mass and heat balance of CLG processes were calculated thermodynamically to determinate the auto-thermal operating conditions with different CaSO4/C and steam/C molar ratios.It was found that the CaSO4/C molar ratio should be higher than 0.2 to reach auto-thermal balance.The effect of temperature on the reactions between oxygen carrier and coal was investigated based on Gibbs free energy minimum method and experimental results.It indicated that high temperature favored the CLG process in the fuel reactor and part of syngas was consumed to compensate for auto-thermal system.     

铁基移动床化学链技术进展

在日益增长的能源需求与日益严峻的全球气候变化带来的双重压力下,清洁、高效且经济的能源利用方法显得尤为重要。将化学链概念用于传统化石能源的转化是一种前景广阔的新技术。化学链燃烧利用载氧体间接转化含碳燃料,同时实现二氧化碳的捕集。俄亥俄州立大学研发了采用铁基载氧体和移动床反应器的化学链技术,可实现天然气、煤、生物质等多种燃料向电力、氢、液体燃料等产品的零排放转化。目前,合成气化学链（syngas chemical looping,SCL）和煤直接化学链（coal direct chemical looping,CDCL）技术两套25 kW_th级小试装置已成功运行总计超过850 h,一套250 kW_th级的高压SCL装置即将投入示范运行。     

ALTERNATIVE GENERATION OF H2, CO AND H2, CO2 MIXTURES FROM STEAM-CARBON DIOXIDE REFORMING OF METHANE AND THE WATER GAS SHIFT WITH PERMEABLE (MEMBRANE) REACTORS

A new process is proposed which converts CO₂ and CH₄ containing gas streams to synthesis gas, a mixture of CO and H₂ via the catalytic reaction scheme of steam-carbon dioxide reforming of methane or the respective one of only carbon dioxide reforming of methane, in permeable (membrane) reactors. The membrane reformer (permreactor) can be made by reactive or inert materials such as metal alloys, microporous ceramics, glasses and composites which all are hydrogen permselective. The rejected CO reacts with steam and converted catalytically to CO₂ and H₂ via the water gas shift in a consecutive permreactor made by similar to the reformer materials and alternatively by high glass transition temperature polymers. Both permreactors can recover H₂ in permeate by using metal membranes, and H₂ rich mixtures by using ceramic, glass and composite type permselective membranes. H₂ and CO₂ can be recovered simultaneously in water gas shift step after steam condensation by using organic polymer membranes. Product yields are increased through permreactor equilibrium shift and reaction separation process integration.

CO and H₂ can be combined in first step to be used for chemical synthesis or as fuel in power generation cycles. Mixtures of CO₂ and H₂ in second step can be used for synthesis as well (e.g., alternative methanol synthesis) and as direct feed in molten carbonate fuel cells. Pure H₂ from the above processes can be used also for synthesis or as fuel in power systems and fuel cells. The overall process can be considered environmentally benign because it offers an in-situ abatement of the greenhouse CO₂ and CH₄ gases and related hydrocarbon-CO₂ feedstocks (e.g., coal, landfill, natural, flue gases), through chemical reactions, to the upgraded calorific value synthesis gas and H₂, H₂ mixture products.     

H2O2/固体催化剂氧化脱硫体系中载体的研究进展

从研究应用角度出发, 综述了近年来H₂O₂/固体催化剂氧化脱硫体系中载体的研究进展和发展趋势, 分别从单一氧化物载体、复合氧化物载体、活性炭载体、分子筛及复合分子筛载体4个方面论述了氧化脱硫催化剂载体各自的优缺点及应用成果。单一氧化物载体重点介绍了Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、ZrO₂;复合氧化物载体主要对二元复合氧化物进行了综述;重点介绍了以ZSM-5、SBA-15、MCM-41、HMS为代表的分子筛及复合分子筛载体。最后将不同类型载体的结构特点、反应优缺点等进行了归纳总结, 展望了氧化脱硫催化剂载体未来的研究方向, 并提出分子筛及复合分子筛载体将是氧化脱硫催化剂载体研究的焦点。     

化学链燃烧中H2S对NiFe2O4氧载体活性的影响机理

采用密度泛函理论方法研究H₂S与NiFe₂O₄（001）完整表面和氧缺陷表面的相互作用机理。结果表明,H₂S在NiFe₂O₄氧载体表面Ni原子位的吸附能比其在Fe原子位的吸附能大。氧缺陷的形成会使H₂S在氧载体表面金属原子位的吸附能增大,并且Ni原子位吸附H₂S的吸附能增加更为明显。因而,NiFe₂O₄氧载体表面的Ni原子位是H₂S的主要吸附位。同时采用热力学方法进一步研究含H₂S的合成气与NiFe₂O₄氧载体之间的反应,发现H₂S与氧载体的反应产物与氧载体的还原程度密切相关。由于铁氧化物的深度还原过程受到热力学限制,H₂S与NiFe₂O₄氧载体反应的主要产物为Ni₃S₂。密度泛函理论方法与热力学方法研究结果均表明H₂S倾向于与NiFe₂O₄氧载体中Ni发生相互作用,这将对NiFe₂O₄氧载体的反应性能产生不利影响。     

吸附强化蒸汽重整制氢中CO2固体吸附剂的研究进展

吸附强化蒸汽重整（SESR）制氢技术是集重整反应（H₂生产）和选择性分离（CO₂吸附）于一体的新型技术。该技术的特点为采用固体吸附剂在高温下对CO₂进行原位脱除,以改变反应的正常平衡极限,提高烃类转化率,提高H₂产量,减少CO₂排放。在整个SESR制氢技术中,吸附剂的选择与反应条件至关重要。本文探讨了CaO、水滑石、Li₂ZrO₃、Li₂SiO₃以及双功能吸附剂在SESR制氢过程中的性能,总结了提高这些吸附剂吸附性能的不同方法。确定了固体吸附剂的反应条件,如温度、压力、水蒸气量等因素的影响及相关的反应机理。分析表明,CaO基吸附剂由于其低廉的价格及较高的吸附能力,被认为是最具潜力的吸附剂,然而在SESR制氢过程中,CaO基吸附剂面临着多次循环再生后吸附能力衰减的挑战。集吸附与催化双重功能的吸附催化材料由于可以克服SESR制氢中不同固体催化剂和吸附剂的匹配问题、降低所用固体材料的成本,从而使其在吸附强化蒸汽重整制氢方面具有巨大优势,并成为该领域未来研究的一个重要方向。     

MnFeO3和MnFe2O4氧载体在稻草化学链气化中的应用

通过溶胶凝胶燃烧法合成了MnFeO₃和MnFe₂O₄两种锰铁复合氧载体。通过原位红外实验探究其与稻草的化学链气化过程,发现其加速了稻草热解产物的析出,并通过气化反应促进CO和CO₂的产生,提高了碳转化率。固定床实验结果表明MnFeO₃和MnFe₂O₄在与水蒸气耦合气化的条件下大幅提高了合成气中H₂和CO的产率,气化效率分别达到94.49%和92.76%。并通过XRD分析,发现MnFeO₃和MnFe₂O₄在气化过程主要还原为(Fe,Mn)O,且在氧化反应后能回到初始晶相。在固定床的10次循环实验以及SEM的结果表明,MnFeO₃在循环反应中逐渐形成的颗粒状多孔结构有利于维持稳定的气化效率,而MnFe₂O₄由于团聚和烧结作用形成了块状结构,气化效率呈缓慢下降趋势。因此,认为MnFeO₃在生物质化学链气化中具有更好的适用性。