郭庆杰1，2， 陈有琦1，2， 郭拓2， 孙梦娟1，2， 吴曼1
1.青岛科技大学 化工学院， 山东 青岛 266042； 2.江门双碳实验室碳捕集与工业利用中心， 广东 江门 529199
引用格式：
郭庆杰， 陈有琦， 郭拓， 等. 太阳能耦合煤或生物质的化学链燃烧技术研究［J］. 中国粉体技术， 2026， 32（6）： 1-11.
Guo Qingjie， Chen Youqi， Guo Tuo， et al. Research progress on solar-coupled coal- or biomass-fueled chemical looping combustion［J］. China Powder Science and Technology， 2026， 32（6）： 1-11.
DOI：10.13732/j.issn.1008-5548.2026.06.015
收稿日期： 2026-05-07， 修回日期： 2026-10-12， 上线日期： 2026-10-16。
基金项目： 国家自然科学基金项目，编号：22379079； 宁夏自然科学基金项目，编号：2022AAC01001。
第一作者： 郭庆杰（1967—），男，教授，博士，博士生导师，泰山学者特聘教授、国家百千万人才，研究方向为化学链技术，碳捕集与利用、流态化工程。E-mail：qingie.guo@vip.sina.com。
摘要： 【目的】 聚焦“双碳”目标与化石能源依赖带来的气候及能效挑战，开展太阳能耦合化学链燃烧技术研究，以实现燃烧中CO2的内分离与能源的高效转化，最终达成系统全工况低碳或负碳排放与㶲效率协同提升的优化目标。 【研究现状】 综述针对单一载氧体颗粒易烧结、活性低等瓶颈所引入的复合高活性金属或掺杂改性策略，以及载氧体颗粒在复杂生物质热解气氛下的多相界面退化机制；概括太阳能多物理场耦合系统下的动态响应特征；总结引入太阳能辅助供热在降低系统不可逆损失与整体碳足迹、实现近100%碳捕集效率、显著跃升合成气产率及能量升级因子等方面的巨大应用潜力。 【结论与展望】 提出未来须重点聚焦高性能抗磨损复合载氧体颗粒开发，尤其是攻克非稳态光热响应与抗失活难题、反应器智能放大及多能源全链条融合技术；认为化学链燃烧与太阳能、复杂固体燃料的协同耦合是构建未来低碳能源架构的关键底层技术，这将为其迈向热输入功率为10 MW及以上规模的工业示范提供核心技术支撑，推动太阳能耦合化学链燃烧技术在低碳高效发电与负碳排放领域的发展。
关键词： 化学链燃烧； 生物质； 太阳能； 载氧体； 碳捕集； 能效提升； 多能互补
Abstract
Significance To achieve the carbon peaking and carbon neutrality goals， low-carbon conversion technologies for coal and biomass fuels that combine high energy efficiency with inherent CO2 capture are urgently needed. Chemical looping combustion （CLC） uses metal oxide oxygen carriers circulating between a fuel reactor and an air reactor to transfer lattice oxygen to fuels， so that CO2 is inherently separated from N2 without an energy-intensive gas separation step. Coupling CLC with concentrated solar energy enables solar heat to drive the endothermic pyrolysis， gasification， and oxygen carrier reduction reactions in the fuel reactor， thereby storing intermittent solar energy as chemical energy in syngas or reduced oxygen carriers. When biomass is used as the fuel， negative carbon emissions can be further achieved. This review aims to clarify how solar energy can be coupled with coal- or biomass-fueled CLC to realize internal CO2 separation， efficient energy conversion， and the coordinated improvement of carbon emission reduction and exergy efficiency.
