CN102858685A - 由含碳原料生产氢的方法以及*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由含碳生物质生产H2的方法。将所述生物质气化来生产主要包含一氧化碳分子（CO）和氢分子（H2）的气流。然后通过氧化态的氧载体（MeO）来氧化这些CO和H2分子从而生产主要包含CO2、水蒸汽（H2O蒸汽）的气流以及还原的氧载体（Me）。然后用水蒸气来氧化所述氧载体，从而生产氧化的氧载体以及主要包含氢（H2）的气流。本发明还涉及包括用于执行这种方法的步骤的装置的***。

Description

由含碳原料生产氢的方法以及***
技术领域
本发明涉及用于生产氢的方法。本发明还涉及使用该过程的***。
本发明的范围是由含碳原料和水蒸气生产氢的范围。
背景技术
通过在含碳原料上重整水蒸气来生产氢是本行业中不同生产者完全已知的并且成为规范，并且称为蒸汽重整。
目前最广泛使用的蒸汽重整是甲烷蒸汽重整：CH4+2H2O→CO2+4H2。这些反应消耗热能并且排放致命的CO2（来自含化石碳的物质）。它们在800/900°C下以及在3.0/3.5MPa的压力下在催化剂上在多阶段中产生。在蒸汽重整过程中产生的热化学反应总体上是吸热的（165kJ/摩尔CH4）并且一摩尔CH4的热值是804kJ/摩尔。
蒸汽重整最广泛使用的催化剂是基于镍的并且对0.1ppm或更高硫含量的污染催化剂的硫非常敏感。还将基于氧化铁（Fe3O4）、基于氧化铬（Cr2O3）、基于氧化铜以及氧化铝上的氧化铬和氧化锌的其他催化剂用于这些放大反应中。在技术和能源方面氢生产***（在下面公开的，以及电解过程）是非常昂贵的。通过称为“热电外部装置”的方式来提供现有氢生产***所需要的热能和电能。这些处理方法和***依赖于外部供应处理能量。
它们还是对环境产生严重负面影响的工业***，尤其是涉及由于可归因于消耗的能量以及过程本身的CO2排放的“碳”影响。
发明内容
本发明的一个目的是避免上述的不便之处。
本发明的另一个目的是提出用较少的能量消耗来生产氢的方法以及***。
本发明的另一个目的是提出氢的自主生产***，通过依赖于连续的外部供应来释放氢生产***。
本发明的另一个目的是提出对环境具有较低影响的氢生产***以及方法。
本发明可以通过由干原料生产氢的方法来达到上述目的，所述方法包括以下步骤的至少一次重复：
-在第一所谓的气化反应器中用包含高温CO2的气化气流以及氧来气化干含碳物质，所述气化提供主要包含一氧化碳分子（CO）和最终的氢（H2）分子，以及最终的水蒸气（H2O蒸汽）的第一气流；
-在第二所谓的氧化反应器中通过氧化态的氧载体（MeO）以及含氧气流来氧化在所述第一气流中存在的所述一氧化碳分子（CO）以及氢分子（H2），所述氧化提供包含CO2的高温第二气流、还原态的氧载体（Me）以及最终的与所述干含碳原料的化学配方中包含的氢成比例的水蒸气（H2O蒸汽）；
-在第三所谓的活化反应器中用主要包含水蒸气的活化气流来活化所述还原态的氧载体，所述活化提供氧化态的氧载体、包含氢（H2）的第三气流以及过量的热能。
只要所述干含碳物质包括或不包括（在其化学组成中）氧分子，可以在两个不同的以及同时发生的步骤中在第一反应器中进行干含碳物质气化的实质部分。
如果所述干含碳物质（MPCS）在其化学组成中包含氧分子，在两个同时发生的步骤中进行气化：
-首先通过主要包含CO2的加热气体，通过强烈的热供应，在物质的中心发生热解作用。这种热解作用将所述干含碳原料（MPCS）的分子分解并且通过C与氧分子1/2O2之间的合成以得到CO来形成碳分子的初级气化。所述分解从该物质的化学组成中释放（最终的）氢分子，并且在基质分子中剩下不具有它们当量的气化“氧”的碳。
-然后这些碳可以与加热的CO2反应，可以通过捕获进入气相所需要的1/2O2来将CO2还原。在1000℃的温度下根据Boudouard平衡，这个反应将与C分子转化成CO同样多的CO2分子转化成CO。
