氧气是一种重要的化工原料,在冶金、化工、能源、国防以及医疗保健行业等都有广泛的应用,2013年全球氧气的产量约为1073亿m³。空分制氧是目前最主要的制氧方法,主要包括低温精馏、变压吸附和膜分离,三种制氧技术均具有能耗高、制备氧气成本高的缺点。化学链制氧是一种新颖的空分制氧技术,具有能耗低、成本低、操作简单等优点,其原理是利用载氧体在释氧反应器中发生释氧反应,生成氧气,释氧后的载氧体在氧化反应器中吸收空气中的氧气得以氧化再生。化学链制氧既可制备纯氧又可制备富氧气体。本文针对化学链制氧技术开展了热力学分析、载氧体制备参数和制备方法优选、动力学分析、热态实验模拟、制氧流程模拟及能耗分析等方面的应用基础研究。主要研究内容和获得结果如下:（1）从反应吉布斯自由能变、平衡氧气分压以及与水蒸气、二氧化碳反应性等方面考虑,对适用于化学链制氧技术的单金属氧化物载氧体的活性成分和惰性载体进行了热力学选取,并从载氧率、价格、反应速率、氧化再生性等方面综合考虑,确定铜基载氧体作为本文的研究对象;铜基载氧体适合的惰性载体主要包括:TiO₂、ZrO₂、SiO₂、MgAl₂O₄等;基于吉布斯自由能最小化原理,对铜基载氧体制氧过程进行了热力平衡计算,研究了水蒸气以及烟气中CO、NO、CO₂、SO₂等成分对铜基载氧体制氧反应的影响,在释氧温度区间内,水蒸气及烟气中的成分均不会对铜基载氧体制氧反应产生影响;确定了铜基载氧体适宜的释氧温度以及空气氛围下适宜的吸氧温度。（2）基于热重测试、物相分析、表面形貌、比表面积以及机械强度测试等表征手段,研究了制备方法、煅烧温度、煅烧时间、惰性载体种类和惰性载体添加比例等制备参数对载氧体物理和化学性能的影响,研究发现,机械混合法和溶胶凝胶法制备载氧体物理和化学性能相差不大;煅烧温度对铜基载氧体物理和化学性能影响较大,随煅烧温度升高,制备载氧体机械强度增大、比表面积减小、释氧速率变慢;煅烧时间对载氧体物理和化学性能影响较小;不同制备方法和制备参数下制备的铜基载氧体均保持了物相的稳定性且具有较小的比表面积;MgAl₂O₄和ZrO₂作为惰性载体制备的铜基载氧体具有较好的释氧和吸氧特性。（3）在STA409PC综合热分析仪上研究了升温速率、氧气浓度、反应温度、颗粒直径等因素对铜基载氧体释氧和吸氧性能的影响规律,研究发现,随升温速率增加,载氧体释氧和吸氧反应起始温度、终止温度、峰值温度均向高温方向移动,但反应完成时间缩短,反应速率增加;随氧气浓度增加,载氧体释氧反应起始温度逐渐增加,但反应完成时间缩短,反应速率增加;氧气浓度对载氧体吸氧反应影响不大,释氧后的载氧体可在较低氧气浓度下实现氧化再生;随反应温度增大,载氧体释氧反应速率逐渐增大,吸氧温度低于850℃时,随反应温度增大,吸氧反应速率逐渐增大,吸氧温度高于850℃时,随反应温度增大,吸氧反应速率逐渐减小;颗粒直径对载氧体释氧和吸氧反应影响较小;四种不同类型铜基载氧体释氧性能强弱为:Cu/Mg>Cu/Zr>Cu/Ti>Cu/Si,吸氧性能相差不大;不同循环次数下铜基载氧体释氧或吸氧反应完成时间基本相同。（4）以热重实验数据为基础,建立了铜基载氧体释氧和吸氧反应的动力学模型,等转化率法求得不同惰性载体种类和添加比例下制备的铜基载氧体释氧反应活化能为145～163kJ/mol,吸氧反应活化能为38～46kJ/mol;主函数法确定不同的惰性载体类型和添加比例下制备的铜基载氧体释氧反应机理以及吸氧反应机理均为成核和核增长机理,释氧反应为:f（α）= 3（1-α）[-ln（1-α）]^2/3;吸氧反应为:f（α）= 1.5（1-α）[-ln（1-α）]^1/3。（5）在自行搭建的固定床热态实验平台上对连续制氧过程进行了热态实验模拟,研究了反应温度、气体流量、氧气浓度等操作参数对载氧体释氧和吸氧反应特性的影响,研究发现,随反应温度升高,出口氧气浓度逐渐增大,释氧反应完成时间逐渐减小,释氧反应速率逐渐增大;随反应温度升高,吸氧反应速率逐渐降低;随气体流量增大,载氧体释氧和吸氧反应速率都逐渐增大,但释氧阶段出口氧气浓度最大值维持在平衡氧气分压值附近;随惰性载体添加比例增大,载氧体释氧和吸氧反应完成时间逐渐缩短,但释氧和吸氧反应速率逐渐减小;三种惰性载体制备铜基载氧体的释氧和吸氧反应速率顺序为:Cu/Mg>Cu/Zr>Cu/Si载氧体;载氧体的释氧和吸氧反应均分为快反应和慢反应阶段。（6）在固定床热态实验平台上对制备铜基载氧体的循环稳定性能进行了测试并对载氧体失活的原因进行了分析,研究发现,1000℃释氧,900℃吸氧时,保证铜基载氧体不失活的MgAl₂O₄添加比例应大于50wt.%,ZrO₂和SiO₂添加比例应大于60wt.%,当惰性载体添加比例小于以上数值时,载氧体出现失活现象;基于物相分析、比表面积测试、表面形貌测试和能谱分析,对载氧体失活的原因进行了分析,研究发现,循环过程中没有新的物相生成,活性成分的量未减少;循环后铜基载氧体比表面积有所增大;循环后铜基载氧体颗粒表面Cu元素增多,载氧体表面活性成分的增加导致载氧体颗粒之间以CuO/Cu₂O为桥梁发生粘连、团聚,增加了气体扩散的阻力,导致反应速率变慢,载氧体失活。（7）在热量分析和压力分析基础之上,设计了化学链制备纯氧的流程,研究了释氧温度、吸氧温度、释氧压力、吸氧压力等参数对制氧能耗的影响,研究发现,随释氧温度升高、吸氧温度降低,制氧能耗逐渐降低,且氧化反应器和释氧反应器温差越小,制氧能耗越低;随释氧压力降低,制氧能耗逐渐降低,而随吸氧压力升高,制氧能耗先降低后升高。