Progress First， the basic principles of CLC and the different reaction characteristics of coal and biomass are summarized， including the high fixed carbon content and sulfur-induced deactivation associated with coal and the high volatile content and alkali-metal- and alkaline-earth-metal-induced agglomeration associated with biomass. Second， the design criteria of oxygen carriers for solar-coupled solid-fuel CLC are discussed in terms of photothermal response， thermochemical stability， reaction kinetics， economic performance， and catalytic activity. The performance of Ni-， Fe-， Cu-， and Mn-based oxygen carriers， as well as composite oxygen carriers， is compared. Composite and doping modification strategies for overcoming the susceptibility to sintering and low activity of single oxygen carriers， as well as the degradation of oxygen carriers in complex biomass pyrolysis atmospheres， are also reviewed. Third， the release mechanism of lattice oxygen is analyzed， and the photothermal and nonthermal photochemical effects under concentrated solar irradiation， which accelerate oxygen ion diffusion and oxygen vacancy formation， are discussed. Finally， representative solar-coupled systems， such as solar-driven biomass chemical looping gasification systems and solar-assisted biomass chemical looping gasification combined-cycle power generation systems， are reviewed together with their techno-economic performance. Solar-assisted heating can reduce the irreversible losses and carbon footprint of the system， achieve a carbon capture efficiency of nearly 100%， and significantly increase the syngas yield and energy upgrade factor. Techno-economic analyses show that the levelized cost of CO2 of biomass CLC can decrease to 73.04-87.32 €/t at near-industrial scale， and that CLC becomes competitive with conventional carbon capture technologies when the CO2 price reaches 60-100 €/t.
Conclusions and Prospects The coupling of CLC with solar energy and complex solid fuels is a key technology for developing future low-carbon energy systems， but its industrial application is still limited by insufficient solar absorptivity and insufficient long-term stability of oxygen carriers， the non-uniform temperature fields in solar reactors， the dynamic mismatch between intermittent solar input and continuous operation， and the lack of reliable engineering cost data. Future research should focus on developing high-performance， wear-resistant composite oxygen carrier particles that can withstand unsteady photothermal loads and resist deactivation， scaling up photothermal fuel reactors with the aid of computational fluid dynamics and multiphysics simulations， and integrating multiple energy sources across the entire chain based on techno-economic assessment. These efforts will provide technical support for the industrial demonstration of solar-coupled CLC with a thermal input power of 10 MW and above， and will promote the development of this technology for low-carbon， high-efficiency power generation and negative carbon emissions.
Keywords： chemical looping combustion； biomass； solar energy； oxygen carrier； carbon capture； energy efficiency improvement； multi-energy complementarity
参考文献（References）
［1］孟庆龙. 密度泛函理论在化学链燃烧的应用［J］. 工业加热， 2022， 51（8）： 1-8.
Meng Qinglong. Application of density functional theory in chemical looping combustion［J］. Industrial Heating， 2022， 51（8）： 1-8.
［2］李振山， 陈虎， 李维成， 等. 化学链燃烧中试系统的研究进展与展望［J］. 发电技术， 2022， 43（4）： 544-561.
Li Zhenshan， Chen Hu， Li Weicheng， et al. Research status and prospect of chemical looping combustion pilot systems［J］. Power Generation Technology， 2022， 43（4）： 544-561.
［3］张涛， 宋涛. 化学链燃烧技术研究进展［J］. 电力科技与环保， 2024， 40（6）： 582-590.
Zhang Tao， Song Tao. Research progress of chemical looping combustion［J］. Electric Power Technology and Environmental Protection， 2024， 40（6）： 582-590.
［4］Jafarian M， Arjomandi M， Nathan G J. A hybrid solar and chemical looping combustion system for solar thermal energy storage［J］. Applied Energy， 2013， 103： 671-678.
［5］Jafarian M， Arjomandi M， Nathan G J. Influence of the type of oxygen carriers on the performance of a hybrid solar chemical looping combustion system［J］. Energy & Fuels， 2014， 28（5）： 2914-2924.
［6］Bellouard Q， Rodat S， Grateau M， et al. Solar biomass gasification combined with iron oxide reduction for syngas production and green iron metallurgy［J］. Frontiers in Energy Research， 2020， 8： 66.
