祝贺课题组毕业生邹广生的论文：Continuous chemical looping combustion of CH₄ in a parallel dual fixed-bed reactor using Fe-Cu oxygen carriers被Fuel收录，赵海波教授为通讯作者，邹广生硕士为第一作者。

根据燃料特性选择合适的CLC反应器配置至关重要。现有的CLC反应器配置主要包括串行流化床和固定床。在流化床反应器中，OC颗粒会受到严重磨损和破损，从而大大缩短其使用寿命。然而，固定床反应器则是通过阀门切换将反应气体输送到不同的反应器中，氧化和还原阶段交替运行。因此，固定床配置通过切换反应气氛避免了OC循环，防止了OC颗粒的磨损和破裂，延长了其使用寿命。此外，固定床CLC反应器结构紧凑，建造成本低，在气体燃料利用方面具有很大优势。值得注意的是，CLC的氧化还原过程在单个固定床反应器配置中涉及到燃料气体与空气的交替，因此，在单个反应器中实现连续燃料转化是不可行的。为了解决这一挑战问题，我们提出了一种并行多固定床反应器的配置并进行相关实验探究，以实现固定床CLC中的连续燃料转化。

大规模制备低成本的高性能氧载体对于实现化学链燃烧技术的工业化至关重要。本研究通过工业规模的液压成型法合成了一种经济实惠的水泥粘结的铜/铁复合OC（CuFe20CA）。利用稀释的10vol% CH₄作为燃料，在热重（TGA）和并行双固定床反应器中对CuFe20CA OC的性能进行了系统评估。首先，在TGA中使用CH₄作为还原剂进行了深度氧化还原试验和多循环等温氧化还原试验。CuFe20CA OC 表现出优异的循环稳定性和抗烧结性，100次循环的平均失重率为5.12%。随后，在单个固定床反应器中研究了CuFe20CA OC与10vol% CH₄在不同反应温度和氧燃比下的反应特性。在固定床反应器中，不同床层高度的CuFe20CA OC具有不同的还原程度。在最佳反应条件下（900 ℃，氧燃比为2.0），CH₄转化率和燃烧效率分别达到99.59%和97.57%。最后，使用CuFe20CA OC在并行双固定床反应器中进行了以CH₄为燃料的CLC连续实验。实验结果首次证明了在两个并联运行的固定床反应器中连续进行CH₄-CLC的可行性，并且CO₂选择性和CH₄转化率均超过99.5%。在整个长周期实验中，CuFe20CA OC表现出卓越的稳定性和高性能，温升和压降曲线一致，颗粒内无烧结现象。表征分析进一步证实，CuFe20CA OC的晶相在多次循环过程中保持稳定，表面元素分布均匀，形态保持良好。成功的运行结果表明，并行固定床CLC持续稳定运行的关键在于精心设计的气体切换程序和符合固定床应用要求的高性能OC。

图1 并行双固定床反应器进行连续CH₄-CLC的(a) 装置示意图和(b) 实验操作逻辑

在并行双固定床反应器中进行连续CH₄化学链燃烧实验的操作逻辑如下：1#反应器进行CH₄还原阶段，2#反应器依次进行吹扫、氧化和吹扫阶段。然后阀门将CH₄切换进入到2#反应器以启动还原步骤，而1#反应器则连续执行吹扫、氧化和吹扫阶段。通过两个固定床反应器并联运行的结构可以实现连续的CH₄化学链燃烧。其中要求还原时间t1，是吹扫时间t2、氧化时间t3和吹扫时间t4之和(t1=t2+t3+t4)。还原时间t1可根据单个反应器中填充的OC的质量、OC的可用晶格氧、燃烧的化学计量比以及燃料气体的类型和流速来计算。一旦确定了还原时间，也就确定了其他三个阶段的总持续时间。确定氧化时间t2的主要依据是初步实验，以确保还原的OC可以完全再氧化。而吹扫阶段只需确保前一阶段的残留气体被完全净化。

图2 20个循环内出口气体浓度随时间的变化趋势

图3 (a) Cu Fe20CA OC在20个循环中的气体组分比例以及(b) CH₄转化率和碳捕集效率

在并行双固定床反应器中进行了长周期连续CH₄化学链燃烧实验，研究了CuFe20CA OC(900 ℃，α=2.0)以稀释10vol% CH₄为燃料的长周期性能。CO₂浓度曲线在多个循环中保持一致，在整个过程中观察到少量未转化的CH₄。经过几个循环后，有微量的H₂产生，没有检测到CO的生成。在并行双固定床反应器中连续20个CLC循环，无CO时，出口气体中CO₂的比例均高于99.5%，表明CuFe20CA OC可以提供足够的晶格氧将CH₄转化为CO₂。CH₄裂解产生的H₂比例小于0.02%，未转化的CH₄比例在第5次循环后稳定在0.2%左右。CH₄转化率和碳捕集效率在20个循环内基本保持稳定。CH₄转化率约为99.8 %，碳捕集效率约为94.5 %。这些结果证明了CuFe20CA OC在并行双固定床反应器中长周期实验中的高稳定性能。

本工作得到国家自然科学基金(52025063)、湖北省重点研发计划(2023BCB109)、武汉市重大科技专项(2023020302020572)和长江生态环保股份有限公司科研项目(HBZB2022001)的支持。

文章完整信息：

Zou G, Wu X, Li Y, et al. Continuous chemical looping combustion of CH₄ in a parallel dual fixed-bed reactor using Fe-Cu oxygen carriers[J]. Fuel, 2025, 384: 134080.

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.134080