日益增长的能源消耗加剧了CO2等温室气体的排放，并对全球生态系统和人类社会造成了不可逆转的危害。有效控制和减少燃煤电站CO2排放已在全球范围内得到共识，特别是我国能源分布的特点，“富煤、贫油、少气”，决定了在未来相当长的时间内以燃煤为主的发电结构不会改变，因此迫切需要研发和推进燃煤电站CO2减排技术。化学链燃烧(Chemical-LoopingCombustion，CLC)是一种具有CO2内分离性质的新型燃烧技术，燃料适应性广，能源利用效率高，是实现CO2减排的有效途径之一。以煤作为燃料的化学链燃烧过程可实现煤的高效清洁利用，但煤气化反应速率慢，是煤化学链燃烧过程的控制步骤。碱金属钠、碱土金属钙和过渡金属镍对煤气化过程具有催化作用，采用钠、钙和镍对铁矿石载氧体进行修饰，在小型流化床反应器和1kWth串行流化床反应器上，对基于钠、钙和镍修饰铁矿石载氧体的燃煤分离CO2机理进行了研究，并指出了煤化学链燃烧催化气化—还原反应路径，主要研究工作如下:　　首先利用小型流化床反应器，采用碱金属钠对铁矿石载氧体进行修饰，研究了钠负载量(3％～10％)、反应温度(800℃～960℃)和循环次数对煤化学链催化燃烧的影响，并分析了载氧体组分和表面形貌的演化特性。结果表明:反应温度920℃时，随着钠负载量的增加，煤化学链燃烧的反应速率加快，气体反应产物浓度达到峰值的时间提前，反应后期气体产物的衰减速率增大，整个反应期间CO浓度明显减少，CO2、H2浓度增大，但过高的钠负载量对强化煤化学链催化燃烧的作用减弱，其原因为较多的钠覆盖在载氧体表面，阻塞了载氧体颗粒的部分微孔，增加了反应气体的扩散阻力，不利于反应的进行，本实验获得的最佳钠负载量为6％。钠在整个温度区间800℃～960℃内对煤气化反应的催化效果均为显著。反应温度920℃时钠在19次循环反应过程中对煤化学链燃烧仍具有稳定的催化作用。SEM-EDX分析显示，19次循环反应结束后，Na-铁矿石颗粒表面变得疏松多孔，有助于气体扩散到颗粒内部进行反应。　　采用小型流化床反应器，考察了基于钠修饰铁矿石载氧体的煤化学链燃烧催化气化—还原反应路径，结果表明:使用气体燃料CO或H2时，Na-铁矿石主要促进了水汽变换反应的进行，同时Na-铁矿石对CO、H2和载氧体的还原反应也具有促进作用，使得产物气中CO和H2浓度降低，有效减轻了CO和H2的存在对煤化学链燃烧过程中焦炭气化的抑制。使用固体燃料煤焦时，Na-铁矿石主要促进了煤焦气化反应的进行，产生了更多的气化产物与载氧体发生反应，有效提高了碳转化率。　　鉴于碱土金属钙是煤气化的有效催化剂，采用小型流化床反应器，对基于钙修饰铁矿石载氧体的煤化学链燃烧反应过程进行了实验研究，考察了钙负载量(3％～10％)、反应温度(800℃～960℃)和循环次数对煤化学链催化燃烧的影响。结果表明:钙负载量低于3％时，Ca-铁矿石对煤气化的促进作用不明显，钙负载量增加到6％时，煤化学链燃烧的反应速率加快，煤气化速率有效提高，整个反应期间CO浓度明显减少，CO2、H2浓度增大，而钙负载量超过6％时，其对煤化学链燃烧的促进作用减弱，本实验获得的最佳钙负载量为6％。在800℃～960℃反应温度区间内，Ca-铁矿石的碳转化率和CO2产率都随温度的升高先增大后减小，温度越高，达到相同碳转化率所需要的时间越短，920℃时对煤化学链催化燃烧效果最为显著，碳转化率和CO2产率高达91.2％和95％，分别比纯铁矿石碳转化率和CO2产率约高14％和27％。19次循环过程中，钙对煤化学链燃烧均有催化效果，这表明Ca-铁矿石具有较强的持续循环能力。19次循环反应结束后，SEM-EDX分析显示Ca-铁矿石颗粒表面并未出现严重的烧结现象，表面晶粒出现较多断裂和缝隙，这有利于提高载氧体在循环过程中的反应性能。　　研究了基于过渡金属镍修饰铁矿石载氧体的煤化学链催化燃烧实验，考察了镍负载量(3％～10％)、反应温度(800℃～960℃)和循环次数对煤化学链催化燃烧的影响。结果表明:反应温度为920℃，镍负载量低于3％时，Ni-铁矿石对煤气化的催化作用不明显，但促进了CO向CO2的转化，随着镍负载量增大到10％，碳转化率和CO2产率分别达到最大值88.29％和95.68％，本实验得到的最佳镍负载量为10％。当镍负载量为6％时，在960℃对煤化学链的催化燃烧效果最为显著，碳转化率高达92.7％，高于纯铁矿石约15.5％，而温度低于920℃时催化效果不明显。高温下镍主要促进了煤焦的气化过程，而对气化产物CO向CO2的转化影响较小。在19次循环反应过程中，镍在循环后期催化效果不明显。19次循环反应结束后，SEM和BET分析显示，Ni-铁矿石颗粒表面出现熔融、烧结现象，孔隙率和比表面积明显降低。　　通过对钠、钙和镍修饰铁矿石载氧体的煤化学链燃烧实验结果进行比较，结果表明钠对煤化学链燃烧的催化活性高于钙和镍，且钠修饰铁矿石比钙和镍修饰铁矿石展现出更好的持续反应活性，综合来看，三种改性铁矿石对煤化学链燃烧的影响程度:钠＞钙＞镍。　　最后利用1kWth串行流化床反应器对钠修饰铁矿石载氧体进行了实验研究，考察了燃料反应器温度对煤化学链催化燃烧特性的影响，结果表明:钠在燃料反应器温度区间820℃～920℃内对煤气化反应的催化效果显著，随着燃料反应器温度的提高，使用Na-铁矿石时燃料反应器出口CO2浓度明显增大，CO浓度明显降低，在920℃时CO2捕集效率和碳转化率分别达到了78.60％和80.54％，而使用纯铁矿时的CO2捕集效率和碳转化率仅为40.27％和45.65％。在高温950℃时，连续运行5h后Na-铁矿石活性下降，出现烧结和团聚现象，燃料反应器出现滞流态化现象，这是钠的化合物熔点较低和载氧体过度还原所导致的，本实验得出的最佳运行温度建议小于950℃。XRD和SEM分析显示钠修饰铁矿石载氧体使更多的Fe2O3被还原为Fe3O4。　　煤气化速率慢，是煤化学链燃烧技术的瓶颈。采用碱金属、碱土金属和过渡金属对铁矿石载氧体进行修饰，不但催化燃料反应器内气固反应速率，而且可显著改善煤气化速率，提高煤炭利用效率，对今后煤化学链燃烧技术的发展具有重要意义。