化学链燃烧教材
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(西班牙)Diego, García-Labiano(2006)
(荷兰)Noorman等(2007)
建立双室流化床系统，冷态试验，对颗粒循环量、气体泄漏等问 题进行研究，优化试验系统，为建立热态试验系统做准备
设计并建立热功率为300W化学链燃烧系统，以合成气、天然气为 燃料，对基于镍基、锰基的载氧体进行连续运行试验
持续循环能力
即载氧体的使用寿命 评价载氧体的重要指标
在反应过程中与氧 有较强的结合能力
载氧能力
其他指标
能承受的最高反应温度、抗烧 结和抗团聚能力、颗粒尺度分 布、内部孔隙结构等
载氧体
金属载氧体
惰性附着基
Fe、Ni、Cu、Mn、Cd、Co等的氧化物或双氧载体。 在高温下表现出来的持续循环能力较差； 为提高其反应特性，提高寿命，抗烧结及增加表面积，常 附着于惰性载体上。
设计并建立10kW的化学链燃烧系统(b)，基于CuO/Al2O3载氧体进 行试验连续运行100h
基于固定床思想的化学链燃烧反应器系统的探索与研究
(瑞典)Berguerand等 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦
(2) 研究中所用燃料由单一成分气体向合成气发展、由气体燃料向固体燃料发展。 目前研究较多的为气体燃料（如天然气），从我国的能源结构来看，煤炭占主导地 位，应大力发展煤的化学链燃烧技术，找到适合固体燃料煤的高性能载氧体。
(3) 寻求反应性能优良、价格低廉并且无二次污染的非金属载氧体。 沈来宏等研究发现CaSO4 作为煤化学链燃烧反应的理想载氧体是可行的。如何提高 其反应活性、循环特性是今后研究的重点。
• 瑞典Johansson 在流化床上以CH4+H2O/O2+N2 为燃料对比NiO/NiAl2O4 ,NiO/MgAl2O2 种 载氧体，选择更适合的载氧体,对比连续与间歇性试验2种不同的试验方法
• 中国郑瑛等在TGA 上以CH4 为燃料验证了CaSO4 作为载氧体时SO2 排放的存在 • (瑞典)Leion 在流化床上以石油焦炭为燃料研究了温度，水蒸气，SO2 浓度对 载氧体Fe2O3/ MgAl2O4 反应速率的影响 • 西班牙Diego 在10 kW化学链燃烧装置上以CH4/空气为燃料研究了Cuo/Al2O3 作为氧载体时燃料转化率、运行过程中载氧体性能变
化学链燃烧
Chemical Looping Combustion
目录 Contents
基于氧载体的化学链燃烧技术 研究意义及特点 研究现状 载氧体
化学链燃烧反应器 化学链燃烧系统分析 固体燃料化学链燃烧技术
基于氧载体的化学链燃烧技术
循环氧载体
无火焰燃烧
图1 化学链燃烧原理示意图
根除燃料型NOx 生成 控制热力型NOx 产生
Al2O3、SiO2、NiAl2O4、MgAl2O4、TiO2、ZrO2、MgO、 Y2O3+ ZrO2(YSZ) 、海泡石(sepiolite)等。 作为惰性载体，提高比表面积和机械强度以增强循环性能； 作为热载体，传递和存储能量。
非金属载氧体
CaSO4、SrSO4、BaSO4等硫酸盐非金属载氧体。 非金属氧化物作为氧载体在载氧能力、环保和价格方面具有
搭建10kW化学链燃烧反应系统(a)，NiO/Al2O3 为载氧体，热态试 验连续运行100h，燃料天然气的转化率达99.5 %
建造了50kW的化学链源自文库烧反应系统，连续运行3.5h
(奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004)
(瑞典)Abad, Johansson(2005)
化学链燃烧反应器
表1 化学链燃烧反应器的研究情况
研究者（年份）
研究内容
(瑞典)Lyngfelt(2001)
首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004)
(韩国)Ryu (2004)
串行流化床的冷态试验，气体泄漏问题严重，可通过向反应器间 密封回路喷入水蒸气予以解决
