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山西大学程芳琴教授团队GEE：化学链技术助力化石能源高效碳氢分离和低成本制氢

已有 2182 次阅读 2022-7-6 17:46 |个人分类:Green Energy & Environment|系统分类:论文交流

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研究背景

氢能被视为理想的清洁燃料与能源载体，发展廉价、高效的制氢技术是实现碳中和的重要路径之一。目前，超过75%的氢气生产基于蒸汽甲烷重整（SMR）工艺，产物需经复杂的分离过程才能得到高纯氢气，设备复杂、能耗高。化学链技术使用固体氧化物载氧体作为传递物质和热量的媒介，有利于将复杂反应过程解耦分步反应，实现产物的内分离。

基于此，山西大学程芳琴教授团队提出一种新颖的化学链过程（SECLRHC），有望实现反应过程中的原位氢碳分离，得到纯度较高的氢气和一氧化碳产品。同时，将该过程与传统化学链燃烧过程耦合（CLC-SECLRHC），供给重整过程所需的热量和碳源，实现全过程的自热运行和理论零排放。

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图1. 图片摘要。

图文简介

为了实现化学链燃烧与重整过程的热平衡，计算了两个反应单元中燃料分割比例对热负荷的影响。结果表明，通过将用于燃烧和重整的天然气比例分割为0.530:0.470，可以实现整个系统的热平衡，即燃烧过程所释放的热量通过热交换单元，可以满足重整过程的热量需求，最终实现整个系统的自热运行。

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图2. 化学链燃烧和重整过程中燃料分割比例对热负荷的影响。

图3显示了反应系统中碳元素和氢元素的流动状况。图3（a）结果表明，净化后的天然气（26613 kg h^-1）被分成两股，分别用于燃烧和重整。提供给燃烧过程的碳流量为11912 kg h^-1，其最终产物为CO₂。随后，部分CO₂被载氧体还原为CO，流量为2052 kg h^-1。用于重整过程的碳流量为14701 kg h^-1。整个系统碳利用率为58.60%。图3（b）显示了氢元素的流动状况，与碳元素类似，氢同样用于燃烧（3787 kg h^-1）和重整（4673 kg h^-1），少量产品氢气（229 kg h^-1）被循环回脱硫单元进行加氢脱硫。结果表明，大部分氢元素有效转化为氢产品（6088 kg h^-1），少量氢元素混入CO₂和CO流股，氢元素利用效率为72.45%。

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图3. CLC-SECLR_HC系统（a）C和（b）H元素的质量平衡（单位：kg h^-1）。

图4为工厂产能对生产总成本与投资回收期的影响。产能与生产总成本呈近似线性关系。结果表明，原材料费用和利税是主要成本，原材料成本超过70%。不考虑建设周期，在常规产能下，投资回收期为6.2年。适度扩大产能可缩短投资回收期。

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图4. 产能对（a）生产总成本和（b）投资回收期的影响。

文章信息

本文以“Techno-economic assessment of a chemical looping splitting system for H₂ and CO Co-generation”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为山西大学程芳琴教授和青年教师狄子琛。