化学链燃烧(CLC)具有零能耗分离CO2和提高能量转化效率的优势，是当今世界能源环境系统的重要研究方向之一，逐渐被美国、欧盟等一些国家和组织当作优先发展的重要能源环境战略选择。长久以来，高反应速率、高转化率的反应器都是CLC领域重要的研究内容之一。
当前，主流的CLC反应器为固定床反应器和不同组合形式的流化床反应器。对于固定床反应器，因燃料气与载氧体气固接触面积小，存在反应速率慢和燃料转化率低的问题。在流化床反应器中，燃料气与载氧体之间充分混合，气固接触面积大，气固反应速率快。然而，流化床CLC反应器在现阶段主要存在以下技术瓶颈：1)载氧体颗粒在循环流动中磨损严重；2)燃料气的转化率取决于床高，高燃料气转化率需要的床高难以忍受。
针对上述问题，工程热物理研究所分布式供能与可再生能源实验室设计提出了多孔蜂窝型化学链燃烧反应器，如图1所示。与以往CLC反应器不同，多孔蜂窝型载氧体不仅是反应物，而且还是反应器的组成材料。反应器材料与载氧体一体化的特征，增加了载氧体和燃料气的接触面积，形成了燃料气的二维扰动，促进了反应速率场与温度场的协同，具有提升CLC反应速率和燃料气转化率的潜力。基于气固SCM反应模型和平推流模型，研究给出了多孔蜂窝型CLC反应器的反应速率特征方程和设计方法。
在上述研究基础上，进一步研制了国际首套10kW多孔蜂窝型CLC反应器原理样机，并开展了实验研究。实验结果表明：以CH4为燃料气时，相比传统固定床上Ni-基、Fe-基等载氧体的化学链燃烧，载氧体的反应速率提升了3~4倍，达到与流化床反应器相当的水平。同时，与传统流化床反应器上的CLC相比，多孔蜂窝型反应器不仅避免了载氧体的循环流动和磨损，还在维持95%以上的CH4平均转化率时，将反应器床高缩减至前者的一半以内。此外，该多孔蜂窝型CLC反应器已累计连续稳定运行超过1000小时，实验期间，载氧体表现出良好的循环再生性。
上述工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持，相关研究成果为发展清洁能源环境系统提供了一条新的途径。
多孔蜂窝型化学链燃烧反应器装置图