［7］Sahoo U， Kumar R， Pant P C， et al. Resource assessment for hybrid solar-biomass power plant and its thermodynamic evaluation in India［J］. Solar Energy， 2016， 139： 47-57.
［8］龙周禾， 徐祖伟， 邹祥波， 等. 火焰合成Pt修饰CuO氧载体低温化学链燃烧特性［J］. 燃烧科学与技术， 2024， 30（1）： 61-68.
Long Zhouhe， Xu Zuwei， Zou Xiangbo， et al. Low temperature chemical looping combustion characteristics of Pt modified CuO oxygen carrier by flame synthesis［J］. Journal of Combustion Science and Technology， 2024， 30（1）： 61-68.
［9］Xu Dequan， Wang Bo， Li Xian， et al. Solar-driven biomass chemical looping gasification using Fe3O4 for syngas and high-purity hydrogen production［J］. Chemical Engineering Journal， 2024， 479： 147901.
［10］Chen Jing， Kong Hui， Wang Hongsheng. A novel high-efficiency solar thermochemical cycle for fuel production based on chemical-looping cycle oxygen removal［J］. Applied Energy， 2023， 343： 121161.
［11］Qiu Yu， Zeng Dewang， Xiao Rui. Hydrogen production from biomass-based chemical looping： a critical review and perspectives［J］. Energy & Fuels， 2024， 38（15）： 13819-13836.
［12］白歆慰， 刘金昌， 白磊. 煤化学链燃烧载氧体研究进展［J］. 洁净煤技术， 2021， 27（2）： 31-44.
Bai Xinwei， Liu Jinchang， Bai Lei. Recent advances in oxygen carriers for chemical looping combustion of coal［J］. Clean Coal Technology， 2021， 27（2）： 31-44.
［13］刘壮， 周劲松， 周启昕， 等. 煤化学链燃烧脱汞研究进展［J］. 洁净煤技术， 2022， 28（8）： 59-68.
Liu Zhuang， Zhou Jinsong， Zhou Qixin， et al. Research progress on mercury removal in chemical looping combustion of coal［J］. Clean Coal Technology， 2022， 28（8）： 59-68.
［14］刘秋祺， 刘敦禹， 王静杰， 等. CuO载氧体对煤化学链燃烧中汞迁移的影响［J］. 动力工程学报， 2023， 43（8）： 1054-1059， 1094.
Liu Qiuqi， Liu Dunyu， Wang Jingjie， et al. Influence of CuO oxygen carrier on mercury migration in coal chemical looping combustion［J］. Journal of Chinese Society of Power Engineering， 2023， 43（8）： 1054-1059， 1094.
［15］穆林， 王帅坦， 王震， 等. 生物质基础组分化学链燃烧特性实验研究［J］. 热科学与技术， 2023， 22（6）： 570-577.
Mu Lin， Wang Shuaitan， Wang Zhen， et al. Experimental research on the chemical looping combustion characteristics of biomass basic components［J］. Journal of Thermal Science and Technology， 2023， 22（6）： 570-577.
［16］Mu Lin， Huo Zhaoyi， Chu Fuxing， et al. Assessment of the redox characteristics of iron ore by introducing biomass ash in the chemical looping combustion process： biomass ash type， constituent， and operating parameters［J］. ACS Omega， 2021， 6（33）： 21676-21689.
［17］魏国兴， 刘涛， 宋方林， 等. 钾修饰铁锆氧载体制备及煤化学链燃烧中钾元素赋存形态探究［J］. 应用化工， 2024， 53（10）： 2338-2344.
Wei Guoxing， Liu Tao， Song Fanglin， et al. Exploration of potassium modification on iron-zirconium oxygen carriers and potassium element forms in coal chemical loop combustion［J］. Applied Chemical Industry， 2024， 53（10）： 2338-2344.
［18］Güleç F， Okolie J A. Decarbonising bioenergy through biomass utilisation in chemical looping combustion and gasification： a review［J］. Environmental Chemistry Letters， 2024， 22（1）： 121-147.