独特的优势，如何提高其化学反应性等指标是值得努力的方 向之一。
载氧体
• 中国杨一超等在固定流化床上以煤为燃料研究了加压条件下，Fe2O3/Fe3O4 的反应特性 • 中国高正平等，利用流化床以神华烟煤为燃料，并以水蒸气作为气化-流化介质，研究了温 度、反应时间、循环数对Fe2O3/Fe3O4 载氧体反应性的影响
CO2 富集
燃料侧： (2n+m)MexOy +CnH2m (2n m)MexOy1+mH2O+nCO2 空气侧：2MexOy-1+O2 2MexO y
研究意义及特点
CO2 富集
生成物只有H2O和CO2，避免被N2 稀释，容易获 得高浓度CO2，减少Nox 产生。
高效率
实现能量的梯级利用，提高能源利用率。
研究现状
载氧体的选择与性能研究
1
3
化学链燃烧反应器 的设计与优化
2
反应系统分析以及与 其它技术的耦合
载氧体
即进行还原反应 氧化反应中 的反应能力
化学 反应能力
经济性 环境友好性
储量丰富 使用成本低 对环境无污染或污染小
抗破碎，抗磨损的能力 在循环应力作用下能够
保持较强的机械强度
机械强度
载氧体 评价指标
低耗能
可以通过低能耗的冷凝水蒸气的方法直接对CO2 进行高浓度富集，不需要常规的分离装置和额外 的能量，实现燃料燃烧和CO2 分离一体化，提高 了系统效率。
研究现状
在已进行的研究中化学链燃烧的研究主要集中 在气体燃料方面，近年来固体燃料化学链燃烧 及非金属载氧体成为热点，其中固体燃料化学 链燃烧也是未来化学链燃烧发展的大趋势。
• 美国Cao 在TGA 上以煤和生物质为燃料理论分析和实验证明了CuO 作为 固体燃料载氧体的可行性
• 瑞典Lyngfelt 等在10kw 化学链燃烧系统上以天然气/空气为反应气， 连续运行100h 研究了载氧体NiO/Al2O3 反应特性和抗破坏能力
载氧体
(1) 为使化学链燃烧技术能够更好地与其它发电系统进行耦合，应将提高载氧体的 操作温度作为研究的重点。选取环境性良好、无毒、廉价的载氧体以及对现有的载 氧体制备方法的改进和创新，也成为今后化学链燃烧技术发展的重点与难点。
(荷兰)Noorman等(2007)
建立双室流化床系统，冷态试验，对颗粒循环量、气体泄漏等问 题进行研究，优化试验系统，为建立热态试验系统做准备
设计并建立热功率为300W化学链燃烧系统，以合成气、天然气为 燃料，对基于镍基、锰基的载氧体进行连续运行试验
持续循环能力
即载氧体的使用寿命 评价载氧体的重要指标
在反应过程中与氧 有较强的结合能力
载氧能力
其他指标
能承受的最高反应温度、抗烧 结和抗团聚能力、颗粒尺度分 布、内部孔隙结构等
载氧体
金属载氧体
惰性附着基
Fe、Ni、Cu、Mn、Cd、Co等的氧化物或双氧载体。 在高温下表现出来的持续循环能力较差； 为提高其反应特性，提高寿命，抗烧结及增加表面积，常 附着于惰性载体上。
设计并建立10kW的化学链燃烧系统(b)，基于CuO/Al2O3载氧体进 行试验连续运行100h
基于固定床思想的化学链燃烧反应器系统的探索与研究
(瑞典)Berguerand等 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦
(2) 研究中所用燃料由单一成分气体向合成气发展、由气体燃料向固体燃料发展。 目前研究较多的为气体燃料（如天然气），从我国的能源结构来看，煤炭占主导地 位，应大力发展煤的化学链燃烧技术，找到适合固体燃料煤的高性能载氧体。
(3) 寻求反应性能优良、价格低廉并且无二次污染的非金属载氧体。 沈来宏等研究发现CaSO4 作为煤化学链燃烧反应的理想载氧体是可行的。如何提高 其反应活性、循环特性是今后研究的重点。
• 瑞典Johansson 在流化床上以CH4+H2O/O2+N2 为燃料对比NiO/NiAl2O4 ,NiO/MgAl2O2 种 载氧体，选择更适合的载氧体,对比连续与间歇性试验2种不同的试验方法
