面向高效低碳制氢的蒸汽增强型中温化学链工艺实验分析与系统设计

《Journal of Cleaner Production》：Experimental analysis and system design of a novel autothermal moderate-temperature chemical looping hydrogen production process with steam enhancement

本研究综述并验证了一种新型中温蒸汽增强化学链制氢工艺（CLHP-SE），其通过在还原阶段将CH4与H2O共进料，重构反应路径，从而在约650°C的温和条件下实现CH4转化率85-93%，产氢率达2.12-2.65 mol-H2/mol-CH4，并可在自热运行下将系统产氢率（2.65 mol-H2/mol-CH4）和（火用）效率提升至68.70%，显著优于传统SMR（蒸汽甲烷重整）和CLHP体系，为高效、低碳的天然气制氢提供了新途径。

　　

亮点

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  提出了一种创新的中温蒸汽增强化学链制氢过程。
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  引入共进料策略，实现了反应路径的重构和H₂产量的协同提升。
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  在650°C下实现了稳定的CH₄转化率和高H₂产量。
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  建立了系统模型，证实了自热运行与高效率的可行性。

蒸汽增强化学链制氢方法

为突破传统化学链制氢在氢气产量和燃料利用效率方面的限制，本研究提出了一种新型的中温蒸汽增强化学链制氢（CLHP-SE）工艺。如图1所示，CLHP-SE路线在还原阶段引入蒸汽，使其与CH₄和氧载体共同反应，在还原氧载体的同时产生富氢气体。还原后的氧载体随后通过蒸汽和/或空气氧化进行再生。

系统概述

基于上述中温蒸汽增强化学链制氢方法，本研究开发了一种新颖的中温CLHP-SE自热系统，如图5所示。该系统包含三个关键反应单元：燃料反应器、水气变换反应器和空气反应器，并进一步集成了变压吸附单元和热回收过程，实现了产物分离和能量优化。

讨论

本节首先在燃料反应器温度为650°C的条件下，对氧载体/甲烷摩尔比、气体时空速率以及氧载体中惰性载体比例进行了敏感性分析，以探究系统自热平衡与产氢性能之间的关系。基于实验结果，进一步比较了不同操作参数下自热条件下的最佳系统性能，以确定系统的设计条件。最后，与传统蒸汽甲烷重整和化学链制氢系统进行了性能对比，以突出所提系统的优势。

结论

为了解决传统基于天然气的制氢工艺存在的高碳排放、高反应温度和低氢气产量等挑战，本研究提出了一种新型中温蒸汽增强化学链制氢工艺。与传统的基于“甲烷还原-蒸汽氧化”顺序的三步化学链制氢工艺不同，该工艺通过在还原阶段共进料CH₄和H₂O，成功将反应温度从850°C以上降低到约650°C，并重构了产氢反应路径。通过一系列固定床实验验证了共进料策略的可行性。结果表明，在还原阶段，CH₄转化率在85%至93%之间保持稳定，氢气产率达到了2.12至2.65 mol-H₂/mol-CH₄。进一步的系统模型分析显示，所提出的CLHP-SE系统在自热运行条件下实现了2.65 mol-H₂/mol-CH₄的氢气产率，分别比传统SMR系统（2.19 mol-H₂/mol-CH₄）和CLHP系统（2.30 mol-H₂/mol-CH₄）高出约21%和15%。此外，CLHP-SE系统的能量效率和（火用）效率分别达到77.71%和68.70%，比参考CLHP系统高出6.56和6.08个百分点。这项工作为在温和操作条件下高效、低碳地从天然气生产氢气展示了一条前景广阔的途径。