二氧化碳捕集与封存(CCS)技术能有效减少全球二氧化碳排放量。作为CCS技术之一,富氧燃烧极具工业应用前景。然而,其空分制氧单元具有高能耗和高成本的不足,严重阻碍了富氧燃烧技术的进一步商业化推广。作为一种新型制氧方法,化学链空分(CLAS)技术能为富氧燃烧电厂提供经济高效的氧气。为理解CLAS过程特性,本文以基于流化床的CLAS为研究对象,建立复杂串行流化床反应器模型,辨识运行参数对系统性能的影响,优化系统热力学性能,提出新型双快速流化床CLAS系统,从而为新型化学链制氧技术的发展提供理论依据与参考。在模型建立过程中,氧化反应器和还原反应器分别建立为快速流化床模型和鼓泡流化床模型,考虑流化床水力学特性和氧载体氧化还原反应动力学,充分体现了 CLAS过程的独特特征。过程模拟结果与实验结果之间具有良好的一致性,验证了所构建的过程模型的合理性。通过运行参数单变量分析发现,较高的还原温度和较高的流化气体流量能提高氧载体转化率与减少还原反应器的能量供应。基于最小单位能耗的多变量优化结果表明,较初始工况系统而言,可实现38.1%的节能,优化后的氧化反应器温度、还原反应器温度,空气流量和流化气体流量分别为830℃、950℃、1133.7 L/h和58.4 L/h。为进一步提升CLAS系统性能,基于化学链流化床反应器设计方法,设计出产氧量为1 t/h的新型双快速流化床CLAS系统。根据设计参数,构建CLAS双快速流化床反应器的过程模型2.0,充分考虑双快速流化床特性,考虑冷热物流换热网络,以提升热量有效利用。结果显示,氧载体还原反应的转化率高达67.3%,还原反应器的出口氧浓度接近该温度下氧平衡浓度,而氧载体的氧化转化率为87.3%,氧化反应器的出口氧浓度为13.5%,系统单位能耗为18.54 kWh/m3。与快速-鼓泡串行流化床CLAS系统相比,氧载体还原转化率和系统能量性能均有显著提升,表明新型双快速流化床反应器形式更适用于CLAS过程。