[发明专利]一种复合型钙铁载氧体及其化学链制氢协同CO2

说明书

本发明公开了一种复合型钙铁载氧体及其化学链制氢协同CO₂捕集方法，将Ca₂Fe₂O₅作为化学链制氢载氧体，复合型钙铁载氧体通过两步氧化‑还原反应即可实现化学链制氢并协同CO₂气体捕集，相应的反应器只由燃料反应器与蒸汽反应器即可实现化学链制氢。燃料还原阶段，Ca₂Fe₂O₅被还原生成单质Fe与CaO同时可分离并捕集CO₂气体；水蒸气氧化阶段，单质Fe、CaO与水蒸气反应，一步生成Ca₂Fe₂O₅并得到高纯度氢气，如此循环往复即可完成基于新型钙铁载氧体下的两步化学链制氢循环。循环过程中，载氧体可一步从Fe⁰被氧化为Fe³⁺，与传统的Fe₂O₃作为载氧体相比，在加入铁的摩尔量相同的情况下，可产生更多的氢气。同时，该化学链制氢方法从载氧体抗磨损及能耗等方面也具有较大优势。

技术领域

本发明涉及一种复合型钙铁载氧体及其化学链制氢协同CO₂捕集方法，属于燃烧化工技术领域。

背景技术

化学链燃烧技术是将传统的燃料与空气或氧气直接燃烧，借助于载氧体在两个反应器的氧化与还原，燃料与空气在不接触的条件下，由载氧体将氧传递到燃料中进行燃烧。化学链燃烧作为一种新型的能源利用形式与技术，具有燃料转化率高、二氧化碳分离与捕集以及低污染物排放等优势。而化学链制氢技术，是基于化学链燃烧的基础上提出的一种高效环保制氢方式。相比该技术，传统的蒸汽重整技术能量转化效率较低需要消耗化石能源且其技术路线较为复杂。采用化学链制氢技术不仅能够制备得到高纯度的氢气，同时可实现系统内部分离并捕集CO₂气体。

氢能作为一种清洁高效的二次能源，其燃烧效率高、产物清洁无污染。氢能的用途也是十分广泛，在能源电力、化工合成等社会各行各业中都扮演着不可替代的作用。传统的化学链制氢技术，由燃料反应器、蒸汽反应器和空气反应器组成，由Fe₂O₃或改性后的Fe₂O₃作为载氧体，经过燃料反应器被还原为Fe或FeO、蒸汽反应器被氧化为Fe₃O₄以及空气反应器被进一步氧化为Fe₂O₃，从而实现铁基载氧体的三步还原与氧化，以及铁基载氧体下的化学链制氢协同CO₂捕集。化学链制氢过程中，通过载氧体在三个反应器，蒸汽反应器、燃料反应器与空气反应器的氧化与还原，实现制备高浓度氢气的同时捕集CO₂气体。作为氧与能量的载体，使用高性能的载氧体是化学链制氢技术的核心。国内外的学者已对Ni、Cu、Fe、Mn等金属氧化物作为载氧体的性能及其热力学性能、抗烧结性能进行了探究，发现以铁基载氧体相对其他的载氧体具有明显的优势。

然而，采用单一的氧化铁作为载氧体，其循环稳定性能较差经过多次氧化还原制氢后，会出现严重的表面的烧结与孔堵塞，严重的影响了制氢的效果。且水蒸气气化阶段，Fe只能由零价被水蒸气氧化到Fe₃O₄状态，需要经过燃烧阶段，才能使Fe回到Fe³⁺状态。采用不同的制备方法如浸渍法、共沉淀法、离子交换法以及溶胶凝胶法使得Fe₂O₃与其他惰性载体如Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂、CeO₂、MgAl₂O₄等并可以一定程度上的提高载氧体的活性或稳定性，但对Fe被水蒸气氧化过程中的氧化程度并没有所提高。基于以上探究，提出一种低成本、高效率的新型化学链制氢的载氧体，是化学链制氢技术发展的关键。

发明内容