如果所述干含碳物质（MPCS）在其化学组成中不含有其他氧分子，在一个单个步骤中进行气化：
-最初，通过主要包含CO2的加热气体，通过强烈地热供应到物质的核心部分，来提高所述干含碳物质（MPCS）的温度，使得（只要所述温度达到从500℃直至最后的1000℃的反应平台）通过Boudouard平衡，碳与加热体反应。所述反应通过与所述干含碳原料的碳原子（C）交换氧原子将CO转化（还原）成CO2分子，从而将该有机和/或无定形碳气化成CO，而无需外部供应纯氧。
含碳原料可以是包含可用于其化学组成中的碳比率的任何物质。该方法的产率与该元素除以单位物质的比率，以及其组成的氢含量相关。
本发明的方法不再需要从外部能源连续的能量供应。本发明方法消耗的唯一外部能量是在该方法的开始时启动气化步骤所需要的最终热能。一旦气化过程启动，本发明的方法产生足够的热能（其大部分被本发明方法的活性流回收）以完成该方法的该组步骤以及该***的整体运行。
因此，如在下面说明中我们将详细说明的，第二气流热容量的可供使用的能量（以及最终地通过补充由强制氧化干含碳原料的一部分所产生的热能），以及通过下面各项所提供的过量热能：在第二所谓的氧化反应器中通过氧化合成气体（来自所述干含碳原料的气化）以及通过活化氧载体MeO（通过将H2O还原成H2），足以为热处理***提供热能，足以使气化气流升高到气化温度，以及足以产生希望生产氢所需要的水蒸气，从而完成一个新的气化步骤，并且因此，完成该方法步骤的一个新的重复。
因此，本发明能够以比现有技术的方法和***更高的产率由含碳原料，更具体地生物质来生产氢，而对环境没有负面影响，并且在本实例中，显著地低于其他已知***和方法。
本发明的方法可以有利地包括来自所述第二气流的热能和/或通过由水生产所述活化气流的至少一部分的所述活化的所述过量热量的用途。
因此，在开始循环之后，本发明的方法不需要外部能量供应。
有利地，本发明的方法另一方面可以包括回收在第二气流中存在的CO2的至少一部分用来至少部分地构成用于下一个循环的气化气流。
因此，本发明的方法可以循环产生的CO2并且减少对环境的负面影响。
另一方面，可以将第二气流中存在的水蒸气的至少一部分冷凝并且回收用来构成活化气流的至少一部分。
因此，在开始循环之后，本发明的方法循环来自原料氢分子组分的水以减少其对于生产氢所需要的外部水的需要。
另一方面,本发明的方法可以包括用氧载体的活化的过量热量的至少一部分以及在气化过程中产生的热能的一部分来提高气化气流的温度,从而将所述气化气流升温到用于下一个循环的气化温度。
最终地可以通过在气化反应器中由氧（O2）供应提供的热补充来得到温度升高所需要的所有能量。另一方面，这种供应限于希望的热需求，每个O2分子氧化两个氢分子（H2）和/或碳原子从而生成两个H2O和/或两个CO（或一个H2O和一个CO，作为含碳原料的起始组合物的函数），因此产生用于本发明方法的反应的热能。除了提供给本发明方法的热量补充，每个CO可以产生一个纯氢分子（H2）。
在一个非常有利的形式中，本发明的方法可以包括在微藻培养生物反应器中通过光合作用来循环第二气流中存在的CO2的一部分，所述生物反应器一方面提供氧气流（O2），并且另一方面提供含碳生物质。
因此，本发明的方法可以在消耗碳以及由CO2分子释放氧的光合作用反应器中回收反应产生的过量的CO2。因此，在这个有利的形式中，本发明方法不再依赖任何氧燃烧所需要的O2源。
本发明方法消耗的唯一的氧是在该方法的早期启动气化步骤最终所需要的氧以及该方法所需要的热补充的氧。
实际上，可以将氧气流（O2）的至少一部分用于气化反应器中用来气化含碳原料。然后该氧取代来自外部来源的氧，因此减少了本发明方法的经济以及环境影响。
另一方面，本发明的方法可以包括回收有待在气化反应器中气化的含碳生物质的至少一部分。因此，本发明的方法可以生产在气化反应器中消耗的生物质的至少一部分。
本发明的另一个目的是提出由含碳原料生产氢的***，所述***包括：
