A、羊毛的主要成分是蛋白质，燃烧后有烧焦羽毛的味道，所以可用灼烧的方法区别棉花和羊毛，故A正确；

　　B、二氧化碳溶于水形成碳酸，碳酸显酸性，氨气溶于水显碱性，所以可用润湿的pH试纸区别CO2和NH3，故B正确；

　　C、硝酸铵溶于水吸热温度降低，氢氧化钠溶于水放热温度升高，氯化钠溶于水没有明显的能量变化，温度不变，所以可用水鉴别NH4NO3、NaOH、NaCl三种固体，故C正确；

　　D、铁和硫酸铜溶液生成铜和硫酸亚铁，所以不能按溶解、过滤、蒸发的主要操作顺序分离Fe和CuSO4的固体混合物，故D错误．

　　故选：D．