新型氧气载体材料在天然气气态转化重整中的比较评估：技术经济分析、生命周期分析及实验研究结果

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Comparative assessment of new oxygen carrier materials for gas switching reforming of natural gas: Techno-economics assessment, life cycle analysis, and experimental insights

　　卡洛斯·雷诺索（Carlos Reynoso）| 尼古拉斯·巴杰（Nicholas Badger）| 穆斯塔法·埃尔古万（Mustafa Erguvan）| 伊莉丝·E·金皮亚布（Elyse E. Kimpiab）| 亚当·T·特温布利（Adam T. Twombly）| 詹姆斯·W·哈里斯（James W. Harris）| 莎赫里亚尔·阿米尼（Shahriar Amini） 美国阿拉巴马大学斯蒂斯林格工程学院机械工程系，塔斯卡卢萨，AL 摘要 随着对氢气需求的增加以及天然气（NG）重整过程中二氧化碳（CO2）排放量的上升，开发低碳排放的氢气生产技术变得尤为重要。基于化学循环重整（Chemical Looping Reforming, CLR）技术的气体切换重整（Gas Switching Reforming, GSR）结合二氧化碳捕集已被实验验证，并显示出大规模应用的潜力。本研究选取了多种氧载体（NiO/Al2O3、Fe2O3-CeO2/Al2O3和磁铁矿），在固定床反应器中测试它们在甲烷蒸汽重整过程中的相对活性（条件为800°C、总压7巴）。随后建立了过程模型，对GSR用于氢气生产（GSR-H2）以及联合循环（GSR-CC）进行了技术经济分析（TEA）。在10巴压力和1100°C的温度下运行，并通过增加额外的回收步骤，氢气产量比以往研究提高了约30%，效率也有所提升。对于GSR-H2，氢气的平准化成本（LCOH）为1.61–1.64美元/千克氢气，与参考的蒸汽甲烷重整（SMR）方案具有竞争力，但由于电力需求的增加，运营和维护成本较高。GSR-CC的平准化电力成本（LCOE）显著高于参考的天然气联合循环（NGCC）电厂，表明其竞争力较弱；然而，扩大生产规模可能会使其更具吸引力。生命周期分析显示，NG消耗约占全球变暖影响的75%（约2.3千克二氧化碳当量/千克氢气）。环境、健康和安全评估表明，基于铁的氧载体相对更安全，而NiO可能带来更大的风险。总体而言，使用镍基和非镍基氧载体的GSR-H2是一种可扩展且具有竞争力的氢气生产方案。 引言 氢气是未来清洁能源和脱碳的关键能源载体，因为它是一种无碳分子，可以从多种来源生产，包括可再生能源、核能和化石燃料，并可通过集成碳捕集技术实现。氢气作为燃料可以与太阳能或风能等可再生能源结合使用，同时作为储能材料，在这些可再生能源需求过高时用于发电。目前，氢气的生产和需求逐年增长；根据国际能源署（IEA）的数据，2023年氢气产量为97百万吨，预计这一趋势将持续下去（见图1）。然而，低排放氢气在这一生产中的占比仍然较低，其中只有不到1百万吨氢气被视为“低排放”氢气。这些氢气主要通过化石燃料重整结合碳捕集、利用和储存（CCUS）技术生产。随着越来越多的项目被提出，预计到2030年低排放氢气的年产量将增加到49百万吨。 Alizadeh等人[4]和Voldsund等人[5]指出，利用天然气通过CCUS技术生产氢气是一种潜在的清洁能源替代方案。最传统的天然气氢气生产方法是蒸汽甲烷重整（SMR），该方法通常会产生10–12千克二氧化碳/千克氢气的排放。在标准的SMR配置中，脱硫后的天然气和蒸汽在燃烧管式重整器（FTR）或自热重整器（ATR）中转化为合成气，随后通过水煤气变换（WGS）和压力摆动吸附（PSA）单元进行纯化。CCUS技术可用于生产低碳氢气。Soltani等人[8]报告称，在压力摆动吸附单元之前捕集二氧化碳比从FTR废气中捕集二氧化碳更有优势，但这种做法会降低SMR过程的氢气生产效率[9]。其他集成合成气生产和气体分离的替代方法包括膜分离和吸附增强型反应器，但高性能膜和固体吸附剂的成本和耐久性仍是主要挑战[5][7]。 化学循环重整（CLR）和气体切换重整（GSR）相比SMR能够实现更高的氢气生产效率，并显著减少二氧化碳排放。CLR是一种具有高潜力的新兴技术，可实现合成气生产并具备内置的空气分离功能[10]。在CLR过程中，金属氧化物（MeO）将氧气从空气反应器传输到燃料反应器，在那里天然气和蒸汽被转化为合成气，同时MeO被还原为金属（Me）。还原后的载体再被送回空气反应器并与空气重新氧化，释放出富含氮气的气体，并产生驱动吸热重整反应所需的热量。大多数CLR的发展集中在双循环流化床系统上[11][12]，但Kang等人[13]报道了一种由空气反应器、燃料反应器和蒸汽反应器组成的三反应器CLR系统。CLR技术能够生产高纯度氢气并实现内置的空气分离。该过程的主要挑战之一是大规模应用时的复杂性，包括需要在反应器之间安全传输固体以及管理高温和高压[14]。在高温高压条件下，反应器之间的相互连接配置也带来了相关问题。每个反应器需要独立加压，任何压力不平衡都可能导致固体循环受阻，从而在放大过程中发生泄漏。另一个需要考虑的问题是流化床反应器和旋风分离器以及连接它们的循环密封件的流体动力学行为[14][15][16]。在放大CLR过程中还需考虑磨损和磨蚀问题，必须使用具有足够机械强度的氧载体以避免机械降解和材料损失，否则会导致过程污染物产生并缩短氧载体的使用寿命。此外，磨损产生的细颗粒会减少下游工艺组件的寿命并增加维护需求[17][18]。 为了解决CLR在大规模应用中遇到的挑战，研究人员研究了其他反应器配置，如填充床化学循环、旋转床反应器和GSR。