-用包含高温CO2的气化气流对干含碳原料进行气化并且供应氧（O2）以提供用于气化反应的最终热补充的气化反应器；所述气化反应器提供主要包含一氧化碳（CO）分子以及氢（H2）分子（在所述干含碳原料的化学配方中包含的氢分子）的第一气流。
-通过氧化态的氧载体（MeO）来氧化在所述第一气流中存在的所述一氧化碳分子（CO）以及所述氢（H2）分子的氧化反应器，所述氧化反应器提供包含CO2和水蒸气（H2Og）的高温第二气流、还原态的氧载体（Me）以及过量的热能。
-用主要包含水蒸气的活化气流来活化所述还原态的氧载体的活化反应器，所述活化反应器提供氧化态的氧载体以及包含氢（H2）的第三气流以及过量的热能。
另一方面，本发明的***可以包括提供所述活化气流的至少一部分以及所述第二气流的热能的至少一部分和/或所述活化的所述过量热量的至少一个热交换器。
有利地，另一方面，本发明的***可以包括在第二气流中存在的CO2的至少一部分的循环回路，用来至少部分地构成用于下一个循环的气化气流。
另一方面，本发明的***还可以包括回收在第二气流中存在的水蒸气的至少一部分，用来构成活化气流的至少一部分。
在一个有利的形式中，本发明的***还可以包括微藻培养生物反应器，用来通过光合作用来回收在第二气流中存在的CO2的一部分，所述生物反应器一方面提供氧气流（O2），并且另一方面提供含碳生物质。
最后，本发明的***可以包括：
-用于将氧气流（O2）的至少一部分注入气化反应器中来气化含碳原料的回收回路；和/或
-用于在气化反应器中气化含碳生物质的至少一部分的回收回路。
氧载体可以包括NiO、Fe2O3、MgO、CaO等。
通过对非限制性方式的实施方式以及附图的详细说明的分析，可以清楚其他优点和特征。
附图说明
-图1是本发明***的第一形式的示意性表示；并且
-图2是本发明***的第二形式的示意性表示。
发明内容
在实施例中，提及的干含碳物质MPCS为植物生物质。无论什么作为MPCS，反应、能量转移以及热化学转化率是相同的，仅产生的氢定量结果依赖于所述MPCS的化学组成之间所包含的碳和氢分子的比率。
根据一个举例的实施方式，干含碳物质的加载可以包括：
-植物或动物生物质；
-炭；
-泥炭；
-褐煤；
-有机或非有机残余物；
-废旧轮胎；或
-这些含碳物质的任意组合。
一般地说，有机生物质在其分子组成中包含氢。所述生物质的化学组成为（平均）50%C、44%O2以及6%H2。
然而，在某些炭或其他无定形碳源中，以及在可以用作干含碳物质MPCS的某些含碳残余物中我们也发现了氢。
图1是本发明***的第一形式的示意性表示。
图1所示的***100包括气化反应器102、氧化反应器104以及氧载体活化反应器106。
将干含碳原料MPCS引入到气化反应器102中并且随后通过用作减少该流速度的栅格（未显示）的管状网，通过重力流入该反应器中。
将主要由反应性CO2以及在1000℃温度下加热的CO2组成的气化气流FGG引入到气化反应器102中并且最终富集纯氧（O2）（这种氧（O2）供应最终允许对气化反应器进行有用的热补充，维持气化反应器102的温度以及对气化气流FGG进行热补充）。以与含碳物质MPCS的流逆流的方式将所述气化气流FGG注入到所述气化反应器中。
引入的CO2遇到在此阶段已经达到≥1000℃温度的含碳原料MPCS。这种热解作用将干含碳物质MPCS的分子裂解。在1000/1100℃的转化/热解温度下，干含碳物质MPCS的分子裂解是无热的。干含碳物质MPCS与气化气流FGG之间相遇的初级反应是所述MPCS的热解/气化，在此期间分子组分中的C和O结合成CO（碳气化的初始阶段）。同时地，在不具有当量O分子的每个C元素上CO2转化成CO（即，以热能形式）。这种热解作用可以用于其化学组成包括碳和氧分子的每种干含碳物质MPCS。在所述含碳原料MPCS不包含氧分子的情况下，在500℃至1000/1100℃之间进行转化反应。
最后，通过将氧（O2）引入到气化气流FGG中，在气化反应的中心产生热量补充。然后引入的每摩尔氧氧化两摩尔H2和/或两摩尔碳，从而在气化反应器的核心部分产生相应的热能。所述最终的补充允许在所述气化反应器中控制反应的热调节以及提高反应产率，从而提高最终的氢产量。
