在50千瓦的化学循环系统中，Cu/Mn/Fe氧载体经历了物理化学演变，该系统配备了与固体燃料耦合的氧气解耦装置

《Fuel》：Physicochemical evolution of a Cu/Mn/Fe oxygen carrier in a 50 kW th chemical looping with oxygen uncoupling unit with solid fuels

化学 looping 燃烧与氧解耦（CLOU）技术中，Cu30MnFe氧载体在50kW连续单元中运行40小时，测试了生物质和煤燃料。结果显示载体机械强度下降（从2.4N降至0.8N），孔隙率增加至36.4%，碎片率升高，但磁性能保持稳定（μ≥2.9），实现高效分离。CuO部分转化为Cu-Mn-Fe尖晶石相，化学稳定性良好，氧解耦速率指数维持0.8%/min。研究揭示了载体寿命受机械应力（破碎、裂纹）和化学应力（相变、元素迁移）共同影响，为工业级优化提供依据。

　　本文探讨了基于铜锰铁（CuMnFe）的氧载体材料（Cu30MnFe）在50千瓦（kW）化学循环燃烧与氧解耦（CLOU）装置中的性能表现。研究重点在于评估这种氧载体材料在连续运行40小时过程中，使用多种固体燃料（包括生物质和煤炭）时的物理和化学特性变化，以及这些变化如何影响材料的寿命和适用性。通过这一研究，科学家们希望为未来开发具有氧解耦和磁性特性的耐用氧载体材料提供理论依据和技术支持。

CLOU技术作为一种高效的碳捕集方法，通过氧载体在燃料反应器（FR）和空气反应器（AR）之间进行连续的氧化还原反应，从而为燃料提供氧气，防止燃料与空气直接接触。这一过程有助于实现CO?的高效捕集。氧载体作为关键组成部分，通常由金属氧化物构成，如CuO、Mn?O?和Fe?O?等，这些材料在氧化还原反应中起到关键作用。氧载体的稳定性不仅影响其氧传输能力，还决定了其在长期运行中的耐用性。为了提升氧载体的性能和延长其使用寿命，研究者需要深入了解其在不同操作条件下的行为特征。

在本次研究中，Cu30MnFe氧载体的制备采用了30%的CuO、34%的Mn?O?和36%的Fe?O?。材料制备过程中，通过喷雾干燥法生成颗粒，并在1050°C的空气中煅烧8小时。通过这种制备方法，研究者得到了具有特定粒径范围（100–300微米）的氧载体材料。此外，还添加了分散剂、解凝剂和PEO-1等物质，以提高颗粒的均匀性和流动性。

在实验过程中，研究人员对氧载体材料的物理和化学特性进行了系统监测。主要的物理特性包括孔隙率、磁导率、机械强度、粒径分布以及颗粒的物理状态。在燃烧操作结束后，孔隙率显著增加，而机械强度则明显下降，表明材料在高温和氧化还原循环中发生了结构性变化。虽然颗粒的破碎现象是主要的磨损机制，但磁性分离在操作中仍保持高效（99.5%），这表明磁性特性对于从燃料灰中分离氧载体颗粒具有重要作用。

化学特性方面，通过SEM-EDX和ICP-OES分析，研究者确认了Cu、Mn和Fe的化学稳定性。尽管在氧化还原循环中观察到了CuO向Cu-Mn-Fe氧化物的转变，但这种转变并未影响氧载体的氧释放能力。同时，燃料灰中的元素如Si在氧载体表面沉积，但并未导致材料的结块或流化问题。这些发现表明，虽然氧载体在运行过程中发生了一定的化学和物理变化，但其整体性能仍然保持良好。

研究还指出，不同燃料的使用对氧载体的性能和寿命产生了影响。例如，在使用松木和树皮等生物质时，观察到孔隙率增加和机械强度下降的趋势，而使用煤时，Si含量显著增加，进一步影响了材料的稳定性。尽管这些变化存在，但氧载体的磁性仍保持较高水平，这使得其在实际应用中具有较高的回收效率。

在实验过程中，研究人员还通过SEM-EDX技术分析了氧载体材料的元素分布情况。结果显示，Cu在颗粒内部迁移，导致其在氧化还原循环中形成内部空隙，进而影响材料的结构稳定性。然而，Cu的迁移并未导致其含量的显著减少，这表明材料内部的结构变化在一定程度上得到了补偿。同时，Mn和Fe的分布仍然保持均匀，表明材料的化学稳定性较高。

此外，研究还发现，氧载体的磨损率与运行时间相关。在燃烧初期，磨损率较低，但随着运行时间的延长，磨损率逐渐增加。这表明氧载体在高温和氧化还原循环中的机械应力逐渐累积，导致其寿命受到限制。尽管如此，氧载体的磁性仍然保持良好，这使得其在实际操作中能够有效地从燃料灰中分离出来。

研究还讨论了氧载体在不同燃料燃烧条件下的性能变化。例如，在使用松木和树皮时，观察到孔隙率增加和机械强度下降的趋势，而在使用煤时，Si含量显著增加。这些变化表明，氧载体的化学和物理特性受到燃料类型和燃烧条件的影响。尽管存在这些变化，但氧载体的氧释放能力和磁性仍然保持较高水平，这表明其在实际应用中具有一定的稳定性。

通过本研究，科学家们发现，Cu30MnFe氧载体在CLOU装置中的表现优于传统材料，但其寿命受到限制。这表明，虽然材料在某些方面表现出色，但在高温和氧化还原循环中仍然存在一定的挑战。因此，未来的研究方向应集中在如何优化材料的结构和化学组成，以提高其耐用性和稳定性。

研究还指出，氧载体的磨损率与运行时间密切相关。在燃烧初期，磨损率较低，但随着运行时间的延长，磨损率逐渐增加。这表明，氧载体在高温和氧化还原循环中的机械应力逐渐累积，导致其寿命受到限制。尽管如此，氧载体的磁性仍然保持良好，这使得其在实际操作中能够有效地从燃料灰中分离出来。

此外，研究还讨论了氧载体在不同燃料燃烧条件下的性能变化。例如，在使用松木和树皮时，观察到孔隙率增加和机械强度下降的趋势，而在使用煤时，Si含量显著增加。这些变化表明，氧载体的化学和物理特性受到燃料类型和燃烧条件的影响。尽管存在这些变化，但氧载体的氧释放能力和磁性仍然保持较高水平，这表明其在实际应用中具有一定的稳定性。

通过本研究，科学家们发现，Cu30MnFe氧载体在CLOU装置中的表现优于传统材料，但其寿命受到限制。这表明，虽然材料在某些方面表现出色，但在高温和氧化还原循环中仍然存在一定的挑战。因此，未来的研究方向应集中在如何优化材料的结构和化学组成，以提高其耐用性和稳定性。