化学链燃烧
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链燃烧也是未来化学链燃烧发展的大趋势。
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
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
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的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5h 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 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 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22h、11h
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等(2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
化学链燃烧
Chemical Looping Combustion
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
目录 Contents
基于氧载体的化学链燃烧技术
循环氧载体
无火焰燃烧
根除燃料型NOx 生成 控制热力型NOx 产生 CO2 富集
不凝气
CO2
1-空气反应器；2-旋风分离器；3-燃料反应器
图2 Lyngfelt 设计的CLC 串行流化床系统图
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） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
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） (瑞典)Lyngfelt(2001) (瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003) (瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统 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 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的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5h 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
惰性附着基
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 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。
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
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的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5 h 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 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100 h 基于固定床思想的化学链燃烧反应器系统的探索与研究 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22 h、11 h
(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。
化学链燃烧反应器
无气体泄漏现象 载氧体活性基本不变 载氧体磨损率也很低
1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；4-燃料反应器 图3 10kW的化学连燃烧装置(a)
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） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
• 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。
源自文库
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） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 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) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等(2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
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 • 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
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等(2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
高效率
实现能量的梯级利用，提高能源利用率。
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
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 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22h、11h
化学链燃烧反应器
烟道气
2 1
3
H2 O
燃料 空气 进料
图1 化学链燃烧原理示意图
燃料侧： (2n+m)MexOy +Cn H2m (2n m)MexOy 1 +mH2O+nCO2 空气侧： 2MexO y -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。
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等(2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
• 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
(瑞典)Abad, Johansson(2005)
(西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等(2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
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
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
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的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5h 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 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 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22h、11h
化学链燃烧反应器
1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；4-燃料反应器 图4 50kW的化学连燃烧装置
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） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
机械强度
载氧体 评价指标
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
载氧能力 在反应过程中与氧 有较强的结合能力
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
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。
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
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
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的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5h 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 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 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22h、11h
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等(2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
化学链燃烧
Chemical Looping Combustion
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
目录 Contents
基于氧载体的化学链燃烧技术
循环氧载体
无火焰燃烧
根除燃料型NOx 生成 控制热力型NOx 产生 CO2 富集
不凝气
CO2
1-空气反应器；2-旋风分离器；3-燃料反应器
图2 Lyngfelt 设计的CLC 串行流化床系统图
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） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
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） (瑞典)Lyngfelt(2001) (瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003) (瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统 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 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的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5h 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
惰性附着基
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 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。
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
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的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5 h 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 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100 h 基于固定床思想的化学链燃烧反应器系统的探索与研究 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22 h、11 h
(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。
化学链燃烧反应器
无气体泄漏现象 载氧体活性基本不变 载氧体磨损率也很低
1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；4-燃料反应器 图3 10kW的化学连燃烧装置(a)
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） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
• 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。
源自文库
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） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 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) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等(2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
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 • 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
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等(2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
高效率
实现能量的梯级利用，提高能源利用率。
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
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 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22h、11h
化学链燃烧反应器
烟道气
2 1
3
H2 O
燃料 空气 进料
图1 化学链燃烧原理示意图
燃料侧： (2n+m)MexOy +Cn H2m (2n m)MexOy 1 +mH2O+nCO2 空气侧： 2MexO y -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。
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等(2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
• 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
(瑞典)Abad, Johansson(2005)
(西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等(2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
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
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
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的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5h 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 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 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22h、11h
化学链燃烧反应器
1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；4-燃料反应器 图4 50kW的化学连燃烧装置
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） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
机械强度
载氧体 评价指标
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
载氧能力 在反应过程中与氧 有较强的结合能力
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
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。