根据所述干含碳物质MPCS的化学性质，所述转化/热解的结果可以具有不同的组成：
-如果所述含碳物质是碳含量≥80%并且不包含氧分子或氢分子元素的无定形炭，在所述气化反应器102中的反应可以在所述干含碳原料MPCS的碳上将CO2转化为CO；
-如果所述含碳原料是有机生物质和/或其化学组成包括氧分子元素以及氢分子元素的物质和残余物的混合物，在所述反应器102中反应的结果可以是将所述干含碳原料MPCS气化。该反应首先是热解，与其一起地将干含碳原料MPCS分子裂解；首先，通过使碳与氧分子进行反应来气化这些碳并且释放氢分子（H2）。随后，在不具有有待气化的其当量氧分子的所述干含碳物质MPCS的碳上将CO2转化成CO。因此针对这种作用预测的CO2将1/2O2提供给C从而以CO形式将它们气化，它们自身转化成CO，因此产生新的能量。这些CO，连同氢分子（H2）一起，将干含碳原料MPCS的全部潜能转移给***100中下面的反应部分。
因此，在所述气化反应器102中，作为干含碳原料MPCS质量的函数，反应结果是不同的。下面的说明使用有机生物质原料作为举例，该有机生物质原料的平均化学组成为：
-50%碳：500克41.667摩尔C
-44%氧：440克13.750摩尔O2
-6%氢：60克29.762摩尔H2
裂解/结合作用：含碳原料MPCS的分解、C结合成CO以及释放H2是无热的（在本发明方法的1000/1100℃的转化/热解温度下）并且通过气化气流FGG仅可以供应所述干含碳物质MPCS特定热量以便得到反应。
转化反应：由CO2至CO是吸热的，根据反应：
CO2–1/2O2=CO+O+283kJ/mol
C+1/2O2(来自CO2)=CO–111kJ/mol
即，热债（热量亏损，thermal deficit）为172kJ/mol CO2。
得到的两个CO分子的每一个都具有283kJ/mol的热值，即总计566kJ，而C的热值（含碳源物质的初级反应能量）是394kJ/mol。在这些情况下，主要目的是通过不能归因于这种潜能的方式或通过引入可以平衡这类产率的其他能量通过外部热量装置通过转化吸热来提供172kJ。在1000/1100℃的转化/热解温度下，干含碳原料MPCS的分子裂解以及随后的气化是无热的；因此，在所述裂解过程中释放的氢不需要特定的热量供应，而是具有242kJ/mol的潜能。
另一方面，为了提高所述干含碳物质MPCS以及气化气流FGG的温度，需要“热的”热能并且可以通过所述气化气流FGG进行提供（在这种情况下，通过用与所述气化气流FGG一起引入热解装置的氧O2进行H2和/或C的氧化而产生的热能来补充，从而产生有用的热容量）。
在有机材料的这个实施例中（“生物质”为用于“初级”气化阶段的干含碳原料MPCS），考虑到27.5摩尔CO针对13.750摩尔O2（它能够将27.5摩尔C氧化成CO），每摩尔C可以与来自分子组成的1/2摩尔O2进行反应，从而产生一摩尔CO。
在“初级”气化反应结束时，我们可以具有：
-27.5摩尔CO；
-29.762摩尔H2；
-14.17摩尔在干含碳物质MPCS的化学配方中不具有其当量O的C。
为气化这些14.17摩尔C，需要1/2摩尔O2，因此，需要同样多的CO2，即14.17摩尔，可以将这些CO2转化成CO从而将1/2摩尔O2交换给14.17摩尔C，因此产生28.34摩尔CO。
在这个新步骤中，我们可以具有：
-55.84摩尔CO，因此具有热值：
×283kJ/mol=15,802.72kJ
-29.762摩尔H2，因此具有热值：
×242kJ/mol=7,202.404kJ
即能量为：在可氧化的85.602摩尔中23,005.124kJ。
在1100℃下消耗1kg MCPS所需要的能量是1,068.210kJ；为了在1100℃下消耗14.17摩尔CO2（转化所需要的），需要717.930kJ；为了补偿转化14.17摩尔CO2的吸热，需要2,437.24kJ。
