[发明专利]热化学循环分解CO2和H2O制备CO和H2的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及热化学循环分解二氧化碳和水制备一氧化碳和氢气的新方法及工艺流程。

背景技术

目前，CO₂排放问题越来越受到大家的重视，如何有效降低CO₂排放已经成为了世界各国重要的政治经济议题。美国、英国和德国等国都研究制定了CO₂排放制度，日本则加快了CO₂综合利用方面的研究，计划用10年时间建立起以CO₂为化工原料的独立工业体系。目前来看CO₂减排能够采取的措施一方面是减排和控制增量：包括调整能源结构，使用低碳能源，大力发展核能、氢能、风能等清洁能源，提高能源的利用效率，发展节能技术以及改变人类的消费习惯，尽可能减少石化燃料的使用。另一方面则是加大CO₂的处置和利用，这包括捕集和封存技术，进行油气开采，微藻利用以及化工利用等。在CO₂利用方面，虽然经济和风险评估表明CO₂的有机化工利用是一个值得大力发展的方面，但由于CO₂是个不活泼分子，化学性质稳定，需采用高温、高压或使用催化剂才能使其反应。一般情况下，CO₂催化加氢反应的转化率和收率都不太高，目前还难以经济规模地推广应用。而热化学循环分解和利用CO₂系统由于有其独特的优越性，近些年来得到了不少科学研究者们的关注和研究，其中，基于金属-氧化物对氧化还原的热化学循环分解二氧化碳和水系统是主要的研究方向之一。

基于金属-氧化物对氧化还原的热化学分解二氧化碳和水循环通常由两步组成：第一步是金属氧化物在高温下分解产生氧气和金属单质或者较低化合价的金属氧化物；第二步是金属单质或者较低化合价的金属氧化物在较低温度下发生水解反应来制取氢气或者发生二氧化碳分解反应来制取一氧化碳。整个过程可以表示如下：

1/xMO₂→1/x MO_2-x+1/2O₂    (1)

1/xMO_2-x+H₂O→1/xMO₂+H₂    (2)

1/xMO_2-x+CO₂→1/xMO₂+CO    (3)

第一步分解反应是一个高温吸热的过程，通常需要很高的反应温度(＞1600℃)，因此必须采用太阳能聚光高温热源来驱动反应进行。第二步水解反应和二氧化碳分解反应是放热的过程，其反应温度相对较低。当反应(1)中的M为Fe、Zn或者Ce元素时能获得比较合理的反应速率，反应式(2)和(3)的反应温度在350～900℃之间。由式(1)、(2)和(3)很容易看出：整个过程的总反应就是H₂O+CO₂→H₂+CO+O₂。

两步式热化学循环最关键的问题在于选择合适的金属-氧化物对，而在选择中首先要考虑的就是金属氧化物的分解温度。但实验表明，常见的金属氧化物的分解温度都相对较高。表1-1列出了一些常见金属氧化物完全实现热分解(没有添加任何有用功)ΔG_f⁰＝0时的大概温度：

表1-1常见金属氧化物热分解温度