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Experimental study of a two-stage thermochemical cycle for hydrogen production
International Journal of Energy Research ( IF 4.3 ) Pub Date : 2021-09-08 , DOI: 10.1002/er.7259 Lina M. Varon Cardona 1 , Cesar Yuji Narita 2 , Marcelo B. Mourão 3 , José R. Simões‐Moreira 1
International Journal of Energy Research ( IF 4.3 ) Pub Date : 2021-09-08 , DOI: 10.1002/er.7259 Lina M. Varon Cardona 1 , Cesar Yuji Narita 2 , Marcelo B. Mourão 3 , José R. Simões‐Moreira 1
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The use of renewable energy sources is the main strategy toward a low-carbon society. A promising alternative for the production of hydrogen gas is the water-splitting thermochemical cycles activated by solar energy. This work presents an experimental study of a two-stage thermochemical cycle for hydrogen production. It is based on the carbothermic reduction of iron ore (Fe2O3) and the re-oxidation of it with steam can be powered by concentrated solar energy. Samples studied were self-reducing pellets. The first stage of the proposed cycle consists in the reduction of hematitic iron oxide into its own metal at temperatures above 1173 K. The second phase of the cycle consists of iron metal oxidation by steam, which produces hydrogen gas. Sponge iron samples obtained in this work had a specific surface area of 35.05 m2/g measured by the BET method, which is a high value compared to specific surface areas obtained from conventional processes. It was shown that at 973 K the hydrogen gas production rate is slower, whereas at 1073 K and at 1173 K the sample reached 63% of its maximum oxygen gain between 2 and 7.5 minutes, respectively. As the hydrogen gas production rate is also proportional to the iron oxidation rate, it was shown to be very important to balance out the hydrogen gas production over the entire cycle time as a function of temperature. Finally, the analyzed thermochemical cycle can also operate with any other renewable carbon source.
中文翻译：
两级热化学循环制氢的实验研究
使用可再生能源是低碳社会的主要战略。生产氢气的一个有希望的替代方案是由太阳能激活的水分解热化学循环。这项工作介绍了用于制氢的两阶段热化学循环的实验研究。它是基于铁矿石（Fe 2 O 3) 并且它与蒸汽的再氧化可以由集中的太阳能供电。研究的样品是自还原颗粒。拟议循环的第一阶段包括在高于 1173 K 的温度下将赤铁矿氧化铁还原成其自身的金属。循环的第二阶段包括通过蒸汽氧化铁金属，从而产生氢气。在这项工作中获得的海绵铁样品的比表面积为 35.05 m 2/g 通过 BET 方法测量，与从传统工艺获得的比表面积相比，这是一个高值。结果表明，在 973 K 时，氢气的产生速度较慢，而在 1073 K 和 1173 K 时，样品分别在 2 到 7.5 分钟之间达到其最大氧气增益的 63%。由于氢气的产生率也与铁的氧化率成正比，因此平衡作为温度函数的整个循环时间内的氢气产生量是非常重要的。最后，分析的热化学循环也可以与任何其他可再生碳源一起运行。
更新日期：2021-09-08
中文翻译：
两级热化学循环制氢的实验研究
使用可再生能源是低碳社会的主要战略。生产氢气的一个有希望的替代方案是由太阳能激活的水分解热化学循环。这项工作介绍了用于制氢的两阶段热化学循环的实验研究。它是基于铁矿石（Fe 2 O 3) 并且它与蒸汽的再氧化可以由集中的太阳能供电。研究的样品是自还原颗粒。拟议循环的第一阶段包括在高于 1173 K 的温度下将赤铁矿氧化铁还原成其自身的金属。循环的第二阶段包括通过蒸汽氧化铁金属，从而产生氢气。在这项工作中获得的海绵铁样品的比表面积为 35.05 m 2/g 通过 BET 方法测量，与从传统工艺获得的比表面积相比，这是一个高值。结果表明，在 973 K 时，氢气的产生速度较慢，而在 1073 K 和 1173 K 时，样品分别在 2 到 7.5 分钟之间达到其最大氧气增益的 63%。由于氢气的产生率也与铁的氧化率成正比，因此平衡作为温度函数的整个循环时间内的氢气产生量是非常重要的。最后，分析的热化学循环也可以与任何其他可再生碳源一起运行。
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