即热解/转化反应所需要的总能量为：4,233.38kJ/kg干原料MPCS生物质。
为了提供这种过程能量，可以使用本发明方法的合成气体的一部分通过外部热量方法；或根据本领域技术人员已知的技术使用任何能源通过外部***来加热气化气流FGG（在这个实施例的情况下，它包括14.17摩尔来自反应器106的循环的CO2第三气流TFG1）。在本发明方法的开始时，可以通过这些手段之一（未显示）将***升温到开始反应所需要的温度。随后这些将为随后的反应提供有用的热能以及反应性和加热的气体。
在本发明的热解装置中，氢分子首先与可供使用的氧反应。本发明的方法（在这个具体实例中）具有29.762摩尔H2，具有242kJ/mol的热值（一旦被与气化气流FGG一起注入的氧氧化），总能量为：7,202.404kJ。
为了得到和/或收集气化反应器102中反应所需要的热容量，所述来自反应器106的循环CO2的第三气流TFG1（一旦获得有用的热容量，在气化气流FGG中被转化）在热交换的管状网络中循环。在这个途径中，所述第三气流TFG1回收可供使用热能的至少一部分（在该***中在反应链期间产生的），并且因此获得有用热容量的一部分。
在所述第三气流TFG1在交换器108中运输期间，如果所述第三气流TFG1仅由用于转化反应的14.17摩尔CO2组成，它处于高于800℃的温度下，即回收的热容量仅为：574.334kJ。
因此，在气化反应器102中反应损失了4,233.38-574.344=3,649.036kJ的热容量。
如在说明的序列中我们可以看到的，该能量（如通过反应链产生的）可用于提供这种热容量。这导致能量从该来源转移到气化反应器102。为此，需要补充循环的CO2（然后外部供应用于启动该过程）。
为了产生这种热能，可以在气化反应器102中在反应阶段在其入口处与气化气流FGG一起进行O2的注入。
在1100℃下在本发明的热解装置中，氢分子最初地与可供使用的氧反应并且本发明方法（在这种情况下）具有29.762摩尔H2，具有总热值为：7,202.404kJ。
如果这是选择的选项，需要15.079摩尔氢来产生损失的热容量。注入的每摩尔O2可以与两摩尔氢反应从而生产两摩尔H2O并且然后需要7.54摩尔O2来补偿用于这个反应的热容量缺失。可以剩下14.683摩尔H2用来与CO进行反应以完成反应序列，从而导致产生纯氢。
在位于氧化反应器104和活化反应器106以及热交换器108中的管状网络（起到交换器以及降低氧化/还原物质流的速度的格栅的作用）中循环的第三气流TFG1，获得其全部有用的热容量并且变成气化气流FGG。它处于热解/转化室≤1100℃的反应温度下，它与反应所需要的7.54摩尔O2一起注入该热解/转化室中。
在这个具体实例中，在气化反应器102的出口处，得到第一气流PFG（每kg干含碳原料MPCS生物质），它由55.84摩尔CO+14.683摩尔H2以及15.079摩尔高于900℃温度的水蒸气(H2Og)组成。因此该第一气流PFG显著地充满能量并且具有反应性。它可以将能量从含碳原料转移给氧化反应器104，而没有损耗或损失。然后将它引入到氧化反应器104中，在此可以通过接触活化态或氧化态的氧载体物质MeO将其氧化。
在氧化反应器104的上部水平处将活化的氧载体MeO引入到该反应器104中，并且流过起到热交换器作用的管状格栅以及降低该流速度的栅格（未显示）。
来自气化反应器102的所述第一气流PFG主要包括（根据参考实施例：对于1kg干含碳原料（MPCS），55.84摩尔CO+14.683摩尔H2+15.079摩尔水蒸气（H2Og）。当以相对于氧载体MeO的流逆流方式引入到氧化反应器104中时（在反应器104下部的水平上），它处于高于900℃温度下。氧化态的（或活性的）氧载体MeO与第一气流之间的相遇导致：
-55.84摩尔一氧化碳CO氧化成二氧化碳CO2。这个反应是放热的并且释放283kJ/mol，即15,802.72kJ；