• 中国郑瑛等在TGA 上以CH4 为燃料验证了CaSO4 作为载氧体时SO2 排放的存在 • (瑞典)Leion 在流化床上以石油焦炭为燃料研究了温度，水蒸气，SO2 浓度对 载氧体Fe2O3/ MgAl2O4 反应速率的影响 • 西班牙Diego 在10 kW化学链燃烧装置上以CH4/空气为燃料研究了Cuo/Al2O3 作为氧载体时燃料转化率、运行过程中载氧体性能变
化学链燃烧
Chemical Looping Combustion
目录 Contents
基于氧载体的化学链燃烧技术 研究意义及特点 研究现状 载氧体
化学链燃烧反应器 化学链燃烧系统分析 固体燃料化学链燃烧技术
基于氧载体的化学链燃烧技术
循环氧载体
无火焰燃烧
图1 化学链燃烧原理示意图
根除燃料型NOx 生成 控制热力型NOx 产生
Al2O3、SiO2、NiAl2O4、MgAl2O4、TiO2、ZrO2、MgO、 Y2O3+ ZrO2(YSZ) 、海泡石(sepiolite)等。 作为惰性载体，提高比表面积和机械强度以增强循环性能； 作为热载体，传递和存储能量。
非金属载氧体
CaSO4、SrSO4、BaSO4等硫酸盐非金属载氧体。 非金属氧化物作为氧载体在载氧能力、环保和价格方面具有
搭建10kW化学链燃烧反应系统(a)，NiO/Al2O3 为载氧体，热态试 验连续运行100h，燃料天然气的转化率达99.5 %
建造了50kW的化学链源自文库烧反应系统，连续运行3.5h
(奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004)
(瑞典)Abad, Johansson(2005)
化学链燃烧反应器
表1 化学链燃烧反应器的研究情况
研究者（年份）
研究内容
(瑞典)Lyngfelt(2001)
首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004)
(韩国)Ryu (2004)
串行流化床的冷态试验，气体泄漏问题严重，可通过向反应器间 密封回路喷入水蒸气予以解决
独特的优势，如何提高其化学反应性等指标是值得努力的方 向之一。
载氧体
• 中国杨一超等在固定流化床上以煤为燃料研究了加压条件下，Fe2O3/Fe3O4 的反应特性 • 中国高正平等，利用流化床以神华烟煤为燃料，并以水蒸气作为气化-流化介质，研究了温 度、反应时间、循环数对Fe2O3/Fe3O4 载氧体反应性的影响
CO2 富集
燃料侧： (2n+m)MexOy +CnH2m (2n m)MexOy1+mH2O+nCO2 空气侧：2MexOy-1+O2 2MexO y
研究意义及特点
CO2 富集
生成物只有H2O和CO2，避免被N2 稀释，容易获 得高浓度CO2，减少Nox 产生。
高效率
实现能量的梯级利用，提高能源利用率。
研究现状
载氧体的选择与性能研究
1
3
化学链燃烧反应器 的设计与优化
2
反应系统分析以及与 其它技术的耦合
载氧体
即进行还原反应 氧化反应中 的反应能力
化学 反应能力
经济性 环境友好性
储量丰富 使用成本低 对环境无污染或污染小
抗破碎，抗磨损的能力 在循环应力作用下能够
保持较强的机械强度
机械强度
载氧体 评价指标
低耗能
可以通过低能耗的冷凝水蒸气的方法直接对CO2 进行高浓度富集，不需要常规的分离装置和额外 的能量，实现燃料燃烧和CO2 分离一体化，提高 了系统效率。
研究现状
在已进行的研究中化学链燃烧的研究主要集中 在气体燃料方面，近年来固体燃料化学链燃烧 及非金属载氧体成为热点，其中固体燃料化学 链燃烧也是未来化学链燃烧发展的大趋势。
• 美国Cao 在TGA 上以煤和生物质为燃料理论分析和实验证明了CuO 作为 固体燃料载氧体的可行性
• 瑞典Lyngfelt 等在10kw 化学链燃烧系统上以天然气/空气为反应气， 连续运行100h 研究了载氧体NiO/Al2O3 反应特性和抗破坏能力
载氧体
(1) 为使化学链燃烧技术能够更好地与其它发电系统进行耦合，应将提高载氧体的 操作温度作为研究的重点。选取环境性良好、无毒、廉价的载氧体以及对现有的载 氧体制备方法的改进和创新，也成为今后化学链燃烧技术发展的重点与难点。