化学链燃烧可以借助载氧体在燃料和空气之间的循环实现氧的传递,避免了燃料与空气的直接接触,从而能够提高CO2捕集效率,降低CO2捕集的能耗。载氧体的性能对化学链燃烧系统非常重要。与赤铁矿相比,天然贫铁矿活性适中,在中国分部十分广泛,价格更加低廉,环境友好不会造成二次污染,是一种比较理想的载氧体材料。粒径较小的载氧体颗粒拥有更高的比表面积,还原-氧化反应能力更强,在化学链燃烧中作用更大,但是其在燃料反应器中的停留时间仅有几秒至几十秒。目前已有的研究,往往将还原-氧化一个周期的停留时间(主要是在还原气氛中的停留时间)设定为几百秒甚至更长,与实际情况相距甚远。为了探寻天然贫铁矿载氧体在较短停留时间内还原-氧化反应规律,本文将载氧体颗粒在还原和氧化气氛中的停留时间都缩短至60s以内,采用CO作为还原气,在热重分析仪和固定床中对载氧体进行短停留时间、多循环次数的还原-氧化反应实验研究。首先采用热重分析仪,在停留时间为60s条件下,研究了天然贫铁矿的还原-氧化循环反应特性。结果表明:天然贫铁矿作为载氧体,在多次还原-氧化循环反应中呈现出良好的循环稳定性,反应温度和CO浓度的升高均可以提高其可利用转化率。在每一次短时间内的还原反应中,天然贫铁矿展现了能够与赤铁矿和钛铁矿相媲美的还原反应活性,因此在实际使用中可以考虑用天然贫铁矿代替赤铁矿或钛铁矿,以降低载氧体使用成本。其次采用固定床反应器,研究了停留时间对天然贫铁矿循环反应特性的影响。结果表明,在停留时间分别为60s,50s和40s的条件下,天然贫铁矿各循环100次,都表现出了较好的循环稳定性和反应活性,并且停留时间越短循环稳定性越强。当停留时间从60s缩短至40s时,在100次循环中,反应器出口 CO2浓度变化的相对值从11.14%降至3.41%。SEM外观形貌分析显示,在经历相同的循环次数下,停留时间越短,天然贫铁矿外表面的片状结构的改变越少,烧结熔融的现象越不明显,表明缩短停留时间,能够有效的减轻载氧体颗粒表面的烧结熔融现象。最后,为了进一步提高天然贫铁矿的反应活性,使用浸渍法,将草木灰水溶液中的K+载入到天然贫铁矿中。热重实验结果表明,停留时间为60s时,改性载氧体的活性和循环稳定性比天然贫铁矿载氧体更加出色。载氧体在100次循环后损失的质量不超过总质量的0.5%。K+能够降低温度变化对反应活性的影响。在低温区,改性载氧体化学反应速率常数大大增加,反应时间为600s时,在800℃下,改性贫铁矿载氧体的化学反应速率常数可达到天然贫铁矿的11.82倍。缩短反应时间至20s时,在800℃下,改性后载氧体的化学反应速率常数可达到改性前载氧体的4倍。XRD和SEM检测显示,K+能够与铁矿石组分发生化学反应,生成稳定的具有催化作用的化合物,如KFeO2。经过100次循环后,改性载氧体的孔体积和比表面积达到了新鲜改性贫铁矿载氧体的2倍以上。采用固定床反应器,在停留时间为40s的条件下,考察了不同K+负载比例对改性贫铁矿载氧体还原-氧化循环反应特性影响。实验表明K+负载比例的提高能够有效提高铁矿石还原反应活性。三种不同负载比例的改性的铁矿石在100次循环中均表现出了较强的循环稳定性。SEM和EDS分析表明,在循环反应的过程中,K+会从浓度较高的铁矿石颗粒表面往内部扩散,并形成孔隙。孔隙的形成在提高铁矿石颗粒反应活性的同时也会造成颗粒的粉化,造成载氧体的质量损失。