-14.683摩尔氢H2氧化成水蒸气（H2Og）；这个反应是放热的并且释放242kJ/mol；即3,553.286kJ（这些14.683摩尔水蒸汽加上通过生产气化气流FGG的热需求而产生的15.079摩尔，合计在含碳原料MPCS生物质中存在29.762摩尔（H2Og））；
-为完成所述氧化反应，需要70.253摩尔MeO；所述70.253摩尔MeO（活性氧载体）的还原是吸热的并且吸收244.3kJ/mol，即：17,228.669kJ。
因此，总反应（II）是放热的：
70.523MeO–70.5231/2O2+17,228.769kJ+55.84CO+14.683H2+70.5231/2O2-(15,802.72+3,553.288)→55.84CO2+14.683H2O+70.523Me=-2,127.239kJ。
因此，氧化反应器104是放热的，2,127.239kJ/kg MPCS生物质，因此超过90%（≈2,000kJ）被第三循环气流TFG1回收并且在交换器108中恢复平衡。
所述氧化反应器104提供主要包含CO2和H2O的高温（≥900℃）第二气流DFG以及还原态的（失活的）氧载体Me。
由于作为第三循环气流TFG1在其中循环的热交换器和栅格起作用的管状网络，氧化反应器104保持在适当温度水平（≤1000℃），当第三循环气流TFG1收集到其主要热容量时，它流出活化反应器106，同时调节所述气化反应器104的温度。
因此，这种第二气流DFG具有较大的热能：3,573.083kJ热容量+来自29.762摩尔(H2Og)冷凝成液态H2O的焓的2,228.951kJ，即：5,802.034kJ。该热能用于热交换器108中用来产生主要包含来自液态水的水蒸气的活化气流FA。
在热交换器108的出口处该第二气流DFG是冷的（在注入到交换器中用来产生活化气流FA的液态水的温度下）。该流中存在的水蒸气被冷凝并且与该流中存在的CO2分开。
在热交换器的出口处，我们然后可以具有：
-液态水（冷凝的）29.762摩尔
-主要包括水蒸气（在800℃的温度下以及约0.3MPa的压力下70.523摩尔的H2Og）的活化气流FA；
-所述活化气流FA的潜热（在800℃下气化）为可以通过热交换器108在氧化反应器104的出口处可供使用的5,802.034kJ上提供的5,281.645kJ；仍然可供使用的是：520.389kJ/kg MPCS生物质。
-高温和干燥的CO2的第三气流TFG。
在下面公开中我们可以看到这三种产物可以至少部分地用于***100中。
将还原态的氧载体Me引入到活化反应器106中。通过机械装置110将氧载体从氧化反应器104转移到活化反应器106中。还可以按照这两个反应器的配置通过重力进行这种转移。
失活的氧载体Me仍然处于约800℃的高温下并且具有显著的反应性。在这个活化反应器106中，通过主要由逆流循环的水蒸气H2O组成的活化气流FA的氧来再活化失活态的氧载体Me；70.523摩尔Me与70.523摩尔H2O进行反应从而产生70.523摩尔H2，142.174克纯氢/kg MPCS生物质，该生物质的高级热值（higher heating power）（PCS）为×242：17,066.566kJ。
与水蒸气接触氧载体Me的氧化一方面产生活性氧载体MeO，并且另一方面产生氢气流FGH。
当活化气流FA仅由水蒸气组成时，氢气流FGH由纯氢组成。
根据下面的平衡，在活化反应器106中验证的最终反应（III）是放热的并且具有过量的能量：
70,523Me+70.5231/2O2–(244.30×70.523=)17,228.769kJ
70.523H2Og–70.5231/2O2+(242×70.523=)17,066.566kJ→70.523MeO+70.523H2–162.203kJ
然后活化反应器106是放热的，162.203kJ/kg MCPS生物质，它加上氢气流FGH的比热（热容量），通过结合在所述活化反应器106中的交换器中的第三循环气流TFG1进行回收。所述800℃氢气流FGH的所述热容量为，对于70.523摩尔H2：2,054.523kJ，即合计2,216.726kJ.
