化学循环重组和气化

化学循环重整 (CLR) 和气化 (CLG) 是在化学循环方案中分别使用气态碳质原料和固体碳质原料将其转化为合成气的操作。 使用的典型气态含碳原料是天然气和还原尾气，而使用的典型固体含碳原料是煤和生物质。 使用金属氧化物氧载体作为氧化剂将原料部分氧化以产生合成气。 然后在再生步骤中使用空气氧化还原的金属氧化物。 合成气是生产电力、化学品、氢气和液体燃料等多种产品的重要中间体。

开发 CLR 和 CLG 工艺的动机在于它们能够避免在反应中使用纯氧的优势，从而避免了传统重整和气化工艺中的能源密集型空气分离要求。 因此，可以显着提高过程的能量转换效率。 水蒸气和二氧化碳也可用作氧化剂。 由于金属氧化物在化学循环过程中也作为传热介质，与燃烧过程一样，重整和气化过程的火用效率也高于传统过程。

CLR 和 CLG 工艺使用固体金属氧化物作为氧载体，而不是纯氧作为氧化剂。 在一个称为还原器或燃料反应器的反应器中，含碳原料被部分氧化为合成气，而金属氧化物被还原为较低的氧化态，如下所示：

CHaOb + 1-b/δ MeOx → CO + a/2 H2 + 1-b/δ MeOx-δ

我是金属。 值得注意的是，CLR 和 CLG 工艺在还原器中的反应与化学循环燃烧 (CLC) 工艺的不同之处在于，CLC 工艺中的原料被完全氧化为 CO2 和 H2O。 在另一个反应器中，称为氧化器、燃烧器或空气反应器（当空气用作再生剂时），来自还原器的还原金属氧化物被空气或蒸汽重新氧化，如下所示：

2⁄δ MeOx-δ + O2（空气）→ 2⁄δ MeOx +（O2 贫化空气）1⁄δ MeOx-δ + H2O → 1⁄δ MeOx + H2

然后固体金属氧化物氧载体在这两个反应器之间循环。 也就是说，还原器和氧化器/燃烧器连接在固体循环回路中，而来自两个反应器中每一个的气态反应物和产物通过反应器之间的气封隔离。 与传统系统相比，化学循环系统的这种流线型配置具有工艺强化特性，工艺足迹更小。

提供各种金属氧化物的吉布斯自由能形成的 Ellingham 图被广泛用于冶金工艺，以确定金属氧化物在不同温度下的相对还原-氧化电位。 它描述了用作潜在氧载体材料的各种金属氧化物的热力学性质。 它可以被修改以提供金属和金属氧化物在各种氧化态下的吉布斯自由能变化，因此它可以直接用于根据特定化学链应用的氧化能力选择金属氧化物氧载体材料。

提供了有关金属氧化物材料的信息，这些材料可以被选作所需化学循环应用的潜在氧载体。 具体而言，NiO、CoO、CuO、Fe2O3 和 Fe3O4 等高氧化性金属氧化物属于燃烧段（A 段），它们都位于反应线 1 和 2 的上方。这些金属氧化物具有高氧化倾向，可以 用作化学循环燃烧、气化或部分氧化过程的氧载体。 E 部分（反应管线 1 和 2 之间的小部分）中的金属氧化物可用于 CLR 和 CLG，尽管合成气产品中可能存在大量 H2O。 合成气生产部分位于反应管线 2 和 3 之间（B 部分）。 位于该区域的金属氧化物，如 CeO2，具有适度的氧化倾向，适用于 CLR 和 CLG，但不适合完全氧化反应。 反应线 3（C 和 D 部分）下方的金属氧化物在热力学上不利于将燃料氧化成合成气。 因此，它们不能用作氧载体并且通常被认为是惰性的。 这些材料包括 Cr2O3 和 SiO2。