[发明专利]一种高活性载氧体在化学链循环制氢中的应用和制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种载氧体在化学链循环制氢技术中的应用及制备方法，属于化学链制氢领域。

背景技术

为了控制以煤为燃料的电力生成过程中CO₂的排放，与提高发电效率以及使用其它C/H较低的燃料和可再生资源等CO₂控制路线相比，煤等化石燃料电力生产过程中CO₂的回收和存贮（CCS）是唯一有效的方式，能够在短期内达到有效减排CO₂的目标、但是CCS所属的三种CO₂减排方法（包括燃烧前、纯氧燃烧和燃烧后）及其相关的技术尽管能够达到CO₂的回收目标，但是会引起系统效率降低和CO₂回收成本的增加，使得CO₂的回收技术推广应用受到了极大的阻碍。因此探索和研究新型的CO₂回收技术对于化石燃料燃烧过程中CO₂的减排具有重大意义。

1983年，德国科学家Richter和Knoche首次提出化学链燃烧（chemical looping combustion, CLC）的概念。该燃烧技术与通常的燃烧技术最大的区别是不直接使用空气中的氧分子，而是使用载氧体中的氧原子来完成燃料的燃烧过程，燃烧产物（主要是CO₂和水蒸气）不会被空气中的氮气稀释而浓度极高，通过简单冷凝即可得到几乎纯的CO₂，简单而低能耗地实现了CO₂的分离和捕集；另外，由于燃料反应器和空气反应器的运行温度相对较低，在空气反应器内几乎无热力型NOx和快速型NOx生成，而在燃料反应器内，由于不与氧气接触，没有燃料型NOx生成。

氢气作为无污染、环境友好的经济性能源受到了密切的关注，有着广泛的用途。鉴于化学链燃烧法的CO₂内分离特点，应用化学链燃烧法制氢也成为了当前的一个研究热点。与CLC过程类似，以水蒸气代替空气作为氧化剂引入空气反应器来完成载氧体的再生，同时水蒸气也被还原产生氢气。当前，世界上很多研究组包括日本的Hatano对以聚乙烯等固体废弃物为燃料NiO和Fe₂O₃等为载氧体、韩国Son等人对以CH₄为燃料NiO和Fe₂O₃为载氧体、美国的Fan L-S教授研究组对以煤为燃料的Fe₂O₃为载氧体等的CLC制氢过程进行了研究。

载氧体作为媒介，在两个反应器之间进行循环，不停地把空气（水蒸气）反应器中的氧和反应生成的热量传递到燃料反应器进行还原反应，因此载氧体的性质直接影响了整个化学链燃烧/制氢的运行。因此，高性能载氧体是实现具有CO₂富集特性的化学链燃烧/制氢技术的关键。目前，主要研究的载氧体是金属载氧体，包括Fe、Ni、Co、Cu、Mn、Cd等，载体主要有：Al₂O₃、TiO₂、MgO、SiO₂、YSZ等，还有少量的非金属氧化物如CaSO₄等。在化学链燃烧/制氢过程中，载氧体处于不断的失氧－得氧状态中，所以载氧体中氧的活泼性是非常重要的。相对而言，载氧体NiO/NiAl₂O₄（CHO P etc. Fuel, 2004, 83(9)）、Fe₂O₃/Al₂O₃（MATTISSON T etc. Fuel, 2001,80 (13)）和CoO-NiO/YSZ（JIN H G etc. Energy Fuels, 1998, 12(6)）等综合性能较好，但存在载氧率有限、循环反应性较低、无法承受较高的反应温度、金属氧化物在载氧体中分散度不高等不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于化学链循环制氢的载氧体及其制备方法，该载氧体的载氧率及氢气产率高、氧循环能力强、稳定性好。

一种载氧体，由具有钙钛矿结构的LaFeO₃复合金属氧化物和氧化铁组成，按最终载氧体的重量计，该载氧体中具有钙钛矿结构的LaFeO₃复合金属氧化物的含量为50%～95%，氧化铁的含量为5%～50%。