［19］Liang Huijia， Yang Jie， Hou Juan， et al. Reactivity and stability optimization of oxygen carriers in chemical looping systems［J］. Journal of the Energy Institute， 2026， 125： 102456.
［20］倪永明， 邓冀童， 乔韦军， 等. 甲烷化学链燃烧技术中氧载体的研究进展［J］. 低碳化学与化工， 2023， 48（4）： 8-15.
Ni Yongming， Deng Jitong， Qiao Weijun， et al. Research progress on oxygen carrier in chemical-looping combustion of methane［J］. Low-Carbon Chemistry and Chemical Engineering， 2023， 48（4）： 8-15.
［21］盖希坤， 张良佺， 陈纪忠， 等. 铁基载氧体的沼气化学链燃烧反应动力学研究［J］. 高校化学工程学报， 2023， 37（3）： 401-412.
Gai Xikun， Zhang Liangquan， Chen Jizhong， et al. Study on kinetics of biogas chemical looping combustion reaction of iron-based oxygen carrier［J］. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities， 2023， 37（3）： 401-412.
［22］韩爱民， 隋子峰， 张鹏飞， 等. 白云鄂博铁精矿基铜铁复合载氧体化学链燃烧反应性研究［J］. 粉末冶金工业， 2024， 34（3）： 8-14.
Han Aimin， Sui Zifeng， Zhang Pengfei， et al. Study on the chemical chain combustion reactivity of copper-iron composite oxygen carrier prepared by Bayan Obo iron ore concentrate and CuO［J］. Powder Metallurgy Industry， 2024， 34（3）： 8-14.
［23］安阳， 袁思杰， 吴曼， 等. 铁基载氧体煤化学链制氢的强化反应［J］. 中国粉体技术， 2022， 28（1）： 87-94.
An Yang， Yuan Sijie， Wu Man， et al. Enhanced reaction of coal chemical looping hydrogen generation from Fe-based oxygen carrier［J］. China Powder Science and Technology， 2022， 28（1）： 87-94.
［24］朱晓， 沈来宏. 铜基载氧体在化学链燃烧中的循环反应特性研究［J］. 工程热物理学报， 2024， 45（1）： 279-285.
Zhu Xiao， Shen Laihong. Study on long-term redox performance of Cu-based oxygen carrier in chemical looping combustion［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2024， 45（1）： 279-285.
［25］范心瑜， 卢春强， 左慧琮， 等. 铜基载氧体的焦炉煤气化学链燃烧特性［J］. 洁净煤技术， 2024， 30（2）： 244-256.
Fan Xinyu， Lu Chunqiang， Zuo Huicong， et al. Combustion characteristics of coke oven gas chemical looping of copper-based oxygen carrier［J］. Clean Coal Technology， 2024， 30（2）： 244-256.
［26］Huang Yan， Zhu Peiwang， Xu Haoran， et al. Mn-based oxides modified with MnSiO3 for thermochemical energy storage［J］. Chemical Engineering Journal， 2024， 483： 149437.
［27］胡修德， 贾伟华， 杨明明， 等. 钙基复合载氧体-煤化学链气化性能［J］. 中国粉体技术， 2014， 20（6）： 9-13.
Hu Xiude， Jia Weihua， Yang Mingming， et al. Characteristics of coal chemical-looping gasification using Ca-based compound oxygen carriers［J］. China Powder Science and Technology， 2014， 20（6）： 9-13.
［28］狄子琛， 巩盼， 杨凤玲， 等. 化学链燃烧钙基载氧体研究进展［J］. 洁净煤技术， 2022， 28（12）： 30-40.
Di Zichen， Gong Pan， Yang Fengling， et al. Recent advances of calcium-based oxygen carriers for the chemical looping combustion process［J］. Clean Coal Technology， 2022， 28（12）： 30-40.
［29］孔庆峰. 煤化学链燃烧中过渡金属载氧体晶格氧迁移转化特性研究［D］. 南京： 东南大学， 2022： 11-12.
