packed bed 反应器中化学链强化甲烷部分氧化：开辟合成气生产的可持续能源新路径

目前，合成气生产依赖高能耗的蒸汽甲烷重整（SMR）过程，部分氧化甲烷（POM）虽有优势但也受限。研究人员开展化学链部分氧化甲烷（CLPOM）在填充床反应器的研究。结果表明该法可减少外部供能，优化条件下 CH4转化率达 97%。为合成气生产提供新方向。

　　在能源领域，合成气（氢气（H₂）和一氧化碳（CO）的混合物）是生产燃料、化学品和化肥的重要原料。全球合成气产量不断增长，然而目前超 80% 的合成气生产依赖蒸汽甲烷重整（Steam Methane Reforming，SMR）过程。SMR 是一个吸热反应，需在 850°C 下，借助额外甲烷燃烧提供能量维持反应，这不仅耗能巨大，还会产生大量的氮氧化物（NO_x）和二氧化碳（CO₂），对环境不友好。

部分氧化甲烷（Partial Oxidation of Methane，POM）作为 SMR 的替代方法，近年来受到广泛关注。POM 利用甲烷与亚化学计量的氧气在贵金属催化剂作用下反应生成合成气，该反应放热，能实现自热操作，且因使用纯氧，无需蒸汽，相对更环保。但 POM 也存在问题，获取纯氧需要高能耗的空气分离步骤，同时使用昂贵的贵金属催化剂，还面临高温下燃料与氧气直接接触的安全隐患。

为解决这些难题，研究人员开展了化学链部分氧化甲烷（Chemical Looping Partial Oxidation of Methane，CLPOM）在填充床反应器中的研究。化学链的概念是利用氧气储存和释放材料（Oxygen Storage and Release Material，OSRM），通常是金属 / 金属氧化物体系，通过循环的氧化还原反应来实现目标。在氧化阶段，空气与金属反应生成金属氧化物，空气中的氮气不参与反应排出，避免了 NO_x的生成；在还原阶段，引入甲烷与金属氧化物反应生成合成气，金属氧化物被还原为金属，可循环使用。此次研究使用镍基 OSRM，在填充床反应器中进行实验，旨在探索在接近自维持操作条件下，CLPOM 生产合成气的可行性，并考察不同操作参数的影响。该研究成果发表在《Fuel》上，为合成气生产提供了新的思路和方向，有望推动能源领域的可持续发展。

研究人员在本研究中采用了以下关键技术方法：搭建定制实验装置，使用零空气（21 mol.% O₂）和 CH₄/N₂混合物分别作为氧化和还原实验的反应原料气。通过球阀控制气体供应，利用质量流量控制器精准调节气体流量，在填充床反应器中进行实验，并对反应过程中的各项参数进行监测和分析。

结果与讨论

研究人员通过多组实验，分别考察了不同参数对 CLPOM 过程的影响。在实验 1、2、3 中，固定氧化阶段零空气流量和还原阶段 CH₄/N₂混合气流速，改变初始床层温度。结果发现，初始床层温度对反应器出口的 H₂和 CO 组成以及氧化还原循环时间均有影响。在实验 4 和 5 中，固定初始床层温度，研究零空气流量的影响。实验 6 和 7 则在固定零空气流量和初始床层温度的条件下，研究还原阶段 CH₄浓度的影响。综合这些实验结果，明确了不同操作参数对 CLPOM 过程性能的影响规律。

结论

本研究以氧化铝负载的 Ni/NiO 作为代表性的 OSRM，在填充床反应器中通过实验证明了 CLPOM 在循环条件下生产合成气的可行性。研究发现，在特定的 OSRM 负载量（785 g）下，初始床层温度、零空气流量和 CH₄浓度会影响反应器出口的 H₂和 CO 组成，还会影响氧化还原循环时间。在初始床层温度为 604°C 时，OSRM 床层温度最大升高 237°C。

此次研究首次在实验室规模展示了填充床中 CLPOM 在接近自维持操作条件下的可行性，为合成气生产提供了一种更节能的替代方法。通过消除高能耗的空气分离步骤，减少对外部能源的依赖，CLPOM 有望成为未来合成气生产的重要发展方向。同时，研究不同操作参数的影响，为进一步优化 CLPOM 系统提供了依据，有助于推动该技术向中试及更大规模发展，对能源领域的可持续发展具有重要意义。