煤化学链气化技术将“无焰燃烧”理论应用于循环流化床,借助载氧体传递煤气化过程中所需氧与热量,实现煤炭的清洁转化。目前,煤化学链气化技术的工业化应用尚未成熟,其中兆瓦级装置的自热运行,载氧体的规模化制备及其反应性能调控等问题仍需解决。针对上述问题,本文首先运用Aspen Plus软件对煤化学链气化的热力学进行分析;通过制备锰基钙钛矿载氧体,进而研究了锰基钙钛矿载氧体/煤化学链气化的反应性能及其循环反应过程中载氧体的结构演变规律,主要研究内容如下:(1)运用Gibbs自由能最小化方法建立了1MWth煤化学链气化工业装置流程模型。探讨了煤种(宁夏煤、新疆煤、云南煤)、载氧体种类(赤铁矿、天然锰矿)、燃料反应器内运行温度、氧/碳比、压力、水蒸气/煤比对系统生产合成气的影响及实现系统自热平衡运行的条件。结果表明:在700～1200℃范围内,随温度升高,3种煤的合成气产率及冷煤气效率都是先增加后趋于平缓。水蒸气/煤质量比在0.5～1.5范围内增大,压力在0.1～3.0 MPa范围内增加都会使合成气产率降低。随氧/碳摩尔比在0.1～1.7范围内增大,合成气产率显著降低,系统由外部供热变为向外放热。当系统实现自热平衡运行时,赤铁矿和天然锰矿氧/碳摩尔比分别为1.1和1.5,在保证反应速率和经济成本的前提下,优先选择天然锰矿石作为载氧体。(2)采用废锰砂滤料作为新型锰源,结合氢氧化钙制备了锰基钙钛矿载氧体(MnSFMCH)。此外,在相同实验条件下与天然锰矿结合氢氧化钙制备的锰基钙钛矿载氧体(MnCH)进行了比较。热重实验表明在同一氧碳比下,MnSFMCH载氧体与煤的反应程度更彻底,与煤反应时能多释放出1151 J/g的热量。当相同质量的MnCH载氧体和MnSFMCH载氧体分别与H2和CO反应时,同一时间内MnSFMCH载氧体的转化率明显高于MnCH载氧体。流化床实验表明在煤化学链气化过程中,使用MnSFMCH载氧体的合成气产率、瞬时气化速率及碳转化率均高于MnCH载氧体。两种载氧体均在950℃下的惰性气氛下释放气态氧,而MnSFMCH载氧体表现出更高的气态氧释放速率。(3)在热重和流化床上探究了锰基钙钛矿载氧体在循环过程中反应性能及磨损性能,然后采用XRD、N2吸附/脱附和SEM等技术,分析了载氧体在多次循环过程中的晶体结构、孔结构和形貌结构的演变规律。热重实验表明MnSFMCH载氧体在每次还原过程中重量损失更加稳定,4次循环过后载氧体实际载氧率从17.5%降低至16.78%,降幅约4.1%。MnCH载氧体4次循环过后的实际载氧率从10.5%降至9.0%,降幅约14.3%。在流化床的20次循环实验中,使用MnSFMCH载氧体时各出口气体波动更小,合成气产率更高;MnCH载氧体和MnSFMCH载氧体的平均磨损率分别为0.14%/h和0.11%/h。XRD结果表明MnSFMCH载氧体的晶体结构稳定,在循环过程中始终以CaMn0.7Fe0).3O2.845为主。SEM结果表明MnSFMCH载氧体颗粒在循环过程具有良好的抗烧结能力,颗粒表观形貌良好。综合考虑两种锰基钙钛矿载氧体的反应性能,循环稳定性与磨损性能等,MnSFMCH载氧体更适宜煤化学链气化过程的规模化应用。