化学链燃烧（CLC）具有CO2内分离、能量梯级利用等优势,为化石能源的清洁高效利用引入了全新思路,代表了能源和环境的全新发展方向。化学链燃烧反应器通常为串行流化床反应器,然而,固体燃料的化学链燃烧反应器仍存在固固反应速率慢、颗粒性质差异大的燃料-载氧体混合困难、未反应碳分离装置复杂等问题。针对强化固体燃料-载氧体之间的混合与分离,本文提出了一种强化双颗粒混合-分离的新型串行流化床,并在搭建的冷模装置上对固体燃料-载氧体的混合和分离特性进行了系统研究,为新型串行流化床的热态运行提供理论依据。新型串行流化床将燃料反应器设计为快速混合反应段和未反应碳分离段两部分,分别用于强化双组分颗粒的反应和分离,简化了燃料反应器结构。燃料反应器底部采用载氧体与固体燃料射流混合装置,保证了载氧体-固体燃料间的充分混合和反应。在此基础上,本文首先设计搭建了一套冷模装置,并采用石英砂为床料,空气为流化气体进行了初步实验。40min的连续运行和循环系统压降分布测试结果表明:由空气反应器、燃料反应器和流动密封阀构成的冷模系统运行稳定,证明了提出理念和设计方法的合理性。采用石英砂作为床料,重点考察了新型串行流化床内的颗粒流动特性。快速混合反应段的固含率εs>0.15,属于高密度流化状态,较高的颗粒浓度强化了载氧体-固体燃料间的反应。进一步研究表明:颗粒浓度随着表观气速增加而降低,随着载料量的增加而增大,固体循环率随着表观气速和载料量的增加而增大。采用钛铁粉作为载氧体,煤粉和生物质作为固体燃料,对冷模装置中的颗粒混合与分离特性进行了研究。结果表明:随着UFR-1和UFR-2的增大,混合指数M1和M2均会减小。随着固体燃料-载氧体比例增大和稳定时间的增加,混合指数均会增大。与鼓泡床作对比研究发现:在以上操作条件下,本文设计的两级燃料反应器在混合能力上优于鼓泡床。分离特性实验研究表明:分离效率均随UFR-1和UFR-2的增大而逐渐增大,但UFR-1对装置的分离效率影响更大。另外,分离效率随着固体燃料-载氧体比例增大而增大,随着运行时间从5min增加到25min先逐渐增大后减小,存在一个最佳的运行时间。