原位氧化还原喷射磨损反应器中四种载氧体磨损行为分析及其抗磨损性能评估

推荐：本研究针对化学链燃烧(CLC)过程中载氧体(OCs)磨损导致运行成本升高的问题，通过自主研发的喷射磨损反应器，系统评估了天然钛铁矿(Ilm-NO)、水合成型Cu-Fe双矿(CuFe-Hy)及钙钛矿(Per-Hy/Per-SD)在冷态、热态和氧化还原条件下的抗磨损性能。研究发现Ilm-NO和Per-Hy表现出最优异的抗磨损特性，其磨损率低至0.032-0.136 wt%/h，寿命长达1563-368小时。该研究为高抗磨损性载氧体设计提供了重要指导，并推动了高流速条件下磨损机制的研究。

　　

在能源与环境领域，化学链燃烧(CLC)技术因其能够实现燃料高效转化和二氧化碳原位捕集而备受关注。然而，作为CLC核心材料的载氧体(OCs)在实际运行中需要经历数千次氧化还原循环和反应器间循环，其磨损问题直接关系到系统运行成本和稳定性。目前，载氧体在高速气流(反应器1-10 m/s，旋风分离器20-30 m/s)和氧化还原条件下的磨损机制尚不明确，缺乏有效的评价方法。

针对这一关键问题，华中科技大学的研究团队自主研发了可模拟实际工况的喷射磨损反应器，对四种具有工业应用潜力的载氧体——天然钛铁矿(Ilm-NO)、水合成型Cu-Fe双矿载氧体(CuFe-Hy)、水合成型钙钛矿(Per-Hy)和喷雾干燥钙钛矿(Per-SD)进行了系统研究。该成果发表在能源领域顶级期刊《Fuel》上，为载氧体设计和磨损机制研究提供了重要参考。

研究团队采用了多项关键技术：自主研发的喷射磨损反应器可实现冷态(CAT)、热态(HAT)和氧化还原(RAT)三种测试模式；通过颗粒尺寸分布(PSD)分析量化磨损程度；结合X射线荧光光谱(XRF)、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)和X射线衍射(XRD)等技术表征材料演变；采用数值测力计测定压碎强度(CS)；基于Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法分析比表面积和孔径分布。

研究结果部分，"喷射磨损测试"显示：在RAT测试中，四种载氧体的磨损率(Ar)分别为Ilm-NO 0.032 wt%/h、Per-Hy 0.136 wt%/h、CuFe-Hy 2.344 wt%/h和Per-SD 8.592 wt%/h，对应寿命(Lj)分别为1563、368、18和9小时。

"颗粒尺寸分布"分析发现：Ilm-NO和Per-Hy主要表现为表面磨损(abrasion)模式；Per-SD呈现整体崩解(disintegration)特征；CuFe-Hy则随测试条件变化呈现不同磨损模式。

"表征分析"部分揭示：Ilm-NO在高温下出现铁元素外迁形成Fe壳层；Per-Hy的钙钛矿结构保持稳定；所有载氧体的压碎强度(CS)与体积密度(ρ_b)呈正相关，其中Ilm-NO和Per-Hy分别达到6.53±0.93 N和2.51±0.49 N。

在"讨论"部分，研究提出了创新性发现：不同应力(机械、热、化学)对载氧体磨损的影响并非简单叠加，而是存在拮抗作用；水合成型工艺制备的载氧体(Per-Hy)比喷雾干燥产品(Per-SD)具有更优异的性能；载氧体寿命(Lj)与1/Ar的线性拟合确定系数(R²)高达0.9921，验证了测试方法的可靠性。

这项研究的重要意义在于：建立了喷射磨损反应器评价体系，为载氧体筛选提供了标准方法；发现钛铁矿和钙钛矿类材料的优异抗磨损性能，其中Per-Hy兼具良好反应性和机械强度；揭示了高速条件下多应力耦合的磨损机制，为工业装置设计提供理论指导。研究结果对降低CLC技术运行成本、推动其工业化应用具有重要价值，同时为其他流化床材料的磨损研究提供了借鉴。