通过化学循环产生氢气

通过化学循环产生氢气

2020/03/31

通过化学循环产生氢气 CO₂分离技术诞生的能源生产方法

通过介质中的化学变化将燃料转化为热量和燃气，无需与空气直接接触CO₂这项技术是为实现火电厂零排放而开发的，将用于减少甲烷、生物质、生物基废物等的排放。可应用于氢气生产等

CO₂₂分离技术至关重要

遏制全球变暖有两种方法。一是二氧化碳（CO₂)等温室气体的排放，另一个方向是创造新能源来替代化石燃料。

　前者，燃烧效率和CO的改善₂排放。正如本杂志所介绍的那样，在后一个领域，旨在促进可再生能源利用的研究正在扩大。

还有，科罗拉多州₂不仅减少了4680_4704|排放的CO₂。目前CO已进入大气₂防止发电厂等废气排放二氧化碳₂，并通过埋在地下等固定和储存，分离和固定CO₂用于其他目的。能源创造研究部的 Sharma Atul 是 CO₂。

　二氧化碳₂被固定并掩埋或用作制造某种东西的原材料，重点是如何从燃烧化石燃料产生的气体中提取CO₂。特别是在日本，发电厂排放的二氧化碳₂约占总量的40%，认为只要针对这部分采取措施就可以大幅减少排放量。目前，我们希望将不会从日本或世界消失的火力发电厂实现零排放。考虑到这一点，我开始了这项研究。”

第一阶段的二氧化碳₂

　火力发电厂燃烧化石燃料时，燃料和空气通常直接接触，因此燃烧后会释放CO2₂和氮气 (N₂) 被发出。到目前为止，排放的气体量为N₂和二氧化碳₂有两种主要方法。一种是在燃烧前对空气进行充氧（O）。₂) 和 N₂, O₂进入燃烧炉₂₂和二氧化碳₂混合气体中的CO₂有化学吸收法（胺溶液等）、物理吸收/吸附法（活性炭等）、膜分离法等。其中，广泛使用使用胺溶液的化学吸收法。

　使用化学吸收法CO达到99%的高纯度₂，但存在由于胺吸收的额外过程而需要额外的能量和成本的问题。

　因此 Sharma 提出使用化学循环技术产生二氧化碳₂这是一种单独的化学燃烧发电技术（以下简称化学循环燃烧技术）。该方法利用金属氧化物作为介质（氧载体）循环进行还原和氧化反应，而不使燃料和氧气直接接触，从而在燃烧发电的同时直接分离气体。

　具体流程如下（见下图）。

　该反应器有两个塔，一个氧化塔和一个还原塔，介质（氧载体）是金属氧化物（例如Fe）。₂O₃)。仅燃料（甲烷、煤、生物质等）被送至还原塔，仅空气被送至氧化塔。还原塔中使用金属氧化物（Fe₂O₃)，燃料中的碳(C)生成金属氧化物(Fe₂O₃)被还原并变成金属(Fe)。另一方面，金属氧化物（Fe₂O₃分开）₂与C和CO结合₂从这里开始 CO₂被弹出。接下来，金属氧化物（Fe₂O₃)转变为金属(Fe)的载氧体随后被送入氧化塔，金属(Fe)与空气中的氧气反应，被氧化形成金属氧化物(Fe₂O₃)。由于这个反应，空气变成N₂和金属氧化物（Fe₂O₃）。主要来自氧化塔的N₂在此阶段被弹出。

　传统发电技术中，反应在一个反应器中完成，因此多种气体一起排出，但化学链燃烧技术将两个反应器、氧化塔和还原塔结合在一起，因此不同的反应分别发生，每种气体具有单独释放的优点。

　这种利用氧化还原反应的技术，空气和燃料之间不发生直接反应。因此，不需要使用胺或空气分离器等吸附剂。₂一步就能正确分离。”

此外，当Fe氧化时，它会产生热量，温度高达900至950摄氏度，因此也可以利用利用该热量的蒸汽来发电。预计，将这种高温能量用于其他用途，整个系统将比传统发电方式具有更高的发电效率。

然而，化学链燃烧技术尚未商业化。造成这种情况的原因之一是氧载体（介质）的成本较高。

化学链燃烧技术在制氢中的应用

　夏尔马和他的同事利用化学循环燃烧技术，一直与公司和大学合作寻找低成本、高性能的介质。现有的人造介质具有高性能但非常昂贵。夏尔马在天然材料中寻找合适的物质，并一一进行测试，发现一种由澳大利亚钛铁矿加工而成的介质具有良好的反应性。即使与当前的胺吸收工艺相比，CO₂分离和回收成本可降低至 1/4。

　建立适当控制高温下氧气介质循环的技术也很重要。尽管可以在实验室水平上做到这一点，但随着设备变得更大，会出现各种问题。 AIST 一直致力于使用容量为 100 kWth 的设备来解决这些问题，该设备的容量介于实验室和工业用途之间。结果表明，即使连续运行72小时后，天然氧载体（介质）仍能继续反应而不会磨损。该产品被评价为在技术和成本方面都非常好。

最终二氧化碳排放量₂至于加工，有一种想法是将其储存在地下，但最近二氧化碳₂作为碳资源。二氧化碳₂使用来自可再生能源的氢气并将其重新用于化学原料的生产。

　二氧化碳₂化学循环燃烧技术是为分离而开发的，但也有望应用于其他领域。

　化学循环最初是一种可用于燃烧以外的多种应用的技术。因此，我决定将这项技术开发到其他应用中，例如废物和污泥处理设施中的甲烷分解、生物质气化以及从中产生氢气。特别是在氢气生产方面，我相信与利用阳光生产氢气相比，可以扩大氢气生产规模。来自生物质、生物衍生废物等的二氧化碳₂由于这是一种可以中性生产氢气的技术，越来越多的公司对此产生了兴趣，最近也有很多人前来参观。”

　化学循环技术可广泛应用于制氢领域。该技术还被考虑用于油田的提高石油采收率 (EOR) 和饮料二氧化碳的生产。 “煤炭在地球上无处不在，是一种可以在任何国家使用而不受地缘政治影响的燃料。在人口爆炸性增长的发展中国家，可再生能源不太可能很快就能提供所有电力，火力发电厂可能在一段时间内是必要的。除了用生物质生产氢气外，二氧化碳₂对于这些国家，我们可以为全球二氧化碳减排做出贡献。”夏尔马强调道。