化學循環重整 (CLR) 和氣化 (CLG) 是在化學循環方案中分別使用氣態碳質原料和固體碳質原料將其轉化為合成氣的操作。 使用的典型氣態含碳原料是天然氣和還原尾氣，而使用的典型固體含碳原料是煤和生物質。 使用金屬氧化物氧載體作為氧化劑將原料部分氧化以產生合成氣。 然后在再生步驟中使用空氣氧化還原的金屬氧化物。 合成氣是生產電力、化學品、氫氣和液體燃料等多種產品的重要中間體。

開發 CLR 和 CLG 工藝的動機在于它們能夠避免在反應中使用純氧的優勢，從而避免了傳統重整和氣化工藝中的能源密集型空氣分離要求。 因此，可以顯著提高過程的能量轉換效率。 水蒸氣和二氧化碳也可用作氧化劑。 由于金屬氧化物在化學循環過程中也作為傳熱介質，與燃燒過程一樣，重整和氣化過程的火用效率也高于傳統過程。

CLR 和 CLG 工藝使用固體金屬氧化物作為氧載體，而不是純氧作為氧化劑。 在一個稱為還原器或燃料反應器的反應器中，含碳原料被部分氧化為合成氣，而金屬氧化物被還原為較低的氧化態，如下所示：

CHaOb + 1-b/δ MeOx → CO + a/2 H2 + 1-b/δ MeOx-δ

我是金屬。 值得注意的是，CLR 和 CLG 工藝在還原器中的反應與化學循環燃燒 (CLC) 工藝的不同之處在于，CLC 工藝中的原料被完全氧化為 CO2 和 H2O。 在另一個反應器中，稱為氧化器、燃燒器或空氣反應器（當空氣用作再生劑時），來自還原器的還原金屬氧化物被空氣或蒸汽重新氧化，如下所示：

2?δ MeOx-δ + O2（空氣）→ 2?δ MeOx +（O2 貧化空氣）1?δ MeOx-δ + H2O → 1?δ MeOx + H2

然后固體金屬氧化物氧載體在這兩個反應器之間循環。 也就是說，還原器和氧化器/燃燒器連接在固體循環回路中，而來自兩個反應器中每一個的氣態反應物和產物通過反應器之間的氣封隔離。 與傳統系統相比，化學循環系統的這種流線型配置具有工藝強化特性，工藝足跡更小。

提供各種金屬氧化物的吉布斯自由能形成的 Ellingham 圖被廣泛用于冶金工藝，以確定金屬氧化物在不同溫度下的相對還原-氧化電位。 它描述了用作潛在氧載體材料的各種金屬氧化物的熱力學性質。 它可以被修改以提供金屬和金屬氧化物在各種氧化態下的吉布斯自由能變化，因此它可以直接用于根據特定化學鏈應用的氧化能力選擇金屬氧化物氧載體材料。 修改后的 Ellingham 圖如圖 1a 所示。 如圖 1b 所示，該圖可以根據以下四個關鍵反應分為四個不同的部分：

反應線1：2CO + O2 → 2CO2反應線2：2H2 + O2 → 2H2O反應線3：2C + O2 → 2CO反應線4：2CH4 + O2 → 2CO + 4H2

圖 1b 中標識的部分提供了有關金屬氧化物材料的信息，這些材料可以被選作所需化學循環應用的潛在氧載體。 具體而言，NiO、CoO、CuO、Fe2O3 和 Fe3O4 等高氧化性金屬氧化物屬于燃燒段（A 段），它們都位于反應線 1 和 2 的上方。這些金屬氧化物具有高氧化傾向，可以 用作化學循環燃燒、氣化或部分氧化過程的氧載體。 E 部分（反應管線 1 和 2 之間的小部分）中的金屬氧化物可用于 CLR 和 CLG，盡管合成氣產品中可能存在大量 H2O。 合成氣生產部分位于反應管線 2 和 3 之間（B 部分）。 位于該區域的金屬氧化物，如 CeO2，具有適度的氧化傾向，適用于 CLR 和 CLG，但不適合完全氧化反應。 反應線 3（C 和 D 部分）下方的金屬氧化物在熱力學上不利于將燃料氧化成合成氣。 因此，它們不能用作氧載體并且通常被認為是惰性的。 這些材料包括 Cr2O3 和 SiO2。