在第三循环气流TFG1中将该热容量交换，从而进行预热以及尤其地能够将产生的氢（每kg干含碳原料PCS）的温度降低到室温。
因此，该活化反应器106提供：
-室温的氢气流FGH；
-高温（≈600℃）的活化氧载体MeO；以及
-过量热量。
通过机械装置110将反应的氧载体MeO转移到氧化反应器104中。
将流出交换器108并且主要由CO2组成的第三气流TFG的一部分TFG1回收并且用作下面循环的气化气流。将第二气流的另一部分TFG2储存或排放到大气中。
然而，该气流TFG1是冷的并且应当加热以用作气化气流FGG。
该气流TFG1第一次通过活化反应器106的管状网络，在该管状网络中它降低氢气流FGH（它由纯氢组成）的温度并且在该管状网络中它获得热容量。由于氧化反应器的过量热量520.389kJ加上活化反应器106的2,216.726kJ，即2,737.115kJ，随后它在位于活化反应器106出口处的热交换器108的专用的管状网络中循环，以获得其热容量的第二部分（在高于800℃的温度下）。从该过量热量，仅717.930kJ被气流TFG1的14.17摩尔反应性CO2消耗，然后2,019.185kJ可用于本发明方法的反应链。该过量热量用于对各种将能量转移给不同反应进行优化。它可以有利地用于取代用于通过用注入的O2氧化氢分子所提供的气化反应的热供应。该取代可以为氧化反应器104和活化反应器106中的链式反应提供氢分子用来生产过程当量的补充H2。
在活化反应器106和热交换器108的出口处，得到高于800℃温度的CO2气流。为了升高CO2气流的温度以及得到温度为1000℃或更高温度的气化气流FGG，流TFG1通过位于氧化反应器104中的热交换器，在那里它获得用于在含碳物质上进行转化的其全部热容量。然后将在该交换器出口处得到的气化气流FGG注入到气化反应器中以气化来自下一个循环的干含碳原料。
可以使用在交换器108出口处得到的液态水来生成用于下面循环的活化气流FA。
总剩余能量是平衡的，并且沿着反应链产生的过量热能补偿了本发明***/方法的各种损耗和消耗。
当本发明的方法/***启动时，可以通过循环反应链中产生的能量对它进行有利地优化。通过使用补充的加热CO2来完成这种优化的热回收，其作用是收集其未使用的过量的热容量并且将该热容量带到干含碳原料的核心部分。因此，这种未使用能量回收的优化减少了对氧供应的需要并且节省了氢分子氧化（用于产生反应能量）的当量数。因此节省下这些氢分子用来产生可以通过补充的MeO来氧化的多摩尔的氢，从而最终产生多摩尔的纯氢。
图2是本发明***第二形式实施方式的示意性表示。
由图2表示的***200包括由图1表示的***100的所有元件。
***200还包括包含微藻的生物反应器202。
将在交换器108出口处得到的冷却的第三气流TFG的部分TFG2注入到生物反应器202中。在藻类培养生物反应器202中，通过微藻的光合作用来使用二氧化碳CO2。光合作用一方面产生含碳生物质BC，并且另一方面通过使碳元素“C”与氧分子“O2”分离来产生氧气流FO2。
将得到的含碳生物质BC提供给生物质调节***204，该***可以是例如在将所述含碳生物质BC引入到气化反应器102中之前，对它进行调节的干燥***。
例如可以在有待用用于补充用于气化反应器102中含碳物质的热能的氧取代的气化反应器102的水平处将氧气流FO2提供给本发明***。
有利地，在该第二形式的实施方式中含碳生物质的产生通过下面各项促进设备的总产率：
-提供具有高附加值的原料（饲料/医药分子Ω3、生物石油等）；
-生物质炭（具有高附加值的分子的提取物的热解残余物），与干含碳物质一起部分地供应本发明方法；
-CO2流TFG2的完全循环，闭合本发明方法的气体回路。
还可以将所述含碳生物质的生产完全引入到本发明***/方法中。因此，还能够以闭环方式形成含碳原料的回路并且连续地生产氢，而对环境以及它的资源具有最小的影响。
在这个实施例中，碳被O2分子氧化，因此再次产生以相同方式循环的CO2。不需要安排大气排放或CO2分离。
因此，本发明的方法和***在开始阶段之后独立于任何外部能源。
本发明绝不限于上面公开的实施例。

Claims (13)

1.一种由含碳原料（MPCS）生产氢（H2）的方法，所述方法特征在于包括以下步骤的至少一次重复：
-在第一所谓的气化反应器（102）中用包含高温CO2的气化气流（FGG）和氧（O2）来气化含碳原料（MPCS），所述气化提供主要包含一氧化碳分子（CO）和氢分子（H2）的第一气流（PFG）；
-在第二所谓的氧化反应器（104）中通过氧化态的氧载体（MeO）来氧化在所述第一气流（PFG）中存在的所述一氧化碳分子（CO）以及氢分子（H2），所述氧化提供包含CO2的高温第二气流（DFG），还原态的氧载体以及过量的热能；
