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。     

化学链重整直接制氢技术进展

化学链重整直接制氢技术使用固态金属氧化物作为氧载体代替传统重整过程中所需的水蒸气或纯氧,将燃料直接转化为高纯度的合成气或者二氧化碳和水,被还原的金属氧化物则可以与水蒸气再生并直接产生氢气,实现了氢气的近零能耗原位分离,是一种绿色高效的新型制氢过程。根据产物和供热方式的不同,可以将化学链重整直接制氢工艺分为双床系统和三床系统两类,并对各系统中氧载体与反应器的设计与选择进行了分析。通过Elingham图对不同氧载体的氧化还原能力进行比较,选取适于直接制氢的金属氧化物,并讨论了氧载体材料研发的最新进展。化学链制氢反应器设计应根据不同原料和产品的特点,选择合适的气-固接触方式,以强化化学链重整直接制氢效率。     

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。     

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。     

化学链重整制合成气过程模拟

基于化学链重整原理,以甲烷为原料,运用Aspen Plus对化学链重整制合成气系统进行了模拟,并研究了燃料反应器温度TF、水甲烷比W/M及NiO甲烷比Ni/M对重整气组成、合成气产率Y、系统效率η影响。结果表明,化学链重整气组成模拟值与实验值吻合较好。提高TF,重整气中CO、H2O含量有升高趋势,H2、CO2含量略微降低;随着W/M增加,重整气中H2、CO2含量升高,CO含量降低,合成气产率Y几乎不变,系统效率η呈现降低趋势;Ni/M增加,重整气中H2、CO含量以及合成气产率Y呈现先升高后降低趋势,效率η下降,且Ni/M=0.8时,合成气产率Y取得最大值。     

甲烷自热重整制合成气热力学平衡分析

使用1stOpt2.5计算软件编程计算甲烷自热重整制合成气反应平衡组成,考察温度、原料比对体系组分平衡的影响。通过计算结果指出最适宜的反应条件,为甲烷自热重整制合成气催化剂的研究与开发提供热力学依据。     

甲烷自热重整催化剂的研究进展

简要介绍了甲烷自热制合成气的研究进展,重点从催化剂活性组分、载体、助剂方面介绍了自热重整反应常用的负载型金属催化剂,指出了联合活性组分和功能型载体是大规模自热重整制氢的发展热点.     

基于化学链燃烧的吸收剂引导的焦炉煤气水蒸气重整制氢过程模拟

建立了基于化学链燃烧供能的吸收剂引导的焦炉煤气水蒸气重整制氢系统,该系统包含吸收剂引导的焦炉煤气重整反应器（SECOGSR）、燃料反应器和空气反应器。该系统能产生高纯H₂［93.23%（mol）］,仅通过冷凝即可实现CO₂的捕获,分离能耗低。采用Aspen Plus软件对吸收剂引导的焦炉煤气重整制氢过程进行了模拟,得到优化的反应条件为：温度650℃,压力1.5 MPa,Ca/C=1,H₂O/C=4。并对系统进行了模拟,以NiO/Y₂O₃/ZrO₂(0.73/0.022/0.248,摩尔比）为化学链燃烧的载氧体和载能体,在满足反应器自热平衡和系统吸放热平衡的基础上,重整1mol焦炉煤气,燃料反应器和空气反应器所需的焦炉煤气、空气及载氧体NiO/Y₂O₃/ZrO₂的量分别为0.139、0.648、3.11 mol。该系统消耗1 mol焦炉煤气的产H₂量为1.30 mol,捕获的CO₂的量为0.355 mol。     

基于NiO/Ca2Al2SiO7的沼气自热化学链重整制氢热分析动力学模拟

以水泥的主要成分Ca₂Al₂SiO₇为惰性载体，采用热分析动力学研究了NiO/Ca₂Al₂SiO₇氧载体作用下沼气的化学链重整(chemical looping reforming, CLR)制氢性能。通过自编的MATLAB^?代码计算得到430种工况下CLR模拟结果，充分考虑NiO负载率y_NiO、氧载体循环流率F_s、氧载体转化率变化ΔX_s、水蒸气浓度x_{H_{2}O}及空气反应器温度T_AR的影响。调节氧载体循环流率，可实现对(xNiO+Ca₂Al₂SiO₇)/biogas质量比的控制，进而调整系统总焓变化ΔH，实现自热化学链重整(CLRa)，即ΔH=0。在CLRa状态下，T_AR和ΔX_s的升高均导致H₂产率降低，而F_s增加则有助于提高H₂产率。模拟结果表明，当NiO含量低于10%(质量)、T_AR接近1150 K、ΔX_s小于0.25、F_s大于2 kg?s^-1、x_{H_{2}O}小于54.5%（体积）时，H₂产率可达最优值1.57(m³ H₂)?(m³ biogas)^-1。对系统的热量平衡分析显示，CLRa能够在自热状态下运行，且反应器出口处气流携带热量能够满足进口处气流的预热需求。     