Kong Qingfeng. Characterization of transition metal oxygen carriers’ lattice oxygen migration transformation during chemical looping combustion of coal［D］. Nanjing： Southeast University， 2022： 11-12.
［30］Chen Jiahao， Zhang Jinqiang， Yan Shuai， et al. Light-driven reforming of methane through photothermal catalysis［J］. Nature Reviews Chemistry， 2026， 10（6）： 427-444.
［31］Song Xinjie， Wang Yipeng， Li Yunxia， et al. Enhanced photothermal catalytic NO+CO reaction via Cu/Ce-TiO2 with oxygen vacancies［J］. Molecular Catalysis， 2026， 588： 115554.
［32］Tilland A， Franck-Lacaze L， Schaer E. Kinetic determination of chemical looping combustion reactions in a continuous stirred tank reactor： reduction of the oxygen carrier［J］. Chemical Engineering Science， 2017， 162： 341-354.
［33］Liu Feng， Liu Jing， Yang Yingju. Review on the theoretical understanding of oxygen carrier development for chemical-looping technologies［J］. Energy & Fuels， 2022， 36（17）： 9373-9384.
［34］Mu Lin， Zhao Lin， Hu Tiancai， et al. Modeling and evaluation of biomass-based chemical looping gasification-integrated power generation cycles with focus on energy and exergy analyses and solar energy application［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2021， 60（43）： 15618-15634.
［35］Mu Lin， Xie Pengwei， Hu Tiancai， et al. Parametric modeling and performance assessment of a novel cogeneration system of biomass chemical looping gasification driven by solar energy［J］. Biomass Conversion and Biorefinery， 2025， 15（6）： 9531-9552.
［36］Ngo N K， Smith T， Nathan G， et al. Techno-economic evaluation of solar hybridized biomass gasification polygeneration plants［J］. Energy & Fuels， 2024， 38（3）： 2058-2073.
［37］Cabello A， Abad A， De Las Obras Loscertales M， et al. Techno-economic analysis of chemical looping processes with biomass resources for energy production and CO2 utilization： comparison of CLC and CLOU technologies［J］. Energy Conversion and Management， 2024， 310： 118476.
［38］Fleiß B， Priscak J， Hammerschmid M， et al. CO2 capture costs of chemical looping combustion of biomass： a comparison of natural and synthetic oxygen carrier［J］. Journal of Energy Chemistry， 2024， 92： 296-310.
［39］Zhang Hao， Zhang Xiaomi， Yang Dazhi， et al. Selection of iron-based oxygen carriers for two-step solar thermochemical splitting of carbon dioxide［J］. Energy Conversion and Management， 2023， 279： 116772.
［40］Lu Xiaoli， Lou Jiahui， Zhao Kai， et al. Design of a hemispherical reactor with radiation regulation for efficient solar thermochemical fuel production［J］. Applied Energy， 2025， 399： 126510.
［41］Fang Yu， Liu Taixiu， Liu Kai， et al. Thermodynamic analysis of a solar-driven chemical looping hydrogen and electricity cogeneration system integrating solid oxide fuel cell［J］. Energy Conversion and Management， 2025， 327： 119522.
［42］谢娜， 张政， 诸林， 等. 熔融法甲烷热裂解耦合化学链燃烧技术低碳联产工艺［J］. 石油与天然气化工， 2024， 53（4）： 49-56.
Xie Na， Zhang Zheng， Zhu Lin， et al. Low-carbon co-production process of molten catalytic methane pyrolysis coupled with chemical looping combustion technology［J］. Chemical Engineering of Oil & Gas， 2024， 53（4）： 49-56.
［43］Kur A， Darkwa J， Calautit J， et al. Solid-gas thermochemical energy storage materials and reactors for low to high-tempera-ture applications： a concise review［J］. Energies， 2023， 16（2）： 756.
［44］Liu Cijie， Park J， De Santiago H A， et al. Perovskite oxide materials for solar thermochemical hydrogen production from water splitting through chemical looping［J］. ACS Catalysis， 2024， 14（19）： 14974-15013.
