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氢气是一种可再生能源载体,而合成气也是一种重要的化工原料。化学链天然气蒸汽重整制取合成气与氢气的技术(Chemical-looping Steam Methane Reforming,CL-SMR)是一种新型的制氢技术,该方法通过两步氧化还原反应将甲烷与水蒸气的反应过程分成甲烷还原反应部分和水蒸气氧化反应部分分别制取H2/COL比值为2的合成气和氢气,这样分部反应避免了氢气和氧气高温分离工艺,反应效率更高,同时可以得到适合于工业甲醇合成的合成气,该工艺具有较好的发展前景。CL-SMR技术中载氧体性能的好坏直接决定了该反应体系的优劣,该技术的核心问题就是找到一种高效稳定的载氧体。本文首先从热力学的角度初步选取了适合于CL-SMR技术的载氧体,然后对选定的载氧体分别对其甲烷还原部分及水蒸气氧化部分制取合成气和氢气的性能进行了研究,分别确定了该载氧体在两步反应中的最优反应工况。最后利用确定的最优工况对该载氧体进行了十次循环实验,考察了该载氧体循环性能的稳定性,进而证明了该载氧体用于CL-SMR工艺的可行性。本文主要研究结果如下:(1)根据金属及其氧化物的物理性质对元素周期表中的元素进行初选,然后基于最小吉布斯自由能原理,利用HSC Chemistry热力学分析软件对剩余的金属氧化物用于甲烷还原反应与水蒸气氧化反应在热力学上的可行性进行了分析。结果表明:FeO/Fe,Fe2O3/Fe,Fe3O4/Fe,Fe3O4/FeO,MoO2/Mo,SnO2/SnO,WO2/W 和 WO3/W 适合于低温段的 CL-SMR 系统;V2O5/V,Mn2O3/Mn,Mn3O4/Mn,Nb2O5/NbO2,CeO2/Ce2O3 和Eu3O4/EuO适合于中温段的 CL-SMR 系统;TiO2/Ti2O3,Cr2O3/Cr,Nb2O5/Nb,NbO2/NbO and Nb2O/NbO适合于高温段的CL-SMR系统。(2)本文选取WO3作为载氧体,利用浸渍法分别制备了三种不同惰性载体添加比例(2:8、4:6、6:4)的W03-SiO2、WO3-Al2O3载氧体进行了甲烷还原反应部分的实验研究,考察了反应温度(900℃、950℃、1000℃)、惰性载体添加比例(2:8、4:6、6:4)、载氧体种类(SiO2、Al20l3)对反应性能的影响。实验结果表明:温度的提高有利于CO选的性的提高,有利于反应趋向于生成CO的方向进行,有利于提高CO和H2的产量;反应温度为1000℃时比反应温度为950℃和900℃时,H2/CO的比值更接近于2;WO3-SiO2、WO3-Al2O3载氧体的最优甲烷还原反应温度为1000℃。对于WO3-SiO2、WO3-Al2O3载氧体当添加比例为4:6时,H2/CO的比值更接近理想值2。WO3-Al2O3载氧体进行甲烷还原反应时,CO的选择性大于WO3-SiO2载氧体进行甲烷还原反应时CO的选择性;WO3-Al2O3载氧体H2/CO的比值比WO3-SiO2载氧体H2/CO的比值更接近于2;WO3-Al2O3载氧体单位时间内合成气产量大于WO3-SiO2载氧体单位时间内的合成气产量;对于甲烷还原部分WO3-Al2O3载氧体的性能优于WO3-SiO2载氧体。(3)利用已经确定的甲烷还原反应部分的最优工况,制备出还原态的W03-SiO2、WO3-Al2O3载氧体并对其水蒸气氧化反应部分的制氢性能进行了研究,考察了反应温度(750℃、800℃、850℃、900℃、950℃)、水蒸气流量(0.34L/h、0.43L/h、0.57L/h)、载氧体种类(SiO2、Al2O3)对制氢性能影响。实验结果表明:提高反应温度,有利于提高水蒸气氧化反应的制氢速率,但950℃下和90℃下在30分钟内的氢总产量相近,从能耗角度考虑,900℃为还原态的W03-SiO2、WO3-Al2O3载氧体水蒸气氧化制氢部分的最优反应温度;提高水蒸气流量,氢产量达到的峰值越大,开始时的反应越剧烈,但随着水蒸气流量的增加在30分钟内总的氢气产量反而减小,当水蒸气流量为0.34L/h时,30分钟内总的氢气产量最大;水蒸气流量为0.34L/h为最佳流量;还原态的WO3-SiO2载氧体与水蒸气反应更易控制,反应更平稳,性能要优于还原态的WO3-A12O3载氧体。(4)最后利用已经确定好的最优甲烷还原反应和水蒸气氧化反应实验工况对WO3-SiO2、WO3-Al2O3载氧体进行了十次循环反应实验,考察了其十次循环下反应性能的稳定性。实验结果表明:WO3-SiO2、WO3-Al2O3载氧体在进行十次循环实验中,甲烷还原反应部分和水蒸气氧化反应部分的活性均有所下降,这是因为长时间的高温反应,发生烧结,并且甲烷还原反应伴随有积碳的现象进而降低了其活性;WO3-Al2O3载氧体十次循环产出的合成气H2/CO比值在1.65～2.39之间波动,WO3-SiO2载氧体十次循环产出的合成气H2/CO比值在1.88～2.12之间波动,更接近理想值2;在CL-SMR工艺中,WO3-SiO2载氧体的性能要优于WO3-Al2O3载氧体。