Hydrogen production via chemical looping dry reforming of methane: Process modeling and systems analysis

The present study presents and analyses a family of “chemical looping dry reforming” (CLDR) processes that produce inherently separated syngas (H₂ and CO) streams via a combination of methane cracking in a “cracker reactor” and the Boudouard reaction (i.e., conversion of the formed carbon with CO₂ to CO) in a “CO₂ reactor,” and then further maximize the H₂ yield via conversion of the produced CO via water-gas-shift. Remaining CO₂ emissions are minimized via CO₂ capture and sequestration. Four different configurations are evaluated which differ in how the heat required for the highly endothermic dry reforming reaction is supplied: (i) combustion of additional CH₄ feed (CLDR-CH₄); (ii) combustion of some of the CO produced in the CO₂ reactor (CLDR-CO); and combustion of some of the carbon produced in the cracker reactor with (iii) pure oxygen (CLDR-C-oxy); or (iv) with air (CLDR-C-air). Process models are developed to comparatively analyze the mass and energy balances of these configurations, and benchmark them against H₂-production via conventional dry reforming and steam reforming of methane. Our results show that CLDR-C-oxy is the most promising H₂-production pathway among the chemical looping and conventional technologies both in terms of chemical energy efficiency and in terms CO₂ emissions. Thus, the unique flexibility offered by the production of inherently separated syngas streams in CLDR enables overcoming the disadvantage of the strongly endothermic dry reforming reaction by combusting carbon internally in the reactor and thus achieving highly effective heat integration. Overall, the results support the technical viability and demonstrate the promise for strong process intensification of CLDR compared to conventional dry reforming and even steam reforming, the most widely used H₂-production pathway to-date.     

松木屑与废橡胶化学链共气化特性试验

在自行设计的两级固定床反应器上,对以天然贫铁矿石为载氧体的松木屑与废橡胶化学链共气化特性进行了研究。考察了载氧体的存在、废橡胶掺混比例、一级反应器温度、水蒸气流量等因素对生物质化学链共气化过程的影响。结果表明：载氧体的存在能显著改善气化效果;掺混一定量的废橡胶可以显著提高低位热值和碳转化率,并且呈现协同效应。本试验中最佳的废橡胶掺混比例为20%;共气化过程中的产气率、碳转化率均随温度的增加（750～950℃）而逐渐升高,但热值随温度的升高而有所下降;水蒸气流量的增加能显著提高合成气中H₂的含量,进水流量保持在0.66g/min时,能实现生物质共气化过程产气率、碳转化率、低位热值等各项指标的最佳平衡。通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等表征分析,发现天然贫铁矿石在长时间运行中表现良好的反应性和耐磨损性。     

Thermodynamic analysis of glycerol dry reforming for hydrogen and synthesis gas production

A thermodynamic analysis of glycerol dry reforming has been performed by the Gibbs free energy minimization method as a function of CO₂ to glycerol ratio, temperature, and pressure. Hydrogen and synthesis gas can be produced by the glycerol dry reforming. The carbon neutral glycerol reforming with greenhouse gas CO₂ could convert CO₂ into synthesis gas or high value-added inner carbon. Atmospheric pressure is preferable for this system and glycerol conversion keeps 100%. Various of H₂/CO ratios can be generated from a flexible operational range. Optimized conditions for hydrogen production are temperatures over 975 K and CO₂ to glycerol ratios of 0-1. With a temperature of 1000 K and CO₂ to glycerol ratio of 1, the production of synthesis gas reaches a maximum, e.g., 6.4 mol of synthesis gas (H₂/CO = 1:1) can be produced per mole of glycerol with CO₂ conversion of 33%.     

天然气重整制氢新技术的研究进展

介绍了天然气重整制氢新技术,包括选择性透氢膜,选择性透氧膜,化学循环以及CO2吸收的研究进展,介绍了4种新技术应用于制氢装置中的概念设计,并比较了4种技术的优缺点。     

甲醇水蒸气催化重整制氢技术研究进展

针对甲醇水蒸气催化重整制氢的应用背景,综述了甲醇水蒸气重整制氢的反应机理和动力学,对用于该反应的催化剂进行了总结分类,阐述了催化剂制备和反应阶段相关因素对催化剂特性的影响。在此基础上,指出甲醇水蒸气重整制氢技术研究与应用存在的问题与瓶颈,并对两种创新的研究--太阳能驱动的甲醇水蒸气重整制氢技术和甲醇重整制氢微通道反应器的开发技术进行了总结展望。