化石燃料与空气直接接触燃烧过程会排放大量的二氧化碳,导致温室效应和全球变暖日益加剧,已经成为全球范围密切关注的热点问题。特别是中国,能源结构以煤为主,导致CO₂排放量急剧增加并居于全球首位,引发诸多潜在的环境问题。为实现碳减排和碳中和目标,开发高效的燃煤CO₂捕获技术,具有重大的社会意义和应用前景。以Cu Fe₂O₄为氧载体的部分氧解耦煤化学链燃烧技术,作为本课题组发展的具有自主知识产权的新型化学链燃烧技术,结合了Fe₂O₃的高机械性能和Cu O的高反应活性,而且通过Cu Fe₂O₄直接释放O₂以及充分利用残余分解产物中晶格氧,不仅有助于燃料充分转化和利用,还能促进CO₂在低能耗捕集的同时实现高效分离。本课题基于该新型煤化学链燃烧技术,为了进一步提高Cu Fe₂O₄氧载体的氧容量并促进晶格氧的高效传递和利用,分别采用过渡金属Mn、Co、Ni改性处理,采用实验室定制多功能反应器系统,对所制备的多元Cu Fe₂O₄与不同煤阶的煤的反应特性加以系统研究。而煤中硫作为其中的必要组分,赋存复杂、形态多变,热转化利用时会导致煤中不同形态硫之间演化、迁移并与煤有机结构及其中所含矿物质相互作用。尤其是煤部分氧解耦化学链燃烧过程中,煤中不同形态硫的演化及在复杂气氛和多种影响因素的交互作用下,对氧载体反应活性及循环稳定性造成极大的破坏。鉴于中国煤硫含量相对偏高,在诸多形态硫中,黄铁矿占据含量较大,本文基于实验室自制的多功能反应器系统,分别对煤中黄铁矿热演化及其与自制的多元氧载体交互作用加以深入研究。首先,鉴于氧载体是化学链燃烧的能源介质和中间载氧体,从过渡金属掺杂活化角度考虑,采用改进的溶胶-凝胶燃烧法,分别制备了Ni、Co、Mn掺杂改性的三元Cu Fe₂O₄复合氧载体,并对其结构特性、形貌特征、释氧特性和氧传递路径以及多次循环反应稳定性加以系统的描述和评估。发现Cu Fe Mn O₄氧载体呈现出更高的还原性能、氧传递速率及循环稳定性,这主要是由于掺杂Mn可显著增强Fe³⁺离子的还原性能,使尖晶石结构中键长和键角发生变化,促进四面体附近的氧更加稳定,证明铜,铁和锰氧化物三金属系统具有协同效应。进一步,作为研究的基础,在不添加基于Cu Fe₂O₄改进的三元氧载体时,分别选择两种中国典型高硫煤贵州六枝(LZ)及广西合山(HS)煤,对其分别采用HCl-HF酸洗及Cr Cl₃还原法,定向脱除其中的硫酸盐等形态硫及其它主要的矿物质杂质,以及加入定量黄铁矿等,采用实验与热力学模拟相结合的方法,对煤中黄铁矿硫在不同的反应温度和反应气氛下的演化行为特征加以深入研究。实验发现H₂S主要来源于黄铁矿的分解,且黄铁矿的加入有利于煤的反应过程,可降低焦炭产率、抑制低稳定性有机硫转化为高稳定性有机硫,且黄铁矿与煤混合物的热解温度比单独煤的低,证明有机质中固有的氢和氧可以促进黄铁矿在低温下分解。基于热解过程中对黄铁矿硫演化分布的研究,添加定量Cu Fe Mn O₄研究部分氧解耦化学链燃烧过程中黄铁矿的迁移规律,实验发现在N₂、40%CO₂/N₂、40%H₂O/N₂气氛下的反应器出口气相硫仅为SO₂,这是由于氧载体的高释氧特性。另外,等温实验中发现高反应温度及氧载体添加量均有利于黄铁矿硫的反应,在反应气氛中添加气化介质CO₂或者H₂O后SO₂的释放量相较于惰性气氛略微下降,这主要是因为CO₂或H₂O气氛有利于使黄铁矿转化为Fe S,而其可能促进焦炭的产生。最后,鉴于煤中硫组分对化学链燃烧过程的巨大危害,进一步探索固硫剂、添加比例、反应工况对硫迁移特性的影响,以实现对SO₂的定向调控。钙基固硫剂是通过形成固体硫化物的形式进行脱硫,实验发现Ca(OH)₂固硫效果最好,对于反应工况的影响,在微氧1%O₂/N₂气氛和40%CO₂/N₂气氛时Fe SO₄相较于氮气气氛衍射峰强度较高,其主要是外加的黄铁矿被氧化所致,另外,过高的固硫温度会导致氧载体发生轻微烧结,因此固硫温度不宜过高,结合SEM-EDX及气相硫释放曲线,最优钙硫比Ca:S=2:1时能保证氧载体结构较为完整,疏松多孔。总之,通过研究黄铁矿硫组分在高浓度CO2和水蒸气气氛下热解时的演化分布及与掺杂改性的高活性Cu Fe2O4氧载体的交互作用,进一步的,对氧载体性能优化的机理及SO₂定向调控的最优工况进行了探索,有望实现煤高效清洁燃烧以及CO2的低成本捕获,也可为煤部分氧解耦化学链燃烧技术的深入理解、促进该新型燃烧技术的推广应用和规模化方向发展奠定坚实的基础。