-在第三所谓的活化反应器（106）中通过主要包含高温水蒸气（H2O蒸汽）的活化气流（FA）来活化所述还原态的氧载体（Me），所述活化提供氧化态的氧载体（MeO），包含氢（H2）的第三气流（FGH）以及过量的热能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括，一方面，使用所述第二气流（DFG）的热能和/或所述氧化/活化的所述过量热量来由水生产所述活化气流（FA）的至少一部分。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于包括回收在所述第二气流（DFG）中存在的CO2的至少一部分（TFG1）来构成用于下面循环的所述气化气流（FGG）的至少一部分。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于包括回收在所述第二气流（DFG）中最终存在的水蒸气（H2O蒸汽）的至少一部分用来构成所述活化气流（FA）的至少一部分。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于还包括用通过氧载体氧化所述第一气流（PFG）以及活化所述氧载体的过量热量的至少一部分以及在气化过程中产生的热能的一部分来提高气化气流（FGG）的温度，从而使所述气化气流（FGG）达到用于下面循环的气化温度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于包括，另一方面，在微藻培养生物反应器（202）中通过光合作用来循环在所述第二气流（DFG）中存在的CO2的一部分（TFG2），所述生物反应器（202）一方面提供氧气流（FO2）并且另一方面提供含碳生物质（BC）。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于包括在所述气化反应器（102）中使用所述氧气流（FO2）的至少一部分来气化所述含碳原料（MPCS）。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的方法，其特征在于包括回收所述含碳生物质（BC）的至少一部分以便在气化反应器（102）中进行气化。
9.一种由含碳原料（MPC）生产氢（H2）的***（100，200），所述***特征在于包括：
-用包含高温CO2的气化气流（FGG）以及氧（O2）来气化干含碳原料（MPCS）的气化反应器（102），所述气化反应器（102）提供主要包含一氧化碳分子（CO）的高温第一气流（PFG）；
-通过氧化态的氧载体（MeO）来氧化在所述第一气流（PFG）中存在的所述一氧化碳分子（CO）以及氢分子（H2）的氧化反应器（104），所述氧化反应器（104）提供包含CO2的高温第二气流（DFG），还原态的氧载体（Me）以及过量的热能。
-通过主要包含高温水蒸气（H2O蒸汽）的活化气流（FA）来活化所述还原态氧载体（Me）的活化反应器（106），所述活化反应器（106）提供氧化态的氧载体（MeO）、包含氢（H2）的室温的第三气流（FGH）以及过量的热能。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于包括，另一方面，提供来自水的所述活化气流（FA）的至少一部分以及所述第二气流（DFG）的热能的至少一部分和/或所述活化的所述过量热量的至少一个热交换器（108）。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的***，其特征在于包括在所述第二气流（DFG）中存在的CO2的至少一部分（TFG1）的循环回路，用来构成用于下一个循环的气化气流（FGG）的至少一部分。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的***，其特征在于还包括用于通过光合作用来循环所述第二气流（DFG）中存在的CO2的一部分（TFG2）的微藻培养生物反应器（202），所述生物反应器（202）一方面提供氧气流（FO2）并且另一方面提供含碳生物质（BC）。
13.根据权利要求12所述的***，其特征在于包括：
-用于将所述氧气流（FO2）的至少一部分注入到所述气化反应器（102）中来气化含碳原料（MPCS）的回收回路；和/或
-用于在所述反应器（102）中气化所述含碳生物质（BC）的至少一部分的回收回路。
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