甲烷化学链重整技术是一种可实现合成气与纯氢联合生产的新技术,化学链重整制氢技术的研究热点之一就是寻找一种低成本的氧载体。本研究选用磁铁精矿作为氧载体运用到甲烷化学链重整系统中,磁铁精矿氧载体的主要活性组分为Fe₃O₄。本文首先对磁铁精矿作为氧载体运用到甲烷化学链重整制氢系统进行了可行性分析,探索在循环过程中潜在的化学反应随温度的变化情况和不同温度条件下组分含量的变化。结果表明,在还原阶段,温度升高有利于铁氧化物的还原和积碳的形成,对Fe₂O₃还原反应的影响大于对积碳的影响;温度在700-800℃间时甲烷的转化率较高,同时积碳选择性较低,可得到H₂与CO的摩尔比值为2的合成气。在氧化再生阶段,通过调节水蒸气反应温度来减少C和Fe₃C等含碳杂质与水蒸气反应;还原磁铁精矿中的FeTiO₃、FeTi₂O₅和Fe₂TiO₅与水蒸气反应实现再生,而FeAl₂O₄和MgFe₂O₄不可逆转,造成活性铁物种损失。反应热力学分析证明了使用磁铁矿精矿作为CLRM系统的氧气载体理论上是可行的,与实验结果对比结果表明采用化学热力学平衡分析方法可作为磁铁精矿氧载体甲烷化学链重整制氢反应特性研究的指导性方法。在950℃恒温循环反应实验中,甲烷作为还原燃料,水蒸汽作为氧化气氛,对磁铁精矿作为氧载体的制取合成气和氢气性能进行了探索研究。原矿经过三次循环达到稳定状态,还原阶段甲烷高选择性转化为合成气,合成气产量为10.29mmol/g,纯度为95.11%,合成气中H₂和CO摩尔比值为2.0;氧化阶段获得的H₂产量为4.94 mmol/g,纯度为96.22%。经过焙烧处理后的磁铁精矿,还原阶段合成气的产量提升至10.64 mmol/g,纯度为96.30%;氧化阶段氢气产量为5.25mmol/g,纯度为96.52%。恒温实验充分证明磁铁精矿可作为氧载体运用到甲烷化学链重整系统中,焙烧处理后氧载体表面出现的孔洞和氧化价态的升高增强了其反应性能。本文还对在甲烷还原磁铁精矿氧载体过程进行动力学研究。动力学研究表明甲烷将原精矿和循环后精矿还原到FeO阶段是由相边界扩散控制机理控制的,焙烧磁铁精矿甲烷还原是由一维形核生长模型与扩散机理模型共同控制。原磁铁精矿还原的活化能为93.02 kJ/mol,经过循环反应后氧载体物相结构趋于稳定,还原反应活化能降至86.90 kJ/mol。磁铁精矿经过超声和焙烧处理后,合成气产量增加到13.15 mmol/g,氢气产量为5.43 mmol/g,纯度为98.90%。通过对氧载体的物理和化学组分两方面的调控来增强磁铁精矿氧载体的活性可作为下一步改性工作的重点。