生物质流化床热化学转化模拟研究专题序

库晓珂 王 金 张润辉

(浙江大学工程力学系，杭州 310027)

生物质具有可再生、可产油产气、全生命周期CO2近零排放等优点，而且其原料来源广泛、利用方式与煤炭接近，可用于发电或家用取暖设施，是未来全球化石能源的重要替代品之一。高效开发利用生物质能，对于促进能源供给结构低碳转型，缓解能源紧张，助力实现“双碳”目标都有着重要意义。

生物质能的应用方法可大致分为物理法、热化学法和生物化学法三类。其中，热化学法因其高效、产品丰富、易于规模化等特点成为了一个重要研究和发展方向，主要包括热解、气化、燃烧和液化等技术。常用的转化反应器有固定床、流化床和气流床等类型。其中，流化床反应器凭借热质传输效率高、颗粒混合性能好、操作性强等优点，在生物质热化学转化应用中扮演了重要角色。生物质流化床系统呈现出高温、多相、多组分、多尺度的特征，是一种典型的稠密气固两相反应流，其间包含了多相耦合、多物理过程耦合、多尺度耦合以及多化学反应耦合。此外，转化过程中生物质颗粒还会变形、收缩和破碎等。这一系列复杂性使得对生物质流化床转化机理的认识还很不全面。

实验研究在探索反应器、操作条件和生物质转化性能的相互关系方面已有了较多成果。然而实验研究往往具有黑箱效应，难以对生物质颗粒运动行为和反应细节进行清晰和全流场的捕捉。因此，在机理揭示方面，数值模拟已成为一种重要手段。当前用于生物质热化学转化过程的数值方法主要有热力学平衡或化学动力学模拟、过程模拟和计算流体力学(CFD)模拟等。其中，CFD模拟通过系统地构建稠密气固两相反应流模型，能够较为完整地还原流化床内的气固流动、物料分布、热质传输和化学反应过程。根据对颗粒相处理方式的不同，现有的CFD模型可分为欧拉–欧拉法和欧拉–拉格朗日法两类。欧拉–欧拉法(如多流体模型)将气相和颗粒相都视为连续介质，用统一的控制方程求解其运动和输运过程。尽管该方法计算效率高，但其在颗粒尺度建模上还面临很大挑战。相反，欧拉–拉格朗日方法只将流体相处理为连续相而将颗粒相处理为离散相，并且单独追踪每个颗粒的运动和演化，因而在解析生物质颗粒多分散性、收缩、滞留时间和反应特性等方面具有天然优势。欧拉–拉格朗日方法的典型代表有计算流体力学–离散单元法(CFD–DEM)和多相质点网格法(MP–PIC)。

近年来，生物质流化床热化学转化模拟研究发展迅速，取得了很多创新性成果。但是，生物质颗粒具有许多独有特性，比如组成成分复杂、颗粒非球形形状、灰分催化活性等，其相关模型和应用仍在不断发展和完善中。因此，本专题特邀相关的专家学者，分享交流最新模拟研究成果，以加深对生物质流化床转化机理的认识。具体内容如下所述。

在生物质化学链气化方面，郭月等提出了一种化学链分级气化装置，其中，燃料反应器由下部的气化反应器和上部的重整反应器串联而成，中间由矩形狭缝连接。作者基于MP–PIC方法建立了三维模型，探究了表观气速和狭缝宽度对颗粒通量的影响规律。模拟结果表明，颗粒通量随表观气速的增加而增加，随狭缝尺寸的增加而减小。这些结论为后续改进反应器结构提供了参考。

焦油转化问题是当前生物质流化床热解模拟研究中的一大难题。为了拓宽现有模型的适用范围，陈涛等基于分子动力学模拟开发了一种焦油二次裂解预测模型，并将其植入CFD–DEM中模拟研究了600℃～800℃条件下生物质流化床热解产物的变化规律和焦油裂解特性。结果显示升高热解温度提高了小分子挥发分的含量而降低了焦油和生物炭的含量；焦油组分在靠近壁面附近聚集，且其含量沿高度方向逐渐降低。这些发现有助于揭示生物质流化床热解机理。

颗粒的微观尺度行为，如颗粒混合、传热、传质等，详细地反映了生物质转化过程中气固流动和化学反应特性。孔大力等在CFD–DEM中耦合了多分散曳力模型，从颗粒尺度对生物质流化床气化特性开展了研究，揭示了操作参数对颗粒运动、传热模式以及反应特性的影响规律。模拟结果表明气泡动力学在流态演变过程中发挥了重要作用；生物质气化过程中对流传热占主导地位；提高工作温度或生物质/水蒸气比对传热和化学反应具有促进作用。谢俊和牛淼淼同样采用CFD–DEM研究了生物质流化床燃烧过程中的传热特性，并分析了挥发分含量对传热模式的影响。研究发现，挥发分含量的升高增强了对流传热和颗粒间导热，削弱了颗粒与壁面间的导热；床内热点温度由燃料挥发分燃烧引起。这些研究结果有助于理解生物质流化床热化学转化的微观机理，并且对相关工艺流程的优化有着重要指导意义。